高效水基鉆井液用潤滑劑的研制與現場試驗

2019-08-30 11:05:22趙澤宗李荷香曹紅燕劉長柱李巍然

鉆采工藝 2019年4期

趙澤宗，卓然，李荷香，曹紅燕，劉長柱，李巍然，李瑾

(1中石化中原油田分公司濮東采油廠 2中石油煤層氣有限責任公司忻州分公司 3華北油田公司第二采油廠 4長慶油田分公司西安長慶化工集團有限公司 5中國石油渤海鉆探工程有限公司定向井技術服務分公司)

隨著油氣資源的不斷開發，油氣產率提升難度逐漸增大，且鉆遇地層條件日益復雜，導致水平井的應用不斷增多。水平井施工過程中，鉆桿與井壁的接觸面積及幾率大大增加，容易引起摩阻扭矩增高，同時水平段容易產生巖屑床，也一定程度上增加了卡鉆、托壓嚴重等井下復雜事故的發生[1-4]。目前，現場通常采用加入合適的鉆井液潤滑劑的方法，有效改善鉆井液的潤滑性能，降低鉆井摩阻扭矩，以減少或避免井下復雜事故[5-7]。A油田南部區塊水平井鉆井復雜情況統計分析表明，該區塊淺層水平井鉆井過程中卡鉆、托壓、鉆具磨損嚴重等復雜問題經常出現，主要是由于現場鉆井液不能適應地層復雜情況，潤滑性能無法滿足現場需求。此外，現場雖采用混油或加入固體石墨等方法來提高鉆井液潤滑性能，但其作用效果有限。

因此，室內綜合考慮環保、成本等因素，試驗優選出了環保型改性植物油CVO-3和有機氮化硼類極壓劑NJY等，通過加入其他潤滑改性劑和制備條件優化，制備出了綜合性能較優的鉆井液潤滑劑CRH-1，并成功地進行了現場試驗。

一、潤滑劑CRH-1的試驗制備

1. 基礎油優選

鉆井液潤滑劑制備用基礎油種類較多，包括白油、植物油及廢渣油等，但普遍存在環保性能不佳、熒光級別較高及抗溫性能較差等問題。通過調研，室內重點考慮基礎油的流動性、環保性能等因素，初步選取了多類改性植物油，對比評價基礎油的運動黏度、熒光級別及在膨潤土基漿中的潤滑性能等[8-10]。

試驗結果表明，改性植物油CVO-3的流動性較好，閃點較高，熒光級別較低(1～2級)，且潤滑性能良好。因此，選取改性植物油CVO-3作為潤滑劑制備用基礎油。

2.潤滑添加劑優選及潤滑劑的制備

基礎油雖具有一定的潤滑性能，但無法滿足現場需求，需要加入配伍性較好的潤滑添加劑，如表面活性劑、極壓劑等。因此，室內主要考察潤滑添加劑的油溶性、起泡性等，試驗優選陰離子表面活性劑EMR-1、非離子表面活性劑EMR-2及有機氮化硼類極壓劑NJY作為潤滑添加劑?？紤]反應溫度、攪拌時間等，通過正交試驗方法，優化、確定了室內潤滑劑較優制備配方(質量比)及制備條件：(95%～97%)CVO-3+(0.2%～0.5%)EMR-1+(1%～1.5%)EMR-2+(1.5%～2.5%)NJY，反應溫度為60℃～65℃，反應時間為3～5 h。

二、潤滑劑CRH-1主要性能評價

1.常規性能

潤滑劑的常規性能主要包括外觀、密度、熒光級別、沉降穩定性等。參考Q/SY 1088-2012《鉆井液用液體潤滑劑技術規范》等技術標準，評價了潤滑劑CRH-1的常規性能，試驗結果見表1所示。從表1結果可看出，潤滑劑為棕褐色均勻液體，在膨潤土漿中的密度變化值僅為0.02～0.04 g/cm3，且熒光級別為1～2級，靜置180 d后無明顯分層，滿足鉆井液潤滑劑使用的基本要求。

表1 潤滑劑CRH-1常規性能評價結果

2. 不同潤滑劑加量的潤滑效果

現場鉆井實踐表明，因地層情況較為復雜，鉆井液潤滑劑的消耗較大，所以重點考察鉆井液潤滑劑的較優使用量及性能。

試驗漿：5%淡水膨潤土漿+潤滑劑CRH-1。試驗依據Q/SY 1088-2012《鉆井液用液體潤滑劑技術規范》，采用EP-C極壓潤滑儀，分別考察了潤滑劑CRH-1加量為0～3.0%條件下試驗漿的潤滑性能，結果見圖1所示。結果表明，隨著潤滑劑加量的升高，試驗漿的潤滑系數降低率逐漸增大；當潤滑劑加量增至0.5%時，淡水膨潤土漿的潤滑系數降低率即達到85.09%，且隨著潤滑劑加量的升高而逐漸穩定。因此，推薦潤滑劑CRH-1較優加量范圍為0.5%～2.0%，且現場應用過程中可根據實際需求進行調整。

圖1 不同潤滑劑CRH-1加量條件下

3.抗溫性能

提高鉆井液潤滑劑的抗溫性能是鉆井作業一大技術難點。因此，試驗考察潤滑劑加量為0.5%時，試驗漿120℃/16 h、130℃/16 h、140℃/16 h及150℃/16 h熱滾前后的流變性及濾失性、潤滑性，試驗結果見表2。從表2中可看出，加入0.5%潤滑劑后，隨著熱滾溫度的升高，試驗漿的流變性變化較小，密度變化值<0.08 g/cm3，API濾失量均有所降低，pH值變化較小，且隨著熱滾溫度的升高，潤滑系數降低率先增加后減小，但潤滑系數降低率均>80%。由此可見，鉆井液潤滑劑CRH-1可抗溫150℃。

表2 潤滑劑CRH-1的抗溫性能試驗評價結果

4.與鉆井液的配伍性

分別選取現場常用的淡水聚合物鉆井液及欠飽和鹽水鉆井液，考察潤滑劑CRH-1對不同鉆井液性能的影響,試驗結果見表3。從表3可看出，加入潤滑劑后，淡水聚合物鉆井液及欠飽和鹽水鉆井液的密度變化值均≤0.02 g/cm3，流變參數變化較小，API濾失量均出現一定程度降低，pH值幾無變化，濾餅厚變化較小，且隨著潤滑劑CRH-1含量的增加，上述參數亦無明顯變化；同時，加入潤滑劑的試驗漿的潤滑系數降低率均≥65%。結果表明，潤滑劑CRH-1的加入對鉆井液的密度、流變性及濾失性等影響較小，潤滑效果良好，說明CRH-1與淡水鉆井液和鹽水鉆井液的配伍性良好。

表3 潤滑劑CRH-1與鉆井液配伍性試驗評價結果

5.與常用潤滑劑的潤滑性能對比

選取效果較好的多類鉆井液潤滑劑，包括白油基潤滑劑RH-1、植物油基潤滑劑RH-2、固體石墨潤滑劑RH-3及復合表面活性劑類潤滑劑RH-4，對比考察不同潤滑劑在5%淡水膨潤土漿和4%鹽水漿中的潤滑性能，試驗結果見圖2。

圖2 不同種類潤滑劑的潤滑性能對比評價結果

從圖2中結果可看出，5%淡水膨潤土漿中分別加入0.5%不同潤滑劑后，加入潤滑劑CRH-1試驗漿的潤滑系數降低率為85.09%，高于其他潤滑劑；而4%鹽水漿中加入0.5%潤滑劑CRH-1后，試驗漿的潤滑系數降低率為75.64%，遠高于其他潤滑劑。結果表明，潤滑劑CRH-1既適用于淡水膨潤土漿，也能用于鹽水漿，且潤滑性能優于目前常用的鉆井液潤滑劑。

三、現場試驗結果及分析

2017年以來，室內研制的潤滑劑CRH-1分別在A油田南部區塊的2口井AN-15和AN-24的水平段成功進行了現場試驗。試驗水平井段的巖性均以泥頁巖為主，井深為1 250～1 300 m，試驗水平段長420～485 m，前期鉆進過程中常出現托壓、黏卡等復雜井下情況，常規辦法無法解決問題，因此，將潤滑劑CRH-1在水平井段進行了試驗，現場實時監測返出鉆井液的潤滑性能[11-19]。

圖3為試驗水平井段鉆井液的潤滑系數和鄰井相同井段(普通潤滑劑)鉆井液潤滑系數的測試結果。從圖3中結果可看出，加入潤滑劑CRH-1后，試驗水平井段鉆井液的潤滑系數較鄰井鉆井液的潤滑系數明顯降低，降低幅度達35%以上，始終保持在0.085～0.120，且隨著試驗水平井段的延長，鉆井液的潤滑系數變化幅度較小，持效性較好。結果說明潤滑劑CRH-1有效提高了現場鉆井液的潤滑性能，潤滑效果顯著[16-17]。

圖3 試驗井與鄰井的鉆井液潤滑系數測試結果

同時，對比統計了試驗井水平段與鄰井相同井段出現的復雜情況及潤滑劑使用量等，結果見表4。結果表明，試驗水平井段的鉆井液潤滑劑使用量相較于鄰井顯著降低，降低幅度達75%以上；同時，對比鉆井摩阻扭矩情況可以看出，加入潤滑劑CRH-1的試驗水平井段的摩阻扭矩較鄰井有效降低了60%以上，且未出現托壓、黏卡等復雜情況。