清洁润滑快钻剂CLSD的研制及性能评价

杨倩云， 王宝田， 蔡勇， 李秀灵， 袁丽

清洁润滑快钻剂CLSD的研制及性能评价

杨倩云， 王宝田， 蔡勇， 李秀灵， 袁丽

（中石化胜利石油工程有限公司钻井工程技术公司，山东东营257064）

杨倩云，王宝田，蔡勇，等.清洁润滑快钻剂CLSD的研制及性能评价[J].钻井液与完井液，2017，34（2）：33-38.

YANG Qianyun, WANG Baotian, CAI Yong, et al.Development and evaluation of drilling detergent lubricant CLSD as fastdrilling agent[J].Drilling Fluid & Completion Fluid，2017，34（2）：33-38.

清洁润滑快钻剂CLSD以废弃油脂为原料，在确定其合成工艺和技术参数基础上而制得，室内性能评价结果表明其具有优良的综合性能：配伍性良好，基本不影响流变性，能适当降低中压滤失量；接触角为170.5°，亲油疏水性强，清洁润湿性好，容易吸附在金属表面铺展形成油膜；0.4%浓度时表面张力降低率为68.69%，使钻井液更容易渗入钻头冲击井底岩石时所形成的微裂缝中，降低储层水锁伤害；极压润滑系数降低率为91.83%，泥饼黏附系数降低率为62.67%，且随着温度的升高，润滑性增强，能降低扭矩及钻井液摩擦力；抑制性强，抗饱和NaCl；抗温达160 ℃，而且高温热滚后基本不起泡，随着井深增加钻井液性能稳定，适用于深井或超深井；能减小压持效应，提高钻速，室内钻井模拟其机械钻速提高率可达35.2%。

快钻剂；废弃油脂；提速；清洁润湿；润滑性；饱和盐水；高温

深井深部井段和高密度钻井液机械钻速慢已成为影响勘探开发速度的主要技术瓶颈之一。为了提高钻进速度，相继开发了几种快钻剂产品，但存在综合性能较低的缺点，对钻井液流变性影响较大；能够满足的密度和温度条件较低，处理剂抗温性较差，不能满足高密度（1.60 g/cm3以上）环境下保持井眼清洁，大幅度提高速度的要求；而且加入钻井液后易起泡，尤其是在高温条件下起泡非常严重；此外制造单体主要来源于不能降解的矿物油类，对环境污染大，荧光级别高，影响地质录井。笔者以废弃油脂为原料，研制了绿色环保的清洁润滑快钻剂，以提高快钻剂的综合性能，避免其在高温下起泡、降低成本、应用于高密度环境下，防止钻头泥包，提高钻头的钻进效率[1-9]。

1 新型快钻剂的室内合成

在优选出合适的废弃油脂基础上，通过加入适当的催化剂并确定其加量，摸索出合理的反应温度和反应时间，将废弃油脂二次酯化改性，去其皂化效应，并提高其润滑性。最后确定快钻因子组分及其加量，以提高其润湿性、渗透性和抗温能力，从而研制出清洁润滑快钻剂CLSD。将相同浓度的CLSD与市售防泥包剂NB1和钻速提高剂KS2进行润滑性和起泡率的比较，结果见表1。从表1看出，与同类产品相比，新制备的CLSD润滑性能优于市售产品的性能，且常温和高温热滚后不起泡。

表1 CLSD与类似产品性能对比实验

2 清洁润滑快钻剂CLSD性能评价

2.1 润湿性评价

2.1.1 CLSD对钻具的疏水性

采用DSA100M光学接触角测量仪，测得蒸馏水、CLSD、NB1和KS2在不锈钢片上的接触角[10]分别为57.3°、170.5°、168.17°、173°。可以看出，CLSD的接触角大于NB1，与KS2相当，表明其具有强疏水性，能够改变钻头和钻具表面润湿性，防止钻头泥包现象，减小摩阻。

2.1.2 CLSD对岩心的疏水性

选取易吸附钻头的泥页岩岩心作研究对象，将岩心平均分割成4等份。首先将清水滴到岩石上，在25 ℃条件下，采用光学接触角测量仪，测试其接触角：发现液滴迅速展开，不能形成水滴，其接触角为零，由此可以说明该岩石为强水湿类型。将不同浓度的清洁润滑快钻剂CLSD加入清水中并搅拌均匀，然后将其滴在岩心上，测试清水中加入CLSD后润湿角变化情况，结果见图1。从图1可以看出，随着清水中CLSD浓度的增加，液滴接触角随之增大，表明CLSD使得岩石的润湿性由强亲水性向弱亲水至疏水性方向转变，改变井底岩石的润湿性。这样有利于减弱或消除钻屑颗粒对岩石的吸附，起到防止压差卡钻、提高钻速的效应。

图1 CLSD加量对岩心疏水性影响评价

2.1.3 CLSD在蒙脱土表面的吸附性质

分别测试纯钠蒙脱土和经过吸附处理的钠蒙脱土的XRD实验，得到结果如图2和图3所示。就纯蒙脱土而言，2θ=26.64°、d001=0.334 34 nm，就处理过钠蒙脱土而言，2θ=26.256°、d001=0.339 14 nm，角度有所变小，层间距增加0.004 8 nm，也就是说快钻剂到达了蒙脱土层内，使得蒙脱土的内部组成出现改变，层间距出现改变，在蒙脱土层间产生了作用，改变了蒙脱土的性质。

清洁润滑快钻剂CLSD的强润湿性主要在于能改变钻具、钻屑中黏土矿物和井壁的表面性质，可以很快吸附在钻头及钻具表面形成憎水膜，消除钻具表面的吸附水层；同时能够渗透到吸附在钻头上的泥团产生的裂缝表面，改变表面吸附性，能够把已经吸附了黏土的钻头钻具表面润湿，降低表面对黏土颗粒的吸附性，使黏土从钻头、钻具表面解吸；同时改变岩石及其孔隙内部的润湿性，从而防止钻头泥包、黏附卡钻，降低扭矩，提高钻头作用效率，提高机械钻速[11-14]。

图2 纯钠基蒙脱土的XRD图谱

图3 吸附后的钠基蒙脱土XRD图谱

2.2 表面张力的测定

采用JK99B型全自动张力仪，在25 ℃条件下，考察CLSD加量（水溶液）对其表面张力的影响，结果见图4。

图4 CLSD加量对表面张力的影响

从图4看出，在室温下蒸馏水的表面张力为71.38 mN/m，加入0.1%CLSD，表面张力为28.72 mN/m，表面张力降低率为59.76%，表面张力降低效果明显；随着CLSD加量增加，表面张力逐渐下降，当CLSD浓度达到0.4%时，表面张力降到最低22.35 mN/m，此时表面张力降低率为68.69%，之后表面张力略有回升。说明CLSD的临界浓度为0.4%，具有较低表面张力，从而可以降低岩石的毛细管力，使钻井液更容易渗入钻头冲击井底岩层时所形成的微裂缝中，从而减小压持效应。

2.3 对钻井液流变性能的影响

室温下将不同浓度的CLSD加入到钻井液中，评价其对钻井液流变性能的影响，结果见表2。从表2可以看出，在室温下，随着基浆中CLSD浓度从0.5%增加到2%，钻井液的黏度基本不变化，只是切力略有提升，中压滤失量逐渐降低；润滑系数降低率稳定在91%左右，黏附系数降低率由62.67%升高到80%。说明CLSD具有良好的润滑性，常温下CLSD基本不影响流变性，能适当降低中压滤失量。

表2 CLSD加量对淡水基浆流变性及润滑性的影响

2.4 抗温流变性及润滑性能的测定

将1%CLSD加入到淡水基浆，评价其常温状态、及经过130、140、150和160 ℃热滚16 h后，流变性和润滑性变化情况，结果见表3。

表3 淡水基浆中加入1%CLSD前后的性能

从表3可以看出， CLSD加量为1%时，经过不同温度热滚后，润滑系数和黏附系数降低率都升高，说明经过高温后，CLSD的润滑性比常温下的润滑性能更好，温度到140 ℃时润滑性能达到最佳的状态。此外经过热滚后，表观黏度也略有升高，滤失量增大。

然后将2%和3%的CLSD分别加入淡水基浆中，评价其常温及经160 ℃热滚16 h后流变性和润滑性变化情况，结果见表4。

对比表3和表4，随着CLSD加量增大到3%，常温下润滑系数降低率变化很小，黏附系数降低率逐渐升高；且经过160 ℃热滚16 h后，润滑系数降低率和黏附系数降低率都升高了，最高达96.7%。此外随着CLSD加量的增大，高温后黏度升高，切力下降，滤失量也升高了，这与膨润土浆抗温后老化性能变差有关。

表4 CLSD加量对淡水基浆性能的影响

抗温流变性及润滑性能实验表明，CLSD同时具有良好的抗温性和润滑性，能抗160 ℃高温，且高温后润滑性能优于常温状态下润滑性。CLSD加量达到0.5%后，其浓度的大小基本不影响钻井液流变性和润滑性，并且浓度越高，黏附系数降低率越大。分析实验结论可知，温度越高，浓度越大，CLSD防压差卡钻的能力越大。

2.5 抗盐润滑性能的测定

2.5.1 抗NaCl流变性及润滑性能的测定

将1%CLSD加入淡水基浆中，充分搅拌后，加入不同浓度的NaCl，测试其流变性和润滑性能，结果见表5。从表5可以看出，随着NaCl浓度增加至15%，极压润滑系数逐渐降低，润滑系数降低率逐渐增加，润滑性能变好；黏度、切力和中压滤失量也逐渐增加，尤其是NaCl加量超过1%后，滤失量大幅增加，可能与钠膨润土抗盐性差有关；当盐浓度达到20%后，润滑系数开始增大，润滑性能变得较差，但是润滑系数降低率高于行业标准。可见，清洁润滑快钻剂CLSD能抗饱和NaCl，最佳抗NaCl浓度为15%。

表5 不同浓度的NaCl与1%CLSD对淡水基浆润滑性能的影响

为了考察钠膨润土的抗盐性，将浓度为1%、5%、10%和15%NaCl分别加入淡水基浆中，测试其流变性和润滑性能，结果见表6。从表6可知，4%钠膨润土抗盐性较差，随着NaCl浓度的增加，切力先增大后减小，黏度缓慢增加至稳定，滤失量迅速增大，而极压润滑系数变化很小。

表6 钠膨润土抗盐润滑性能实验

因此，对比表5和表6可知，清洁润滑快钻剂CLSD同时具有优良的抗盐性和润滑性，CLSD能抗饱和NaCl，最佳抗NaCl浓度为15%，且加入一定量的NaCl有助于加强CLSD润滑性。

2.5.2 抗CaCl2流变性及润滑性能的测定

将1%CLSD加入淡水基浆中，充分搅拌后，加入不同浓度的CaCl2，测试其流变性和润滑性能，结果见表7。从表7可以看出，加入CaCl2之后，基液润滑系数开始升高，但浓度在0.5%～15%之间时润滑系数变化很小，极压润滑系数降低率在70%～80%之间变化，可见CLSD有一定的抗钙性。对比表5和表7，清洁润滑快钻剂CLSD抗NaCl性能明显优于抗CaCl2性能。

表7 不同浓度的CaCl2与1%CLSD对淡水基浆润滑性能的影响

2.6 对压持效应影响评价

将CLSD、 NB1和KS2在泥页岩岩心上进行毛细管自吸参比实验[15-16]，结果如图5和图6所示。

图5 自吸速率对比实验

图6 自吸孔隙体积对比实验

由图5和图6可知，CLSD的自吸速率和自吸孔隙的吸水量都优于另外2种类似处理剂，即在改变钻井液的初滤失方面，CLSD的能力比NB1和 KS2要强。这说明CLSD能更好地改善井底岩石表面的润湿性，增大钻井液的初滤失，从而可减小钻井液对井底岩石的压持效应，有利于达到提高钻井机械钻速的目的。

2.7 对机械钻速的影响评价

使用φ100 mmPDC钻头，利用钻井模拟实验装置，在岩石上模拟钻进。测定3%膨润土浆，以及加入不同浓度CLSD后，钻井液的实时钻进速度变化情况，结果见表8。从表8可以看出，随着CLSD加量的增加，机械钻速迅速增快，当浓度达到1%时，机械钻速提高率可达35.2%。

表8 CLSD对钻速的影响

3 结论与认识

1.清洁润滑快钻剂CLSD以废弃油脂为原料而制得，具有绿色环保的特性，制备工艺简单、储层保护性好、环境友好，综合性能优良。

2.清洁润滑快钻剂CLSD的配伍性好，基本不影响钻井液流变性，能降低滤失量；润湿性强、表面张力低、润滑性好，能防止钻头泥包，降低储层水锁伤害；抗温抗盐性强，高温前后基本不起泡；能增加钻井液初滤失，减小压持效应，大幅提高钻速。

3.清洁润滑快钻剂CLSD宜与其它钻井液处理剂形成配套体系，降低钻井成本，提高机械钻速，实现复杂条件下深井超深井“安全、优质、快速、低耗”钻井，尤其适合深井高压下钻遇硬质地层泥页岩、软泥页岩、盐膏层等复杂地层。

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Development and Evaluation of Drilling Detergent Lubricant CLSD as Fast-drilling Agent

YANG Qianyun, WANG Baotian, CAI Yong, LI Xiuling, YUAN Li
(Branch of Drilling Engineering Technology, Sinopec Shengli Petroleum Engineering Company Ltd., Dongying, Shandong 257064)

CLSD is a drilling detergent lubricant made from waste grease under predetermined synthesis process and technical parameters. Laboratory evaluation of CLSD showed that it had good compatibility with other additives, and rendered no bad effect on mud rheology. It moderately reduced API flter loss of the mud. Contact angle of 170.5 ℃ meant that CLSD was lipophilic. It had good cleaning and wetting performance, and was able to form oil flms on the surface of metals. The surface tension of a 0.4% water solution of CLSD was 68.69% lower than that of fresh water, making it easier for the CLSD to go into the fractures formed by brill bit impacting the hole bottom, thus mitigating reservoir damage by water blocking. Using CLSD, the extreme pressure friction coeffcient of a drilling fuid was reduced by 91.83%, and mud cake adhesion coeffcient reduced by 62.67%. As temperature went up, the lubricity of the drilling fuid treated with CLSD was enhanced, thereby reducing the drilling torque and the friction coeffcient of drilling fuids. CLSD had strong inhibitive capacity. It can be used in saturated drilling fuids. It functioned normally at 160 ℃ or higher. After hot rolling, drilling fuids treated with CLSD did not foam on the whole. The CLSD treated drilling fuids is suitable for use in deep wells and ultra-deep wells, because with an increase in well depth, the property of the drilling fuid becomes more stable. CLSD helped in reducing chip hold-down effect, thereby increasing ROP; in a laboratory simulation, the ROP was increased by 35.2%.

Fast drilling agent; Waste grease; increase ROP; Cleaning and wetting; Lubricity; Saturated salt tolerance

TE254.4

A

1001-5620（2017）02-0033-06

2016-12-1；HGF=1702N6；编辑 王小娜）

10.3969/j.issn.1001-5620.2017.02.006

中石化基金项目“高密度钻井液清洁快钻技术研究及应用”（JP12011）。

杨倩云，高级工程师，1978年生，主要从事钻井液技术研究。电话（0546）8721047；E-mail：yangqianyun.slyt@sinopec.com。