鉆井液潤滑性

鉆井液潤滑性第一頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期二本章要點：1、掌握有關(guān)的基本概念；2、鉆井液潤滑的特點、影響因素、常見潤滑劑及其作用機理；3、了解鉆井液潤滑性與鉆井的關(guān)系鉆井液工藝原理電子教案第二章鉆井液工藝原理電子教案—第五章第二頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期二上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄返回前言

鉆井液的潤滑性能通常包括泥餅的潤滑性能和鉆井液這種流體自身的潤滑性兩方面。鉆井液和泥餅的摩阻系數(shù)，是評價鉆井液潤滑性能的兩個主要技術(shù)指標。鉆井液的潤滑性對鉆井工作影響很大。特別是鉆超深井、大斜度井、水平井和叢式井時，鉆柱的旋轉(zhuǎn)阻力和提拉阻力會大幅度提高。由于影響鉆井扭矩和阻力以及鉆具磨損的主要可調(diào)節(jié)因素是鉆井液的潤滑性能，因此鉆井液的潤滑性能對減少卡鉆等井下復雜情況，保證安全、快速鉆進起著至關(guān)重要的作用。第三頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期二鉆井液工藝原理電子教案第二章鉆井液的潤滑性能

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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(chǎn)的鉆井液極壓潤滑儀測定了三種基礎流體的摩阻系數(shù)(鉆井液摩阻系數(shù)相當于物理學中的摩擦系數(shù))，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(shù)在0.08～0.09之間，各種水基鉆井液的摩阻系數(shù)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。這就是我們在定向井、大位移井或復雜井中經(jīng)常混油的原因。對大多數(shù)水基鉆井液來說，摩阻系數(shù)維持在0.20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(shù)應盡可能保持在0.08～0.10范圍內(nèi)，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(fā)出的一些新型水基仿油性鉆井液，其摩阻系數(shù)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。第四頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期二

從提高鉆井經(jīng)濟技術(shù)指標來講，潤滑性能良好的鉆井液有以下優(yōu)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(zhuǎn)動鉆具；

(4)能防粘附卡鉆，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(wěn)定性都有極限。若鉆井液的潤滑性能不好，會造成鉆具回轉(zhuǎn)阻力增大，起下鉆困難，甚至發(fā)生粘附卡鉆和斷鉆具事故；當鉆具回轉(zhuǎn)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(wěn)。鉆井液工藝原理電子教案第二章鉆井液的潤滑性能

第五頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期二鉆井液工藝原理電子教案第二章鉆井液潤滑性的影響因素

1．鉆井作業(yè)中摩擦現(xiàn)象的特點隨著密封軸承的出現(xiàn)，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：(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(guān)，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。第六頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期二鉆井液工藝原理電子教案第二章鉆井液潤滑性的影響因素

(3)流體摩擦：由兩接觸面間流體的粘滯性引起的摩擦。(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(guī)則情況下，鉆具直接與部分井壁巖石接觸時的摩擦。鉆井作業(yè)中的摩擦現(xiàn)象較為復雜，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(yè)中，摩擦系數(shù)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(xiàn)。第七頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期二鉆井液工藝原理電子教案第二章上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄返回鉆井液潤滑性的影響因素

摩阻力的大小不僅與鉆井液的潤滑性能有關(guān)，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(nèi)固相顆粒的含量和大??；井壁表面泥餅潤滑性；井斜角；鉆柱重量；靜態(tài)與動態(tài)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(diào)節(jié)因素。2.鉆井液潤滑性的主要影響因素第八頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期二(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(chǎn)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(jié)果表明，鉆井液在一定時間內(nèi)通過不斷剪切循環(huán)，其固相顆粒尺寸隨剪切時間增加而減小，其結(jié)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?？梢姡瑖栏窨刂沏@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。第九頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期二鉆井液潤滑性的影響因素(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(zhì)量的處理劑(比如磺化瀝青)主要是通過改善泥餅質(zhì)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，巖石主要是通過影響所形成泥餅的質(zhì)量以及井壁與鉆柱之間接觸表面粗糙度而起作用的。比如說頁巖，在鉆井過程中可能會出現(xiàn)鋸齒狀井眼或糖葫蘆井眼，這種井眼的突出部分，形成的泥餅質(zhì)量一般較差，與鉆柱的接觸面積比較小，所以摩擦力就比較大，而對于滲透性低、均勻程度好的地層，泥餅在井壁表面厚度均勻，且比較薄，所以潤滑性良好。第十頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期二鉆井液潤滑性的影響因素井底溫度、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(zhì)量，對鉆井液的潤滑性能產(chǎn)生影響。溫度對處理劑的影響更大一些，比如磺化瀝青，在小于等于軟化點時效果最好，溫度高于其軟化點后，瀝青產(chǎn)生軟化呈溶液狀態(tài)，時取其參與形成泥餅潤滑鉆具的功效，所以深井不宜采用低軟化點瀝青。有機高分子聚合物在高溫作用下，發(fā)生降解，也會使原有功能喪失。第十一頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期二(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(zhì)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(guān)。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。鉆井液潤滑性的影響因素第十二頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期二(4)潤滑劑試驗表明，使用清水作鉆井液，摩擦阻力是較大的。而往清水中加人千分之一至千分之幾的潤滑劑(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(xiàn)為鉆具回轉(zhuǎn)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、原油、表面活性劑等；后者如石墨、塑料小球、玻璃小球等。鉆井液潤滑性的影響因素第十三頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期二近年來鉆井液潤滑劑品種發(fā)展最快的是惰性固體類潤滑劑，液體潤滑劑中主要發(fā)展了高負荷下起作用的極壓潤滑劑及有利于環(huán)境保護的無毒潤滑劑；由于環(huán)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(shù)，以及通過改善泥餅質(zhì)量來增強泥餅的潤滑性。鉆井液潤滑性的影響因素第十四頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期二鉆井液工藝原理電子教案第二章上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄返回鉆井液潤滑劑

1．對鉆井液潤滑劑的要求國內(nèi)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(jié)構(gòu)。(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(chǎn)生不良影響。(3)不降低巖石破碎的效率。(4)具有良好的熱穩(wěn)定性和耐寒穩(wěn)定性。(5)不腐蝕金屬，不損壞密封材料。(6)不污染環(huán)境，易于生物降解，價格合理，且來源充足。第十五頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期二2．鉆井液中常用的潤滑劑（1）惰性固體潤滑劑

塑料小球，其組成為二乙烯苯與苯乙烯的共聚物。該產(chǎn)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1.03～1.05g／cm3，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?？膳c水基和油基的各種類型鉆井液匹配，是一種較好的潤滑劑。缺點：成本較高。鉆井液工藝原理電子教案第二章鉆井液潤滑劑

第十六頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期二玻璃小球，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。玻璃小球由于可能起到了類似球軸承作用或可能因埋入泥餅，從而降低了泥餅的摩擦系數(shù)。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。鉆井液工藝原理電子教案第二章鉆井液潤滑劑

第十七頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期二彈性石墨無毒、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(fā)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(zhì)和礦物混合物具有良好的配伍性。彈性石墨的獨特結(jié)構(gòu)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(guī)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(tài)，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。鉆井液工藝原理電子教案第二章鉆井液潤滑劑

第十八頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期二(2)液體類潤滑劑該類產(chǎn)品主要有原油、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(zhì)，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。鉆井液工藝原理電子教案第二章鉆井液潤滑劑

第十九頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期二

常用潤滑劑：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，如Ca2+、Mg2+等)使用單一陰離子表面活性劑時，往往會由于產(chǎn)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(zhì)中才能保持穩(wěn)定，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。隨著環(huán)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(chǎn)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(huán)境，不于擾地質(zhì)錄井。鉆井液工藝原理電子教案第二章鉆井液潤滑劑

第二十頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期二鉆井液工藝原理電子教案第二章上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄返回潤滑劑的作用機理

固體潤滑劑能夠在兩接觸面之間產(chǎn)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(shù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)套管。固體類潤滑劑的熱穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性和防腐蝕能力等良好，適于在高溫、但轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速條件下使用。(1)惰性固體的潤滑機理第二十一頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期二

瀝青類處理劑主要用于改善泥餅質(zhì)量和提高其潤滑性。瀝青類物質(zhì)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(zhuǎn)變?yōu)樵魉?，所以，可阻止濾液向地層滲透。(2)瀝青類處理劑的潤滑機理鉆井液工藝原理電子教案第二章潤滑劑的作用機理第二十二頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期二

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(chǎn)生的固—固摩擦，改變?yōu)榛钚詣┓菢O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(zhuǎn)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(zhuǎn)阻力。(3)液體潤滑劑的潤滑機理鉆井液工藝原理電子教案第二章潤滑劑的作用機理第二十三頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期二第三節(jié)粘土的水化膨脹作用鉆井液工藝原理電子教案第二章上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄返回鉆井液潤滑性能的評價方法

鉆井液和泥餅的摩阻系數(shù)，是常用的兩個評價鉆井液潤滑性能的技術(shù)指標。由于摩阻的大小不僅與鉆井液的潤滑性能有關(guān)，而且還與鉆具和地層接觸面的粗糙程度，接觸面的塑性變形情況、鉆柱側(cè)向力的大小和分布情況、鉆柱的尺寸和旋轉(zhuǎn)速度等因素有關(guān)。因此，要全面、客觀地評價和測定鉆井過程中鉆井液和泥餅摩阻系數(shù)，正確地評選鉆井液和潤滑劑是很困難的。目前，國內(nèi)外對鉆井液潤滑性能的檢測尚無公認的通用儀器和方法，各種評價方法的客觀性尚需進一步提高。因此，在目前限定的測試儀器和條件下，只能從某一側(cè)面評價和優(yōu)選鉆井液基液和潤滑劑，確定在該條件下的摩阻系數(shù)。第二十四頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期二

目前實際應用的主要有滑板式泥餅摩阻系數(shù)測定儀(MudCakeSluggishCoefficientmeter)、泥餅粘附系數(shù)測定儀(D