钻井液润滑性能评价方法研究进展.pdf
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1、 实 验 技 术 与 管 理 第 40 卷 第 6 期 2023 年 6 月 Experimental Technology and Management Vol.40 No.6 Jun.2023 收稿日期:2022-12-06 基金项目:国家科技重大专项子课题“涪陵页岩气水平井钻井液及固井技术研究”(2016ZX05060-015)作者简介:刘胜(1979),男,辽宁丹东,本科,工程师,主要研究方向为钻完井液技术管理,。通信作者:由福昌(1981),男,辽宁西丰,硕士,正高级工程师,湖北省产业教授,主要研究方向为钻完井液技术开发及应用,。引文格式:刘胜,吴宇,由福昌.钻井液润滑性能评价方法研
2、究进展J.实验技术与管理,2023,40(6):18-29.Cite this article:LIU S,WU Y,YOU F C.Research progress of lubrication performance evaluation methods for drilling fluidJ.Experimental Technology and Management,2023,40(6):18-29.(in Chinese)ISSN 1002-4956 CN11-2034/T DOI:10.16791/ki.sjg.2023.06.004 钻井液润滑性能评价方法研究进展 刘 胜1,吴
3、 宇2,由福昌3,4(1.中海油田服务股份有限公司上海分公司,上海 200335;2.荆州嘉华科技有限公司,湖北 荆州 434000;3.长江大学 石油工程学院,湖北 武汉 430100;4.油气钻采工程湖北省重点实验室,湖北 武汉 430100)摘 要:结合摩擦学原理介绍了钻井过程中涉及钻井液的润滑类型,包括边界润滑、混合润滑、流体动压润滑和弹性流体动压润滑等,并梳理了半个多世纪以来钻井液润滑性评价方法的起源和研究发展现状,分析了各种评价方法的优缺点,可为业内研究工作者和技术人员在钻井液润滑剂筛选手段上提供参考。在此基础上,建议大力支持可规模化推广和贴合现场实际为一体的先进钻井液润滑性评价设
4、备的研制,提高室内研究对现场应用的指导价值。关键词:钻井液;润滑类型;评价方法;极压润滑;摩擦磨损;黏附系数 中图分类号:TH117 文献标识码:A 文章编号:1002-4956(2023)06-0018-12 Research progress of lubrication performance evaluation methods for drilling fluid LIU Sheng1,WU Yu2,YOU Fuchang3,4(1.China Oilfield Services Limited Shanghai Branch,Shanghai 200335,China;2.Jing
5、zhou Jiahua Technology Co.,Ltd.,Jingzhou 434000,China;3.Department of Petroleum Engineering,Yangtze University,Wuhan 430100,China;4.Key Laboratory of Drilling and Production Engineering for Oil and Gas,Hubei Province,Wuhan 430100,China)Abstract:Based on the principles of tribology,the lubrication ty
6、pes of drilling fluid involved in drilling process are introduced,including boundary lubrication,mixed lubrication,hydrodynamic lubrication,and elastic-hydrodynamic lubrication.The origin and development status of evaluation methods for drilling fluid lubricity in more than half a century are summar
7、ized,and the advantages and disadvantages of various evaluation methods are analyzed.It provides a reference for researchers and technicians in the industry to screen lubricants for drilling fluid.On this basis,it is suggested to vigorously support the development of advanced drilling fluid lubricit
8、y evaluation equipment that can be promoted on a large scale and fit the actual situation in the field,to improve the guiding value of indoor research to field applications.Key words:drilling fluid;lubrication type;evaluation method;extreme pressure lubrication;friction and wear;adhesion coefficient
9、 据统计,摩擦消耗了全世界大概 30%的一次性能源,而磨损则造成近 80%的装备失效1。钻井作为一个综合性的工程,涉及摩擦、磨损的领域不胜枚举。而随着井深和水平位移的增加,摩擦力转化为移动井下马达所需的能量损失,相关的磨损缩短了用于水平段定向的昂贵井下工具的寿命2。为最大限度地延长钻头、井底组件和井下工具的寿命,减少井下复杂事故,保证作业安全性,提高钻井液润滑性能以降低摩 刘 胜,等:钻井液润滑性能评价方法研究进展 19 擦和磨损变得尤为重要3。就如何提高钻井液润滑性能的问题,业内基本达成共识,即在钻井液中引入能够有效降低摩擦系数和减少磨损的物质润滑剂4-8。但就如何评估这一效果并给现场施工提
10、供有价值的指导这方面还未形成统一,钻井液室内润滑性评价结果与现场对比误差甚至高达 43%83%9。为此,本文在总结钻井过程中所涉及钻井液摩擦学原理的基础上,梳理了国内外有关钻井液润滑性评价方法,并分析了各种评价方法的优缺点,给业内研究工作者在筛选钻井液润滑剂方法上提供参考,以期更贴近现场实际,从而有效指导实际生产,减少无意义的资源损耗。1 钻井液摩擦学原理 1.1 摩擦学发展概述 润滑是为了降低相对运动的摩擦副之间摩擦阻力和减缓摩擦副表面磨损的技术措施,于 1966 年与摩擦、磨损合并发展为一门交叉学科摩擦学(Tribology)10-11,即一门研究相互运动、相互作用对偶表面的理论与实践的科
11、学技术12。根据 Ramirez 等13的调研,摩擦“定律”萌芽于15 世纪,成型于 18 世纪,开始实践于 20 世纪。早在15 世纪初,Da Vinci 就研究了固体摩擦副间的摩擦现象,并提出摩擦力与法向载荷成正比;直至 17 世纪末(1699 年),Amonton 在此基础上建立了摩擦系数的基本公式:摩擦系数(coefficient of friction,CF)=摩擦力/法向力,并提出摩擦与表面积无关;发展到18 世纪第一次工业革命初期(1781 年),Coulomb 定义了静摩擦和动摩擦,提出动摩擦与滑动速度无关,并由此开始探索凹凸接触面积及其与表面粗糙度的关系。进入“电气时代”后,
12、由于工业系统无法在极端磨损条件下运行,从而促进了润滑机制的研究和开发。1902 年,Stribeck 通过滚动/滑动轴承摩擦实验绘制了著名的 Stribeck 曲线14,如图 1 所示。他观察到相互作用的两个摩擦副在低速运动时表面接触充分,只有少量润滑剂充填其中时,定义为边界润滑(boundary lubrication)。随着速度的增加,润滑剂逐渐被输送到摩擦副表面间的空隙中,并产生向上的力将表面推开,只剩下局部相互接触,定义为混合润滑(mixed lubrication)。随着表面间距增加,摩擦系数逐渐减小。当表面不再接触时,摩擦系数最小,这时的状态定义为弹性流体动压润滑(elastic-
13、hydrodynamic lubrication)。如果形成薄膜,则可以防止或减少磨损。当滑动速度增加时,薄膜增厚,润滑剂的内摩擦随之增加,导致整个摩擦系统的摩擦系数再次增加,此时定义为流体动压润滑(hydrodynamic lubrication)。第三次工业革命开始后,随着科学技术的突破和社会发展的需求,摩擦学相关理论也加速向实际生产转化,并得到广泛应用15-16。注:h 为两摩擦副表面间距。图 1 Stribeck 曲线(描述不同润滑方式的标准曲线)13 1.2 钻井液中的摩擦学原理 在机械和汽车行业内,Stribeck 曲线和摩擦学发展成为润滑油设计的标准辅助工具,而石油和天然气行业则
14、并未广泛使用摩擦学原理来设计润滑剂和建立润滑性能评价方法13,但钻井过程中涉及钻井液的润滑方式可进行简单划分:直井或定向井中正常旋转钻进时,多属于流体动压润滑;而在水平井中正常旋转钻进时,多属于弹性流体动压润滑;与旋转钻进不同,滑动钻进或者起下钻时,钻头、钻铤等大尺寸钻具与井眼或者套管表面间的润滑方式属于边界润滑;钻杆等小尺寸钻具与井眼或者套管表面间的润滑方式属于混合润滑。总的来说,钻井过程中的润滑方式比机械和汽车行业中轴承、齿轮润滑更为复杂,这也使得钻井液润滑性能评价方法呈现多样性,主要包括钻井液自身润滑性评价方法和钻井液泥饼润滑性评价方法。2 钻井液润滑性能评价方法 2.1 钻井液自身润滑
15、性评价方法 2.1.1 极压摩擦评价方法 早在 20 世纪 50 年代,为延长钻头寿命,Rosenberg等17对 Timken 润滑测试仪(一种用于测试机械轴承润滑油品质的仪器)进行了改装,可用来测试高负载压力下润滑剂的极压润滑性能,该设备示意图如图 2所示。其中标准钢试验块与标准钢试验环为两个相对旋转运动的摩擦副,可通过增减挂在杠杆臂上的砝码来调整试验块施加在试验环上的载荷,同时通过简易的循环系统给两摩擦副表面间输送充当“润滑剂”的钻井液。主要采用不引起设备卡停的最大砝码重量表示钻井液的承载能力,由此来评估钻井液的极压润滑性能。此外,还可通过试验块上的疤痕面积和负载计算润滑膜强度来评估钻井
16、液的抗磨性能18。该方法量化了钻井液润滑性能参数,为钻井液润滑剂的筛选提供了技术手段。但缺点也很明显,一是通过砝码提供20 实 验 技 术 与 管 理 载荷精准度偏低,且连续性较差;二是只能横向对比不同测试样的润滑性能,无法评价单一测试样在不同条件下的极压润滑能力。图 2 Timken 润滑测试仪示意图17 美国石油学会(American Petroleum Institute,API)指定的钻井液标准润滑性测试仪(见图 3)19-22就是由 Timken 润滑测试仪衍变而来,其被广泛用于包括钻井液在内的井筒工作流体润滑性能的评价23-26。该设备摩擦系数测试单元由旋转钢环和带弧面金属块组成,
17、测试时将钢环和金属块浸入测试样中,通过扭矩扳手施加侧向载荷将金属块压在钢环上,钢环由电机驱动旋转,由此测量两者之间的摩擦力。摩擦系数由施加的扭矩和摩擦力计算得出,见式(1)27。对于极压测试或划痕测试,该仪器配备了具有凸起表面的极压测试环和光滑表面的极压测试块。测试前将扭矩臂读数调零,然后调节控制面板上的速度控制旋钮使测试环以 1 000 r/min 的速度运行,顺时针转动扭矩调节手柄,使扭矩负载缓慢增加,直到观察到失速(转速突然降低至 950 r/min 或更低),同时摩擦声音发生明显变化时,记录扭矩臂读数并测量极压测试块上的痕迹,通过式(2)计算该测试样产生的润滑膜强度 P28-31。AS
18、std g/1.5AWCFTTTT(1)式中:Tstd为水的标准扭矩读数,一般为34 in-lbf(3.84 Nm);TAW为水显示的实际扭矩读数,in-lbf(0.113 Nm);TAS为测试样显示的实际扭矩读数,in-lbf(0.113 Nm);Tg为臂上扭矩,一般设定为 150 in-lbf(16.95 Nm)。TPDL W(2)式中:P为薄膜强度,psi(6.895103 MPa);T为扭矩臂读数,in-lbf(0.113 Nm);D 为扭矩臂行进距离,固定长度 1.5 in(38.1 mm);L 为磨痕长度,in(25.4 mm);W为磨痕宽度,in(25.4 mm)。API 润滑性
19、测试仪从研发到定型历经三十余年,以小型可携带、数据重复性好、测试方便快捷备受钻井现场和研发机构好评,目前仍然是国内外商业液体润滑剂标准评价指定设备之一。但 API 润滑性测试仪 图 3 API 润滑性测试仪2 只能测试液体样品的润滑性,无法有效评价固体润滑剂的性能。Skalle 等32为克服这个问题,在 Bol33和Aston 等34的研究基础上,对 API 润滑性测试仪进行了改进。修改原理如图 4(a)所示,其中凸轮和凸轮从动件放置在滑环和滑块的下方,由凸轮从动件后面的两个螺栓来调整滑环和滑块间的最大开口间隙,并通过使用图 4(b)中描述的卡尺来调节间隙大小。在滑块和滑环间放置不同厚度的黄铜
20、箔薄片来校准卡尺,并记录卡尺的相应运动。最佳开口间隙宽度取决于所用测试样中的固相颗粒粒径,大颗粒比小颗粒需要更大的间隙。实验表明,相比液体润滑剂,采用浓度为 1%粒径为 2430 m 的 PVC(聚氯乙烯)材质固体微球或者粒径为 28 m 的 PS/DVB(聚苯乙烯与二乙烯基苯交联聚合物,交联度为 8%)材质固体微球能获得更低的摩擦系数,这为现场输送高效固体润滑剂提供了数据支撑。此外,由美国西南研究院(Southwest Research Institute,SWRI)设计制造的 Falex 润滑性测试仪在国外使用居多2,35,同样以小型化、便携式著称,主要用于模拟井下钻具与套管之间在极压下的
21、扭矩情况。图 5 展示了 Falex 润滑性测试仪的结构示意图。测试单元由 V 形钢块、钢制轴颈组成,测试前会将其浸没在装有测试样的油盒中,测试时轴颈会以恒定速度旋转,并在 V 形钢块上的负载发生变化时由扭矩计测量出相应负载下的扭矩,通过更换不同测试样后得出的扭矩大小来评价测试样的润滑性能。相比 API 润滑性测试仪采用滑环与滑块作为摩擦副,Falex 润滑性测试仪在测试单元上朝着仿真模拟迈出了第一步。但这两种极压润滑仪在评价钻井液润滑性能方面存在相同的局限性:一是局限于金属与金属间的相对摩擦测试;二是局限于常温常压环境;三是局限于钻井液非循环状态条件。刘 胜,等:钻井液润滑性能评价方法研究进
22、展 21 图 4 改进 API 润滑性测试仪结构示意图32 图 5 FALEX 润滑性测试仪结构示意图35 为此,研究人员基于现场实际钻井情况做了方法改进。Quigley36建立了一种模拟钻柱与井筒之间摩擦系数的测试方法,旨在研究钻井液类型、钻井液密度、润滑剂类型、润滑剂浓度、样品材质(模拟井筒材质,例如套管钢和岩石等)和模拟钻柱等 6 个因素对摩擦系数的影响。测试单元结构如图 6 所示。其中样品架安装在线性轴承上的泥浆杯底部,通过向泥浆杯施加精确恒定的侧向载荷(范围 20100 lbf(89445 N))模拟井筒样品与旋转钻柱(转速范围 0600 r/min)间的摩擦方式,并利用连接在变速电
23、机上的扭矩计(范围 012.5 in-lbf(01.41 Nm))测量设备运行时产生的扭矩来计算摩擦系数,见式(3)。泥浆杯中钻井液可循环,一方面贴近实际现场情况,另一方面防止重晶石或固体润滑剂沉降。同时配上小型加热装置和温度传感器可控制钻井液温度恒定在(273)。实验发现,将模拟钻柱转速设定为 300 r/min,施加在其上的侧向载荷为 60 lbf(267 N)时可获得重复性和可靠性最佳的实验结果。该装置后来衍变为润滑性评估监视器(lubricity evaluation monitor,LEM)37-38。oCFTTRF(3)图 6 润滑性测试单元结构示意图36 式中:T 为扭矩读数,i
24、n-lbf(0.113 Nm);To为在没有22 实 验 技 术 与 管 理 接触面的情况下移动轴所需的扭矩,in-lbf(0.113 Nm);R 为模拟钻柱半径,in(25.4 mm);F 为侧向载荷,l bf(4.45 N)。早期的 LEM 采用砝码加重提供侧向载荷,连续性差,且无法模拟井底高温环境。为进一步模拟实际现场情况,Growcock 等39对 LEM 进行了改进,如图 7所示。主要改进包括:在驱动电机和模拟钻柱之间增加一个弹性联轴器,提高偏差适应性和扭矩传递精确性;封闭测试单元以允许 300 F(148.9)高温操作,模拟井底高温环境;用 Bimba 气动控制器代替加重砝码,可均
25、匀控制力的变化,提高连续性和稳定性。图 7 改进版润滑性评估监视器示意图39 随着研究人员的多次实验,发现两摩擦副持续紧密接触,一直处于边界润滑状态,测试样难以进入两 摩擦副表面间隙补充损耗,影响了实验结果的准确性。为解决该问题,Alford 等40和 Knox 等41提到了一种LEM 改进版钻井液摩擦系数测量装置 LEM III,相比原装置主要增加了独特的振荡机制,优化了评价方法,旨在更好地模拟钻柱振动情况及钻具与套管或井壁表面新鲜钻井液接触的井下条件,结构如图 8 所示。其独特的振荡机制允许模拟钻柱和模拟套管或井壁临时分离,通过这种方式将携带固体、聚合物和润滑剂的新鲜钻井液输送到两摩擦副表
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