國外Y區(qū)塊儲層潤滑防卡鉆井液技術(shù)

柴金鵬 ， 邱正松 ， 郭保雨 ， 王旭東 ， 蔡勇

（1. 中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島266580；2.中石化勝利石油工程有限公司鉆井工程技術(shù)公司，山東東營257064）

國外Y區(qū)塊儲層潤滑防卡鉆井液技術(shù)

柴金鵬1，2， 邱正松1， 郭保雨2， 王旭東2， 蔡勇2

（1. 中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島266580；2.中石化勝利石油工程有限公司鉆井工程技術(shù)公司，山東東營257064）

國外Y區(qū)塊主力油層為Fahliyan地層，屬于滲透性灰?guī)r地層，以孔隙為主，含少量微裂縫，地層滲透率強(qiáng)，而且屬于高、低壓同層，上部地層壓力高，在較大的壓差作用下極易發(fā)生壓差卡鉆現(xiàn)象。在分析Fahliyan地層特點(diǎn)及卡鉆機(jī)理的基礎(chǔ)上，提出了“高效潤滑、強(qiáng)化封堵”的解決思路，研制了高性能的植物油潤滑劑，并建立了潤滑防卡鉆井液體系。研究表明：在25 ℃時(shí)，在6%膨潤土漿中加入1%的植物油潤滑劑，體系的極壓潤滑系數(shù)降低率和黏附系數(shù)降低率分別達(dá)到88.57%和86.67%，而且在體系中引入非離子表面活性劑Tween 80和雙子表面活性劑C12-2-12的混合物作為高溫保護(hù)劑，將其抗溫能力提高至170 ℃；以植物油潤滑劑和封堵材料為基礎(chǔ)，建立了潤滑防卡鉆井液體系，該體系泥餅?zāi)ψ柘禂?shù)小于0.05，極壓潤滑系數(shù)小于0.1。該區(qū)塊的9口井使用該潤滑防卡鉆井液體系鉆Fahliyan地層后，均無卡鉆事故發(fā)生，確保了現(xiàn)場施工的順利進(jìn)行，取得了良好的應(yīng)用效果。

潤滑；防卡；潤滑劑；植物油；壓差卡鉆；Fahliyan地層

國外Y區(qū)塊的主力油層是位于白堊系下統(tǒng)的 Fahliyan地層，為孔隙性滲透性灰?guī)r地層，以孔隙為主，含少量微裂縫，地層滲透率強(qiáng)，由U.Fahliyan和L.Fahliyan兩套不同壓力體系組成[1-5]。為達(dá)到簡化井身結(jié)構(gòu)、優(yōu)質(zhì)快速鉆井的目的，在同一裸眼段需要同時(shí)鉆開這2種層位，由于鉆井液密度大（1.70 g/cm3），與地層孔隙壓力間的壓差達(dá)15 MPa，在較大的壓差作用下易發(fā)生壓差卡鉆。在施工過程中，F(xiàn)ahliyan地層多次發(fā)生卡鉆現(xiàn)象。該地層的卡鉆事故特點(diǎn)為：卡鉆時(shí)間短，卡鉆后均能建立循環(huán)，卡鉆前后泵壓無差異，加入解卡劑后大部分能順利解卡。由此判斷其屬于壓差卡鉆[1-7]。該區(qū)塊地溫梯度為2.89 ℃/100 m，井下溫度高達(dá)145 ℃，較高的井底溫度對防卡處理提出了更高的要求。為了解決Fahliyan地層的卡鉆問題，先后使用了油基鉆井液和KCl聚磺鉆井液體系，但效果均不理想[3]。在該區(qū)塊F11井的施工過程中[5]，鉆進(jìn)Fahliyan地層后，發(fā)生了嚴(yán)重的壓差卡鉆，盡管加入了足量的封堵劑和潤滑劑，但由于潤滑劑的性能達(dá)不到要求，未見任何效果，無法繼續(xù)鉆進(jìn)，只能提前完鉆。針對現(xiàn)有潤滑劑不能滿足Fahliyan地層鉆井需要的問題，研制了高性能的植物油潤滑劑，并以此為基礎(chǔ)構(gòu)建了潤滑防卡鉆井液體系，解決了Fahliyan地層的壓差卡鉆問題。

1 植物油潤滑劑的研制

1.1 植物油潤滑劑的制備

植物油的主要成分是直鏈高級脂肪酸、脂肪酸三甘油酯以及少量的水分等，筆者采用化學(xué)法來制備植物油潤滑劑，主要涉及酯化反應(yīng)和酯交換反應(yīng)[8]。為了增強(qiáng)植物油潤滑劑的抗溫性能，在植物油潤滑劑中加入了抗高溫保護(hù)劑。

在裝有攪拌器、回流冷凝管以及分水器的反應(yīng)器中，將植物油、甲醇（或甲醇/乙醇的混合物）以及催化劑按照一定比例混合，升溫至120 ℃，反應(yīng)過程中測定其轉(zhuǎn)化率，反應(yīng)結(jié)束后蒸餾除去未反應(yīng)的甲醇，降溫至90 ℃后，加入抗高溫保護(hù)劑，攪拌均勻后出料，即得研制的植物油潤滑劑。

抗高溫保護(hù)劑是非離子表面活性劑Tween80和雙子表面活性劑C12-2-12的混合物。雙子表面活性劑C12-2-12分子結(jié)構(gòu)中擁有2個(gè)頭基、2個(gè)烷基尾鏈和一條聯(lián)接基。由于其特殊的分子結(jié)構(gòu)，該分子同時(shí)存在分子間和分子內(nèi)作用力[9-11]。C12-2-12分子通過聯(lián)接基團(tuán)將頭基連接到一起，克服了2個(gè)陽離子頭基之間的相互排斥作用，使其能夠更加緊密地聯(lián)接。Tween80具有較長的柔性鏈，C12-2-12分子吸附到Tween80的柔性鏈上，形成類似“梳形”的結(jié)構(gòu)，而植物油潤滑劑分子通過氫鍵以及烷基鏈的疏水作用吸附到C12-2-12和Tween 80形成的“梳形”結(jié)構(gòu)上[12]。C12-2-12和Tween 80在水溶液中能夠通過表面活性劑與聚合物的相互作用實(shí)現(xiàn)協(xié)同增效的作用，限制植物油潤滑劑分子在高溫下的熱運(yùn)動幅度，從而提高其抗高溫的能力。

1.2 植物油潤滑劑的性能評價(jià)

利用極壓潤滑儀和黏附系數(shù)測定儀來表征植物油潤滑劑的性能，并對其加量進(jìn)行了優(yōu)選實(shí)驗(yàn)，相關(guān)數(shù)據(jù)見表1。由表1可知，研制的植物油潤滑劑既能降低極壓潤滑系數(shù)，又能降低黏附系數(shù)，加量在1%時(shí)便能達(dá)到較好的效果，繼續(xù)增大加量，潤滑效果并沒有顯著提高，因此確定其加量為1%。

表1 植物油潤滑劑在6%膨潤土漿中加量的優(yōu)選

通過高溫老化表征了植物油潤滑劑的抗溫能力，見表2。由表2可知，老化溫度在120～150 ℃時(shí)，植物油潤滑劑的潤滑效果稍好于老化之前，這是由于植物油潤滑劑的抗溫能力較強(qiáng)，老化之后在基漿中分散得更好；老化溫度在150～170 ℃時(shí)，植物油潤滑劑的性能稍有降低，但幅度不大，能夠滿足現(xiàn)場應(yīng)用的需要；當(dāng)老化溫度超過180 ℃時(shí)，其性能下降幅度較大。因此該植物油潤滑劑的抗溫能力達(dá)到170 ℃。表3給出了植物油潤滑劑和常用潤滑劑性能的對比。由表3可知，聚合醇潤滑劑和聚醚潤滑劑能有效降低黏附系數(shù)，但是極壓潤滑系數(shù)降低不多；酯基潤滑劑和白油潤滑劑能降低極壓潤滑系數(shù)，但黏附系數(shù)降低不多；在Y區(qū)塊前期施工中常用的液體乳化劑RH200，能降低極壓潤滑系數(shù)和黏附系數(shù)，但是在高溫老化之后性能下降很快，這也解釋了RH200在Y區(qū)塊應(yīng)用不理想的原因；和常用的潤滑劑對比，植物油潤滑劑既能降低極壓潤滑系數(shù)，又能降低黏附系數(shù)，而且具有較好的抗高溫能力，170 ℃高溫老化之后性能變化不大。

表2 植物油潤滑劑抗溫能力表征（加量為1%）

表3 植物油潤滑劑與常用潤滑劑性能對比

2 潤滑防卡鉆井液體系

針對Y區(qū)塊Fahliyan地層卡鉆的特點(diǎn)，在研制高性能植物油潤滑劑的基礎(chǔ)上，建立了潤滑防卡鉆井液體系，該體系配方如下。

（1.5%～2%）膨潤土+0.3%燒堿+0.2%純堿+（0.5%～1.2%）非滲透處理劑SNFST+（3%～5%）SPNH+（3%～5%）SMP-2+（1%～1.5%）植物油潤滑劑+（0.5%～1%）流型調(diào)節(jié)劑HHDN+（5%～6%）KCl+（3%～5%）超細(xì)CaCO3+（2%～3%）玻璃微珠+加重劑（重晶石粉）

該體系基本性能：pH值為11，密度為1.60～1.75 g/cm3，塑性黏度為 25～35 mPa·s，動切力為10～12 Pa，API濾失量不大于2 mL，高溫高壓濾失量（150 ℃，3.5 MPa）不大于8 mL，泥餅?zāi)ψ柘禂?shù)低于0.05，極壓潤滑系數(shù)低于0.1，抗溫能力達(dá)到170 ℃。

加入植物油潤滑劑之后，可以控制潤滑防卡鉆井液的摩阻和扭矩在合理的范圍。為了強(qiáng)化封堵能力，加入了足量SPNH和SMP-2，使體系的高溫高壓濾失量不大于8 mL。此外，進(jìn)入Fahliyan低壓層時(shí)加入超細(xì)碳酸鈣和玻璃微珠等堵漏材料以封堵地層，提高地層的承壓能力。由表4可知，潤滑防卡鉆井液對砂床具有優(yōu)異的封堵能力，而且具有抗溫能力強(qiáng)、承壓能力好的特點(diǎn)，適用國外Y油田F區(qū)塊的地層特點(diǎn)[3]。此外，在體系中加入流型調(diào)節(jié)劑HHDN調(diào)整鉆井液流變性，動塑比控制在0.40～0.45 Pa/（mPa·s），在保證懸浮攜帶巖屑的基礎(chǔ)上，兼顧對井壁的沖刷能力，降低形成虛厚泥餅的可能性，同樣有利于預(yù)防壓差卡鉆。

表4 潤滑防卡鉆井液砂床侵入深度實(shí)驗(yàn)

3 現(xiàn)場應(yīng)用

除了提高鉆井液的性能，現(xiàn)場應(yīng)用時(shí)還需要使用合理的工程措施才能有效預(yù)防壓差卡鉆，這些措施如下。①利用固控設(shè)備，控制合理的固相含量和粒度分配。需控制膨潤土含量不大于2%，含砂量不大于0.2%，固相含量為20%～25%，盡最大可能減少鉆井液中劣質(zhì)固相的含量。②在鉆進(jìn)中加入隨鉆封堵材料單向壓力封閉劑SNDF，對新鉆開的地層進(jìn)行低濃度的封堵。③精確控制鉆井液密度，盡可能減少壓差。根據(jù)工程實(shí)際情況，在保證井眼安全的情況下，盡量降低鉆井液密度，減少壓差。在U.Fahliyan地層控制鉆井液密度在1.62～1.65 g/cm3， 在L.Fahliyan地層控制鉆井液密度在1.68～1.70 g/cm3。④簡化鉆具結(jié)構(gòu)，減少鉆鋌數(shù)量，多使用加重鉆桿；盡可能縮短鉆具靜止時(shí)間，接立柱時(shí)及時(shí)開動轉(zhuǎn)盤活動鉆具。

在國外Y區(qū)塊的Fahliyan地層鉆進(jìn)時(shí)，9口井使用潤滑防卡鉆井液體系鉆進(jìn)，均無卡鉆現(xiàn)象發(fā)生，較好地解決了該區(qū)塊的壓差卡鉆問題。特別是F8井采用KCl-聚磺鉆井液體系，盡管采取了屏蔽暫堵、添加潤滑劑等措施，但在Fahliyan地層仍然發(fā)生了卡鉆現(xiàn)象。解卡后使用上述潤滑防卡鉆井液技術(shù)繼續(xù)鉆進(jìn)Fahliyan地層，無卡鉆現(xiàn)象發(fā)生。

4 結(jié)論

1.研制的潤滑防卡鉆井液具有配方簡單、操作方便的特點(diǎn)，使用該鉆井液，并輔以合理的工程措施，在國外Y區(qū)塊9口井的Fahliyan地層鉆進(jìn)，均無卡鉆發(fā)生，為區(qū)塊的后續(xù)開發(fā)提供了技術(shù)思路。

2.研制的高性能植物油潤滑劑具有抗高溫、少量高效的特點(diǎn)，而且具有來源廣、成本低、環(huán)保性能好、不影響錄井等特點(diǎn)，具有推廣利用的價(jià)值。

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Application of Lubricating Drilling Fluid Technology in Drilling the Fahliyan Formation of Block Y

CHAI Jinpeng1,2, QIU Zhengsong1, GUO Baoyu2, WANG Xudong2, CAI Yong2
(1. College of Petroleum Engineering, China University of Petroleum, Qingdao, Shandong 266580;2. Branch of Drilling Engineering Technology, Sinopec Shengli Petroleum Engineering Company Ltd., Dongying, Shandong 257064)

Fahliyan Formation, the main target zone in the Block Y, is a permeable limestone formation with developed porosity, small amount of micro-fractures and high permeability. High pressure and low pressure layers are coexisting in the same formation with high pressure existing in the upper part of that formation. Pipe sticking is easy to happen under high differential pressures. To solve these problems, a drilling fluid with high lubricity and high plugging capacity was developed based on the analysis of the characteristics of the Fahliyan Formation and the mechanism of pipe sticking. The lubricity of the drilling fluid came from a high performance vegetable oil lubricant developed. Laboratory studies showed that at 25 ℃, 6% bentonite slurry treated with 1% vegetable oil lubricant, had its extreme pressure friction coefficient and adhesion coefficient reduced by 88.57% and 86.67%, respectively. The treatment of the bentonite slurry with a nonionic surfactant tween-80 and a Gemini surfactant C12-2-12 enhanced the high temperature stability of the bentonite slurry to 170 ℃. A lubricating drilling fluid was formulated with these additives and a plugging agent. This drilling fluid had mud cake friction coefficient that was less than 0.05, extreme pressure friction coefficient less than 0.2, and effectively functioned at 170 ℃. The application of this drilling fluid, together with a set of appropriate engineering measures in 9 wells (penetrating the Fahliyan Formation) proved successful. No pipe sticking accident occurred during drilling, ensuring the success of the drilling operation.

Lubricate; Pipe sticking prevention; Lubricant; Vegetable oil; Differential pressure pipe sticking; Fahliyan Formation

柴金鵬，邱正松，郭保雨，等.國外Y區(qū)塊儲層潤滑防卡鉆井液技術(shù)[J].鉆井液與完井液，2017，34（4）：45-48.

CHAI Jinpeng, QIU Zhengsong, GUO Baoyu, et al.Application of lubricating drilling fluid technology in drilling the Fahliyan Formation of block Y[J].Drilling Fluid & Completion Fluid，2017，34（4）：45-48.

TE254.3

A

1001-5620（2017）04-0045-04

10.3969/j.issn.1001-5620.2017.04.008

勝利石油工程有限公司科技攻關(guān)項(xiàng)目（GC1204 ）。

柴金鵬，1974年生，高級工程師，現(xiàn)為中國石油大學(xué)（華東） 在讀博士生，主要從事鉆井液技術(shù)研究與應(yīng)用及市場開發(fā)等工作。電話 13864720102； E-mail：chaijinpeng.slyt@sinopec.com。

2017-04-29；HGF=1701N11；編輯 王小娜）