新型高效抗磨減阻劑在東海油氣田的應(yīng)用

黃召 ， 何福耀 ， 雷磊 ， 丁建平 ， 嚴(yán)維鋒 ， 謝中成

（1．中海石油（中國）有限公司上海分公司，上海 200335；2. 西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，成都 610500）

新型高效抗磨減阻劑在東海油氣田的應(yīng)用

黃召1，2， 何福耀1， 雷磊1， 丁建平1， 嚴(yán)維鋒1， 謝中成1，2

（1．中海石油（中國）有限公司上海分公司，上海 200335；2. 西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，成都 610500）

近年來，東海油氣田大位移井、大斜度井和水平分支井鉆井作業(yè)越來越多，鉆進(jìn)過程中的高扭矩、鉆桿和套管的磨損已經(jīng)嚴(yán)重地影響了作業(yè)的安全和效率。在這些高難度井中引入了一種新型高效抗磨減阻劑ARDR LUBE-100。ARDR LUBE-100屬于有機(jī)負(fù)離子和有機(jī)金屬化合物類產(chǎn)品，其主要是以醇、脂等抗磨材料在高溫下，通過酯化合成及縮合反應(yīng)得到的產(chǎn)物，在中間體合成過程中產(chǎn)生了有機(jī)金屬離子及添加了抗磨惰性離子，通過有機(jī)負(fù)離子吸附在套管及鉆桿表面，可以在管體表面形成滾動(dòng)摩擦，起到了很好的抗磨減阻作用。室內(nèi)評價(jià)和現(xiàn)場應(yīng)用表明，該抗磨減阻劑與鉆井液配伍性良好，在鉆井液中加入1%左右即可將鉆井液的潤滑系數(shù)降低60%，鉆具與套管之間的磨損速率降低99.64%以上，抗磨減阻效果明顯。

鉆井液；抗磨；減阻；水平井；大位移井

隨著對東?？碧降牟粩嗌钊?，不少邊際油氣田被陸續(xù)發(fā)現(xiàn)，這些油氣田的特點(diǎn)是油氣儲量小、油層厚度薄，埋藏深，低孔低滲，而要經(jīng)濟(jì)有效地開發(fā)這批油氣田，就必須合理地利用周邊的設(shè)施和選擇合適的開發(fā)方式，因此大位移井、大斜度井和水平分支井被廣泛地應(yīng)用到了這些油氣田的開發(fā)中[1-5]，由此也導(dǎo)致了鉆井過程中扭矩特別大，鉆桿和套管磨損嚴(yán)重，影響了井下安全和作業(yè)效率。如何降低鉆進(jìn)摩阻扭矩和鉆桿套管磨損，是迫切需要解決的問題[6-8]。通過進(jìn)行廣泛地調(diào)研和實(shí)驗(yàn)，一種新型高效抗磨減阻劑ARDR LUBE-100在這類高難度井中得到了很好的應(yīng)用，在現(xiàn)場作業(yè)過程中降低了摩阻扭矩，減少了鉆桿和套管的磨損。

1 高效抗磨減阻劑的潤滑機(jī)理

東海多個(gè)開發(fā)井項(xiàng)目組大部分井屬于深井或超深井大位移井范疇，設(shè)計(jì)階段模擬的摩阻扭矩較大，多口井在鉆遇深部地層后鉆進(jìn)的摩阻及扭矩達(dá)到了平臺設(shè)備的極限能力。為了避免鉆具疲勞發(fā)生鉆具事故，減小鉆進(jìn)過程鉆機(jī)負(fù)荷，降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，聯(lián)合某關(guān)聯(lián)公司在室內(nèi)合成了高效抗磨減阻劑ARDR LUBE-100，其屬于有機(jī)負(fù)離子和有機(jī)金屬化合物類產(chǎn)品，主要是以醇、脂等抗磨材料在高溫下通過酯化合成及縮合反應(yīng)得到的產(chǎn)物，通過有機(jī)負(fù)離子吸附在套管及鉆桿表面，可以在管體表面形成滾動(dòng)摩擦，更好地起到抗磨減阻的作用。ARDR LUBE-100含有抗溫油性有機(jī)物，具有顯著的潤滑功能。鉆井液中加入該產(chǎn)品，無需再添加其他潤滑劑。

2 高效抗磨減阻劑的性能評價(jià)

通過在抗磨性能測試儀左邊增加相同重量砝碼，對金屬鋼柱與摩擦環(huán)加壓進(jìn)行磨損測試，金屬鋼柱與摩擦環(huán)間充滿所需測試的流體介質(zhì)。

2.1 抗磨性能

對清水和加有1%ARDR LUBE-100的流體進(jìn)行抗磨性實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表1。由表1可以看出，清水僅能承受3塊砝碼，且磨損嚴(yán)重，表面粗糙，而ARDR LUBE-100能夠承受7塊砝碼，輕微磨損，表面光滑，說明其具有好的抗磨性能。

表1 ARDR LUBE-100在清水中的抗磨性能

2.1.1 清水無固相鉆井液磨損實(shí)驗(yàn)

對清水無固相鉆井液進(jìn)行抗磨損實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表2。從表2可以看出，清水無固相鉆井液中加入0.3%ARDR LUBE-100后，其磨損速率可降低99.85%以上。鉆井液配方如下。

1#清水+0.5%HV-CMC

表2 不同加量ARDR LUBE-100對清水無固相鉆井液（1#配方）磨損速率的影響

2.1.2 飽和鹽水低固相鉆井液磨損實(shí)驗(yàn)

對飽和鹽水低固相鉆井液進(jìn)行抗磨損實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表3。由表3可知，飽和鹽水無固相鉆井液中加入0.3%～0.5%ARDR LUBE-100后，其磨損速率可降低99.64%以上。鉆井液配方如下。

2#0.8%淡水膨潤土漿+0.8%NaOH+0.3%Na2CO3+ 0.1%PAC-LV+1.5%SPNH+1.5%SMP-HT+2%DYFT+ 2%LPF（H）+30%KCl+0.5%生物聚合物

表3 不同加量ARDR LUBE-100對飽和鹽水無固相鉆井液（2#配方）磨損速率的影響

2.1.3 高密度鐵礦粉鉆井液磨損實(shí)驗(yàn)

對高密度鐵礦粉鉆井液進(jìn)行抗磨損實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表4。鉆井液配方如下。

3#4.0%鈉膨潤土漿+0.8%NaOH+1.0%SMP-1+0.1%PAC-HV+1.0%SYP-1+1.0%PSC-2+0.1%SP-80+1.0%XHL+3.0%KCl+鐵礦粉和重晶石（3∶1），加重至2.30 g/cm3

由表4可知，高密度鐵礦粉鉆井液中加入0.5%～3%ARDR LUBE-100后，其磨損速率可降低55.9%～79.5%左右。

表4 不同加量ARDR LUBE-100對高密度鐵礦粉鉆井液（3#配方）磨損速率的影響

2.1.4 高效抗磨減阻劑專業(yè)磨損評價(jià)

對高效抗磨減阻劑ARDR LUBE-100進(jìn)行S135鉆桿接頭與P110套管組合和NATE2000H耐磨帶與P110套管組合下的抗磨損實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表5和表6。實(shí)驗(yàn)樣品各4套，每套測試時(shí)間為20 min。所用鉆井液配方如下。

4#3.0%膨潤土漿+0.7%HV-CMC+2.5%SMP-2+0.3%PAC-LV+2.5%SPC+0.1%JT-888+0.2%NaOH+170%鐵礦粉（密度為1.97 g/cm3）

表5 S135鉆桿接頭與P110套管組合在加入1.0%抗磨減阻劑的4#配方鉆井液中的磨損實(shí)驗(yàn)

由表5可以看出，4#配方基漿中加入1.0%ARDR LUBE-100，S135鉆桿接頭平均每小時(shí)失重231.8 mg，比在基漿中失重降低69.7%；P110套管失重為279.7 mg/h，比在基漿中失重降低68.6%。由表6可以看出，4#配方基漿中加入1.0% ARDR LUBE-100，MATE2000耐磨帶平均每小時(shí)失重77.8 mg，比在基漿中失重降低55.3%；P110套管失重69.8 mg/h，比在基漿中失重降低75.1%。

表6 NATE2000H耐磨帶與P110套管組合在加入1.0%抗磨減阻劑的4#配方鉆井液中的磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2 潤滑性能

采用LEM潤滑儀對ARDR LUBE-100與常見的幾種潤滑劑的性能進(jìn)行了對比評價(jià)。在不同載荷、不斷增加扭矩的情況下測定流體對鉆桿和井壁的摩擦系數(shù)[9-12]，見圖1和表7。由圖1和表7可以看出，ARDR LUBE-100的潤滑性能優(yōu)于液體抗磨減阻劑Lube167和Lube776，與其他固體高效抗磨減阻劑Steel Lube EP和Starglide的潤滑性能相當(dāng)。

圖1 不同抗磨減阻劑的潤滑性能對比

表7 不同抗磨減阻劑的潤滑性能對比

2.3 與東海油田常用鉆井液的配伍性

2.3.1 與PEM鉆井液的配伍性

配制4個(gè)PEM鉆井液樣品，每個(gè)400 mL，在50 ℃下測試流變性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

表8 加入ARDR LUBE-100前后PEM鉆井液性能

由表8可以看出，加入1.5%ARDR LUBE-100的鉆井液在100～180 ℃下，其流變性能、API濾失量、高溫高壓濾失量變化均不大，說明ARDR LUBE-100的抗溫性好，與PEM鉆井液的配伍性好。PEM鉆井液配方如下。

5#4 kg/m3NaOH+3 kg/m3Na2CO3+10 kg/m3膨潤土+4 kg/m3PF-PAC-LV+3 kg/m3PF-PLUS+10 kg/m3PF-DYFT-2+10 kg/m3PF-LPF-H+10 kg/m3PF-LSF+10 kg/m3PF-SPNH-HT+10 kg/m3PF-SMPHT

2.3.2 與EZFLOW鉆井液的配伍性

配制4個(gè)EZFLOW鉆井液樣品各400 mL，在50 ℃下測試鉆井液在不同溫度下熱滾前后的性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表9所示。由表9可知，EZFLOW鉆井液中加入1.5%ARDR LUBE-100后，鉆井液滾前性能基本不變；140 ℃熱滾16 h后的黏度略有上升，但增幅很小， 說明ARDR LUBE-100與EZFLOW鉆井液具有良好的配伍性；在100～150 ℃下，ARDR LUBE-100的流變性能、API濾失量、LSRV變化均不大，抗溫性好。實(shí)驗(yàn)使用的EZFLOW配方如下。

6#400 mL海 水+3 kg/m3NaOH+3 kg/m3Na2CO3+6 kg/m3EZVIS+25 kg/m3EZFLO+50 kg/m3EZCARB

表9 加入ARDR LUBE-100前后EZFLOW性能

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 摩阻扭矩應(yīng)用效果對比

抗磨減阻劑ARDR LUBE-100被大量使用在了東海某油氣田開發(fā)項(xiàng)目中，該油氣田設(shè)計(jì)8口井，5口水平井，3口水平分支井，平均井深為4 959 m，地層溫度為120～150 ℃。在氣田多口井鉆井過程中，頂驅(qū)扭矩波動(dòng)為50～56 kN·m，超過平臺鉆具上扣扭矩，鉆進(jìn)期間頂驅(qū)多次憋停。加入ARDR LUBE-100后，扭矩浮值波動(dòng)明顯降低，最高降低了20%，扭矩絕對值降低10 kN·m以上，提高鉆井時(shí)效和降低了卡鉆風(fēng)險(xiǎn)。在加入抗磨減阻劑ARDR LUBE-100后，3口井的平均摩阻降低約30%，減少了起下鉆鉆具阻卡風(fēng)險(xiǎn)和提高作業(yè)時(shí)效。

表10 加入1.5%ARDR LUBE-100前后鉆井參數(shù)對比

3.2 鉆具磨損應(yīng)用效果對比

水平井和大位移井鉆井過程中鉆具磨損往往較常規(guī)定向井、直井磨損大。該氣田全部為水平井和水平分支井，在鉆進(jìn)過程中鉆具磨損較為嚴(yán)重。在加入抗磨減阻劑ARDR LUBE-100后，鉆具磨損量明顯減?。ㄒ妶D2和圖3），沉砂池磁鐵周期鐵屑收集量較未加入前減少。

圖2 加入抗磨減阻劑鉆具的磨損

圖3 未加入抗磨減阻劑鉆具的磨損

3.3 提高鉆井效率，降低鉆井風(fēng)險(xiǎn)

加入抗磨減阻劑ARDR LUBE-100后，能顯著降低起下鉆摩阻，增加下鉆過程中鉆具懸重，便于鉆具和管柱的下入，同時(shí)減少鉆具阻卡風(fēng)險(xiǎn)，在A4H、A5M和A6H井鉆井過程中短程起下鉆及完鉆后起鉆，井眼均順暢無阻掛，提高了鉆井作業(yè)時(shí)效，減少了井下復(fù)雜情況的發(fā)生。

4 認(rèn)識和結(jié)論

1.ARDR LUBE-100與東海常用鉆井液配伍性良好，加入前后鉆井液性能無明顯變化。

2.ARDR LUBE-100的潤滑性能優(yōu)于廣泛使用的高效液體潤滑劑，與非常規(guī)固體高效潤滑劑相當(dāng)，通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，不斷優(yōu)化改進(jìn)，其耐溫性達(dá)到了 150 ℃。

3.ARDR LUBE-100能顯著降低鉆進(jìn)時(shí)的頂驅(qū)扭矩和起下鉆時(shí)鉆具的摩阻，顯著降低鉆具和套管的磨損。

4.ARDR LUBE-100能顯著減少摩阻扭矩，提高機(jī)械鉆速，減少卡鉆等鉆井事故風(fēng)險(xiǎn)，為實(shí)現(xiàn)安全、快速、高效鉆井提供了有力保障，可在其他海上油氣田大力推廣應(yīng)用。

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Application of a New Highly Efficient Anti-wear Friction Reducer in Donghai Oil and Gas Field

HUANG Zhao1,2, HE Fuyao1, LEI Lei1, DING Jianping1, YAN Weifeng1, XIE Zhongcheng1,2
(1. Shanghai Branch Company, CNOOC, Shanghai 200335;2. School of Oil & Natural Gas Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500)

In Donghai Oil and Gas Field, more and more extended reach wells, high angle deviated wells and multilateral horizontal wells have been drilled in recent years. During the drilling operations, high torque and wear-and-tear experienced by the drill pipes and the casing strings have impacted on the safety and the efficiency of the drilling operations. A highly efficient anti-wear friction reducer, ARDR LUBE-100 was found, after extensive investigation and experiments, to be effective in dealing with the problems aforementioned. ARDR LUBE-100 is a compound of organic anions and organic metals, and is a product of anti-wear materials such as alcohols and esters through esterification reaction or condensation reaction at high temperatures. Organic metal ions are generated in intermediate synthesis reaction, and anti-wear inert ions are added into the reactants. ARDR LUBE-100 can be adsorbed onto the surface of a pipe, where rolling friction takes place between the ARDR LUBE-100 particles and the surface of the pipe, thereby effectively reducing wear-and-tear and friction. Laboratory evaluation and field application proved that the ARDR LUBE-100 has good compatibility with drilling fluids, and 1% of ARDR LUBE-100 in drilling fluid has reduced the coefficient of friction by 60%,and rate of wear between drill pipe and casing string reduced by 99.64%, indicating that the use of ARDR LUBE-100 can remarkably wear-and-tear and friction.

Drilling fluid; Anti-wear; Friction reduction; Horizontal well; Extended reach well

黃召，何福耀，雷磊，等.新型高效抗磨減阻劑在東海油氣田的應(yīng)用[J].鉆井液與完井液，2017， 34（4）：49-54.

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TE254.4

A

1001-5620（2017）04-0049-06

10.3969/j.issn.1001-5620.2017.04.009

黃召，工程師，1982年生，現(xiàn)在主要從事鉆井液技術(shù)研究工作。電話 13671604406/（021）22831221，E-mail：huangzhao@cnooc.com.cn。

2017-3-13；HGF=1703M4；編輯 馬倩蕓）