1、第31卷第1期2003年2月石油鉆探技術(shù)PET ROLE UM DRILLING T ECHNIQUESVol.31,No.1Feb.,2003收稿日期:2002-04-23作者簡介:蔡利山(1963,男,1983年畢業(yè)于長春地質(zhì)學校鉆探工程專業(yè),工程師。聯(lián)系電話:(05342670172固井與泥漿鉆井液潤滑劑潤滑能力影響因素分析與評價蔡利山,趙素麗(中石化石油勘探開發(fā)研究院德州石油鉆井研究所,山東德州253005摘要:鉆井液潤滑劑的主要功用是降低泥餅的摩擦,減少粘附卡鉆和扭矩傳遞損失,工作環(huán)境不同,潤滑劑的潤滑效果相差很大。通過潤滑劑性能的評價,找出了影響潤滑劑潤滑效果的因素及其影響程度,為

2、現(xiàn)場正確評價和使用潤滑劑提供了依據(jù)。關(guān)鍵詞:潤滑劑;鉆井液;潤滑;摩擦;評價;實驗室試驗中圖分類號:T E254+.4文獻標識碼:B文章編號:1001-0890(200301-0044-03鉆井液潤滑劑在所有的鉆井液助劑中,就其性質(zhì)及所起作用而言,屬于獨立性相對較強的一類添加劑。而對其是否有防止粘卡的作用有兩種觀點:第一種觀點認為,鉆井液潤滑劑降低了鉆柱與泥餅(地層之間的摩擦阻力和鉆柱旋轉(zhuǎn)時的扭矩,從而能有效地減少粘附卡鉆發(fā)生的幾率;第二種觀點認為,由于與摩擦系數(shù) 是在物體有相對運動特征的條件下所測定的,所以粘附卡鉆一旦發(fā)生,粘卡力的大小即與 值無關(guān)1。筆者不對此作過多的討論,只在客觀情況下對

3、鉆井液體系中的各種因素變化對潤滑劑使用效率的影響進行實驗評價,以便為現(xiàn)場能夠更加有效地使用潤滑劑提供一些有益的參考。1實驗用儀器的選擇室內(nèi)及現(xiàn)場評價鉆井液潤滑性能所使用的儀器主要有三種:壓差式摩擦系數(shù)測定儀、滑塊式摩擦系數(shù)測定儀和極壓潤滑系數(shù)測定儀。使用最多的是青島產(chǎn)的NF-1型摩擦系數(shù)測定儀,該儀器主要測量在常溫條件下、模擬井下存在壓差時鉆具與泥餅之間的摩擦系數(shù)。實驗時首先按API規(guī)定方法在濾紙上形成泥餅,之后將壓差增至3.5M Pa,根據(jù)作業(yè)或?qū)嶒灥膶嶋H需要靜止規(guī)定的時間,測定摩擦系數(shù)。該儀器的最大優(yōu)點是可以比較好的模擬鉆柱與泥餅之間發(fā)生的摩擦;缺點是測定數(shù)據(jù)的重復性差,因測定人不同或?qū)嶒?/p>

4、操作時有較小的差異(如加壓、粘附過程的操作不當,導致一組平行實驗結(jié)果有很大差別,誤差可達到50%90%或更高。常用的滑塊式摩擦系數(shù)測定儀是青島產(chǎn)的NZ-3型摩擦系數(shù)測定儀,它以金屬滑塊在泥餅上產(chǎn)生滑動時的最小摩擦角的正切值評價泥餅的潤滑能力。其優(yōu)點是使用方便,數(shù)據(jù)的重復性好;其缺點是由于它無法模擬和判斷壓力狀態(tài)下泥餅的潤滑能力,一旦井眼較深(井深超過2500m時,數(shù)據(jù)就基本失去了參考意義。該儀器測得的結(jié)果多用于定性判斷泥餅潤滑性的優(yōu)劣。極壓潤滑儀早期主要用于評價牙輪鉆頭軸承用極壓潤滑劑的性能,目前主要用于大斜度定向井和水平井鉆井液潤滑劑的性能評價。其操作簡單、數(shù)據(jù)重復性好、測試數(shù)值分布范圍合理

5、。筆者選用了Baro id公司產(chǎn)的3M128型極壓潤滑儀進行潤滑劑的評價實驗。2實驗評價采用膨潤土含量為50g/L的人工鈉土漿作為基準評價用漿,對RH-99D型(華北產(chǎn)、GR-1型(德州產(chǎn)、L-SA S(勝利產(chǎn)、SNR-1型(勝利產(chǎn)、RH-3型(華北產(chǎn)潤滑劑和高級潤滑油(市售6種產(chǎn)品進行評價。實驗時首先將各種潤滑劑按預(yù)定量加入,然后于高速攪拌機上攪拌10m in,盛放于帶蓋容器中,在室溫下老化16h,測摩擦系數(shù)前高速攪拌5m in。2.1幾種潤滑劑潤滑性能對比測分別加入6種潤滑劑的鉆井液的摩擦系數(shù),評價其潤滑性能的優(yōu)劣。實驗結(jié)果表明,所選6種潤滑劑中以L-SAS型和SNR-1型潤滑劑的潤滑性為

6、好, SNR-1型潤滑劑最好,當其加量為1%時,摩擦系數(shù)降低率可達86%以上;機械用高級潤滑油在膨潤土漿中的潤滑效果最差,加量達3%時,摩擦系數(shù)降低率為78%,再增大加量摩擦系數(shù)的降低程度很小。2.2不同固相對潤滑性能的影響固相物質(zhì)是組成鉆井液的主體材料,在施工現(xiàn)場使用的鉆井液中,除為滿足鉆井液各種性能指標而添加的商業(yè)膨潤土以外,還有加重劑、劣質(zhì)土(巖屑粉、鉆屑以及其它的水不溶固相顆粒。加入到鉆井液中的潤滑劑通過吸附固相顆粒,使固相顆粒的表面性質(zhì)發(fā)生改變,來降低摩擦系數(shù)2。然而各種固相顆粒由于種類、數(shù)量等因素的不同,潤滑劑對其表面的改變效率肯定存在很大的差異,因此有必要評價固相對潤滑劑潤滑性能

7、的影響。從6種潤滑劑中選取了潤滑效果最好的SNR-1型潤滑劑、中間的RH-3型潤滑劑和最差的潤滑油進行評價實驗。2.2.1膨潤土含量對潤滑性能的影響(結(jié)果見表1表1膨潤土含量對潤滑性能影響評價膨潤土含量/g L-110080604020 1%S NR-10.270.200.140.090.021%RH-30.330.220.150.100.051%潤滑油0.350.310.250.210.13實驗結(jié)果表明,鉆井液的潤滑作用會隨著膨潤土含量的升高而下降。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)推斷,鉆井液中膨潤土含量不宜大于60g/L,在3050g/L較好,這也正是鉆井液各項性能維護的最佳范圍。2.2.2劣質(zhì)土含量對潤滑性

8、能的影響(結(jié)果見表2表2劣質(zhì)土含量對潤滑性能影響評價劣質(zhì)土含量/g L-1500400300200100 1%S NR-10.480.450.410.300.231%RH-3>0.500.490.470.380.271%潤滑油>0.500.500.37實驗結(jié)果表明,劣質(zhì)土對于鉆井液潤滑性能的影響規(guī)律與膨潤土相同。從鉆井液的潤滑性方面考慮,劣質(zhì)土含量的極限值約為400g/L,但在實際使用中,當其含量大于300g/L時,即應(yīng)調(diào)整維護鉆井液潤性能。2.2.3加重材料對潤滑性能的影響(結(jié)果見表3表3加重材料對潤滑性能影響評價鉆井液密度/kg L-1 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0

9、1%S NR-10.090.200.260.300.331%RH-30.120.240.290.350.411%潤滑油0.420.440.48>0.50實驗結(jié)果表明,加重材料對于鉆井液潤滑性能的影響程度明顯低于劣質(zhì)土,當鉆井液密度達到1.8 kg/L時,體系中總固含的體積百分數(shù)相當于劣質(zhì)土含量為800g/L時的數(shù)值,但其摩擦系數(shù)卻低于劣質(zhì)土含量為500g/L時的摩擦系數(shù)。當然,加重劑亦屬于固相的一種,因此對于潤滑性能的影響表現(xiàn)出與前面相同的規(guī)律,這也是使用高密度鉆井液時泥餅潤滑問題變得比較突出的主要原因。2.2.4劣質(zhì)土與加重劑同時存在時對潤滑性能的影響(結(jié)果見表4表4劣質(zhì)土與加重劑混合

10、后對潤滑性能影響評價鉆井液密度/kg L-1 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 1%S NR-10.110.170.210.230.281%RH-30.150.190.250.270.301%潤滑油0.400.48>0.5注:劣質(zhì)土含量固定為200g/L。實驗結(jié)果表明,劣質(zhì)土與加重劑同時存在時,對鉆井液潤滑性能的影響程度低于只有劣質(zhì)土存在的情況?？梢妼嶋H操作時應(yīng)當把由劣質(zhì)土所引起的摩擦系數(shù)升高作為主要矛盾對待,解決的最根本措施是用好固控設(shè)備。2.3鹽對潤滑性能的影響(結(jié)果見表5表5鹽對潤滑性能影響評價鹽含量,%2468101%S NR-10.200.330.390.440.481%

11、RH-30.240.360.410.461%潤滑油0.470.50實驗結(jié)果表明,鉆井液中含有鹽時,其潤滑性能將會降低,且隨含鹽量的增大,鉆井液的潤滑性能呈下降趨勢,當鹽含量達到6%時,加入潤滑油的鉆井液的摩擦系數(shù)就已大于0.5。因此為了保持鉆井液潤滑性正常,當體系的含鹽量超過5%時,應(yīng)適當加大潤滑劑的使用量,一般增大一倍即可獲得較好的潤滑效果。2.4聚合物FA367對潤滑性能的影響(結(jié)果見表6表6聚合物對潤滑性能影響評價聚合物含量,%0.100.150.200.250.301%S NR-10.130.110.100.080.051%RH-30.130.130.140.150.171%潤滑油0.

12、230.260.280.290.33實驗結(jié)果表明,聚合物對潤滑劑潤滑能力的影響可能表現(xiàn)為加強,也可能表現(xiàn)為降低,這除了與潤滑劑的性能、種類有關(guān)外,還可能與聚合物的種類有關(guān),這有待于進一步的實驗驗證。2.5溫度對鉆井液潤滑能力的影響(結(jié)果見表7表7溫度對潤滑性能影響評價溫度/°C20801201%S NR-10.020.020.031%RH-30.040.040.051%潤滑油0.220.220.27市售潤滑劑的抗溫能力一般均大于180°C,而普通陸地鉆井井下溫度很少超過200°C,在該范圍內(nèi)溫45第31卷第1期蔡利山等:鉆井液潤滑劑潤滑能力影響因素分析與評價度變化

13、對于鉆井液潤滑性能的影響不大。目前已投入工業(yè)應(yīng)用的潤滑劑中,部分產(chǎn)品的抗溫能力已超過250°C 3,因此除非在很高的溫度條件下(>220°C,一般可不考慮溫度對潤滑性能的影響。3結(jié)論1所有的固相(產(chǎn)自地層均會降低潤滑劑的潤滑效果。2無機鹽能夠降低潤滑劑的潤滑效果,因此在使用鹽水鉆井液時,潤滑劑的使用量應(yīng)當比淡水鉆井液高0.51.0倍。3高分子聚合物可能提高也可能降低潤滑劑的潤滑效果,這取決于潤滑劑與聚合物的配伍、潤滑劑種類、質(zhì)量等因素。4一般情況下,溫度對于潤滑劑的性能影響不大,在一定的溫度范圍內(nèi)(不超過潤滑劑的使用溫度,溫度的升高大都有利于改善潤滑效果。參考文獻1王

14、文超.對鉆井工程防粘卡的新認識J.石油鉆探技術(shù),1998,26(4:15162萬緒新.水平井優(yōu)化的幾點思考J.石油鉆探技術(shù),1999,27(2:28293李德江.鉆井液潤滑劑的現(xiàn)狀及發(fā)展方向J .石油鉆探技術(shù),1998,23(2:3538Analysis and Evaluation of Influence Factorsof Lubricating Ability of Lubricants for Drilling FluidsCai Lishan ,Zhao Suli(D ez hou Petr oleum D rilling Resear ch I nstitute ,E &

15、P Resear ch I nstitute ,Sinop ec .,S hand ong ,253005,China Abstract :T he main purpo ses of drilling fluid lubricants are to decr ease friction of mud cakes and reduce differential sticking as w ell as torque transmission loss.If the wo rking condition is different,the lubricating ef-fect is also d

16、ifferent .T hrough the evaluations o f the pro perties of lubricants ,the influence factors &degrees of lubricating effects have been found,w hich pro vides the corr ect references for field use and ev aluations.Key words :lubr icant;drilling fluid;lubricatio n;friction;evaluation;lab test石油鉆探技術(shù)

17、向石油工程界誠征廣告石油鉆探技術(shù)創(chuàng)刊于1973年,由中國石化石油勘探開發(fā)研究院德州石油鉆井研究所主辦。歷經(jīng)30年滄桑與變化,作為中國石油天然氣工業(yè)科學鉆井20年的見證人和記載者,她對促進鉆井科研成果轉(zhuǎn)化及國內(nèi)外科技交流起了不可低估的重要作用。她于80年代成為全國中文核心期刊至今;于90年代成為國際工程技術(shù)類核心期刊。她還是中國科技論文統(tǒng)計源歷年用刊,北京地區(qū)首次全優(yōu)科技期刊,美國石油文摘、工程索引和國際期刊指南等文獻檢索系統(tǒng)常年收錄的重要期刊。本刊自1991年試辦、1993年開辦彩色廣告以來,成效顯著,已成為石油、海洋、地礦、機電、化工、輕工、冶金、煤炭、軍工、建材、信息等行業(yè)科技人員聯(lián)系的紐帶,是石油天然氣行業(yè)走向市場的橋梁和迎接21世紀的使者,是科研人員交流信息的園地和高校師生了解現(xiàn)場的益友。希望石油工程界的有志之士把握商機,與我們一起攜手迎接跨世紀挑戰(zhàn)、共創(chuàng)美好未來。本刊廣告刊出及時,收費合理,采用彩色桌面系統(tǒng)制作高精度彩頁與插頁。廣告客戶可以自行設(shè)計版式,也可以委托編輯部代理設(shè)計(本刊不另收設(shè)計費。歡迎隨時聯(lián)系廣告業(yè)務(wù)。真誠希望在本刊出現(xiàn)貴單位的形象及產(chǎn)品廣告。請隨時與本刊編輯部聯(lián)系廣告,以便及時安排。聯(lián)系地址:山東省德州市東風東路35號編輯