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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 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.Jingzhou 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 types 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 summarized,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 lubricity 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 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，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-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，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。ASstd 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，in-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面间隙，以获得更贴近井下实际的钻井液润滑性评估结果。图 8 LEM III 润滑性评估监视器示意图40 为进一步提高钻井液润滑性测量的可重复性、操作简便性、操作员安全性和可靠性等，Slater 等42在LEM III 基础上改进获得全自动润滑性评估监视器（lubricity evaluation monitor incorporating new technology，LEM-NT），如图 9 所示。主要改进包括：优化了 LEM III中的振荡机制，如图 9(c)所示，井壁样本固定在测试流体容器中，而该容器安装在计算机调节的气动滑道上，通过计算机控制滑道移动可定期将井壁样本与模拟钻柱分离，从而使摩擦表面间的流体更新；模拟钻柱表面采用磨砂材质，如图 9(d)所示，可随时更换，一方面减少磨损，另一方面有助于将流体输送到摩擦界面；流体循环系统模块化，如图 9(e)所示，可整体拆除，方便清洗以保证测试准确性和可重复性；优化控制系统，计算机与设备之间通过 USB 和 RS232 端口连接，前者用于文件存储与导出，后者用于扭矩计和自动压力调节器的维护，包括模拟钻柱旋转、侧向载荷和样品推回功能均由计算机控制。设备的操作 图 9 全自动润滑性评估监视器42 刘 胜，等：钻井液润滑性能评价方法研究进展 23 和维护中设计了各种工程安全功能，当滑动防护装置打开暴露测试室时，模拟钻柱则停止旋转，侧载气缸的气压会被释放，从而保障操作人员的人身安全。2.1.2 高温高压评价方法 LEM 系列设备的研制解决了 API 极压润滑仪在温度、流体循环和摩擦副方面的局限性，但无法模拟高压环境，基于此研究人员着手研制高温高压（high temperature and high pressure，HTHP）润滑仪，通过模拟井底高温高压环境以获得更贴近于现场实际的实验数据。Sifferman等43和Schamp等2提到一种Westport/M-I HLT 润滑性测试仪，外观如图 10 所示，可测试带温带压状态下循环钻井液的摩擦系数，但温度、压力有限。为研究更高温度和更高压力环境对钻井液润滑性的影响，Holand 等3开发了一种基于 HTHP 黏度计改进而来的 HTHP 润滑仪，该仪器采用黏度计筒壁内的浆杯来模拟套管，并通过控制气缸中 3 个均匀定位的液压操作活塞对气缸壁运动产生法向力来模拟侧向载荷，液压操作的活塞装置连接到类似于黏度计叶片的扭矩测量系统。充分利用 HTHP 黏度计的成熟模块，来实现钻井液高温高压循环条件。但缺点也很明显，该设备无法实时调节侧向载荷大小。为此，Konate等44研制了一种新型动态润滑性测试仪（dynamic lubricity tester），内部结构如图 11 所示，可提供高达500 F（260）和 2 000 psi（13.79 MPa）的温度和压力，还可以模拟实际钻井过程中钻压、钻速、转速等对扭矩摩阻的影响。图 10 Westport/M-I HLT 润滑性测试仪2 2.1.3 抗磨承压评价方法 钻井过程中，除了摩阻扭矩外，磨损对钻具（特别是钻头）或套管的影响也是需要关注的。虽然极压润滑仪对金属与金属之间的磨损有所研究，但变量比较单一，设备也比较简陋。而摩擦磨损仪在材料和机械领域应用居多，多用于新材料抗磨研究以及机械润滑油性能评价等45。基于相似原理，行业相关研究人员也开始利用摩擦磨损仪对钻井液润滑剂抗磨承压性 图 11 HTHP 动态润滑性测试仪44 能进行评价。例如，武汉神州机电有限公司生产的KMY201-1A 型抗磨试验机原本用于机械领域润滑油的抗磨性能评估，鉴于其工作原理简单、设备易获取、操作方便快捷、小型化易携带等特点，常被国内钻井液领域研究人员用作润滑剂承压能力和减磨性评估初筛首选设备46。至于更深入的抗磨性能研究就需要用到更专业化的设备，例如 MRS-10A 型四球摩擦磨损机47-48，广泛用于机械润滑油抗磨、极压摩擦等基础性能的评价，主要指标包括磨斑直径、最大无卡咬负荷及烧结负荷等，是商业润滑油标准评价指定设备之一，目前也逐渐应用于钻井液领域抗磨润滑剂的筛选。但四球摩擦磨损机的摩擦副为小钢球，与实际钻井现场的摩擦形式差别较大，缺乏代表性。为此，研究人员借助四球摩擦磨损机的平台，设计了多类型摩擦副以匹配不同场景下的摩擦运动形式。例如，李小瑞等49基于 MMW 型摩擦磨损仪平台（见图 12），采用销-盘摩擦副模拟测试了钻井液摩擦磨损性能，并给出了 图 12 MMW-1 型立式万能摩擦磨损试验机50 24 实 验 技 术 与 管 理 磨损率的计算公式：mIFD（4）式中：I 为磨损率，mm3/(Nm)；m 为盘的质量损耗，g；为盘的密度，g/cm3；F 为载荷，N；D 为滑动摩擦距离，m。尽管配套多种摩擦副，通用型的摩擦磨损平台仍然难以模拟实际钻具与井壁或套管间的相对摩擦运动状态。为此，燕山大学联合济南思达研制了一种 MZM-500型油井钻柱-套管摩擦磨损试验机51-52，结构如图 13所示。可以模拟井下钻柱在不同转速、环境温度、环境压力、磨损时间、钻井液性能、钻柱/套管钢级等条件下与套管间的摩擦磨损试验。工作原理与 LEM 润滑仪相近，特点在于其钻井液系统可通过升降操作实现与摩擦测试系统的相对独立，方便钻井液的更换对比和摩擦系统的清理，同时还具备磨损量测量系统，可实时动态监测模拟套管磨损情况。2.1.4 仿真模拟评价方法 前文所介绍的方法中模拟钻柱或套管都是缩小后的尺寸，主要为钻井液润滑剂的初步筛选和对比评价。此外，研究人员还基于大型钻井液润滑性评价设备设计了全尺寸仿真模拟评价方法，旨在模拟钻井过程中钻具与井筒之间摩阻扭矩情况，主要研究钻井液等诸多因素对摩阻扭矩的影响，更贴近于现场实际。例如，Quigley 等53介绍的一种可操作的井筒摩擦模拟器（wellbore friction simulator，WBFS），结构如图 14所示。图 13 钻柱-套管摩擦磨损试验机主机结构示意图51 该模拟器利用全尺寸组件来模拟测量大井斜角中的钻柱扭矩和摩阻。15 ft（4.572 m）长的测试部分可容纳 8.512.25 in（216311 mm）内径的钻柱和套管井筒模块。通过沿直径为 4.0 in（102 mm）的传动轴移动全尺寸模拟钻柱来模拟与垂直方向成 4590的钻进和起下钻操作，同步现场常规轴向速度 0110 ft/min（00.559 m/s）和旋转速度 0165 r/min 条件，并控制 图 14 全尺寸井筒摩擦模拟器结构示意图53 刘 胜，等：钻井液润滑性能评价方法研究进展 25 井筒模块以高达 1 000 lbf(4 448 N)的接触力压靠在模拟钻柱上，来模拟钻柱转速、井斜角、岩屑床、流体速度、润滑剂等对钻柱与井筒间摩擦系数的影响。实验表明：WBFS 的测试结果与某些小型润滑性测试仪的结果较为一致；钻柱的旋转能显著降低摩擦系数；由碎煤渣组成的岩屑床通过形成轴承层降低了摩擦系数。该方法的优势在于能够系统性分析中小型设备无法模拟的井斜角、岩屑床、流体速度等多因素对钻柱扭矩和摩阻影响，不足的地方主要是井筒模块无法选用较软的岩石（如页岩、泥岩等），无法模拟钻柱与泥页岩地层裸眼井壁的摩擦情况。为此，Dzialowski 等54-55建立了一种专门为较软岩石设计的润滑评价方法，系统研究了各种盐类和其他常见的水基钻井液添加剂对 Pierre 页岩润滑性和机械磨损的影响。该方法可以模拟评价岩石和金属样品在不同流体中的摩擦系数，还可用于研究套管和井壁岩石样品的卡咬和磨损情况。关键的 3 个组成部分见图 15(a)：主单元，包括安装在车床底座上的测试单元；流体循环系统；数据采集控制系统。测试单元包括钻井液容器和摩擦结构，如图 15(b)所示。其中地层岩石样品固定在一个可旋转的 L 形样品/负载臂上，悬挂在样品/负载臂上的加重砝码提供了所需的负载。用于测试的 Pierre 页岩和 Berea 砂岩一般安装在铝嵌件中以提供必要的支撑以防止过早破裂。测试条件由计算机控制和监控，收集的数据包括模拟钻柱旋转速度和扭矩，钻井液温度、流速和压力，负载和岩石样品角度。实验发现：井壁岩石与钻井液之间发生化学或物理反应时会影响摩擦系数和磨损测试结果。例如循环流体为柴油时，页岩与砂岩摩擦系数（0.194 vs 0.195）及磨损（0.0246 cm3/20 minvs 0.0213 cm3/20 min）均一致；但循环流体为低浓度盐水（62.766 g/L NaCl）时，页岩的摩擦系数（0.293）明显低于砂岩（0.443），而磨损（23.0730 cm3/20 min）反而远高于砂岩（0.0213 cm3/20 min）；这些测试证明了页岩的活性强，易受环境流体性质影响以及砂岩对盐溶液的不敏感性。针对页岩，提高盐摩尔浓度能够降低磨损；且 KCl 在降低磨损方面比 NaCl 更有效。测试发现水基流体中的膨润土和重晶石固相对页岩的摩擦系数或磨损没有显著影响。表面“粗糙”的模拟钻柱的磨损量比表面“光滑”的高出约 50%。图 15 软性岩石井壁润滑仿真模拟测试装置示意图55 2.2 钻井液泥饼润滑性评价方法 钻井过程中除钻井液本身为钻柱与井壁或套管两摩擦副表面提供润滑性外，钻井液由于压差在井壁表面产生的泥饼也能起到润滑减阻作用。对此，研究人员专门设计了新方法来进行泥饼润滑减阻性能的研究与分析。2.2.1 泥饼黏附系数评价方法 钻井期间的卡钻问题影响因素有很多，包括井壁失稳垮塌、岩屑床、泥饼堆积、压差等，其中压差主要造成钻柱或套管陷入井壁泥饼之中难以活动导致卡钻。为解决压差卡钻问题，必须先分析钻井液泥饼对钻柱或套管黏卡的影响。对此，Annis 等56提出泥饼黏附系数概念，并通过自制的黏附系数测量装置来模拟评价钻柱或套管与井壁泥饼之间的黏附系数，结构如图 16 所示。图 16 黏附系数测量装置示意图56 该方法核心测试单元为一个直径 2 in(50.8 mm)的压力容器，其内部充满钻井液，底部安装了厚度为1in(25.4 mm)的 Berea 砂岩芯作为滤片，通过氮气施压使得钻井液在滤片表面过滤形成泥饼，再通过定位杆控制钢板下降与泥饼接触，泥饼形成前后定位杆下26 实 验 技 术 与 管 理 降高度差则为泥饼厚度。在钢板和泥饼接触所需时间后，通过液压驱动活塞直至钢板移动，此时液压压力会急剧下降，记录下降前所达最大压力，其与法向静水压力之间的比值定义为泥饼黏附系数。实验发现泥饼黏附系数与压差无关，但受钻井液组分影响较大：泥饼黏附系数与重晶石含量成正比；油类添加剂可降低黏附系数；在油类添加剂基础上加入少量起油润湿作用的表面活性剂可进一步降低黏附系数。但该仪器采用直线滑动测试方式比较占用空间，且受限于液压驱动难以准确把控力的变化。为此，研究人员对该方法进行了优化改进（见图 17），主要将钢板直线滑动改进为旋转滑动，一方面可节省空间，简化设备，便于携带；另一方面可通过扭矩扳手测量钢板开始移动所需的力，方便现场使用18,21,57。为进一步模拟现场高温高压环境，后期又增加了温控系统49,58-59，可获得更贴近于现场的实验数据。图 17 Baroid 21150 型黏附系数测定仪21 2.2.2 泥饼摩擦系数评价方法 泥饼黏附系数评价方法最初的设计思路是为了避免因泥饼因素造成的压差卡钻问题，属于单一性能专用评价方法，而对泥饼表面的润滑特性研究帮助不大。为此，业内人员也设计了诸多研究泥饼润滑特性的设备和方法。陈强等46、Taraghikhah 等60、Mohammadi等61和刘浩然等62提到一种泥饼摩擦系数评价方法，评价仪器如图 18 所示。该方法是当前国内钻井现场泥饼润滑性检测的标准方法。通过金属滑块或滑棒模拟井下钻柱，人造泥饼模拟井壁泥饼，旨在快速评价大斜度井、大位移井或水平井段中钻具与下井壁泥饼间的摩阻情况。测试前要将箱体和工作滑板调至水平，并将 API 标准泥饼放在工作滑板不带凹槽的平面上，然后将滑块轻放在泥饼上，静置 1 min 后开启电机开关，电动机带动传动机构，使工作滑板带动滑块慢慢翻转，观察到滑块开始滑动时立即关闭电机开关，记录数字显示器上的 图 18 NZ-3A 型泥饼摩擦系数测定仪 翻转角度读数，按此读数查看正切函数表中与之对应的正切函数值即为泥饼的摩擦系数。基于该方法的同类型仪器还有很多，但原理基本一致，仅外观和操作上有所区别63-64。该方法应用范围广泛的主要原因在于设备小巧可便携，但缺点也很明显，如人为观察滑块滑动瞬间的误差较大、泥饼脱离钻井液单独评价代表性差，同时也没有考虑温度、压力的影响，只能作为泥饼润滑性的粗略判断方法。而 Maidla 等65采用带有动滤失功能的中型钻井摩擦试验仪模拟了套管和井壁（有泥饼或没有泥饼）之间相对摩擦运动，分析了泥饼对下套管过程中滑动摩擦的影响。设备结构如图 19 所示，不仅考虑了压力的影响，还配备了钻井液循环系统，提升了实验数据可靠性。实验结果表明：通过动滤失产生的泥饼将模拟套管材质的金属与模拟井壁材质的岩石相隔开，致使两接触面之间的滑动摩擦转化成沉积在滑动表面间固体泥饼的内摩擦，从而将测试钻井液的平均摩擦系数从 0.23 降低至 0.17。此外还发现，使用该测试仪获得的摩擦系数与 API 润滑性测试仪的结果没有关联性，原因可能是该测试仪偏向于在边界润滑状态下工作，而 API 润滑性测试仪偏向于在流体动压润滑状态下工作。对于泥饼在钻井工具的旋转挤压破坏后是否仍具备润滑减阻效果，也有学者提出疑问并进行了研究。Getliff 等66设计了一种 PCF 润滑性测试仪，结构如图 20所示。该仪器由一个旋转的钢制驱动轴组成，两个装有圆柱形岩石或金属样品的单元被强制靠在该驱动轴上，类似于汽车盘式制动器上的制动钳。为模拟现场条件，设定电机角速度恒定为 7.1 ft/sec(2.16 m/s)。并通过压缩空气给岩石施加 080 lb(036.29 kg)的负载，接触压力范围为 60200 psi(0.411.38 MPa)。包含转子、测试单元和应变计的顶部组件可以拧入底部压力容器中，并通过将整个设备加压至100 psi(0.69 MPa)，刘 胜，等：钻井液润滑性能评价方法研究进展 27 图 19 动滤失钻井摩擦试验仪示意图65 图 20 PCF 润滑性测试仪示意图66 从而在岩石表面形成泥饼，产生的滤液则通过柔性管排出。实验发现，受压力和旋转的影响，岩石与金属转子接触点处的泥饼被完全破坏，说明金属-滤饼表面的润滑性研究与预期的现场接触压力无关，只有金属-岩石界面是需要关注的。但该设备受压力、温度和运行时间限制，所获泥饼的强度无法与实际井壁泥饼相比，实验结论有待考证。3 结语 本文综述了半个多世纪以来钻井液润滑性评价方法的研究与发展现状，包括极压摩擦、高温高压、抗磨承压、仿真模拟在内的钻井液自身润滑性评价方法和泥饼黏附系数及摩擦系数在内的钻井液泥饼润滑性评价方法，并分析了其优缺点，为本领域科研人员和现场技术人员筛选钻井液高效润滑剂提供了重要参考。基于摩擦学原理构筑的润滑模型奠定了钻井液润滑性评价方法发展的基础，同时考虑到实际现场环境与室内评价条件的差异对实验结果参考价值的影响，对未来钻井液润滑性评价方法的发展方向展望如下：（1）深化钻井液摩擦学理论研究。早期直接套用机械轴承润滑油领域的成熟评价方法，存在理论与实际脱节的局限性。随着摩擦学的发展，才逐渐基于润滑模型开展了钻井液领域润滑评价方法的研究，从方便快捷，过渡到数据可靠性，再到仿真模拟，催生了大量具有创造性和实用性的设备及配套方法。未来还需加强加深摩擦学与本领域相关学科的联系，例如根据纳米摩擦学设计纳米润滑材料的评价方法，借鉴黏着磨损理论改善抗磨承压评价方法等。（2）推进先进仪器的量产和普及。如 LEM-NT 润滑性测试仪、创新性动态润滑性测试仪等兼顾便捷操作和现场条件模拟的先进中小型仪器多为科研院所自制设备，造价昂贵，普及度较低。未来应考虑建立生产线，降低先进仪器的制造成本，提高普及度；并通过实践检验优化评价方法，以获得贴近现场实际的实验数据，进而为现场钻井液润滑剂的选择提供精准技术支持。（3）实现润滑性评价标准的统一。钻井液在现场井下的实际润滑效果受钻柱转速、井斜角、岩屑床、流体速度、润滑剂、环境温度和压力等多因素影响，从而造成钻井液润滑性评价方法呈现多元化。未来应在多功能先进仪器量产的基础上，制定统一的评价方法和标准，尽可能避免无意义的重复工作和效果脱离实际的劣质产品进入现场造成资源浪费，为减少井下复杂和提高钻井时效奠定基础。参考文献(References)1 HOLMBERG K,ERDEMIR A.Influence of tribology on global energy consumption,costs and emissionsJ.Friction,2017,5(3):263284.2 SCHAMP J,ESTES B,KELLER S.Torque reduction techniques in ERD wellsC/IADC/SPE Drilling Conference.Miami,Florida,USA,2006.3 HOLAND J,KVAMME S A,OMLAND T H,et al.Lubricant enabled completion of ERD wellC/SPE/IADC Drilling Conference.Amsterdam,The Netherlands,2007.4 TENG J,ESPAGNE J L,DEGOUY D,et al.Development and field trial of a non-aqueous-based mud lubricantC/SPE 28 实 验 技 术 与 管 理 Offshore Europe Oil and Gas Conference and Exhibition.Aberdeen,UK,2013.5 ZHANG H J,KE M,PANAMARATHUPALA