Исследование влияния смазывающих добавок на трибологические характеристики полимер-глинистого бурового раствора в паре трения «металл–металл»

Абусал Юсеф А.Ю., Яхин А. Р., Сильнов Д.В., Арасланова Д.И., Горшков В.А. Исследование влияния смазывающих добавок на трибологические характеристики полимер-глинистого бурового раствора в паре трения «металл–металл». Нанотехнологии в строительстве. 2026;18(4):521–528. – EDN: OCBSKY.

Abusal Yusef A.Y., Yakhin A.R., Silnov D.V., Araslanova D.I., Gorshkov V.A. Effect of lubricating additives on the tribological properties of polymer-clay drilling fluid in a metal-to-metal sliding contact. Nanotechnologies in Construction. 2026;18(4):521–528. https://doi. org/10.15828/2075-8545-2026-18-4-521-528. – EDN: OCBSKY.

Современные технологии строительства нефтяных и газовых скважин предполагают значительное увеличение протяженности горизонтальных участков и сложности профиля ствола [1, 2]. По оценкам сервисных компаний, доля скважин с горизонтальным окончанием в общем объеме бурения в 2023–2025 гг. превысила 60% по ряду нефтегазовых регионов [25]. В таких условиях бурильная колонна испытывает повышенные нагрузки при трении о стенки скважины и обсадные трубы. Высокие крутящие моменты и силы сопротивления при спускоподъемных операциях не только увеличивают энергозатраты, но и создают риск дифференциальных прихватов, что приводит к авариям и росту стоимости строительства скважин [3, 4].

Традиционные смазочные добавки на водной основе способны снижать трение, однако их эффективность ограничена при высоких контактных нагрузках, а некоторые составы могут негативно влиять на технологические параметры раствора [5–9]. Кроме того, при больших углах наклона обычные смазки могут вымываться с поверхности

Nanotechnologies in construction

Нанотехнологии в строительстве

2026; 18 (4): 521–528

Nanob

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

трения, не обеспечивая устойчивого защитного слоя [8].

В последние годы активно развивается направление применения поверхностно-активных веществ и углеводородных компонентов в качестве модификаторов смазывающих свойств [10, 11]. Благодаря способности адсорбироваться на металлической поверхности и формировать граничные слои такие добавки могут существенно изменять механизм трения, снижая коэффициент трения даже при относительно невысоких концентрациях [12, 13]. Исследования показывают, что композиции на основе отработанного масла и ПАВ способны улучшать трибологические характеристики буровых растворов [14, 15, 21–24].

Несмотря на имеющийся прогресс, в доступной литературе сохраняется практический пробел: многие работы ориентированы на отдельные типы присадок, не всегда учитывают синергетические эффекты при их совместном применении, а также не проводят сравнения в единой базовой рецептуре и одинаковых условиях испытаний на паре «металл– металл». В связи с этим существует необходимость в систематическом исследовании, позволяющем оценить как индивидуальную эффективность различных добавок, так и их совместное действие в полимер-глинистом растворе.

Для восполнения указанного пробела в настоящей работе исследовано влияние парафинов, добавки ЭZО, жирных кислот (мыл), отработанного масла, а также композиций с ПАВ на коэффициент трения полимер-глинистого раствора в паре «металл–ме-талл». Оценка проведена для концентраций добавок 0,2%; 0,5%; 1,0% и 2,0% по объему с определением эффективности снижения трения.

Этапы исследования:

• 1.    Приготовление базового полимер-глинистого раствора и его модификация смазочными добавками в заданных концентрациях.

• 2.    Проведение трибологических испытаний на установке OFITE E.P. lubricity tester и определение оптимальных типов и концентраций добавок.

• 3.    Оценка синергетических эффектов при совместном использовании добавок на фоне отработанного масла.

• 4.    Анализ влияния концентрации масла на эффективность смазочных компонентов.

МЕТОДЫ И МАТЕРИАЛЫ

Приготовление базового полимер-глинистого раствора

Для проведения экспериментов в качестве основы использовался полимер-глинистый раствор (ПГР) следующего состава, мас.%:

• -    вода техническая – остальное;

• -    бентонит (ПБМБ) – 4%;

• -    полианионная целлюлоза низкой вязкости (PAC-

• LV) – 0,4%;

• - мраморная крошка (CaCO₃, фракция 5–50 мкм) – 5%.

Приготовление раствора осуществлялось на высокоскоростной мешалке с частотой вращения 1500 об/мин. Последовательность введения компонентов:

• 1.    Бентонит – перемешивание 20 мин для гидратации;

• 2.    PAC-LV – перемешивание 15 мин;

• 3.    CaCO₃ – перемешивание 10 мин.

После приготовления раствор выдерживался 24 ч для стабилизации свойств.

Исследуемые добавки и их введение

В работе исследовались следующие типы присадок:

• -    жидкие парафины (концентрации 0,2%; 0,5%;

1,0%);

• -    добавка ЭZО (0,2%; 0,5%);

• -    жирные кислоты (мыла) (0,2%; 0,5%);

• -    отработанное моторное масло (0,25%; 0,5%; 1,0%; 2,0%);

• -    композиция «ПАВ + жидкие парафины» (2% по ПАВ).

Введение добавок проводилось в два этапа: сначала присадка смешивалась с небольшим объемом (10% от общего объема) базового раствора в лабораторном стакане, затем полученная смесь перемешивалась на высокооборотной мешалке (IKA T25) при 10000 об/мин в течение 15 мин. После этого композиция добавлялась к оставшемуся объему раствора и перемешивалась 20 мин при 1500 об/мин. Раствор выдерживался 24 ч перед испытаниями.

Трибологические испытания

Оценка смазывающей способности проводилась на установке OFITE E.P. Lubricity Tester (модель 112-00), соответствующей требованиям API 13B-1.

Условия испытаний:

• -    пара трения: стандартный блок из стали AISI 3135 прижимается к вращающемуся кольцу из стали AISI 4620;

• -    нагрузка: 150 дюйм-фунтов (16,95 Н·м);

• -    скорость вращения кольца: 60 об/мин;

• -    продолжительность испытания: 10 мин до выхода на установившийся режим трения;

• -    температура: 24±2 °С.

Коэффициент трения (µ) рассчитывался по формуле:

Nanotechnologies in construction

Нанотехнологии в строительстве

2026; 18 (4): 521–528

Nanob

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

µ = M·K·F,

где M – измеренный крутящий момент (Н·м);

K – калибровочный коэффициент прибора (1,47);

F – нормальная сила (Н).

Эффективность снижения трения (∆µ, %) определялась относительно базового раствора:

.      ибаз—uon   _

Ди =   , X 100% цбаз               ’

где µбаз – коэффициент трения базового раствора (без добавок);

µоп – коэффициент трения раствора с исследуемой добавкой.

Для каждого состава проводилось не менее пяти параллельных измерений, из результатов исключались грубые промахи (критерий Граббса). Статистическая обработка выполнена с использованием однофакторного дисперсионного анализа (ANOVA) с последующим post-hoc тестированием (Tukey HSD). Уровень значимости принят p < 0,05.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Влияние присадок на коэффициент трения и эффективность в базовом растворе

В таблице 1 представлены результаты испытаний присадок, введенных непосредственно в базовую рецептуру без добавления масла.

Как видно из данных, наиболее высокую эффективность демонстрирует присадка ЭZО, обеспечивая снижение коэффициента трения на 87,4–87,7% даже при минимальной концентрации 0,2%. Однако, учитывая высокую стоимость этого реагента, его применение в чистом виде может быть экономически неоправданным. Альтернативой выступает отработанное масло, которое при скромной эффективности (26,5–26,8%) обладает низкой себестоимостью.

Эффекты совместного применения смазочных добавок на фоне масла

Для оценки синергетических эффектов присадки вводились в раствор, содержащий отработанное масло в концентрациях 0,25–2,0%. Результаты приведены в таблице 2.

Анализ полученных данных позволяет выделить несколько закономерностей.

При добавлении небольших количеств масла (0,25%) наблюдается синергетический эффект. Для состава БР, содержащего масло и жидкие парафины (0,2%), процент эффективности составляет 34,32%, что значительно выше, чем у той же добавки, но без масла (составляет 10,72% в табл. 1). Аналогичная картина наблюдается для добавки ЭZО и жирных кислот.

Увеличение концентрации масла свыше 0,5% приводит к снижению эффективности добавок. Для БР, содержащего масло и жидкие парафины, увеличение доли масла с 0,25% до 1,0% снижает эффективность с 34,32% до 7,51%. Подобная динамика свидетельствует либо об эффекте разбавления, либо о несовместимости компонентов: переизбыток масла мешает активным элементам присадок создавать устойчивую защитную пленку.

При использовании ПАВ в составе БР с маслом и жидкими парафинами ведет к понижению коэффициента трения. При низком содержании в БР масла (0,25%) и жидких парафинов (0,2%) коэффициент трения составляет 0,229, а эффективность снижения коэффициента трения составляет 38,61%. Однако при высоких концентрациях масла (2%) наличие ПАВ демонстрирует аномально высокую эффективность до 71,05% (коэффициент трения составляет 0,108). Возможно ПАВ является критическим компонентом, работающим только в высококонцентрированных масляных средах, выступая в роли эмульгатора или стабилизатора структуры смазочного слоя.

Таблица 1. Влияние присадок на коэффициент трения и эффективность снижения трения в базовом растворе

Состав раствора	Концентрация добавки	Коэффициент трения (Ктр)	% эффективности
БР (Базовая рецептура)	–	0,373	–
БР + парафины	0,2	0,333	10,72%
	0,5	0,319	14,48%
БР + ЭZО	0,2	0,047	87,40%
	0,5	0,046	87,67%
БР + Жирные кислоты (мыла)	0,2	0,304	18,50%
	0,5	0,289	22,52%
БР + масло отработанное	0,2	0,274	26,54%
	0,5	0,273	26,81%

Nanotechnologies in construction

Нанотехнологии в строительстве

2026; 18 (4): 521–528

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

Nanob

Таблица 2. Влияние присадок на фоне масла в пресном растворе

Состав раствора	Концентрация добавки	Параметр	Концентрация масла
			0,25%	0,5%	1,0%	2%
БР + жидкие парафины	0,20%	Ктр	0,245	–	0,311	–
		% эфф.	34,32%	–	16,62%	–
	0,50%	Ктр	0,295	–	–	–
		% эфф.	20,91%	–	–	–
	1%	Ктр	0,345	–	–	–
		% эфф.	7,51%	–	–	–
БР + ЭZО	0,20%	Ктр	0,244	–	0,312	–
		% эфф.	34,58%	–	16,35%	–
БР + жирные кислоты	0,20%	Ктр	0,265	–	–	–
		% эфф.	28,95%	–	–	–
	0,50%	Ктр	0,241	–	–	–
		% эфф.	35,39%	–	–	–
БР + ПАВ + жидкие парафины	2%	Ктр	0,229	0,167	0,151	0,108
		% эфф.	38,61%	55,23%	59,52%	71,05%

Влияние минерализации бурового раствора на эффективность присадок

Для оценки влияния минерализации бурового раствора на эффективность присадок были проведены эксперименты с БР, минерализованным хлоридом калия (KCl). Результаты приведены в таблице 3. Коэффициент трения для БР + KCl составляет 0,123.

Таким образом, в среде KCl общий уровень коэффициента трения ниже, чем в базовом растворе. При высоких концентрациях масла (2%) раствор с ПАВ обеспечивает снижение трения на 53,66%.

Вывод

На основе экспериментальных данных можно выделить три ключевых механизма, которые работают в исследованных составах.

Формирование адсорбционной пленки. Полярные молекулы (например, жирные кислоты и ПАВ) оседают на металлической поверхности, создавая тонкий граничный слой, который легко сдвигается. Это ведет к падению коэффициента трения в условиях граничной смазки [5, 8]. Если дополнительно ввести углеводороды, устойчивость этого слоя возрастает, что усиливает эффект.

Появление «третьего тела». Микроскопические твердые частицы (в том числе продукты износа или компоненты отработки масла) способны играть роль прослойки, разобщающей трущиеся пары. Однако, когда масла становится слишком много (боль- ше 0,5%), активные компоненты буквально «тонут» в нем – отсюда и падение эффективности при его переизбытке.

Коллоидная структура при участии ПАВ. При высоких дозировках масла (2,0%) ПАВ начинает работать как эмульгатор, стабилизируя тонкую эмульсию. Такая эмульсия формирует устойчивую пленку с аномально низким сопротивлением трению. Этот вывод подтверждается резким скачком эффективности при переходе от 1,0 к 2,0% масла, если в составе есть ПАВ.

Наши выводы хорошо согласуются с литературными данными [14, 15, 17], где показано, что сочетание углеводородов и ПАВ дает синергию в снижении трения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Экспериментально доказано, что смесевые смазки на базе отработанного масла, ПАВ и стандартных присадок (парафины, ЭZО, жирные кислоты) эффективно улучшают трибологию полимер-глинистых буровых жидкостей.

Наибольший эффект (трение падает на 87,7%) дает присадка ЭZО, но ее применение сдерживает высокая цена. Само же отработанное масло без добавок снижает трение на 26,5–26,8%, что выгодно с точки зрения стоимости.

Обнаружен синергетический эффект в присутствии 0,25% масла: эффективность жидких парафинов вырастает с 10,72 до 34,32%, а жирных кислот – с 22,52 до 35,39%.

Nanotechnologies in construction

Нанотехнологии в строительстве

2026; 18 (4): 521–528

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

Nanob

Таблица 3. Влияние присадок на фоне масла в минерализованном растворе

Состав раствора	Концентрация добавки	Параметр	Концентрация масла
			0,25%	0,5%	1,0%	2%
БР + KCl + масло		Ктр	0,106	–	–	–
		% эфф.	13,82%	–	–	–
БР + KCl + жидкие парафины	0,20%	Ктр	–	0,106	0,074	–
		% эфф.	–	13,82%	39,84%	–
	0,50%	Ктр	0,121	–	–	–
		% эфф.	1,63%	–	–	–
	1%	Ктр	0,116	–	–	–
		% эфф.	5,69%	–	–	–
БР + KCl + ЭZО	0,20%	Ктр	–	0,114	0,115	–
		% эфф.	–	7,32%	6,50%	–
	0,5	Ктр	0,106	0,101	–	–
		% эфф.	13,82%	17,89%	–	–
БР + KCl + жирные кислоты	0,20%	Ктр	–	0,117	–	–
		% эфф.	–	4,88%	–	–
	0,50%	Ктр	0,095	–	–	–
		% эфф.	22,76%	–	–	–
БР + KCl + ПАВ + жидкие парафины	2%	Ктр	–	0,087	0,061	0,057
		% эфф.	–	29,27%	50,41%	53,66%

Превышение порога в 0,5% масла ухудшает работу большинства присадок из-за конкуренции за поверхность и разбавления. Единственное исключение – композиция с ПАВ: при 2,0% масла ее эффективность достигает 71,05% благодаря образованию стойкой эмульсионной структуры.

В засоленной среде (KCl) закономерности не нарушаются: смесь ПАВ с 2,0% масла снижает трение на 53,66%, что говорит о надежности предлагаемого механизма даже в условиях высокой минерализации.

Таким образом, разработанные составы на основе отработанного масла и ПАВ можно рекомендовать как дешевую и эффективную альтернативу для смазки пар трения «металл–металл» при бурении горизонтальных и наклонно-направленных скважин с высокими контактными нагрузками.