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極壓潤滑劑NH-EPL性能評價與現場應用

文檔作者：逯貴廣文檔來源：南化集團研究院		更新日期： 2026年05月09日	點擊數：
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第34卷第3期
2017年9月25 Et
油 田 化 學
Oilfield Chemistry
Vo1．34 No．3
25 Sept，2017
文章編號：1000．4092(2017)03—385—05
極壓潤滑~：lJ NH—EPL 性能評價與現場應用
逯貴廣
(南化集團研究院，江蘇南京210048)
摘要：針對目前鉆井液常用潤滑劑承壓能力低、減磨效果和抗溫性能差等問題，通過在醇胺酯中引入金屬有機化
合物制得極壓潤滑劑NH．EPL。研究了NH．EPL的潤滑性能、極壓減磨性能、抗溫耐鹽性能、起池陛、熒光級別以
及生物毒性等，考察了其對鉆井液流變性的影響，并在新疆和江蘇地區進行了現場應用。結果表明，NH．EPL具
有優異的極壓減磨性和潤滑性能，常溫下0．5％NH．EPL可使基漿潤滑系數降低93．4％、磨失量降低99．87％，
NH—EPL的承壓能力為320kgf；NH．EPL抗溫耐鹽性好，抗溫達160'~C，可使2O％NaCl鹽水基漿的潤滑系數降低
80．43％；該極壓潤滑劑不易起泡，含0．5％NH—EPL的基漿起泡率僅為1．O％；熒光等級為1級，無生物毒性，符合環
保要求；對現場井漿的流變性和濾失性能影響較小，配伍性良好。NH．EPL在新疆和江蘇地區的現場應用效果顯
著，鉆井摩阻降低率高達50％，可滿足深井、大位移井、水平井等鉆井作業要求。圖3表3參l4
關鍵詞：極壓潤滑劑；抗摩減磨；鉆井液；低熒光；抗溫；耐鹽
中圖分類號：TE254 文獻標識碼：A DOI：10．19346~．cnki．1000．4092．2017．03．002
鉆井液潤滑劑對于降低鉆井摩阻，減少鉆頭扭
矩并提高其水馬力，減少黏卡鉆事故發生和套管磨
損，確保鉆井施工順利進行具有重要的作用。目前
常用鉆井液潤滑劑大多為動植物油類衍生物、礦物
油類、表面活性劑與有機物的混合物和合成酯。這
些潤滑劑主要通過吸附作用在巖石(井壁)和鉆具
之間形成吸附油膜，從而降低它們之間的摩擦n 。
隨著石油勘探開發不斷發展，大位移水平井、大斜
度井、定向井、長裸眼深井和復雜結構井逐漸增多，
使得鉆具與井壁或套管的接觸面積越來越大，鉆井
過程中鉆具與井壁或套管之間的摩擦隨之變大，鉆
具與井壁之間的溫度隨之升高，導致脫附嚴重，從
而造成潤滑性能下降；另外鉆具和套管或井壁之間
的壓力增大，也會造成常用潤滑劑在鉆具和井壁或
套管之間形成的油膜破裂，從而失去潤滑性能，嚴
重情況下會造成鉆具與套管或井壁之間的直接摩
擦 。在高負荷條件下，如何降低鉆井與井壁或套
管之間的摩擦已成為研究熱點 _l4]，但有關具有優異
極壓減磨性和潤滑性的極壓潤滑劑的報道并不
多。我們通過在長鏈醇胺酯中引入金屬有機化合
物，制備出具有強極壓減磨性且潤滑效果好的極壓
潤滑劑NH．EPL，研究了NH—EPL的承壓能力、減磨
效果、潤滑性能、抗溫耐鹽性能、熒光級別以及生物
毒性，考察了其對鉆井液流變性的影響，并在新疆
勝利油田、江蘇油田和華東石油工程有限公司5口
井進行了現場應用。
l 實驗部分
1．1 材料與儀器
極壓潤滑劑NH．EPL、聚胺頁巖抑制劑NH一1，
自制；無水碳酸鈉、氫氧化鈉、氯化鈉，分析純，國藥
集團化學試劑有限公司；鈉膨潤土，勝利博友泥漿
技術有限責任公司；聚丙烯酰胺(PAM)、磺酸鹽共
聚物、復合金屬兩性離子聚合物(PMHA一2)、聚合物
收稿日期：2016—06．24；修改日期：2016．10—09。
{
基金項目：中國石化集團公司項目“鉆井用極壓減摩劑的研制”(項目編號J213011)、“鉆井用極壓減摩劑先導試驗”(項目編號J214002)。
作者簡介：逯貴廣(1982一)，男，工程師，中國石油大學(華東)化學工程與技術專業碩士(2010)，從事鉆井液技術、精細化工研究工作，通
訊地址：210048‘南京市六合區大廠葛關路669號南化集團研究院，E—mail：guiguang001@163．com。
386 油 田 化學 2017丘
降濾失劑(SHN一1)，濮陽鑫源聚合物有限公司；抗高
溫降濾失劑(KFT)、低黏羧甲基纖維素鈉
(LV-CMC)、磺化酚醛樹脂、乳化瀝青、改性瀝青，濮
陽市誠信鉆采助劑有限公司；套管減磨劑，中國石
化集團石油工程西南有限公司鉆井工程研究院；鹽
水為不同濃度的氯化鈉溶液；淡水基漿配方為300
mL蒸餾水+0．42 g無水碳酸鈉+12．0 g鈉膨潤土；井
漿1配方為5％鈉膨潤土+0．3％PAM+0．3％氫氧化
鈉+2％KFT+0．5％Lv_CMC+3％乳化瀝青+0．5％磺
酸鹽共聚物；井漿2配方為5％鈉膨潤土+0．3％
Na2CO3+0．3％ NH一1+0．3％ PMHA一2+2％ SHN一1+
0．3％ LV-CMC；井漿3配方為4％鈉膨潤土+0．3％
PAM+0．5％氫氧化鈉+3％KFT+I％磺化酚醛樹脂+
3％改性瀝青。
GJS．B12K型高速變頻攪拌機、SD3中壓濾失
儀、GW300型高溫滾子加熱爐，青島同春石油儀器
有限公司；WT-AUTO．900智能黏度計，北京探礦工
程研究所；Fann21200極壓潤滑儀，美國FANN公
司；LH—YG1500地質熒光儀，山東中煤工礦物資有
限公司；KMY201—1A型抗磨試驗機，武漢神州機電
有限公司；STA449C型同步熱分析儀，德國耐馳儀
器制造有限公司；SIGMA 500高分辨率場發射掃描
電鏡，德國卡爾蔡司公司。
1．2 實驗方法
(1)潤滑性。按照中國石化西南油氣分公司企
業標準Q／SH 1500 0062-2014(鉆井液用套管減磨
劑技術要求》，采用極壓潤滑儀測試加入0．5％
NH．EPL或套管減磨劑前后基漿的潤滑系數，計算
潤滑系數降低率。
(2)極壓減磨性。①承壓能力：將砝碼托盤置
于抗磨試驗機長力臂L處(L為杠桿倍率，取28或
30)，將20．0 mL NH．EPL或套管減磨劑加入抗磨試
驗機的油盒中，靜置3 min，開動電機，在長力臂端添
加砝碼，至油膜破裂及發出刺耳的噪音，關閉電機，
計算所加砝碼的總質量m，然后用m乘以 再加上
20 kgf(20為砝碼托盤在摩擦點所產生的壓力)，即
得到極壓減摩劑的承壓能力，以公斤力(kgf)表示。
② 減磨性：按照企業標準Q／SH 1500 0062-2014，用
抗磨試驗機測試加入0．5％NH—EPL或套管減磨劑
前后基漿的磨失量，計算磨失量降低率。為進一步
直觀觀察NH．EPL的減磨效果，用掃描電鏡觀察磨
柱(直徑10 mm，材質為軸承鋼)在清水以及含1％
NH．EPL基漿中磨損3 min后形成磨斑的表面形貌。
(3)抗溫性和耐鹽性。在不同濃度的氯化鈉鹽
水基漿中加人0．5％NH EPL或套管減磨劑，在80
～ 160~C下用高溫滾子加熱爐熱滾16 h，用極壓潤
滑儀測定潤滑系數，計算潤滑系數降低率。將
NH—EPL置于鋁坩堝中，用同步熱分析儀進行
TG—DTA熱分析，最高溫度為500~C，氣氛為氮氣，升
溫速率為5 K／min，考察NH—EPL的熱穩定性。在
12O℃下，用高溫滾子加熱爐對加入0．5％NH—EPL
前后不同濃度的鹽水基漿熱滾16 h，用極壓潤滑儀
測定潤滑系數，計算潤滑系數降低率。
(4)起泡性。按照企業標準Q／SH 1500 0031—
2013(鉆井液用液體潤滑劑通用技術要求》評價極
壓潤滑劑的起泡性。室溫下，在300 mL基漿中加入
0．5％NH．EPL或套管減磨劑，在l1000 r／min下高速
攪拌5 min后開始計時，在20 s內將泥漿倒人500毫
升量筒，30 S內讀取泥漿體積，計算起泡率。
(5)配伍性。將NH．EPL加入不同井漿，按照國
家標準GB／T 16783．1～2006《石油天然氣工業鉆井
液現場測試第l部分：水基鉆井液》測定鉆井液的六
速黏度、API濾失量，考察．NH．EPL與其他鉆井液處
理劑的配伍性。
(6)熒光級別。在潔凈烘干的100毫升燒杯中
加入20 mL氯仿和1．0 g NH．EPL，搖勻后靜置，待澄
清后倒出一部分澄清液于干凈試管中，在地質熒光
儀下觀察熒光顏色并與江蘇油田原油配制的標準
色系(15級，顏色變化為無色～亮黃一褐黃色，顏色
越深表示熒光級別越高)對比確定熒光級別。
(7)生物毒性。按照中國石油天然氣集團公司
企業標準Q／SY 111-2007(油田化學劑、鉆井液生物
毒性分級及檢測方法發光細菌法》測試NH．EPL的
生物毒性。
2 結果與討論
2．1 NH—EPL性能評價
2．1．1 潤滑性
基漿的潤滑系數為0．500，在基漿中加入0．5％
NH．EPL和套管減磨劑后的潤滑系數分別為0．033
和0．057，潤滑系數降低率分別為93．4O％ 和
88．5O％。NH．EPL的潤滑系數降低率高于油田常用
第34卷第3期 逑貴廣：極 潤滑劑NH—EPL性能評價 現場應用 387
的套管減磨劑，潤滑性能優異。NH—EPL中的長鏈
醇胺酯物質禽有胺基、酯基和羥基等極性基團，具
有永久偶極，當與摩擦面接觸時，極性基團的價電
子與金屬表面原子核相互吸引，而排斥其核外電
子，使金屬表面形成誘導偶極，永久偶極與誘導偶
極相互吸引，使極性基團與金屬表面產生化學吸附
力。并且分子中含有的氧原子和氮原子可使被吸
附分子之間形成氫鍵，從而縮短分子之間的距離．
增加單位面積上吸附的分子數，增強吸附膜強度．
使其具有良好的潤滑性能。
2．1．2 極壓減磨性
性能優良的極壓潤滑劑在鉆具和套管表面形
成的吸附膜應具有較高承壓能力，即在鉆具與套管
之間壓力較高時仍能起到隔離和降低摩擦效能。
否則，當井的斜度較大或者井全角變化率(狗腿度)
較大時鉆具與套管會發生干磨，無法起潤滑減磨的
作用。NH—EPL和套管減磨劑的承壓能力分別為
320和260 kgf；在基漿中加入0．5％NH．EPL或套管
減磨劑后的磨失量分別為0．000l和0．0164 g，磨失
量降低率分別為99．87％和79．90％。NH—EPL中含
有金屬有機化合物，在高負荷條件下，金屬有機化
合物巾的活性元素可在鉆具表面形成高強度的無
機膜，將鉆具和套管隔開，以降低摩擦系數、減緩磨
損。NH EPL在磨柱表面形成高強度的潤滑膜，其
承壓能力達320 kgf，表明NH—EPL具有優良的極
性能；NH．EPL的減磨性能良好，在磨柱表面形成的
高強度潤滑膜可以有效保護金屬之間相互摩擦而
產生的磨損，磨柱的磨失量降低率為99．87％，遠遠
大于企業標準Q／SH 1500 0062—2014規定的磨失
量降低率≥60％1~技術要求。
磨柱在蒸餾水以及含1％NH—EPL基漿中磨損
后形成磨斑的表面形貌如圖1所示。由圖1(a)可以
看出，磨柱在蒸餾水磨損后形成的磨斑表面非常粗
糙、凹凸不平，表面含有很多粗細不勻的溝壑，表明
磨損十分嚴重；由圖2(b)可見，磨柱在含1％
NH．EPL基漿中磨損后形成的磨斑表面平整光滑，沒
有明顯的深溝，表明磨柱表面得到了良好的保護。
2．1．3 抗溫性
隨著鉆井深度的增加，井溫升高，脫附現象增
強，在水平井、大位移井中井壁與鉆具的摩擦增大，
鉆具與井壁之間的溫度急劇上升，因此對鉆井液處
岡1 磨柱存蒸餾水(a)和NH．EPL基漿(b)
中磨損后形成磨斑的掃描電鏡照片
理劑的抗溫性要求更高。在基漿中加入NH—EPL或
套管減磨劑，高溫熱滾后泥漿的潤滑系數見表l。
由表中數據可見。隨溫度的升高，NH—EPL的潤滑系
數降低率變化較小，且都保持在89％以上，說明
NH—EPL具有優良的抗溫性，抗溫達160 。
表1 極壓潤滑劑對基漿抗溫性的影響
NH．EPL的熱重分析曲線見圖2。由圖中TG曲
線可見，當溫度達到266．8℃時，NH．EPL的質量發
生明顯的變化。失重率達11．75％，表明NH．EPL在
此溫度下發生了熱分解，當溫度達到420 時，失重
率達到90％以上，基本分級完全；由DSC曲線可見，
當溫度達到266．5 時，NH—EPL}n現一個明 的吸
圖2 NH—EPL的熱重分析曲線
二、
D
目
●
>
E
—
U
∽
凸
388 油 田 化 學 2017生
熱峰，表明在此溫度下有新物質生成或達到化合物
的揮發溫度。從熱分析結果可以看出，NH．EPL自
身抗溫達260℃ 以上。
2．1．4 抗鹽性
為了增強鉆井液體系的抑制性，需在鉆井液中
加入一定量的氯化鈉或氯化鉀。在鉆入巖鹽地層
時需用飽和鹽水鉆井液體系。NH．EPL對不同濃度
鹽水基漿潤滑系數的影響見表2。由表2可知，隨
著NaC1~Jfl量的增大，鹽水基漿潤滑系數降低率有所
降低，在NaCI加量小于20％時的變化較小，說明
NH．EPL可抗20％的NaCl鹽水，具有良好的抗鹽l生1 。
表2 NH—EPL對鹽水基漿潤滑系數的影響’
*120~熱滾16 h。
2．1．5 起泡性
鉆井液起泡給鉆井工程帶來不良影響，導致鉆
井液密度下降，對鉆井液液柱壓力產生一定的影
響；使地表鉆井液黏度切力上升，流動性能變差。
此外，鉆井液起泡容易使泥漿池液面上漲，泥漿溢
出池面而造成直接的經濟損失。因此，鉆井液處理
劑加入鉆井液體系后要不起泡或者起泡不嚴重。
在300 mL基漿中加人0．5％NH—EPL或套管減磨
劑，高速攪拌后的體積分別為303、330 mL，起泡率
分別為1．0％ 、10％。基漿中加人NH—EPL的起泡率
僅為1％，遠低于企業標準Q／SH 1500 0031—20l3
中起泡率≤10％的指標，因此NH．EPL的發泡性能
滿足現場應用要求。
2．1．6 熒光級別
在勘探井的鉆探中，巖屑熒光錄井要求鉆井液
添加劑及鉆井液體系本身的熒光強度越低越好，由
于勘探井和地質錄井是通過觀察返出的巖屑樣品
在紫外光照射下的熒光顏色和強度來判斷是否鉆
遇油層，鉆井液處理劑的熒光強度較高會直接影響
地質熒光錄井。熒光級別高的處理劑只能用在開
發井中，不能用在探井中。以江蘇油田原油為基
準，測得NH—EPL的熒光級別為1級，對勘探井、地
質錄井無影響。
2．1．7 配伍性
將NH EPL加入不同井漿后，體系的流變性以
及濾失量見表3。由表3可知，NH．EPL與鉆井液中
的其他處理劑配伍性良好，對鉆井液的流變性能影
響較小，潤滑系數小于0．10，能減少井下復雜事故的
發生，滿足鉆井施工要求。
表3 NH—EPL對鉆井液性能的影響‘
表觀黏度；P 一塑性黏度；yP一動切力；FL(API)一常
溫常壓濾失量。
2．1．8 生物毒性
采用發光細菌法對NH—EPL的生物毒性進行評
價。結果表明，NH．EPL的半有效濃度EC50值為
1．73 X 10 mg／L，大于25000 mg／L，按照標準Q／SY
1 1 l一2007油田化學劑及鉆井液生物毒性分級為無
毒，符合環保要求。
2．2 現場應用
(1)新疆地區。中石化西北局一口大位移水平
井，設計井深4797 m，水平位移2486 m。該井自
3713 m后由40。穩斜段開始增斜，造斜率為15~／100
rn。由于井深及造斜率高，鉆進過程中鉆具與井壁
接觸面積顯著增大，上提下放摩阻顯著增大，扭矩
也隨之增大，存在定向工具托壓現象，影響了鉆井
的順利進行。此時鉆井液密度1．20 g／era3，漏斗黏度
45 s，塑性黏度為15 mPa·S，動切力為8 Pa，初終／切
為6／25 Pa／Pa，常溫常壓濾失量為4 mL，極壓潤滑系
數為0．298，上捉摩阻24～28 t，扭矩l8 kN·m。加
入NH—EPL后，鉆井液密度不變，漏斗黏度60 S，塑
性黏度為17 mPa·S，動切力為11 Pa，初終／切為5／20
Pa／Pa，常溫常壓濾失量為2．2 mL，極壓潤滑系數為
第34卷第3期 逯貴廣：極壓潤滑劑NH-EPL性能評價與現場應用 389
0．117，上提摩阻降至18～22 t，扭矩降至15 kN·m
以下，定向托壓現象消失，鉆井順利進行。
(2)江蘇地區。江蘇油田一口大斜度定向井，
實際完鉆深4260 m，最大井斜64．7。，水平位移
l885．06 m。該井在2690～ 3500 II1井段使用
NH—EPL，井深2690 m，井斜56。，加入NH．EPL前，
鉆井液密度1．18 g／cm3，黏度48 S，上提摩阻8 t，下放
摩阻12 t；加人NH．EPL后，鉆井液密度和黏度不
變，鉆具上提摩阻6 t，下放摩阻8 t，滑動鉆井托壓改
善明顯。井深2750 ITI增斜滑動鉆進，托壓明顯，無
法正常鉆進，時井斜57。，鉆井液密度1．23 g／cm ，黏
度58 S，上提摩阻8 t，下放摩阻12 t；加人NH—EPL
后，鉆井液密度和黏度不變，上提摩阻4 t，下放摩阻
6 t，滑動鉆井托壓明顯改善，恢復正常鉆井。現場
應用效果表明，NH．EP潤滑效果明顯，與鉆井液其
他處理劑配伍性較好，不起泡，不增黏，降低摩阻達
5O％ ，應用效果非常明顯。
3 結論
NH—EPL具有優異的極壓減磨性和潤滑性能，
常溫下可使基漿潤滑系數降低93．4％、磨失量降低
99．8％，承壓能力320kgf，可以有效保護鉆具，減緩
套管和鉆具的磨損；抗溫160℃，抗20％NaC1鹽水，
可有效降低清水土漿和鹽水土漿的潤滑系數；熒光
級別l級，對勘探井、地質錄井無影響；不易起泡，無
生物毒性，符合環保要求，NH．EPL與井漿配伍性
好，現場應用效果顯著，摩阻降低率高達50％，可以
滿足深井、定向井、水平井、大斜度大位移井等鉆井
工程需求，減少卡鉆事故發生，具有良好的應用和
推廣前景。
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Performance Evaluation and Application of Extreme Pressure Lubrican t NH-EPL
LU Guiguang
(ResearchInstituteo，^ ngChemicalIndustrialGroup，Nanfing，Jiangsu210048，PRofChina)
Abstract：Aiming at the problems of commonly drilling fluid lubricant，such as low pressure，poor anti—friction efect and
temperature resistance． extreme pressure lubricant NH-EPL was prepared by introducing metal organic compound into
alkanolamine ester．The properties of NH．EPL，such as lubrication，friction—reduction and wear-resistance effect，temperature
resistance and salt tolerance，foam ability，fluorescence level and biological toxicity and SO on，were studied and the efect of
NH-EPL on the rheological property of drilling fluid was investigated．Furthermore，NH—EPL was applied in Xinjiang and Jiangsu
area on site．The results showed that NH—EPL had excellent extreme pressure friction resistance and lubrication perform ance．At
room temperature．the lubrication factor reduced 93．4％ and the wear loss reduced 99．87％ by 0．5％ NH—EPL．The pressure capacity
of NH．EPL was 320 kgf．NH．EPL had good resistance to temperature(160 )and salt．The lubrication factor of 20％ NaCl salt
(下轉第396頁。to be continued on p．396)

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