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水基钻井液强吸附多元醇酯键合润滑剂及作用机理

陶怀志 明显森 马光长 杨旭坤 蒋官澄

陶怀志,明显森,马光长,等. 水基钻井液强吸附多元醇酯键合润滑剂及作用机理[J]. 钻井液与完井液,2022,39(5):579-586 doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2022.05.008
引用本文: 陶怀志,明显森,马光长,等. 水基钻井液强吸附多元醇酯键合润滑剂及作用机理[J]. 钻井液与完井液,2022,39(5):579-586 doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2022.05.008
TAO Huaizhi, MING Xiansen, MA Guangchang, et al.Study on mechanisms of a highly adsorptive polyol ester bonded lubricant for water based drilling fluids[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid,2022, 39(5):579-586 doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2022.05.008
Citation: TAO Huaizhi, MING Xiansen, MA Guangchang, et al.Study on mechanisms of a highly adsorptive polyol ester bonded lubricant for water based drilling fluids[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid,2022, 39(5):579-586 doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2022.05.008

水基钻井液强吸附多元醇酯键合润滑剂及作用机理

doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2022.05.008
详细信息
    作者简介:

    陶怀志,博士,高级工程师,1983年生,主要从事钻井液技术研发工作。E-mail:taohz_ccde@cnpc.com.cn

    通讯作者:

    蒋官澄,教授,博士生导师,1966年生,研究方向为钻井液完井液化学与工程、油气层损害与保护技术。电话(010)89732196;E-mail: jgc5786@126.com

  • 中图分类号: TE254.4

Study on Mechanisms of a Highly Adsorptive Polyol Ester Bonded Lubricant for Water Based Drilling Fluids

  • 摘要: 常用水基钻井液润滑剂在金属摩擦界面上的吸附力弱,难以形成致密、且耐剪切的润滑膜,导致钻井摩阻、扭矩高,引发阻卡、卡钻等井下事故。为提高润滑剂在金属钻具表面的吸附能力,以多元醇和长链脂肪酸为原料,通过脱水缩合制备了一种多元醇酯键合润滑剂,其极压摩擦、滤饼黏附及“点对点”摩擦的润滑性能均优于国内外同类产品,抗温达150 ℃;通过四球摩擦实验、扫描电镜观察、X射线光电子能谱等研究了键合润滑剂的作用机理,表明其多羟基结构可与Fe元素形成强于普通物理吸附的键合吸附,从而可在金属钻具表面形成厚度约45 nm的致密、抗剪切润滑膜;同时也可吸附在重晶石表面,利于降低钻井液内摩擦。

     

  • 图  1  多元醇酯键合润滑剂的红外光谱图

    图  2  磨块在不同润滑剂水溶液中的表面划痕电镜图

    图  3  不同润滑剂的四球摩擦实验结果(清水)

    图  4  不同润滑剂四球摩擦实验(清水)后磨球表面磨痕电镜图

    图  5  四球摩擦实验结果

    图  6  四球摩擦实验后磨球表面划痕电镜图

    图  7  四球摩擦实验不同磨球的磨斑直径

    图  8  不同润滑剂吸附后重晶石表面的C、O元素含量

    图  9  不同润滑剂吸附后铁粉表面的C、O元素含量

    图  10  四球摩擦实验磨球磨痕的Fe2p的XPS深剖分析

    表  1  在4%膨润土基浆中分别加入1%不同润滑剂的极压润滑系数对比  

    老化前 150 ℃老化后
    润滑剂 EP 降低率/
    %
    起泡
    情况
    EP 降低率/
    %
    起泡
    情况
    CX-300H 0.08 84 不起泡 0.07 86 微泡
    DFL 0.11 78 不起泡 0.08 84 不起泡
    PF-Lube 0.13 74 微泡 0.11 78 微泡
    多元醇
    酯键合
    0.05 91 不起泡 0.04 93 不起泡
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    表  2  清水中加入不同润滑剂的极压膜强度及EP极压润滑系数

    润滑剂 最终扭矩/(N·m) EP极压润滑系数
    清水 4.294 0.30
    0.5% PF-lube 12.430 0.28
    0.5% CX-300H 12.430 0.28
    0.5%多元醇酯键合 24.860 0.08
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    表  3  在4%膨润土基浆中加入1%不同润滑剂对滤饼黏附系数的影响

    润滑剂 老化前 150 ℃老化后
    扭矩max/(N·m) 黏附系数 黏附系数降低率/% 扭矩max/(N·m) 黏附系数 黏附系数降低率/%
    0 13.5 0.1225 13.4 0.1098
    CX-300H 9.0 0.0818 33.20 8.5 0.0697 36.6
    DFL 8.0 0.0728 40.57 8.0 0.0655 40.4
    多元醇酯键合润滑剂 7.0 0.0631 48.50 7.5 0.0613 44.2
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-04-01
  • 修回日期:  2022-04-25
  • 刊出日期:  2023-01-10

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