高效水基鉆井液用潤滑劑的研制與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

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(zé)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(tuán)有限公司 5中國石油渤海鉆探工程有限公司定向井技術(shù)服務(wù)分公司)

隨著油氣資源的不斷開發(fā)，油氣產(chǎn)率提升難度逐漸增大，且鉆遇地層條件日益復(fù)雜，導(dǎo)致水平井的應(yīng)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(shí)水平段容易產(chǎn)生巖屑床，也一定程度上增加了卡鉆、托壓嚴(yán)重等井下復(fù)雜事故的發(fā)生[1-4]。目前，現(xiàn)場(chǎng)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(fù)雜事故[5-7]。A油田南部區(qū)塊水平井鉆井復(fù)雜情況統(tǒng)計(jì)分析表明，該區(qū)塊淺層水平井鉆井過程中卡鉆、托壓、鉆具磨損嚴(yán)重等復(fù)雜問題經(jīng)常出現(xiàn)，主要是由于現(xiàn)場(chǎng)鉆井液不能適應(yīng)地層復(fù)雜情況，潤滑性能無法滿足現(xiàn)場(chǎng)需求。此外，現(xiàn)場(chǎng)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(nèi)綜合考慮環(huán)保、成本等因素，試驗(yàn)優(yōu)選出了環(huán)保型改性植物油CVO-3和有機(jī)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(yōu)化，制備出了綜合性能較優(yōu)的鉆井液潤滑劑CRH-1，并成功地進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

一、潤滑劑CRH-1的試驗(yàn)制備

1. 基礎(chǔ)油優(yōu)選

鉆井液潤滑劑制備用基礎(chǔ)油種類較多，包括白油、植物油及廢渣油等，但普遍存在環(huán)保性能不佳、熒光級(jí)別較高及抗溫性能較差等問題。通過調(diào)研，室內(nèi)重點(diǎn)考慮基礎(chǔ)油的流動(dòng)性、環(huán)保性能等因素，初步選取了多類改性植物油，對(duì)比評(píng)價(jià)基礎(chǔ)油的運(yùn)動(dòng)黏度、熒光級(jí)別及在膨潤土基漿中的潤滑性能等[8-10]。

試驗(yàn)結(jié)果表明，改性植物油CVO-3的流動(dòng)性較好，閃點(diǎn)較高，熒光級(jí)別較低(1～2級(jí))，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(chǔ)油。

2.潤滑添加劑優(yōu)選及潤滑劑的制備

基礎(chǔ)油雖具有一定的潤滑性能，但無法滿足現(xiàn)場(chǎng)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(nèi)主要考察潤滑添加劑的油溶性、起泡性等，試驗(yàn)優(yōu)選陰離子表面活性劑EMR-1、非離子表面活性劑EMR-2及有機(jī)氮化硼類極壓劑NJY作為潤滑添加劑?？紤]反應(yīng)溫度、攪拌時(shí)間等，通過正交試驗(yàn)方法，優(yōu)化、確定了室內(nèi)潤滑劑較優(yōu)制備配方(質(zhì)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(yīng)溫度為60℃～65℃，反應(yīng)時(shí)間為3～5 h。

二、潤滑劑CRH-1主要性能評(píng)價(jià)

1.常規(guī)性能

潤滑劑的常規(guī)性能主要包括外觀、密度、熒光級(jí)別、沉降穩(wěn)定性等。參考Q/SY 1088-2012《鉆井液用液體潤滑劑技術(shù)規(guī)范》等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)價(jià)了潤滑劑CRH-1的常規(guī)性能，試驗(yàn)結(jié)果見表1所示。從表1結(jié)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(jí)別為1～2級(jí)，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(guī)性能評(píng)價(jià)結(jié)果

2. 不同潤滑劑加量的潤滑效果

現(xiàn)場(chǎng)鉆井實(shí)踐表明，因地層情況較為復(fù)雜，鉆井液潤滑劑的消耗較大，所以重點(diǎn)考察鉆井液潤滑劑的較優(yōu)使用量及性能。

試驗(yàn)漿：5%淡水膨潤土漿+潤滑劑CRH-1。試驗(yàn)依據(jù)Q/SY 1088-2012《鉆井液用液體潤滑劑技術(shù)規(guī)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(yàn)漿的潤滑性能，結(jié)果見圖1所示。結(jié)果表明，隨著潤滑劑加量的升高，試驗(yàn)漿的潤滑系數(shù)降低率逐漸增大；當(dāng)潤滑劑加量增至0.5%時(shí)，淡水膨潤土漿的潤滑系數(shù)降低率即達(dá)到85.09%，且隨著潤滑劑加量的升高而逐漸穩(wěn)定。因此，推薦潤滑劑CRH-1較優(yōu)加量范圍為0.5%～2.0%，且現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過程中可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行調(diào)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(yè)一大技術(shù)難點(diǎn)。因此，試驗(yàn)考察潤滑劑加量為0.5%時(shí)，試驗(yàn)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(yàn)結(jié)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(yàn)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(shù)降低率先增加后減小，但潤滑系數(shù)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(yàn)評(píng)價(jià)結(jié)果

4.與鉆井液的配伍性

分別選取現(xiàn)場(chǎng)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(duì)不同鉆井液性能的影響,試驗(yàn)結(jié)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(shù)變化較小，API濾失量均出現(xiàn)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(shù)亦無明顯變化；同時(shí)，加入潤滑劑的試驗(yàn)漿的潤滑系數(shù)降低率均≥65%。結(jié)果表明，潤滑劑CRH-1的加入對(duì)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(yàn)評(píng)價(jià)結(jié)果

5.與常用潤滑劑的潤滑性能對(duì)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(fù)合表面活性劑類潤滑劑RH-4，對(duì)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(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 不同種類潤滑劑的潤滑性能對(duì)比評(píng)價(jià)結(jié)果

從圖2中結(jié)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(yàn)漿的潤滑系數(shù)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(yàn)漿的潤滑系數(shù)降低率為75.64%，遠(yuǎn)高于其他潤滑劑。結(jié)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(yōu)于目前常用的鉆井液潤滑劑。

三、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果及分析

2017年以來，室內(nèi)研制的潤滑劑CRH-1分別在A油田南部區(qū)塊的2口井AN-15和AN-24的水平段成功進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。試驗(yàn)水平井段的巖性均以泥頁巖為主，井深為1 250～1 300 m，試驗(yàn)水平段長420～485 m，前期鉆進(jìn)過程中常出現(xiàn)托壓、黏卡等復(fù)雜井下情況，常規(guī)辦法無法解決問題，因此，將潤滑劑CRH-1在水平井段進(jìn)行了試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)返出鉆井液的潤滑性能[11-19]。

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

圖3 試驗(yàn)井與鄰井的鉆井液潤滑系數(shù)測(cè)試結(jié)果

同時(shí)，對(duì)比統(tǒng)計(jì)了試驗(yàn)井水平段與鄰井相同井段出現(xiàn)的復(fù)雜情況及潤滑劑使用量等，結(jié)果見表4。結(jié)果表明，試驗(yàn)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(dá)75%以上；同時(shí)，對(duì)比鉆井摩阻扭矩情況可以看出，加入潤滑劑CRH-1的試驗(yàn)水平井段的摩阻扭矩較鄰井有效降低了60%以上，且未出現(xiàn)托壓、黏卡等復(fù)雜情況。

表4 潤滑劑CRH-1與現(xiàn)場(chǎng)常用潤滑劑應(yīng)用效果對(duì)比

四、結(jié)論

(1)通過優(yōu)選改性基礎(chǔ)油、表面活性劑及環(huán)保極壓劑等，研制出了高效鉆井液潤滑劑CRH-1，該潤滑劑具有優(yōu)良的低溫流動(dòng)性，熒光級(jí)別低，起泡率低，且穩(wěn)定性較好。

(2)潤滑劑CRH-1潤滑性能優(yōu)良，加量僅為0.5%時(shí)，試驗(yàn)漿的潤滑系數(shù)降低率達(dá)到85%以上，適用于淡水鉆井液和鹽水鉆井液，與鉆井液的配伍性良好，且可抗溫150℃，可有效滿足現(xiàn)場(chǎng)鉆井液潤滑劑的使用需求。

(3)潤滑劑CRH-1在A油田南部區(qū)塊2口井的水平段成功進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，潤滑降摩減阻效果顯著，有效避免了托壓、卡鉆等復(fù)雜情況，且潤滑劑使用量降低了75%以上，具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。