钻井液用润滑剂性能检测方法对比

张文龙　田永刚　任紫君　李志磊　冯永朋

摘 要：润滑剂在钻井过程中主要起到降低磨阻的作用，从而提升钻进速度既减少钻具损耗的作用，随着技术的发展以及对钻井材料性能的要求越来越高，涌现出了大量的润滑剂产品，例如普通润滑剂、抗温抗盐润滑剂、环保润滑剂、极圧润滑剤、油基润滑剂、水基润滑剂、固体润滑剂、符合润滑剂等。无论是哪一种润滑剂其最终的目的依然是降低钻具与井壁间的磨阻，然而目前常用的润滑剂标准及检测方法众多，针对不同的润滑剂，其性能检测方法也不一样，如果单纯的用之中检测方法或手段对所有类型的润滑剂进行检测从而判断该类润滑剂性能好坏是不合理的，本文将对现有润滑剂检测方法进行详细的分析，并相对应的描述该类方法的优缺点。

关键词：润滑剂;性能;检测

1 极圧润滑仪法

该方法是目前实验室广泛使用的润滑剂性能测定的方法，其原理在于外加一定压力的情况下测定金属与金属间的摩擦力大小，最终通过计算“摩擦力降低的比例”--润滑系数降低率来确定润滑剂性能的优劣，该方法最大的优点在于检测时间较短，一般检测时间在15min左右（包含试验浆搅拌及测定的时间），并且检测结果的重复性较高（校正因子的引入）。相比于其优点，该方法的缺点同样明显，该方法最大的缺点是与现场实际情况相差甚远，现场钻井过程中几乎不会出现钻具与金属间的摩擦，而是钻具与井壁或泥饼间的摩擦，

另外挤压润滑仪法测定润滑剂时需先将试样加入基浆中高速（11000r/min）搅拌5.0min，搅拌结束后立即用极圧润滑剤进行润滑系数的测定，目前国内大部分润滑剂均为纯油基润滑剂，该类润滑剂加入基浆中后经过高速搅拌后以微小的油滴状或“暂时性”水包油乳状液存在，随着时间的推移或者低速搅拌的情况下试验浆中的润滑剂会出现破乳现象（漂浮于试验浆表面），从而造成润滑剂失效，因此极压润滑仪法无法准确地判定润滑剂实际使用效果。另极圧润滑剤法检测结果的准确性与滑环与滑块表面粗糙度有着直接关系，因此该方法不适合作为现场钻井液以及高密度试验浆润滑性能测定方法。

2 磨阻系数测定法

该方法是目前润滑剂性能测定实验中与钻井现场最为接近的方法，其原理是在一定压力下先压出中压泥饼（与现场钻井过程相同），维持容器内压力的情况下将吸附盘下压并维持下压时的压力一定时间（一般为5-10min），吸附结束后再静置5.0min左右，用扭力扳手测定吸附盘转动时的最大扭力值，最终根据空白浆和加样浆的最大扭力值计算扭力值的降低率，以此作为润滑剂试样润滑性能的评价标准。该方法最大的特点是与现场使用情况最为接近，试验浆的固相含量以及密度高低不影响仪器的使用，可用于所有润滑剂的性能测定，该方法目前广泛用于润滑剂配方研发过程中体系评价实验过程中。相比于适合于各种润滑剂性能检测的优点，该方法的缺点是检测时间较长，携带不方便（检测时需用氮气，一般使用氮气瓶提供气源），不适合钻井现场进行泥浆润滑性能检测。

3 泥饼粘滞系数测定法

该方法是目前钻井队使用的最广泛的钻井泥浆润滑性能检测的方法，将测定中压滤失量后的泥饼连同滤纸一同取出，将泥饼朝上平铺于泥饼粘滞系数仪翻转平台上，将测试用的滑块平放于泥饼上，启动秒表计时静置吸附1.0min，吸附结束后启动电机，翻转平台开始缓慢翻转，从翻转平台侧面观察滑块状态，当滑块出现位移时立刻关闭电机，根据仪器上读数计算倾斜角，根据倾斜角的大小判定试验浆润滑性能。该方法与磨阻系数降低率法类似，均可直接测定现场钻井液润滑性能（泥饼的润滑性能），但該方法更适合钻井现场使用，因为泥饼粘滞系数测定仪体积小，便于携带，仅需通电便能使用，使用该方法测定现场钻井液润滑性能还能够最大限度的节约钻井液性能检测时间（中压滤失量测定后的泥饼直接用于泥饼粘滞系数的测定），并且能够最直接的体现出现场钻井液润滑性能。明显的优点也伴随着最为直接的缺点，该方法最大的缺点是实验结果平行性差，由于该方法是以目测的方法进行测定，因此不同的人、不同的观看角度测定出的实验结果也不相同，加之每个人反应速度不一样，因此启动和停止电机所用的时间也不一样，因此该方法不适合作为常规润滑剂性能检测方法。

4 抗磨试验机法

近几年市面上流行极圧润滑剤，但就目前而言极圧润滑剤未见到明确的标准，仅有关于极圧润滑剂原理的诸多介绍，其基本原理是高压环境下在钻具表面形成一层极压膜，该膜的存在有利于降低钻具与井壁间的摩擦，从而起到润滑的作用。与极圧润滑剤类似的还有抗磨润滑剂，该润滑剂的原理与极圧润滑剤有类似之处，同样是在钻具表面形成一层膜结构，该膜的形成不需要高压或高温的条件，并且抗磨润滑剂不仅能够在钻具表面形成膜结构，同样能在钻井液中的固相颗粒表面形成膜结构。抗磨润滑剂与极圧润滑剤的检测指标都有膜厚度（强度）项指标，但抗磨润滑剂在此基础上进一步具有降低钻具损耗的作用，因此抗磨润滑剂的性能指标还有磨失量降低率。

针对极圧润滑剂和抗磨润滑剂的两项检测指标，目前用的最多的检测手段使用抗磨试验机法。该方法的原理是通过转子与实验钢柱在试验浆中不断的摩擦的同时向钢柱施加一定的压力，随着压力的增加钢珠玉转子间的压力持续增加，当转子表面的“润滑膜”消失后转子与钢珠间摩擦力急剧增加，当摩擦力增加到一定程度后仪器会自动抱死，此时可根据转子上施加的压力的大小判断润滑剂试样在转子表面形成的极压膜或润滑膜的厚度。另一种使用方法是在转子上施加固定的压力值，转子转动一定时间后测定钢珠质量的损失量，以钢珠质量的损失量作为试样抗磨性能优劣的评判依据，钢珠磨失量的大小同样能够反映该试样在现场钻井过程中对钻具的保护程度（钻具损耗程度与磨失量成反比）。就目前而言抗磨试验机法是唯一能够同时测定润滑剂试样极压性能和抗磨性能的方法，并且该方法检测成本较低（每个试验用钢珠成本3.0元左右，每个钢珠可进行8次左右实验）。抗磨试验机法属于专用型仪器，仅能够测定润滑剂试样的抗磨性能以及在钢珠表面形成的润滑膜的厚度，因此该方法最大的缺点是不能用于检测润滑剂试样的润滑性能。

5 四球摩擦试验法

该方法是目前国内外均认可的润滑剂抗磨性能检测方法，该方法主要用于机械润滑剂性能检测，钻井液用润滑剂用该方法测定的很少，仅有贝克休斯等企业在钻井液用润滑剂配方研发过程中用该方法验证润滑剂的极压性能。其原理是以滑动摩擦的形式，在点接触压力下，评定润滑剂的承载能力，包括最大无卡咬负荷PB、烧结负荷PD、综合磨损值ZMZ等;或者进行长时间磨损试验、测定摩擦力、计算摩擦系数。使用特殊附件，也可以进行端面磨损试验和材料的模拟磨损试验。由于该方法需要特定的仪器以及电脑的配合使用，因此该方法的实验结果重复性以及实验精度是毋庸置疑的，较高的精密度意味着仪器设备的购买价格以及后期的维护成本较高，另一方面是仪器体积较大，不方便搬运，因此该方法仅适用于常规实验室内产品研发过程中进行性能检测使用。

考虑到目前用四球摩擦法进行钻井液用润滑剂性能检测时主要是检测承载能力（极压度）和综合磨损值（磨失量）两项指标，而这两项指标用抗磨试验机法完全可以进行检测，两者最大的区别仅在于实验过程中四球摩擦法施加压力的精确度与数值变量更加便于控制，因此该方法测得的实验结果更加精确。

6 总结

①进行室内钻井液用润滑剂性能检测时考虑到检测时间的长短以及实验结果的重现性，建议选择极压润滑仪法;②钻井现场进行泥浆性能检测时从还原井下实际情况的角度出发选用泥饼粘滞系数测定法最为理想;③室内润滑剂配方研发及性能调整时建议选用摩阻系数测定法配合抗磨试验机法（若条件允许可选用四球摩擦试验法），多种检测方法配合使用能够得最为全面的实验数据。

参考文献：

[1]张燕然.低共熔溶剂的制备及润滑性能研究[D].银川：宁夏大学，2019.

[2]李浩浩.润滑剂及工艺条件对温压Fe基粉末冶金材料组织与性能的影响[D].南京：南京航空航天大学，2019.

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