鉆井液潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑能力影響因素分析與評(píng)價(jià) - 蔡利山-

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(jiǎn)介:蔡利山(1963,男,1983年畢業(yè)于長(zhǎng)春地質(zhì)學(xué)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(rùn)滑劑潤(rùn)滑能力影響因素分析與評(píng)價(jià)蔡利山,趙素麗(中石化石油勘探開(kāi)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(rùn)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(rùn)滑劑的潤(rùn)滑效果相差很大。通過(guò)潤(rùn)滑劑性能的評(píng)價(jià),找出了影響潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑效果的因素及其影響程度,為

2、現(xiàn)場(chǎng)正確評(píng)價(jià)和使用潤(rùn)滑劑提供了依據(jù)。關(guān)鍵詞:潤(rùn)滑劑;鉆井液;潤(rùn)滑;摩擦;評(píng)價(jià);實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)中圖分類(lèi)號(hào):T E254+.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B文章編號(hào):1001-0890(200301-0044-03鉆井液潤(rùn)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(dú)立性相對(duì)較強(qiáng)的一類(lèi)添加劑。而對(duì)其是否有防止粘卡的作用有兩種觀點(diǎn):第一種觀點(diǎn)認(rèn)為,鉆井液潤(rùn)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(shí)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(diǎn)認(rèn)為,由于與摩擦系數(shù) 是在物體有相對(duì)運(yùn)動(dòng)特征的條件下所測(cè)定的,所以粘附卡鉆一旦發(fā)生,粘卡力的大小即與 值無(wú)關(guān)1。筆者不對(duì)此作過(guò)多的討論,只在客觀情況下對(duì)

3、鉆井液體系中的各種因素變化對(duì)潤(rùn)滑劑使用效率的影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià),以便為現(xiàn)場(chǎng)能夠更加有效地使用潤(rùn)滑劑提供一些有益的參考。1實(shí)驗(yàn)用儀器的選擇室內(nèi)及現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)鉆井液潤(rùn)滑性能所使用的儀器主要有三種:壓差式摩擦系數(shù)測(cè)定儀、滑塊式摩擦系數(shù)測(cè)定儀和極壓潤(rùn)滑系數(shù)測(cè)定儀。使用最多的是青島產(chǎn)的NF-1型摩擦系數(shù)測(cè)定儀,該儀器主要測(cè)量在常溫條件下、模擬井下存在壓差時(shí)鉆具與泥餅之間的摩擦系數(shù)。實(shí)驗(yàn)時(shí)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?yàn)的實(shí)際需要靜止規(guī)定的時(shí)間,測(cè)定摩擦系數(shù)。該儀器的最大優(yōu)點(diǎn)是可以比較好的模擬鉆柱與泥餅之間發(fā)生的摩擦;缺點(diǎn)是測(cè)定數(shù)據(jù)的重復(fù)性差,因測(cè)定人不同或?qū)嶒?yàn)

4、操作時(shí)有較小的差異(如加壓、粘附過(guò)程的操作不當(dāng),導(dǎo)致一組平行實(shí)驗(yàn)結(jié)果有很大差別,誤差可達(dá)到50%90%或更高。常用的滑塊式摩擦系數(shù)測(cè)定儀是青島產(chǎn)的NZ-3型摩擦系數(shù)測(cè)定儀,它以金屬滑塊在泥餅上產(chǎn)生滑動(dòng)時(shí)的最小摩擦角的正切值評(píng)價(jià)泥餅的潤(rùn)滑能力。其優(yōu)點(diǎn)是使用方便,數(shù)據(jù)的重復(fù)性好;其缺點(diǎn)是由于它無(wú)法模擬和判斷壓力狀態(tài)下泥餅的潤(rùn)滑能力,一旦井眼較深(井深超過(guò)2500m時(shí),數(shù)據(jù)就基本失去了參考意義。該儀器測(cè)得的結(jié)果多用于定性判斷泥餅潤(rùn)滑性的優(yōu)劣。極壓潤(rùn)滑儀早期主要用于評(píng)價(jià)牙輪鉆頭軸承用極壓潤(rùn)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(rùn)滑劑的性能評(píng)價(jià)。其操作簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)重復(fù)性好、測(cè)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(rùn)滑儀進(jìn)行潤(rùn)滑劑的評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)。2實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)采用膨潤(rùn)土含量為50g/L的人工鈉土漿作為基準(zhǔn)評(píng)價(jià)用漿,對(duì)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(rùn)滑劑和高級(jí)潤(rùn)滑油(市售6種產(chǎn)品進(jìn)行評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)時(shí)首先將各種潤(rùn)滑劑按預(yù)定量加入,然后于高速攪拌機(jī)上攪拌10m in,盛放于帶蓋容器中,在室溫下老化16h,測(cè)摩擦系數(shù)前高速攪拌5m in。2.1幾種潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑性能對(duì)比測(cè)分別加入6種潤(rùn)滑劑的鉆井液的摩擦系數(shù),評(píng)價(jià)其潤(rùn)滑性能的優(yōu)劣。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,所選6種潤(rùn)滑劑中以L-SAS型和SNR-1型潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑性為

6、好, SNR-1型潤(rùn)滑劑最好,當(dāng)其加量為1%時(shí),摩擦系數(shù)降低率可達(dá)86%以上;機(jī)械用高級(jí)潤(rùn)滑油在膨潤(rùn)土漿中的潤(rùn)滑效果最差,加量達(dá)3%時(shí),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(duì)潤(rùn)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(chǎng)使用的鉆井液中,除為滿足鉆井液各種性能指標(biāo)而添加的商業(yè)膨潤(rùn)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(rùn)滑劑通過(guò)吸附固相顆粒,使固相顆粒的表面性質(zhì)發(fā)生改變,來(lái)降低摩擦系數(shù)2。然而各種固相顆粒由于種類(lèi)、數(shù)量等因素的不同,潤(rùn)滑劑對(duì)其表面的改變效率肯定存在很大的差異,因此有必要評(píng)價(jià)固相對(duì)潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑性能

7、的影響。從6種潤(rùn)滑劑中選取了潤(rùn)滑效果最好的SNR-1型潤(rùn)滑劑、中間的RH-3型潤(rùn)滑劑和最差的潤(rùn)滑油進(jìn)行評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)。2.2.1膨潤(rùn)土含量對(duì)潤(rùn)滑性能的影響(結(jié)果見(jiàn)表1表1膨潤(rùn)土含量對(duì)潤(rùn)滑性能影響評(píng)價(jià)膨潤(rùn)土含量/g L-110080604020 1%S NR-10.270.200.140.090.021%RH-30.330.220.150.100.051%潤(rùn)滑油0.350.310.250.210.13實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,鉆井液的潤(rùn)滑作用會(huì)隨著膨潤(rùn)土含量的升高而下降。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)推斷,鉆井液中膨潤(rùn)土含量不宜大于60g/L,在3050g/L較好,這也正是鉆井液各項(xiàng)性能維護(hù)的最佳范圍。2.2.2劣質(zhì)土含量對(duì)潤(rùn)滑性

8、能的影響(結(jié)果見(jiàn)表2表2劣質(zhì)土含量對(duì)潤(rùn)滑性能影響評(píng)價(jià)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(rùn)滑油>0.500.500.37實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,劣質(zhì)土對(duì)于鉆井液潤(rùn)滑性能的影響規(guī)律與膨潤(rùn)土相同。從鉆井液的潤(rùn)滑性方面考慮,劣質(zhì)土含量的極限值約為400g/L,但在實(shí)際使用中,當(dāng)其含量大于300g/L時(shí),即應(yīng)調(diào)整維護(hù)鉆井液潤(rùn)性能。2.2.3加重材料對(duì)潤(rùn)滑性能的影響(結(jié)果見(jiàn)表3表3加重材料對(duì)潤(rùn)滑性能影響評(píng)價(jià)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(rùn)滑油0.420.440.48>0.50實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,加重材料對(duì)于鉆井液潤(rùn)滑性能的影響程度明顯低于劣質(zhì)土,當(dāng)鉆井液密度達(dá)到1.8 kg/L時(shí),體系中總固含的體積百分?jǐn)?shù)相當(dāng)于劣質(zhì)土含量為800g/L時(shí)的數(shù)值,但其摩擦系數(shù)卻低于劣質(zhì)土含量為500g/L時(shí)的摩擦系數(shù)。當(dāng)然,加重劑亦屬于固相的一種,因此對(duì)于潤(rùn)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(shí)泥餅潤(rùn)滑問(wèn)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(shí)存在時(shí)對(duì)潤(rùn)滑性能的影響(結(jié)果見(jiàn)表4表4劣質(zhì)土與加重劑混合

10、后對(duì)潤(rùn)滑性能影響評(píng)價(jià)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(rùn)滑油0.400.48>0.5注:劣質(zhì)土含量固定為200g/L。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,劣質(zhì)土與加重劑同時(shí)存在時(shí),對(duì)鉆井液潤(rùn)滑性能的影響程度低于只有劣質(zhì)土存在的情況?？梢?jiàn)實(shí)際操作時(shí)應(yīng)當(dāng)把由劣質(zhì)土所引起的摩擦系數(shù)升高作為主要矛盾對(duì)待,解決的最根本措施是用好固控設(shè)備。2.3鹽對(duì)潤(rùn)滑性能的影響(結(jié)果見(jiàn)表5表5鹽對(duì)潤(rùn)滑性能影響評(píng)價(jià)鹽含量,%2468101%S NR-10.200.330.390.440.481%

11、RH-30.240.360.410.461%潤(rùn)滑油0.470.50實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,鉆井液中含有鹽時(shí),其潤(rùn)滑性能將會(huì)降低,且隨含鹽量的增大,鉆井液的潤(rùn)滑性能呈下降趨勢(shì),當(dāng)鹽含量達(dá)到6%時(shí),加入潤(rùn)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(rùn)滑性正常,當(dāng)體系的含鹽量超過(guò)5%時(shí),應(yīng)適當(dāng)加大潤(rùn)滑劑的使用量,一般增大一倍即可獲得較好的潤(rùn)滑效果。2.4聚合物FA367對(duì)潤(rùn)滑性能的影響(結(jié)果見(jiàn)表6表6聚合物對(duì)潤(rùn)滑性能影響評(píng)價(jià)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(rùn)滑油0.

12、230.260.280.290.33實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,聚合物對(duì)潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑能力的影響可能表現(xiàn)為加強(qiáng),也可能表現(xiàn)為降低,這除了與潤(rùn)滑劑的性能、種類(lèi)有關(guān)外,還可能與聚合物的種類(lèi)有關(guān),這有待于進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。2.5溫度對(duì)鉆井液潤(rùn)滑能力的影響(結(jié)果見(jiàn)表7表7溫度對(duì)潤(rùn)滑性能影響評(píng)價(jià)溫度/°C20801201%S NR-10.020.020.031%RH-30.040.040.051%潤(rùn)滑油0.220.220.27市售潤(rùn)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(guò)200°C,在該范圍內(nèi)溫45第31卷第1期蔡利山等:鉆井液潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑能力影響因素分析與評(píng)價(jià)度變化

13、對(duì)于鉆井液潤(rùn)滑性能的影響不大。目前已投入工業(yè)應(yīng)用的潤(rùn)滑劑中,部分產(chǎn)品的抗溫能力已超過(guò)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(duì)潤(rùn)滑性能的影響。3結(jié)論1所有的固相(產(chǎn)自地層均會(huì)降低潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑效果。2無(wú)機(jī)鹽能夠降低潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑效果,因此在使用鹽水鉆井液時(shí),潤(rùn)滑劑的使用量應(yīng)當(dāng)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(rùn)滑劑的潤(rùn)滑效果,這取決于潤(rùn)滑劑與聚合物的配伍、潤(rùn)滑劑種類(lèi)、質(zhì)量等因素。4一般情況下,溫度對(duì)于潤(rùn)滑劑的性能影響不大,在一定的溫度范圍內(nèi)(不超過(guò)潤(rùn)滑劑的使用溫度,溫度的升高大都有利于改善潤(rùn)滑效果。參考文獻(xiàn)1王

14、文超.對(duì)鉆井工程防粘卡的新認(rèn)識(shí)J.石油鉆探技術(shù),1998,26(4:15162萬(wàn)緒新.水平井優(yōu)化的幾點(diǎn)思考J.石油鉆探技術(shù),1999,27(2:28293李德江.鉆井液潤(rùn)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(chéng)征廣告石油鉆探技術(shù)創(chuàng)刊于1973年,由中國(guó)石化石油勘探開(kāi)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(guó)石油天然氣工業(yè)科學(xué)鉆井20年的見(jiàn)證人和記載者,她對(duì)促進(jìn)鉆井科研成果轉(zhuǎn)化及國(guó)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(guó)中文核心期刊至今;于90年代成為國(guó)際工程技術(shù)類(lèi)核心期刊。她還是中國(guó)科技論文統(tǒng)計(jì)源歷年用刊,北京地區(qū)首次全優(yōu)科技期刊,美國(guó)石油文摘、工程索引和國(guó)際期刊指南等文獻(xiàn)檢索系統(tǒng)常年收錄的重要期刊。本刊自1991年試辦、1993年開(kāi)辦彩色廣告以來(lái),成效顯著,已成為石油、海洋、地礦、機(jī)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(chǎng)的橋梁和迎接21世紀(jì)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(chǎng)的益友。希望石油工程界的有志之士把握商機(jī),與我們一起攜手迎接跨世紀(jì)挑戰(zhàn)、共創(chuàng)美好未來(lái)。本刊廣告刊出及時(shí),收費(fèi)合理,采用彩色桌面系統(tǒng)制作高精度彩頁(yè)與插頁(yè)。廣告客戶可以自行設(shè)計(jì)版式,也可以委托編輯部代理設(shè)計(jì)(本刊不另收設(shè)計(jì)費(fèi)。歡迎隨時(shí)聯(lián)系廣告業(yè)務(wù)。真誠(chéng)希望在本刊出現(xiàn)貴單位的形象及產(chǎn)品廣告。請(qǐng)隨時(shí)與本刊編輯部聯(lián)系廣告,以便及時(shí)安排。聯(lián)系地址:山東省德州市東風(fēng)東路35號(hào)編輯