石油圈
随着石油勘探开发向海上和深部地层发展、页岩油气勘探开发加速，水平井数量增多和水平段长度增加，钻井作业对钻井液的润滑性能要求越来越高。高效润滑剂可有效提高钻井液润滑性能，是国内外解决水平井摩阻问题的主要关键技术之一。目前，国内外的钻井液润滑剂大约有15大类170多种，占钻井液处理剂使用总量的6%左右。
近年来，随着钻井作业对润滑性能和环保性能要求的提高，人们陆续开发出环保润滑剂、极压润滑剂和纳米润滑剂等多种新型钻井液润滑剂，部分产品已成功大规模推广应用。
本文首先简要介绍了钻井液润滑剂的基本情况，在此基础上对国内外钻井液润滑剂最新研究进展情况进行评述。
1钻井液润滑剂概况
钻井液用润滑剂不仅可以提高钻井液的润滑性能、降低井下摩阻，还可以改善钻井液的流变性和滤失性能，提高破岩效率。按照钻井液润滑剂的相态分，钻井液润滑剂主要包括液体类润滑剂和固体类润滑剂两类。
液体类润滑剂是目前研究最多、应用最广的润滑剂，主要有沥青类润滑剂、柴油基润滑剂、矿物油基润滑剂、植物油基润滑剂、磺化妥尔油润滑剂、聚合醇润滑剂、聚α烯烃润滑剂和合成酯润滑剂等。但随着环保法规的日益严格，沥青类润滑剂、柴油基润滑剂和矿物油基润滑剂等常规润滑剂的使用量逐年下降，而极压润滑剂、环保润滑剂和纳米润滑剂越来越受到重视。
固体类润滑剂主要有塑料小球、石墨、炭球和玻璃微珠等，主要将钻具与井壁之间的滑动摩擦改变为滚动摩擦，有效降低钻具与井壁之间的摩擦系数。但固体润滑剂在使用过程中因为尺寸问题，容易被固控设备清除，且在钻具的挤压、剪切等作用下容易发生变形和破碎，从而丧失润滑效果。虽然石墨的片状结构和自润滑性可降低滑动摩擦系数，但石墨类固体润滑剂由于漂浮和扬尘等问题，影响施工人员的健康，一定程度上限制了其应用。
润滑作用机理主要取决于润滑剂的主要成分，如沥青类润滑剂主要利用沥青质的特性，改善泥饼质量提高润滑性。沥青质亲油性强，有效吸附于井壁、形成油膜，减轻钻具对井壁的冲击和摩擦作用。同时，沥青类处理剂还具有良好的封堵防塌作用，有效封堵地层微裂缝，提高井壁的稳定性。
柴油基润滑剂、矿物油基润滑剂和植物油基润滑剂等液体润滑剂通过在钻具、井壁、钻屑表面形成吸附油膜，将钻具与井壁之间的固-固摩擦转变为油膜之间或非极性端之间的摩擦，降低钻具与井壁的摩阻，减少钻具的磨损。石墨和塑料小球等固体润滑剂主要在钻具与井壁的接触面之间形成隔离润滑膜，将钻具与井壁之间的滑动摩擦转变为滚动摩擦，降低扭矩和减小阻力。
2环保润滑剂
由于矿物油基润滑剂、柴油基润滑剂和沥青类润滑剂等常规润滑剂存在环保隐患，同时环保理念的进步和环保事业的发展对钻井液环保性能的要求越来越高，人们陆续研发出多种环境友好型润滑剂以替代传统润滑剂。美国倚科能源有限公司在汽车工业特殊润滑剂的基础上，开发出缔合型钻井液用润滑剂DFL。
DFL可减少钻具与井壁的摩擦阻力，通过改变钻井液在流动界面的涡流提高钻井液润滑性能。目前，DFL润滑剂已在全球超过500口井成功使用，与传统润滑剂相比，降低摩阻能力提高4~5倍，钻井速度提高3倍以上，润滑剂加量减少50%以上，可有效减少钻头磨损，大幅度降低钻井成本，且无毒无污染。
M-I公司开发的HydraSpeedROP润滑剂是一种非烃类化学剂，并以其为主要组分形成HydraGlyde环保水基钻井液体系。HydraSpeedROP的摩擦系数降低率高达90%。而现场应用结果显示降低率往往在30~40%之间，扭矩与摩阻降低5~15%。
美国ProOne公司利用分子和电荷相关技术研制出一种新型环保润滑剂XPL+，通过带正电荷的分子结构实现润滑剂分子与金属表面的紧密吸附，克服了常规润滑剂在高温高压下效果不佳的问题。
XPL+独特的分子设计，可将钻井液的膜强度提高50倍，在各种金属表面形成一层难以渗透的分子膜。XPL+已在北美700多口井中进行现场应用，钻进时扭矩降低率达50%，机械钻速提高28%，31天生物降解率达83%。
此外，国外公司在合成酯、多元醇和改性植物油等液体环保润滑剂方面进行了大量的研究工作，但上述部分润滑剂产品也存在着易起泡和高温老化后的润滑性下降等问题。
国内在环保润滑剂方面主要开展了基于植物油、合成酯和聚合醇等类型润滑剂的研制工作，陆续开发出了多种环保润滑剂，但与国外公司相比还差距较大，特别是在现场应用中，部分环保润滑剂抗温、抗盐不足，150℃以上时润滑性能下降明显。
此外，一些环保润滑剂缺乏全面环保性能评价。夏小春等以易生物降解、无生物毒性的植物油脂为内相，低凝固点的多元醇水溶液为外相，以聚氧乙烯失水山梨醇单油酸酯/失水山梨醇三油酸酯为复合乳化剂，成功制备出环保润滑剂GreenLube。
GreenLube对蒙古裸腹蚤I龄幼体96h半致死浓度LC50高达35981，达到了I级海域排放标准，BOD5/COD值为0.95，5日生物降解率达到95%，表明该剂具备良好的生物降解性能。在淡水基浆中，加入3%GreenLube扭矩降低69%，海水基浆的扭矩降低47%。
郝宗香等通过分析润滑剂分子烃链长度、吸附性能和基础材料荧光性，利用改性植物油与多羟基胺反应，制得低荧光环保润滑剂RY-838。RY-838具有良好的分散稳定性，长时间静置(四个月)或经高温老化(160℃)、低温冷冻(-20℃)处理均能保持良好的润滑性能。加入0.5%的RY-838，测试钻井液的润滑系数降低率达到88%以上。RY-838的亲水和亲油基团均为长链，在钻具、井壁和黏土表面均能形成较厚的吸附膜，在安塞油田和姬塬油田21口水平井现场应用中，润滑系数降低率大于80%，钻井液荧光级别为2级以下，取得良好的应用效果。
李广环等利用废弃动植物油脂为原料，针对动植物油脂的热稳定性差、凝固点高和润滑性不强等问题，以对甲基苯磺酸、乙醇胺和双氧水为原料对其改性，成功制得棕褐色环保润滑剂BZ-BL。向4%盐水基浆和饱和盐水基浆加入0.5%BZ-BL，润滑系数降低率分别为76.9%和67.4%。BZ-BL在大港油田10余口大位移井、水平井应用中，与现场钻井液处理剂配伍性良好，起下钻和完井作业正常，有效解决现场托压问题，且不影响水中生物生长。
胡进军等以多元醇乳化剂、植物油脂等为原料，通过乳化方法制得环保润滑剂GL。GL半致死浓度LC50高达30000mg/L，BOD/COD值达到0.98。在此基础上，以GL与封堵剂GS、抑制剂GG等处理剂成功构建出环境友好型钻井液体系GREEN-DRILL，蒙古裸腹蚤I龄幼体72h半致死浓度LC50达到60000mg/L，满足一级海域排放标准，具有广阔的应用前景。
黎金明等以废弃食物油(地沟油)为原料，利用间歇式浅盘阳离子薄膜分离技术分离、提纯作为基础油，通过有机合成和化学改性方法，引入水化基团和吸附基团，提高其抗氧化稳定性，进一步加入复合乳化剂、极压抗磨剂、防腐剂和抗氧剂，最终制得环保润滑剂BOL-1。BOL-1抗温达150℃，润滑系数降低率达到82.3%，但继续升高温度BOL-1发生降解、变质和润滑性变差。通过分别对家兔和小鼠进行生物毒性检测表明，BOL-1为无毒处理剂，LD50达到10000mg/Kg.BW以上。在长庆油田现场应用中，BOL-1表现出良好的配伍性，现场钻井液滑块摩阻系数为0.0262~0.0524，极压润滑系数小于0.10，有效解决了水平钻井过程中的摩阻问题。
3极压润滑剂
极压润滑剂可在极压条件下与钻具表面发生化学反应，在摩擦面形成坚固的化学膜，显著降低摩擦接触面的摩擦阻力，更适用于高侧压力情况下水平井钻具对井壁降摩减阻的需要。与普通润滑剂不同，极压润滑剂分子中含有硫、氯、磷等活性元素，可在载荷凸点上与金属发生化学反应。国外斯伦贝谢、哈里伯顿和贝克休斯等公司均开发出多种极压润滑剂，如：E.P.Bitlube、E.P.Mudlube和E.P.Lube等极压润滑剂。E.P.Bitlube无毒、无荧光且易于水中分散，适用于不同pH条件下的盐水钻井液，具有良好的抗盐性；E.P.Mudlube具有良好的抗温、抗盐和抗钙能力，不仅适用于淡水钻井液体系，而且也可用于盐水钻井液体系；E.P.Lube适用于含盐和含钙钻井液体系，同时不污染环境。
国内在极压润滑剂方面也开展了相应的研究工作，部分产品已成功现场应用，但由于硫、氯、磷等极压元素的引入，极压润滑剂往往毒性偏大或难以降解，难以达到环保的要求，在一定程度上限制了其在环境敏感区域的应用。
刘建军等以低毒低荧光的白油为基础油，加入氯化石蜡(极压剂)、琥珀酸烷基酯磺酸钠(渗透剂)和高性能乳化剂成功制得低荧光高效极压润滑剂BDLU-100L。BDLU-100L荧光明显小于标准溶液和商用润滑剂，等级小于3级，同时具有良好的乳化稳定性。在淡水基浆中加入BDLU-100L，润滑系数降低率达到85%以上，抗温达到200℃，且对钻井液的流变性和滤失量几乎无影响。BDLU-100L具有良好的抗盐性，在盐水钻井液、海水钻井液、复合盐水钻井液和饱和盐水钻井液中均能保持良好的润滑性能。
王琳等以含双键的长链脂肪酸与多元醇反应制备出含有不饱和双键的大分子酯，进一步通过化学反应对大分子酯进行改性，引入具有极压抗摩能力的化学元素，加入复合乳化剂、消泡剂等原料，制得深棕红色高密度钻井液用极压润滑剂SMJH-1。SMJH-1在密度为1.40、1.70、2.00、2.30和2.60g/cm3的钻井液中均保持良好的润滑效果，抗盐达到30%，抗温高达180℃。SMJH-1能够利用物理化学吸附作用聚集于钻具表面，分子内的碳氢链通过侧向黏附力在金属表面形成固态膜，增强钻具表面的疏水性，降低摩擦阻力。SMJH-1在元陆601H井和元陆31井现场应用中，均可以显著改善钻井液的流变性和降低钻井液润滑系数，取得良好的现场应用效果。
4纳米润滑剂
近年来，纳米材料由于具有特殊的体积效应、界面效应和量子隧道效应，受到了人们的广泛关注。与常规钻井液材料相比，纳米材料与页岩地层孔喉匹配性更强，纳米处理剂研发已成为钻井液处理剂研发的热点之一。
国外研究人员不仅在钻井液中引入了纳米ZnO、纳米碳黑、纳米SiO2等材料，以提高钻井液的封堵性能、润滑性能和流变性能，同时也陆续开发出多种纳米润滑剂，部分产品已成功现场应用。
Scomi公司将石墨烯材料引入至钻井液处理剂的研发中，利用纳米石墨烯开发出一种具有优秀润滑性能和热稳定性的纳米润滑剂。与常规润滑剂相比，这种新型纳米润滑剂的极压润滑系数降低率提高1倍以上。在现场应用中，井温达到176℃，该纳米润滑剂依旧保持良好的润滑性能，加入2~3%的纳米润滑剂，可提高机械钻速125%，将托压降低20%，提高钻头的使用寿命75%以上，同时降低了聚合物处理剂用量30~40%，大幅度降低了钻井成本，具有广阔的市场推广前景。
PlatinumNanoChem(PLC)公司针对有机硼酸酯易水解问题，利用纳米技术，研发出一种硼基纳米材料处理剂(PQCB)，抗温达200℃，具有良好的高温稳定性，且可生物降解。在200℃下、密度为1.20g/cm3的水基钻井液中加入5%PQCB，润滑系数降低80%，密度为1.62g/cm3的水基钻井液润滑系数则可降低52%。与常规润滑剂相比，PQCB可改善钻井液的流变性和滤失性能，有效降低高温高压滤失值。在缅甸高温井现场应用中，未加入PQCB前，机械钻速低，钻具磨损严重，加入PQCB后，机械钻速由3～4m/h，提高至9m/h，取得良好的应用效果。
国内在纳米润滑剂方面主要开展了乳化石蜡等纳米乳液润滑剂的研制工作。乳化石蜡纳米润滑剂以石蜡为有机相，呈透明状和半透明状，粒径分布达到100~200nm。乳化石蜡纳米润滑剂通过物理化学吸附作用，在钻具和井壁表面形成致密油膜，提高钻井液的润滑性能。乳化石蜡纳米润滑剂抗温达150℃，对聚磺钻井液体系性能影响不大，同时可改善钻井液的滤失和流变性能。该纳米润滑剂已成功在我国江苏油田10余口定向、水平井中替代原油使用，节省原油150余吨。但乳化石蜡润滑剂在现场应用中容易起泡，需要优选配伍消泡剂。
罗春芝等以人工合成油、纳米高分子材料等原料，成功制备出乳白色粘稠水包油型纳米润滑剂NMR。向钻井液中加入2%的NMR，膨润土浆的润滑系数降低达80%以上，现场钻井液的润滑系数降低60%以上。随着测试温度的升高，测试钻井液的润滑系数进一步降低，180℃时润滑系数较100℃时降低40%，表明NMR具有良好的抗高温能力。
王伟吉等针对常规润滑剂抗温性差和毒性大等问题，利用硅烷偶联剂KH570对纳米二氧化硅表面改性，进一步加入表面活性剂S1、菜籽油和适量稳定剂，成功制得淡黄色黏稠透明的纳米润滑剂SD-NR。SD-NR保持良好的分散稳定性，形状基本为球形，粒径均保持15nm左右，荧光级别为1~2级。向膨润土浆、聚合物钻井液和聚磺钻井液中分别加入1%SD-NR，均能显著改善钻井液的润滑性，润滑系数降低率达到85%以上，且对钻井液的流变性无影响。进一步升高测试温度，发现SD-NR经180℃老化后，依旧保持良好的润滑性。
杨芳等将纳米碳球引入钻井液润滑剂的研发中，分别以间苯二酚-甲醛聚合物和葡萄糖为原料制备出两种纳米润滑剂。通过扫描电镜发现，两种纳米润滑剂均为圆球形形貌且表面光滑，间苯二酚-甲醛聚合物纳米润滑剂粒径分布为500nm左右，葡萄糖纳米碳球润滑剂分布为700~900nm。两种纳米润滑剂均表现出良好的抗高温性能，在钻井液中加入0.5%纳米润滑剂，经180℃老化，间苯二酚-甲醛聚合物纳米润滑剂可将钻井液润滑系数降低22.8%，葡萄糖纳米碳球润滑剂可将钻井液润滑系数降低25.2%。但两种纳米碳球润滑剂均会在一定程度上影响钻井液的流变性能。
5结束语
（1）针对水平井的摩阻控制问题，国内外公司近年来陆续开发出环保润滑剂、极压润滑剂和纳米润滑剂等多种新型钻井液润滑剂，其中随着环保要求的越来越高，环保钻井液润滑剂成为今后润滑剂的主要研究和应用方向。
（2）国外公司已成功开发出DFL、HydraSpeedROP、XPL+等多种环境友好型润滑剂以替代传统润滑剂，国内开展了基于植物油、合成酯、聚合醇等原料的环保润滑剂研制工作，但在现场应用中，很多环保润滑剂抗温、抗盐不足，150℃以上时润滑性能下降明显，今后应进一步提升环保润滑剂的抗温和抗盐性能，以满足深部复杂地层的需要。
（3）国内外公司还开展了极压润滑剂和纳米润滑剂的研制工作，但由于部分极压润滑剂难以满足环保要求，应用范围受到一定限制。纳米润滑剂方面，国外公司陆续在钻井液润滑剂研发中，引入石墨烯等纳米材料，成功开发出多种纳米润滑剂，部分产品已进行现场应用，国内主要开展了乳化石蜡等纳米乳液润滑剂的研制工作。但纳米材料的强烈吸附团聚性，导致其会对钻井液的性能产生一定影响。因此，今后应关注纳米润滑处理剂的配伍问题，最大程度提高钻井液的润滑性能。
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