化學(xué)抗磨減阻劑CX-300 的評(píng)價(jià)及在大位移井中的應(yīng)用

魏裕森，王躍曾，李思洋，張偉國(guó)，狄明利

（1.中海石油（中國(guó)）有限公司深圳分公司，廣東深圳 518067；2.中海油服油田化學(xué)事業(yè)部深圳作業(yè)公司，廣東深圳 518067）

南海東部在大位移井的鉆井和下套管過(guò)程中，遇到的難題和挑戰(zhàn)主要為構(gòu)造受到大斷層控制，泥漿安全密度窄，很容易漏失。如惠州某油田受兩條大斷層控制，井眼穩(wěn)定性差，泥漿安全密度窗口只有0.23 g/cm3；流花某油田儲(chǔ)層頂部存在小斷層及破碎帶，易出現(xiàn)漏失和井下復(fù)雜情況。為了在鉆井和下套管作業(yè)過(guò)程中能夠有效地控制ECD，避免壓漏地層或斷層，就需要從各種途徑降低摩阻扭矩等。

在大位移井的鉆井和下套管過(guò)程中，降低扭矩、摩擦阻力和提高管子耐磨能力有兩種途徑，一種是通過(guò)機(jī)械方法，即在鉆桿柱上加裝抗磨減阻工具，造斜段加裝NRDPP 類工具、穩(wěn)斜段加裝LoTAD 等，但對(duì)于泥漿安全密度窗口很窄的情況，由于降摩減阻工具尺寸大，容易引起鉆進(jìn)、起下鉆、下套管激動(dòng)壓力大，易造成ECD 過(guò)高壓漏地層。另一種方法就是化學(xué)方法，即在鉆井液、完井液中加入抗磨減阻劑，以降低大位移井由于穩(wěn)斜角大和穩(wěn)斜段長(zhǎng)而導(dǎo)致的高摩阻和高扭矩，為順利完成鉆井作業(yè)和套管順利下到設(shè)計(jì)井深創(chuàng)造條件。

為了防止出現(xiàn)套管過(guò)度磨損、鉆柱扭矩摩阻過(guò)高、地層被壓漏等情況，使用了抗磨減阻劑CX-300，通過(guò)有機(jī)負(fù)離子吸附在鉆桿外表面及套管內(nèi)表面形成保護(hù)膜，起到抗磨減阻效果。另外添加了納米抗磨惰性材料，可以在套管、鉆具表面形成滾動(dòng)摩擦而起到降摩作用[1]。

1 問(wèn)題分析與應(yīng)對(duì)

1.1 問(wèn)題與挑戰(zhàn)

（1）南海東部油田新區(qū)塊鉆遇地層斷層發(fā)育、安全泥漿密度窗口窄，鉆進(jìn)和下套管過(guò)程中易發(fā)生漏失和出現(xiàn)壓差卡鉆卡套管等井下事故。

（2）西江區(qū)塊泥漿安全密度窗口窄，鉆進(jìn)和下套管過(guò)程中容易憋漏地層。

（3）部分新區(qū)塊地層密度窗口窄、地層穩(wěn)定性差，造成已有技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)放大化，無(wú)法滿足現(xiàn)場(chǎng)安全作業(yè)。

（4）通過(guò)在鉆桿柱上加裝抗磨減阻工具容易造成ECD 過(guò)高壓漏地層。

1.2 分析與應(yīng)對(duì)

（1）由于采用機(jī)械方法降低摩阻扭矩的效果有限，且在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中出現(xiàn)了鉆桿、套管扭矩過(guò)高、套管下不到位和壓漏地層等情況，因此，通過(guò)化學(xué)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)降摩減阻是一種行之有效的手段。

（2）高摩阻與扭矩是大位移井的主要特征，化學(xué)降摩減阻技術(shù)的貢獻(xiàn)在于可以降低鉆進(jìn)和下套管時(shí)的摩阻和扭矩，有利于控制井下ECD，避免壓漏地層出現(xiàn)漏失。

（3）在現(xiàn)有的化學(xué)降摩減阻劑中通過(guò)篩選而選出CX-300，并對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

2 技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 化學(xué)降摩減阻技術(shù)現(xiàn)狀

2.1.1 降失水劑 在井眼的鉆進(jìn)過(guò)程中，由于正壓作用，水基鉆井液的濾液會(huì)通過(guò)泥餅侵入地層，從而引起泥頁(yè)巖的水化膨脹效應(yīng)[1，2]，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致井壁失穩(wěn)以及各種復(fù)雜情況發(fā)生。在鉆井液中加入降失水劑可以在井壁上形成薄而致密且滲透率低的濾餅，從而有效降低鉆井過(guò)程中鉆井液的濾失量。鉆井液降濾失劑主要有水溶性和油溶性兩類。最常用的是水溶性降濾失劑，分為：天然及改性天然高分子類、合成聚合物類、合成樹(shù)脂類以及工業(yè)廢料和化工副產(chǎn)品改性制備的降濾失劑四大類[3]。

2.1.2 流變改性劑 流變改性劑又名流型調(diào)節(jié)劑，主要用于改善鉆井液體系的流變性，即改善黏度和切力兩方面，因此，流型調(diào)節(jié)劑也稱增黏提切劑或提切劑。其中，黏度主要受體系的固相含量影響，尤其是小顆粒固相含量越多，體系的黏度越大。鉆井液應(yīng)該具有適當(dāng)?shù)酿ざ龋麴ざ冗^(guò)小，鉆井液的濾失量會(huì)增大，造成經(jīng)濟(jì)損失的同時(shí)，也對(duì)儲(chǔ)層產(chǎn)生損害；若黏度過(guò)大，鉆井液循環(huán)過(guò)程中的摩阻就會(huì)變大，鉆進(jìn)速度減慢，鉆具使用壽命縮短，而且容易發(fā)生井下事故。而切力主要由體系的結(jié)構(gòu)力決定，有時(shí)固相含量也會(huì)對(duì)鉆井液體系的切力造成影響。當(dāng)鉆井液中空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定時(shí)，體系的切力就越強(qiáng)。鉆井液的切力不宜過(guò)小，過(guò)小的切力無(wú)法懸浮固相和清潔巖屑，切力過(guò)大則容易造成憋泵。流型調(diào)節(jié)劑作用于鉆井液體系，在適當(dāng)范圍內(nèi)對(duì)體系流變參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，確保鉆井液具有良好的剪切稀釋性能[4]。目前用于鉆井液的常見(jiàn)流型調(diào)節(jié)劑主要包括有機(jī)土增效劑聚酯橡膠和改性脂肪酸等。

2.1.3 抗磨減阻劑 鉆井液用潤(rùn)滑劑既可以提高鉆井液的潤(rùn)滑性能、降低井下摩阻，還可以改善鉆井液的流變性和濾失性能，提高破巖效率[5]。液體潤(rùn)滑劑是最常用的潤(rùn)滑劑，但近年來(lái)隨著油氣開(kāi)采過(guò)程中，對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境的要求日趨嚴(yán)苛，對(duì)于鉆井液處理劑的環(huán)保要求日益嚴(yán)格，礦物油類、瀝青類等常規(guī)潤(rùn)滑劑在現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用逐漸受到限制，而環(huán)保潤(rùn)滑劑、極壓潤(rùn)滑劑以及納米潤(rùn)滑劑等越來(lái)越受到研究學(xué)者的青睞。固體類潤(rùn)滑劑也是一類常用的潤(rùn)滑劑，其摩擦方式主要為滾動(dòng)摩擦，能在鉆具與井壁之間形成滾動(dòng)摩擦，降低磨損。但在鉆井過(guò)程中，其在鉆具的擠壓作用下易破碎和變形，且尺寸較大，易被固控設(shè)備清除，嚴(yán)重影響其潤(rùn)滑效果[6－10]。

2.2 化學(xué)降摩減阻潤(rùn)滑機(jī)理

化學(xué)降摩減阻劑屬有機(jī)負(fù)離子化合物類產(chǎn)品，它是以醇、脂肪酸酯、非離子表面活性劑與納米級(jí)抗磨材料在高溫條件下通過(guò)一系列反應(yīng)得到的產(chǎn)物，含多種極性基團(tuán)的有機(jī)復(fù)合物，吸附基團(tuán)多，吸附能力強(qiáng)；并引入納米級(jí)抗磨材料，可以在管體表面形成滑動(dòng)或滾動(dòng)摩擦，能承受高溫高壓和高負(fù)荷狀態(tài)，具有優(yōu)異的抗磨效果；CX-300 中還含有有機(jī)抗溫油性物，具有良好的潤(rùn)滑功能[7]。

3 化學(xué)降摩減阻劑CX-300 評(píng)價(jià)及測(cè)試

3.1 磨損實(shí)驗(yàn)

通過(guò)在抗磨性能測(cè)試儀，在儀器左邊增加砝碼（一塊砝碼質(zhì)量約1 kg，在杠桿原理作用下，其中一塊砝碼施加在鋼柱上的負(fù)荷為75 kg），對(duì)金屬鋼柱與摩擦環(huán)加壓進(jìn)行磨損測(cè)試，金屬鋼柱與摩擦環(huán)間充滿所需測(cè)試的流體介質(zhì)。

主要進(jìn)行以下多種組合實(shí)驗(yàn)以測(cè)試其抗磨性能：（1）對(duì)清水和加有1 %抗磨減阻劑的流體進(jìn)行抗磨性實(shí)驗(yàn)；（2）無(wú)固相鉆井液磨損性能評(píng)價(jià)；（3）低固相飽和鹽水鉆井液磨損性能評(píng)價(jià)；（4）專業(yè)磨損實(shí)驗(yàn)：對(duì)抗磨減阻劑進(jìn)行耐磨帶與套管組合運(yùn)轉(zhuǎn)下的抗磨損實(shí)驗(yàn)。

加入CX-300 后，鋼柱的磨痕顯著變小，表明其抗磨損能力強(qiáng)。

3.2 耐溫磨蝕實(shí)驗(yàn)

鉆井液中加入1.0 %抗磨減阻劑后，測(cè)定不同溫度下磨蝕速率（見(jiàn)圖1 和表1）。由圖1、表1 數(shù)據(jù)可知：老化后隨著溫度的升高，鋼柱的磨蝕速率逐漸升高，但相比老化前增量較小，表明CX-300 的耐溫性較好，可抗180 ℃。

圖1 CX-300 抗磨減阻耐溫性能

表1 CX-300 在不同溫度下的磨蝕速率

3.3 抗磨損實(shí)驗(yàn)

入井前做抗磨減阻劑與鉆井液或完井液體系基漿的配伍性實(shí)驗(yàn)，每次的測(cè)試時(shí)長(zhǎng)為20 min。主要測(cè)試其加入前后、老化前后鉆完井液體系流變性能、API 濾失量、黏度及φ3/φ6 的變化，如：基漿配方[5]：3 %膨潤(rùn)土漿+0.2 %NaOH+0.3 %PF-PAC+0.7 %CMC+2.5 %PFSMP-2+2.0 %SPC+0.15 %JT-888+鐵礦粉，鉆井液密度2.0 g/cm3（見(jiàn)表2）。由表2 可知，在基漿中加入CX-300后，耐磨帶的1 h 磨損量為239.8 mg，相比基漿中降低了67.7 %；套管磨損量為287.0 mg，相比基漿中降低了66.6 %，表明1 %CX-300 的套管組合中的減摩效果較好。

3.4 潤(rùn)滑性能評(píng)價(jià)

室內(nèi)對(duì)抗磨減阻劑與常見(jiàn)幾種抗磨潤(rùn)滑劑在基漿中的潤(rùn)滑性能進(jìn)行了對(duì)比評(píng)價(jià)。

3.4.1 抗磨減阻劑與完井液體系評(píng)價(jià)

3.4.1.1 完井液配方 采用FANN 極壓潤(rùn)滑儀對(duì)完井液體系（海水+甲酸鈉，1.09 g/cm3）的潤(rùn)滑性能進(jìn)行室內(nèi)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，完井液配方如下：

配方一：海水+甲酸鈉加重至1.09 g/cm3；

表2 耐磨帶與套管組合的抗磨損性能評(píng)價(jià)

配方二：海水+甲酸鈉加重至1.09 g/cm3+2 %抗磨減阻劑；

配方三：海水+甲酸鈉加重至1.09 g/cm3+2%抗磨減阻劑+0.7%防水鎖劑PF-SATRO-1。

3.4.1.2 實(shí)驗(yàn)方法 完井液配制完成以后裝入老化罐于120 ℃熱滾16 h，冷卻后采用FANN 極壓潤(rùn)滑儀測(cè)試潤(rùn)滑性能（150 lb·f·in）。

3.4.1.3 結(jié)果（見(jiàn)表3）。

（1）加入抗磨減阻劑的完井液潤(rùn)滑系數(shù)降低率達(dá)到47 %，而同時(shí)加入抗磨減阻劑和防水鎖劑后，其潤(rùn)滑系數(shù)降低率僅為21 %。（2）抗磨減阻劑和防水鎖劑同時(shí)相對(duì)于只加入抗磨減阻劑，完井液摩阻系數(shù)增加了50 %，說(shuō)明抗磨減阻劑和防水鎖劑的共同使用會(huì)影響抗磨減阻劑的效果。由于防水鎖劑含有多種表面活性劑，具有表面活性的物質(zhì)能夠降低潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑效果[8]。（3）抗磨減阻劑本身具有降低表面張力效應(yīng)，說(shuō)明抗磨減阻劑本身具有防水鎖性能，可以不再另外加入防水鎖劑。（4）為了保證鉆井作業(yè)的安全和有效性建議將該抗磨減阻劑作為鉆井液常用添加劑使用。

3.5 配伍性實(shí)驗(yàn)

基漿取自現(xiàn)場(chǎng)鉆井液（見(jiàn)表4），從表4 中可以看出CX-300 抗磨劑對(duì)基漿性能影響不大，與現(xiàn)場(chǎng)鉆井液配伍性良好。

4 化學(xué)降摩減阻技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

抗磨減阻劑在南海東部油田中調(diào)整井中加量1 %，扭矩平穩(wěn)，空轉(zhuǎn)扭矩降幅約12.5 %；有效實(shí)現(xiàn)傳遞鉆壓，ROP 相比應(yīng)用前提高45 %（見(jiàn)圖2），同時(shí)節(jié)省設(shè)備升級(jí)改造費(fèi)用；其中惠州某大位移井加入后，摩阻系數(shù)由0.4 降為0.25（見(jiàn)表5）。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用與加入前后對(duì)比，抗磨減阻劑CX-300 具有明顯的減阻、減扭效果，在現(xiàn)場(chǎng)不改變現(xiàn)用鉆井液的情況下，CX-300 與鉆井液具有很好的配伍性。

在該惠州油田的井中首次使用抗磨減阻劑CX-300，試驗(yàn)井段215.9 mm，井段4 400 m～4 808 m 產(chǎn)層段，井斜51°，加入前后鉆井參數(shù)對(duì)照表。

表3 抗磨減阻劑在完井液體系中潤(rùn)滑性能

表4 CX-300 對(duì)基漿性能的影響

圖2 CX-300 加入后空轉(zhuǎn)扭矩

表5 CX-300 對(duì)鉆井參數(shù)的影響

通過(guò)以上數(shù)據(jù)對(duì)比，抗磨減阻劑CX-300 具有明顯的減阻減扭效果。在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中不需要改變已有鉆井液的情況下，CX-300 具有良好的配伍性，使用方便，安全可靠，是一種先進(jìn)的鉆井添加劑。

CX-300 在流花油田三口井中使用，鉆井摩阻扭矩降低值達(dá)到15 %以上，抗磨減阻效果顯著?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，抗磨減阻潤(rùn)滑劑CX-300 潤(rùn)滑性能好，用量少，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，加入CX-300 不影響鉆井液體系配伍性，還能夠有效降低鉆進(jìn)時(shí)套管與鉆具間的摩阻扭矩、降低鉆井和下套管時(shí)的ECD 波動(dòng)、消除管柱震動(dòng)。

現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)，CX-300 加入水基鉆井液程序類似于其他鉆井液添加劑，每次在循環(huán)池中進(jìn)行添加。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)使用經(jīng)驗(yàn)，推薦一次加量為2 %（體積加量，按循環(huán)周細(xì)水長(zhǎng)流均勻地加入，最少添加兩個(gè)循環(huán)周，以保證CX-300 與循環(huán)鉆井液充分乳化），之后根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆進(jìn)進(jìn)尺、鉆井參數(shù)變化和泥漿消耗量按0.3 %～0.5 %隨時(shí)補(bǔ)充（也是按循環(huán)周細(xì)水長(zhǎng)流均勻的加入，保證CX-300 與鉆井液充分乳化互溶）。在添加CX-300 時(shí)適當(dāng)增大燒堿的加量，提高泥漿pH 值，使用效果更佳。

5 結(jié)論

（1）近幾年，鉆井液用抗磨減阻劑CX-300 在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用取得較好效果。經(jīng)過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)以及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，抗磨減阻潤(rùn)滑劑CX-300 潤(rùn)滑性能好，用量少，經(jīng)濟(jì)實(shí)用、不影響鉆井液體系配伍性；能夠降低鉆進(jìn)時(shí)鉆具與套管間的摩阻扭矩，還能夠消除管柱震動(dòng)，降低鉆井和下套管時(shí)的ECD 波動(dòng)。

（2）CX-300 在鉆井液、完井液和修井液中都可以使用。但使用之前，有必要進(jìn)行配伍性實(shí)驗(yàn)、耐溫實(shí)驗(yàn)、添加量和抗磨減阻效果實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)。

（3）化學(xué)方法是大位移井降摩減阻的一種有效途徑。通過(guò)對(duì)CX-300 降摩減阻劑的評(píng)價(jià)和應(yīng)用，取得了較好的應(yīng)用效果，為大位移井化學(xué)降摩減阻摸索了一條有益的方法，應(yīng)在此基礎(chǔ)上，不斷探索和完善化學(xué)降摩減阻體系。