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        石油鉆井用石墨潤滑劑應用分析

        編輯:浙江天和石墨有限公司   時間:2014/06/04   字號:
        摘要:石油鉆井用石墨潤滑劑應用分析

        一、鉆井液的潤滑性能    
            國內外研究者對鉆井液的潤滑性能進行了評價,得出的結論是:空氣與油處于潤滑性的兩個極端位置,而水基鉆井液的潤滑性處于其間。用 Baroid公司生產的鉆井液極壓潤滑儀測定了三種基礎流體的摩阻系數(鉆井液摩阻系數相當于物理學中的摩擦系數),空氣為0.5,清水為0.35,柴油 為0.07。在配制的三類鉆井液中,大部分油基鉆井液的摩阻系數在o.08~o.09之間,各種水基鉆井液的摩阻系數在0.20~0.35之間,如加有油 晶或各類潤滑劑,則可降到0.10以下。

            對大多數水基鉆井液來說,摩阻系數維持在o.20左右時可認為是合格的。但這個標準并不能滿足水 平井的要求,對水平井則要求鉆井液的摩阻系數應盡可能保持在0.08~0.10范圍內,以保持較好的摩阻控制。因此,除油基鉆井液外,其它類型鉆井液的潤 滑性能很難滿足水平井鉆井的需要,但可以選用有效的潤滑劑改善其潤滑性能,以滿足實際需要。近年來開發出的一些新型水基仿油性鉆井液,其摩阻系數可小于 0.10,很接近油基鉆井液,其潤滑性能可滿足水平井鉆井的需要。
        從提高鉆井經濟技術指標來講,潤滑性能良好的鉆井液具有以下優點:

            (1)減小鉆具的扭矩、磨損和疲勞,延長鉆頭軸承的壽命;
            (2)減小鉆柱的摩擦阻力,縮短起下鉆時間;
            (3)能用較小的動力來轉動鉆具;
            (4)能防粘卡,防止鉆頭泥包。

            鉆 井液潤滑性好,可以減少鉆頭、鉆具及其它配件的磨損,延長使用壽命,同時防止粘附卡鉆、減少泥包鉆頭,易于處理井下事故等。在鉆井過程中,由于動力設備有 固定功率,鉆柱的抗拉、抗扭能力以及井壁穩定性都有極限。若鉆井液的潤滑性能不好,會造成鉆具回轉阻力增大,起下鉆困難,甚至發生粘附卡鉆和日鉆具事故; 當鉆具回轉阻力過大時,會導致鉆具振動,從而有可能引起鉆具斷裂和井壁失穩。
         
        二、鉆井液潤滑性的影響因素
            1.鉆井作業中摩擦現象的特點

            隨著密封軸承的出現,改善鉆井液潤滑性能的目的主要是為了降低鉆井過程中鉆柱的扭矩和阻力。在鉆井過程中,按摩擦副表面潤滑情況,摩擦可分為以下三種情況(見圖4-11):
                   
        (1)邊界摩擦:兩接觸面間有一層極薄的潤滑膜,摩擦和磨損不取決潤滑劑的粘度,而是與兩表面和潤滑劑的特性有關,如潤滑膜的厚度和強度、粗糙表面的相互作用以及液體中固相顆粒間的相互作用。有鉆井液的情況下,鉆鋌在井眼中的運動等屬邊界摩擦。

            (2)干摩擦(無潤滑摩擦):又稱為障礙摩擦,如空氣鉆井中鉆具與巖石的摩擦,或井壁極不規則情況下,鉆具直接與部分井壁巖石接觸時的摩擦。
            (3)流體摩擦:由兩接觸面間流體的粘滯性引起的摩擦。

            可以認為,鉆進過程中的摩擦是混合摩擦,即部分接觸面為邊界摩擦,另一部分為流體摩擦。在高負荷邊界面上,塑性表面的邊界摩擦更為突出。在鉆井作業中,摩擦系數是兩個滑動或靜止表面間的相互作用以及潤滑劑所起作用的綜合體現。

            鉆 井作業中的摩擦現象較為復雜,摩阻力的大小不僅與鉆井液的潤滑性能有關,其影響因素還涉及到鉆柱、套管、地層、井壁泥餅表面的粗糙度;接觸表面的塑性,接 觸表面所承受的負荷;流體粘度與潤滑性;流體內固相顆粒的含量和大小,井壁表面泥餅潤滑性;井斜角;鉆柱重量;靜態與動態濾失效應等。在這些眾多的影響因 素中,鉆井液的潤滑性能是主要的可調節因素。

            2.鉆井液潤滑性的主要影D向因素

            影響鉆井液潤滑性的主要因素有:鉆井液的粘度、密度、鉆井液中的固相類型及含量、鉆井液的濾失情況、巖石條件、地下水的礦化度以及溶液pH值、潤滑劑和其它處理劑的使用情況等。

            (1)粘度、密度和固相的影響
            隨著鉆井液固相含量、密度增加,通常其粘度、切力等也會相應增大。這種情況下,鉆井液的潤滑性能也會相應變差。這時其潤滑性能主要取決于固相的類型及含量。砂巖和各種加重劑的顆粒具有特別高的研磨性能。

            鉆 井液中固相含量對其潤滑性影響很大。隨著鉆井液固相含量增加,·除使泥餅粘附性增大外,還會使泥餅增厚,易產生壓差粘附卡鉆。另外,固相顆粒尺寸的影響也 不可忽視。研究結果表明,鉆井液在一定時間內通過不斷剪切循環,其固相顆粒尺寸隨剪切時間增加而減小,其結果是雙重性的:鉆井液濾失有所減小,從而鉆柱摩 阻力也有所降低;顆粒分散得更細微,使比表面積增大,從而造成摩阻力增大??梢?,嚴格控制鉆井液粘土含量,搞好固相控制和凈化,盡量用低固相鉆井液,是改 善和提高鉆井液潤滑性能的最重要的措施之一。
            (2)濾失性、巖石條件、地下水和濾液pH值的影響
            致密、表面光滑、薄的泥餅具有良好的潤滑性能。降濾失劑和其它改進泥餅質量的處理劑(比如磺化瀝青)主要是通過改善泥餅質量來改善鉆井液的防磨損和潤滑性能。
            在鉆井液條件相同的情況下,巖石的條件是通過影響所形成泥餅的質量以及井壁與鉆柱之間接觸表面粗糙度而起作用的。底溫度、壓差、地下水和濾液的pH值等因素也會在不同程度上影響潤滑劑和其它處理劑的作用效能,從而影響泥餅的質量,對鉆井液的潤滑性能產生影響。
            (3)有機高分子處理劑的影響
            許 多高分子處理劑都有良好的降濾失、改善泥餅質量、減少鉆柱摩阻力的作用。有機高分子處理劑能提高鉆井液的潤滑性能,還與其在鉆柱和井壁上的吸附能力有關。 吸附膜的形成,有利于降低井壁與鉆柱之間的摩阻力。某些處理劑,如聚陰離子纖維素、磺化酚醛樹脂等具有提高鉆井液潤滑性的作用。不少高分子化合物通過復 配、共聚等處理,可成為具有良好潤滑性能的潤滑材料。
            (4)潤滑劑
            試驗表明,使用清水作鉆井液,摩擦阻力是較大的。而 往清水中加入千分之一至干分之幾的潤滑劑(主要是陰離子表面活性劑)后,潤滑性能會得到明顯改善,表現為鉆具回轉工作電流下降很多。因此,使用潤滑劑是改 善鉆井液潤滑性能、降低摩擦阻力的主要途徑。因此,正確地使用潤滑劑可以大幅度提高鉆井液的防磨損和潤滑性能。鉆井液潤滑劑品種一般可分為兩大類,即液體 類和固體類。前者如礦物油、植物油、表面活性劑等;后者如石墨、塑料小球、玻璃小球等,近年來鉆井液潤滑劑品種發展最快的是惰性固體類潤滑劑,液體潤滑劑 中主要發展了高負荷下起作用的極壓潤滑劑及有利于環境保護的無毒潤滑劑;由于環境保護的原因,瀝青類潤滑劑的用量正逐年減少。
            目前,常用的改善鉆井液潤滑性能的方法,主要是通過合理使用潤滑劑降低摩阻系數,以及通過改善泥餅質量來增強泥餅的潤滑性。

        三、用于鉆井液的潤滑劑
            1.對鉆井液潤滑劑的要求
            國內外對潤滑劑的研究范圍較廣,其中有各種表面活性劑、高分子脂肪酸及其衍生物等。
            鉆井液潤滑劑的選擇應滿足下列基本要求:
            (1)潤滑劑必須能潤滑金屬表面,并在其表面形成邊界膜和次生結構。
            (2)應與基漿有良好的配伍性,對鉆井液的流變性和濾失性不產生不良影響。
            (3)不降低巖石破碎的效率。
            (4)具有良好的熱穩定性和耐寒穩定性。
            (5)不腐蝕金屬,不損壞密封材料。
            (6)不污染環境,易于生物降解,價格合理,且來源充足。
            鉆 井液潤滑劑除了主要提高鉆具的壽命及其工作指標外,還應不影響對地層資料的分析和評價,即潤滑劑應具有低熒光或無熒光性質。因此,潤滑劑基礎材料的選擇應 注意盡量不用含苯環,特別是多芳香烴的有機物質,而原油,尤其是重餾分、釜殘物、瀝青等因含熒光物質較多,也應盡量少用。
            基于以上要 求,一般植物油類,既無熒光和毒性,又易于生物降解,且來源較 廣,較適合作潤滑材料??蛇x用的植物油有蓖麻油、亞麻油、棉子油等。植物油的主要成分是脂肪酸,而脂肪酸則是潤滑劑所需要的表面活性物質。經化學改性 后,其表面活性可進一步提高。如磺化棉子油就可以作為抗溫抗擠壓的極壓潤滑劑使用?;腔拮佑瓦€可增加礦物油的活性,使其潤滑效果得以提高。

            2.鉆井液中常用的潤滑劑
            (1)惰性固體潤滑劑
            該類產品主要有塑料小球、石墨、碳黑、玻璃微珠及堅果圓粒等。
            近幾年發展起來的塑料小球用做潤滑劑效果很好,其組成為二乙烯苯與苯乙烯的共聚物。該產品具有較高的抗壓強度,是一種無毒、無臭、無熒光顯示、耐酸、耐堿、抗溫、抗壓的透明球體,在鉆井液中呈惰性,不溶于水和油類,密度為1.03~1.05kg/m3, 可耐溫205℃以上。小球粒度分布為:10~30目的占45%~50%,30~120目的占50%~55%。該潤滑劑一般可降低扭矩35%左右,降低起下 鉆阻力20%左右。它可與水基和油基的各種類型鉆井液匹配,是一種較好的潤滑劑,近年來發展很快。塑料小球雖然效果較好,但成本較高,所以近期又發展了用 玻璃小球代替塑料小球,也達到了類似的效果。目前已證明玻璃小球能降低扭矩與阻力。在現場試驗中,鉆井液中含量為1.14 kg/m3, 直徑44~88μm的玻璃小球能使阻力從16 761kg降至11325kg。玻璃小球由于可能起到了類似球軸承作用或可能因埋人泥餅,從而降低了泥餅的摩擦系數。塑料小球和玻璃小球這類固體潤滑劑由于受固體尺寸的限 制,在鉆井過程中很容易被固控設備清除,而且在鉆桿的擠壓或拍打下,有破壞、變形的可能,因此在使用上受到了一定的限制。
            石墨粉作為潤滑 劑具有抗高溫、無熒光、降摩阻效果明顯、加量小、對鉆井液性能無不良影響等特點。最近一種新的適用于鉆井液和水泥漿的多功能固體潤滑劑--彈性石墨已在路 易斯安那州、得克薩斯州、俄克拉荷馬州、墨西哥灣和北海等地區的200多口井中獲得了成功的應用。彈性石墨(ResilientGraphiticCarbon,簡稱RGC)無毒、無腐蝕性,在高濃度下不會阻塞泥漿馬達;即使在高剪切速率下,它也不會在鉆井液中發生明顯的分散。此外,它不會影響鉆井 液的動切力和靜切力,與各種纖維質和礦物混合物具有良好的配伍性。彈性石墨的獨特結構使其能夠用于各種鉆井液中,具有降低扭矩、摩阻和減少磨損的作用。彈 性石墨作為固體潤滑劑,尤其適用于使用常規液體潤滑劑效果不大的石灰基鉆井液。
            石墨粉能牢固地吸附(包括物理和化學吸附)在鉆具和井壁巖石表面,從而改善摩擦副之間的摩擦狀態,起到降低摩阻的作用;同時當石墨粉吸附在井壁上,可以封閉井壁的微孔隙,因此兼有降低鉆井液濾失量和保護儲層的作用。
            (2)液體類潤滑劑
            該類產品主要有礦物油、植物油和表面活性劑等。
            液體類潤滑劑又可分為油性劑和極壓劑,前者主要在低負荷下起作用,通常為酯或羧酸;后者主要在高負荷下起作用,通常含有硫、磷、硼等活性元素。往往這些含活性元素的潤滑劑兼有兩種作用,既是油性劑,又是極壓劑。
            性能良好的潤滑劑必須具備兩個條件,一是分子的烴鏈要足夠長(一般碳鏈R在C12~C18之 間),不帶支鏈,以利于形成致密的油膜;二是吸附基要牢固地吸附在粘土和金屬表面上,以防止油膜脫落。許多潤滑劑大多屬于陰離子型表面活;性物質,多含有 磺酸基團,如磺化脂肪醇、磺化棉子油、磺化蓖麻油和其它含硫的潤滑劑如硫代烷烴琥珀酸(或酸酐)的唑啉化合物,或含酯的脂肪族琥珀酸(或酸酐)如十八碳烯 琥珀酸酐和二硫代烷基醇等化合物。
            常用的作為潤滑劑使用的表面活性劑有:OP-30、聚氧乙烯硬脂酸酯-6、甲基磺酸鉛[(CH3SO3)2Pb]和十二烷基苯磺酸三乙醇胺(ABSN)等。雖然非離子活性劑同樣具有親水基(如聚氧乙烯鏈),但它們不能在鉆柱表面形成牢固的化學吸附。因此,也就不能在鉆柱表面形成牢固的憎水非極性(或油膜)潤滑層。相對來講,潤滑效果較差。
            如 硬水中(含高價陽離子)使用單一陰離子表面活性劑時,往往會由于產生高價鹽而失效或破乳。因此,一般采用以陰離子為主、非離子為輔的復合型活性劑配方,可 收到了一定的潤滑效果,并同時可以減少外界陽離子的影響。陰離子表面活性劑需要在堿性介質中才能保持穩定(但pH值過高時也會影響潤滑效果),陽離子活性 劑則相反,而非離子活性劑使用pH值的范圍較大。
            年來,極壓潤滑劑的應用已取得明顯效果。該類產品主要有國外生產的磺化妥爾油和國產脂肪烴類衍生物(代號RH系列)等。
            隨 著環保意識的增強,無毒可生物降解潤滑劑的使用日趨廣泛。該類產品主要是不含芳香烴和雙鍵的有機物,如以動物油和植物油為原料而制得的脂類有機物或礦物油 類。這類潤滑劑無毒或低毒,不污染環境,不干擾地質錄井,目前該類產品已在美國路易斯安那州沿海的定向斜井中取得了很好的使用效果。在沿海某口井鉆進時, 在91.44m井深處鉆桿接頭被完全卡住,當加入一種叫做Lu-brikeen的無毒、可生物降解的潤滑劑后,摩阻力由33 975kg降到2265kg,順利地鉆達4 358.64m完鉆時為止。

            3.潤滑劑的作用機理
            (1)惰性固體的潤滑機理
            固 體潤滑劑能夠在兩接觸面之間產生物理分離,其作用是在摩擦表面上形成一種隔離潤滑薄膜,從而達到減小摩擦、防止磨損的目的。多數固體類潤滑劑類似于細小滾 珠,可以存在于鉆柱與井壁之間,將滑動摩擦轉化為滾動摩擦,從而可大幅度降低扭矩和阻力。固體潤滑劑在減少帶有加硬層工具接頭的磨損方面尤其有效,還特別 有利于下尾管、下套管和旋轉套管。固體類潤滑劑的熱穩定性,化學穩定性和防腐蝕能力等良好,適于在高溫、但轉速較低的條件下使用,缺點是冷卻鉆具的性能較 差,不適合在高轉速條件下使用。
            (2)瀝青類處理劑的潤滑機理
            瀝青類處理劑主要用于改善泥餅質量和提高其潤滑性。瀝青類 物質親水性弱,親油性強,可有效地涂敷在井壁上,在井壁上形成一層油膜。這樣,既可減輕鉆具對井壁的摩擦,又''可減輕鉆具對井壁的沖擊作用。由于瀝青類處 理劑的作用,井壁巖石由親水轉變為憎水,所以,可阻止濾液向地層滲透。
            (3)液體潤滑劑的潤滑機理
            礦物油、植物油、表面 活性劑等主要是通過在金屬、巖石和粘土表面形成吸附膜,使鉆柱與井壁巖石接觸(或水膜接觸)產生的固·固摩擦,改變為活性劑非極性端之間或油膜之間的摩 擦,或者通過表面活性劑的非極性端還可再吸附一層油膜。從而使回轉鉆柱與巖石之間的摩阻力大大降低,減少鉆具和其它金屬部件的磨損,降低鉆具回轉阻力。

         

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