新型固體潤(rùn)滑劑在長(zhǎng)慶分支水平井超長(zhǎng)水平段的應(yīng)用

董宏偉，凡 帆，高 潔

1.低滲透油氣田勘探開(kāi)發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室,2.川慶鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院：西安 710016

目前，國(guó)內(nèi)油田隨著開(kāi)發(fā)時(shí)間延長(zhǎng)和開(kāi)采量增大，開(kāi)發(fā)難度增加，因而許多特殊工藝井(如深井、超深井、定向井、水平井和分支井等)得到廣泛應(yīng)用。而這些特殊工藝對(duì)鉆井液性能提出更高的要求，尤其是針對(duì)長(zhǎng)慶分支水平井大斜度井段、長(zhǎng)水平段(氣井水平段鉆達(dá)2 000 m，油井水平段鉆達(dá)1 500 m)潤(rùn)滑防卡問(wèn)題，另外由于儲(chǔ)層地質(zhì)特征，水平段穿過(guò)大段碳質(zhì)泥巖，使鉆具與井壁的摩阻和扭矩大幅增加，因此需研究潤(rùn)滑防卡降扭矩技術(shù)難題[1-5]。液體潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑系數(shù)降低有限，易使鉆井液體系發(fā)泡，影響正常鉆進(jìn)，抗溫性不足；液體潤(rùn)滑劑一般在120 ℃會(huì)失效，影響其在國(guó)內(nèi)油田的大規(guī)模推廣應(yīng)用。而固體潤(rùn)滑劑能在摩擦表面上形成隔離潤(rùn)滑膜，達(dá)到減小摩擦、防止磨損的目的。固體潤(rùn)滑劑在減少帶加硬層工具接頭的磨損方面尤其有效，還有利于下尾管、下套管和旋轉(zhuǎn)套管。固體潤(rùn)滑劑的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和防腐蝕能力等良好，適于在高溫、大斜度井段和長(zhǎng)水平段使用[6]。因此，開(kāi)展鉆井液高效固體潤(rùn)滑劑研究具有現(xiàn)實(shí)意義，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益將十分顯著。

1 原料和儀器

天然鱗片石墨粉，含碳量99.95%，粒度500目，青島恒銳密封制品有限公司生產(chǎn)；潤(rùn)濕劑，磺化油，含量70%，壽光市玉彥化工產(chǎn)品經(jīng)營(yíng)處；羧甲基纖維素(CMC)，含量99.0%，濰坊得利纖維素有限公司；乳化劑，十二烷基三甲基溴化銨(DTAB)，含量99.0%，宜興市凱利達(dá)化學(xué)有限公司；十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)，含量99.0%，南京化學(xué)試劑股份有限公司；烷基酚聚氧乙烯醚(OP-10)，含量99.0%，邢臺(tái)鑫藍(lán)星科技有限公司；膨潤(rùn)土，新疆中非夏子街膨潤(rùn)土有限公司。

Fanns 212型潤(rùn)滑儀，美國(guó)Fanns公司生產(chǎn)；DLA-Ⅱ型鉆井液潤(rùn)滑性分析儀，青島海通達(dá)專用儀器廠生產(chǎn)；AC-FDS-800-10000地層傷害系統(tǒng)，美國(guó)TEMCO公司生產(chǎn)；電子天平，量程0～200 g，精確度0.001 g；173-00-1型高溫滾子加熱爐，美國(guó)OFI公司生產(chǎn)。

2 固體潤(rùn)滑劑改性石墨的性能評(píng)價(jià)

2.1 分散性

沉降實(shí)驗(yàn)是檢驗(yàn)石墨在液相中分散性好壞的簡(jiǎn)單可靠的方法。當(dāng)漿料分散較差時(shí)，固體顆粒易團(tuán)聚成大顆粒，并快速沉降且沉降體積大；而當(dāng)漿料分散較好時(shí)，固體顆粒不易團(tuán)聚，獨(dú)自緩慢沉降，漿料沉降速度慢，沉降體積小。石墨疏水性決定了其在水中難于分散，為了使其在水中具有良好的分散性，關(guān)鍵是改變其與水的潤(rùn)濕性能。圖1為改性石墨/水分散體系的沉降體積與沉降時(shí)間的關(guān)系。隨著表面活性劑含量增大，石墨/水分散體系的穩(wěn)定性越好。 DTAB與CMC復(fù)配，乳化分散效果最佳。確定固體潤(rùn)滑劑改性石墨配方為：75%天然鱗片石墨粉+15%潤(rùn)濕劑磺化油+8%高分子聚合物CMC+2%乳化劑DTAB。

圖1 改性石墨/水分散體系沉降體積與沉降時(shí)間的關(guān)系

2.2 改性石墨潤(rùn)滑系數(shù)

采用潤(rùn)滑系數(shù)較高摩阻大的細(xì)分散土漿作為基漿，基漿配方：3 000 mL水+0.3%NaCO3+6%膨潤(rùn)土(新疆夏子街)，水化24 h?；鶟{中加入不同加量改性石墨，采用Fanns 212型潤(rùn)滑儀進(jìn)行潤(rùn)滑性評(píng)價(jià)，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 改性石墨的潤(rùn)滑系數(shù)

注：清水讀數(shù)矯正值為32。

從表1看出，隨著改性石墨加量增大，體系的潤(rùn)滑系數(shù)降低率越大，當(dāng)改性石墨加量為3.0%時(shí)，體系的潤(rùn)滑系數(shù)降低率為80.3%，考慮現(xiàn)場(chǎng)施工要求，改性石墨加量為3.5%時(shí)，體系的潤(rùn)滑系數(shù)降低率為81.9%，變化不大。因此，改性石墨潤(rùn)滑劑加量以3.0%為宜。

2.3 模擬地層條件下改性石墨潤(rùn)滑性能

采用DLA-Ⅱ型鉆井液潤(rùn)滑性分析儀，選用潤(rùn)滑系數(shù)較高摩阻大的細(xì)分散土漿作為基漿，基漿中加入不同加量改性石墨潤(rùn)滑劑，進(jìn)行潤(rùn)滑性評(píng)價(jià)試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖2和圖3。

圖2 改性石墨潤(rùn)滑劑加量對(duì)摩擦系數(shù)的影響

圖3 改性石墨潤(rùn)滑劑加量對(duì)降扭矩效果的影響

由圖2和圖3可知，細(xì)分散土漿體系中改性石墨潤(rùn)滑劑加量為2.5%～3.0%時(shí),降扭矩和降摩阻效果最佳。隨著側(cè)向力增大，降扭矩和降摩阻效果變差。

2.4 降濾失效果

為了最大化減少對(duì)儲(chǔ)層的傷害，降低鉆井液濾液對(duì)地層的侵入，應(yīng)將鉆井液濾失控制到盡可能的低。改性石墨潤(rùn)滑劑具有降濾失能力，以4%膨潤(rùn)土漿為基漿，加入不同加量改性石墨潤(rùn)滑劑，考察其在 90 ℃/16 h 熱滾前后的流變性及濾失性，以熱滾后API濾失量及濾餅質(zhì)量為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 改性石墨潤(rùn)滑劑的降濾失性能

注:AV為表觀黏度，PV為塑性黏度，YP為動(dòng)切力，F(xiàn)L為API濾失量；下同。

從表2看出，隨著改性石墨潤(rùn)滑劑加量增大，降濾失效果增強(qiáng)，90 ℃下熱滾16 h后，流變性能和濾失量變化不大，說(shuō)明改性石墨潤(rùn)滑劑耐溫效果好。

2.5 改性石墨潤(rùn)滑劑與鉆井液起泡性能

在原漿中加入改性石墨潤(rùn)滑劑，原漿為低傷害暫堵鉆井完井液體系，采用量筒測(cè)量高速攪拌前后鉆井液的體積,觀察泡沫產(chǎn)生情況,結(jié)果見(jiàn)表3。該固體潤(rùn)滑劑不引起低傷害暫堵鉆井完井液體系發(fā)泡。

表3 改性石墨潤(rùn)滑劑發(fā)泡效果

2.6 改性石墨潤(rùn)滑劑儲(chǔ)層保護(hù)效果

為了驗(yàn)證改性石墨潤(rùn)滑劑對(duì)儲(chǔ)層保護(hù)的影響，從現(xiàn)場(chǎng)取鉆井液樣品，加入改性石墨潤(rùn)滑劑充分?jǐn)嚢?，在壓?.5 MPa，時(shí)間2.5 h, 溫度90 ℃下，進(jìn)行室內(nèi)巖心傷害評(píng)價(jià)，結(jié)果見(jiàn)表4?，F(xiàn)場(chǎng)鉆井液加入改性石墨潤(rùn)滑劑后，鉆井液對(duì)儲(chǔ)層巖心的傷害率均低，在6.50%～13.92%范圍，均屬于低傷害。說(shuō)明該改性石墨潤(rùn)滑劑不影響鉆井液的儲(chǔ)層保護(hù)能力。

表4 現(xiàn)場(chǎng)鉆井液的巖心傷害結(jié)果

注：Kg1和Kg2分別代表巖心傷害前后的氣體滲透率。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)用

該水平井是在長(zhǎng)北氣田鉆的一口雙分支水平井，分支水平夾角90°，單支水平段長(zhǎng)設(shè)計(jì)為2 000 m，第一支水平井為篩管完井，第二支水平井為裸眼完井，目的層為二迭系山西組山2粗砂巖氣層，中間含泥巖夾層、煤層，及碳質(zhì)泥巖，同時(shí)水平井產(chǎn)層裸露面積大，鉆具與井壁產(chǎn)生的摩擦阻力和旋轉(zhuǎn)的扭矩大，形成鉆具泥包及黏吸卡鉆的層段多。該井三開(kāi)在垂深2 898.21 m，斜深3 405.0 m開(kāi)窗側(cè)鉆,開(kāi)始第一水平分支鉆進(jìn)，采用無(wú)黏土低傷害暫堵完井液體系(密度1.03 g/cm3)施工，開(kāi)始沒(méi)有加入無(wú)熒光DRH潤(rùn)滑劑，從井深3 405～4 005 m扭矩隨水平段的鉆進(jìn)保持在34.0 kN·m以下，從4 005～4 105 m由于鉆至大段泥巖扭矩從33.80 kN·m升至39.00 kN·m，再出泥巖打至砂巖儲(chǔ)層，進(jìn)一步觀察扭矩變化直至井深4 405 m，開(kāi)始逐漸加入改性石墨潤(rùn)滑劑, 維持加量3.0%，扭矩從41.00 kN·m下降至21.36 kN·m,扭矩降低率為47.9%，當(dāng)向循環(huán)系統(tǒng)補(bǔ)充新泥漿, 按照加量3.0%相應(yīng)加入改性石墨潤(rùn)滑劑,而后扭矩穩(wěn)定且略增加，歷時(shí)53 d扭矩基本上控制在30.0 kN·m以下，該水平井第一水平分支的扭矩隨井深變化曲線見(jiàn)圖4。

圖4 第一水平分支扭矩和隨井深變化

圖5 第二水平分支扭矩和隨井深變化

第二水平分支從斜深4 549～4 748 m鉆至多個(gè)煤層、泥巖、碳質(zhì)泥巖，出現(xiàn)井壁坍塌嚴(yán)重，扭矩失控。在垂深2 903 m，斜深3 813 m處進(jìn)行懸空側(cè)鉆，同時(shí)泥漿密度增加至1.12 g/cm3,將固體潤(rùn)滑劑加量維持在3.0%,扭矩均控制在40 kN·m以內(nèi)，歷經(jīng)60 d，該潤(rùn)滑劑均表現(xiàn)出良好潤(rùn)滑效果，第二水平分支的扭矩隨井深變化曲線見(jiàn)圖5。 2個(gè)長(zhǎng)水平段整個(gè)施工安全順利，無(wú)一次遇阻、遇卡現(xiàn)象，泥漿潤(rùn)滑性好，每趟起下鉆暢通無(wú)阻，每次下鉆一次到底。水平段鉆進(jìn)過(guò)程中取樣，考察改性石墨潤(rùn)滑劑加入前后鉆井液性能，結(jié)果見(jiàn)表5。改性石墨潤(rùn)滑劑加量為3.0% 時(shí)，Kf為0.034 9。

表5 改性石墨潤(rùn)滑劑加量對(duì)現(xiàn)場(chǎng)鉆井液性能的影響

注:FV為漏斗黏度。

4 結(jié)論

1)研制的改性石墨固體潤(rùn)滑劑加量為3.0%時(shí)，體系潤(rùn)滑系數(shù)降低率達(dá)80.3%，潤(rùn)滑性優(yōu)良，且具有較好的耐溫性，不影響鉆井液性能，不發(fā)泡。

2)針對(duì)長(zhǎng)慶分支水平井超長(zhǎng)水平段井眼鉆進(jìn)過(guò)程中的扭矩和阻力這一技術(shù)難題，通過(guò)對(duì)新型固體潤(rùn)滑劑的研制、潤(rùn)滑性評(píng)價(jià)及儲(chǔ)層保護(hù)評(píng)價(jià)等研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)用，提升了體系的潤(rùn)滑性能，成功地解決了上述難題。

3)新型固體潤(rùn)滑劑的使用保證了長(zhǎng)水平段的安全鉆進(jìn)，使用高效長(zhǎng)效固體潤(rùn)滑劑，安全順利鉆過(guò)2 19 5m水平段分支，超過(guò)2 000 m的設(shè)計(jì)，創(chuàng)造了長(zhǎng)慶氣田水平段新紀(jì)錄。

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