錢曉琳 ，柴龍 ，宣揚(yáng) ，徐江 ，林永學(xué) ，葉道平

（1.中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101；2.中國(guó)石化集團(tuán)西南工程公司湖南鉆井分公司，湖南 長(zhǎng)沙 410005）

0 引言

隨著油氣資源的日益枯竭，深水平井鉆井已成為開(kāi)發(fā)深層油氣藏的重要技術(shù)手段。由于儲(chǔ)層埋藏深、造斜點(diǎn)深，深水平井定向段和水平段的鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆具和井壁及套管之間存在較大的摩阻和扭矩，常導(dǎo)致起下鉆困難、機(jī)械鉆速慢、易托壓、斷鉆具等諸多井下復(fù)雜事故［1-5］。目前，塔河油田深水平井施工仍普遍采用聚磺鉆井液中混原油的方式降低摩阻和扭矩［6-10］。但原油毒性大且難降解，對(duì)環(huán)境危害大，導(dǎo)致后期廢棄混油鉆井液處理難度大、成本高。為了在解決深水平井摩阻、扭矩大這一技術(shù)難題的同時(shí)減輕環(huán)保壓力，中石化石油工程技術(shù)研究院成功研制出了一種環(huán)境友好且耐高溫的鉆井液潤(rùn)滑劑SMLUB-E，并以SMLUB-E為主要處理劑形成了不混油低摩阻SMO-FREE鉆井液體系。本文首先室內(nèi)評(píng)價(jià)了SMO-FREE鉆井液的流變性、濾失量及潤(rùn)滑性，然后介紹了該體系在塔河油田TP154XCH井的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況。

1 作用機(jī)理

不混油低摩阻SMO-FREE鉆井液的核心組分，包括環(huán)保高性能潤(rùn)滑劑SMLUB-E、抗高溫提切降濾失劑SMVIS、鑲嵌成膜防塌劑SMNA-1。各處理劑的主要作用機(jī)理如下：

1）SMLUB-E為含有極壓元素的兩親性分子，親水基團(tuán)牢固吸附在鉆具表面，長(zhǎng)鏈?zhǔn)杷不o密排列朝向外側(cè)，形成一層疏水的物理吸附膜。而當(dāng)鉆具與井壁接觸壓力較大時(shí)，SMLUB-E分子會(huì)通過(guò)極壓元素的作用在摩擦面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成高強(qiáng)度的化學(xué)反應(yīng)膜，顯著降低摩擦接觸面的摩擦阻力，并保護(hù)鉆具，減輕磨損，尤其適用于鉆具受到較高徑向壓力情況下降摩減阻的需要（見(jiàn)圖1）。

圖1 SMLUB-E的潤(rùn)滑降摩機(jī)理示意

2）SMVIS能夠通過(guò)提高鉆井液低剪切速率下的動(dòng)切力來(lái)改善攜巖能力，防止巖屑床的形成，而對(duì)塑性黏度的提高幅度較小，特別適用于環(huán)空返速較低的小井眼水平井。

3）SMNA-1具有較好的可變形性和成膜性，以及合理的顆粒粒度分布，能夠有效地相互堆積、填充，使泥餅薄且光滑、致密，改善泥餅潤(rùn)滑性。

3種處理劑SMLUB-E，SMVIS和SMNA-1通過(guò)協(xié)同作用，共同賦予SMO-FREE鉆井液優(yōu)異的潤(rùn)滑降摩性能。

2 室內(nèi)評(píng)價(jià)

室內(nèi)評(píng)價(jià)了SMO-FREE鉆井液的流變性、濾失量及潤(rùn)滑性，并與傳統(tǒng)的聚磺混油鉆井液進(jìn)行了對(duì)比。

SMO-FREE鉆井液配方：3%膨潤(rùn)土+0.3%SMVIS-2+0.2%SMVIS-1+0.3%SMPFL-H+3%SMP-2+3%SMC+1.5%SMNA-1+2%SMLUB-E+0.1%NaOH+重晶石（密度1.30 g/cm3）。

聚磺混油鉆井液配方：3%膨潤(rùn)土+0.5%PAC-LV+0.1%HV-CMC+3%SMP-2+3%SMC+1%改性瀝青+6%原油+0.5%乳化劑+0.1%NaOH+重晶石（密度1.30 g/cm3）。

2.1 流變性和濾失造壁性

SMO-FREE鉆井液與聚磺混油鉆井液在160℃老化前后的流變性及濾失量見(jiàn)表1?？梢钥闯觯?60℃老化16 h后，SMO-FREE鉆井液的流變參數(shù)變化幅度很小，濾失量?jī)H為2.0 mL，展現(xiàn)了較好的流變性和濾失造壁性；而聚磺混油鉆井液在老化后的黏度降低較為明顯。160℃老化72 h后，SMO-FREE鉆井液的黏度僅小幅下降，濾失量略增，但仍然保持在較低值；而聚磺混油鉆井液的黏度大幅降低。這說(shuō)明SMO-FREE鉆井液的高溫穩(wěn)定性較好，優(yōu)于傳統(tǒng)的聚磺混油鉆井液體系。

表1 SMO-FREE鉆井液與聚磺混油鉆井液流變性和濾失量評(píng)價(jià)結(jié)果

2.2 潤(rùn)滑性

SMO-FREE鉆井液和聚磺混油鉆井液于160℃老化不同時(shí)間的潤(rùn)滑性變化見(jiàn)表2。老化16 h后，SMOFREE鉆井液的極壓潤(rùn)滑系數(shù)和泥餅黏附系數(shù)分別為0.095和0.052 4，分別比聚磺混油鉆井液低約39%和25%，展現(xiàn)了更為優(yōu)異的潤(rùn)滑性能。老化72 h后，SMOFREE鉆井液的極壓潤(rùn)滑系數(shù)和泥餅黏附系數(shù)分別增大到0.213和0.0787，但仍明顯優(yōu)于聚磺混油鉆井液。

表2 SMO-FREE鉆井液與聚磺混油鉆井液潤(rùn)滑性評(píng)價(jià)結(jié)果

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 TP154XCH井概況

TP154XCH井是中石化西北油田分公司部署的一口側(cè)鉆水平井。該井位于庫(kù)車縣境內(nèi)，構(gòu)造位置屬阿克庫(kù)勒凸起西南斜坡。本井采用裸眼側(cè)鉆，側(cè)鉆點(diǎn)選擇在奧陶系上統(tǒng)良里塔格組。側(cè)鉆點(diǎn)井深6 156 m，側(cè)鉆段最大井斜角為46.31°，靶點(diǎn)距井口水平位移為137.19 m。設(shè)計(jì)使用φ149.2mm鉆頭鉆至完鉆井深6 292.54 m，裸眼完井。鉆遇地層包括奧陶系良里塔格組、恰爾巴克組和一間房組，巖性為黃灰色泥晶灰?guī)r、棕褐色灰質(zhì)泥巖、淺灰色泥晶灰?guī)r、砂屑泥晶灰?guī)r、泥晶砂屑灰?guī)r。TP154XCH井原井眼軌跡呈階梯狀，最大井斜角達(dá)21.4°，使得本井在套管中的摩阻就高達(dá)100～120 kN，這對(duì)鉆井液的潤(rùn)滑降摩效果提出了較大挑戰(zhàn)。在保證井下摩阻較低的前提下，為了避免混油鉆井液帶來(lái)的環(huán)保壓力，本側(cè)鉆井采用不添加原油的SMO-FREE鉆井液。

3.2 SMO-FREE鉆井液現(xiàn)場(chǎng)配方

（3%～4%）膨潤(rùn)土+（0.2%～0.3%）SMVIS-1+（0.2%～0.3%）SMVIS-2+（0.3%～0.4%）HV-CMC+（1% ～2%）SMP-1+（1%～2%）SPNH+（1%～2%）TSH-2+（1%～2%）SMNA-1+（0.5%～2.0%）SMLUB-E+BaSO4（密度 1.16 g/cm3）。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

3.3.1 SMO-FREE鉆井液流變性和濾失量

鉆進(jìn)過(guò)程中，SMO-FREE鉆井液的流變性和濾失量一直保持穩(wěn)定。隨著SMLUB-E質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不斷增加，鉆井液的黏度、切力和濾失量變化幅度較?。ㄒ?jiàn)表3），濾餅始終保持光滑、致密及較好的韌性，說(shuō)明SMLUB-E不會(huì)對(duì)鉆井液的流變性、濾失量和濾餅質(zhì)量造成負(fù)面影響。此外，目前市面上很多潤(rùn)滑劑產(chǎn)品在高溫下容易使鉆井液起泡，影響泥漿泵上水；原油及一些潤(rùn)滑劑還會(huì)因高溫破乳和鹽析作用而從鉆井液中析出，并被振動(dòng)篩篩除，增大了消耗量。而SMLUB-E則沒(méi)有出現(xiàn)明顯的起泡和析出現(xiàn)象，證明了該產(chǎn)品具有較好的穩(wěn)定性。

表3 鉆井過(guò)程中不混油鉆井液流變性和濾失量變化

3.3.2 SMO-FREE鉆井液潤(rùn)滑性與井下摩阻變化

3.3.2.1 黏卡、托壓

TP154XCH井整個(gè)側(cè)鉆段鉆進(jìn)期間，起下鉆及接單根時(shí)未發(fā)生任何黏卡、遇阻情況，滑動(dòng)鉆進(jìn)無(wú)任何托壓現(xiàn)象，表明SMO-FREE鉆井液具有良好的潤(rùn)滑性，有效降低了井下摩阻。

3.3.2.2 井下摩阻

井下摩阻隨井深、井斜角以及潤(rùn)滑劑SMLUB-E質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律如圖2所示。從圖2可以看出，定向鉆進(jìn)開(kāi)始后加入0.5%SMLUB-E，摩阻從初始的120 kN小幅降低至110 kN，然而隨著井深和井斜角的增大，摩阻又反彈至140 kN，這說(shuō)明0.5%SMLUB-E的潤(rùn)滑效果有限，并不能很好地控制鉆具進(jìn)入裸眼段后產(chǎn)生的摩阻。而當(dāng)SMLUB-E的質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高到1.0%后，摩阻從140 kN降低到100 kN，初步展現(xiàn)了一定的潤(rùn)滑效果。

圖2 TP154XCH井摩阻變化曲線

鉆進(jìn)至6 230 m時(shí)，SMLUB-E的質(zhì)量分?jǐn)?shù)已進(jìn)一步提高到1.5%，此時(shí)可明顯觀察到摩阻顯著下降，從100 kN下降到60 kN左右。自6 250 m開(kāi)始進(jìn)入穩(wěn)斜段后，隨著SMLUB-E的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大到2.0%，摩阻也從60 kN進(jìn)一步下降到40 kN。此時(shí)摩阻已遠(yuǎn)低于老井在套管中的摩阻（100～120 kN），說(shuō)明SMLUB-E質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到1.5%～2.0%時(shí)能夠有效降低套管和裸眼中的摩阻，展現(xiàn)出優(yōu)異的潤(rùn)滑性能。

3.3.2.3 潤(rùn)滑性與井下摩阻關(guān)系分析

鉆井過(guò)程中，SMO-FREE鉆井液極壓潤(rùn)滑系數(shù)和泥餅黏附系數(shù)隨SMLUB-E質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化如表4所示。未加SMLUB-E時(shí)，鉆井液的潤(rùn)滑性較差。當(dāng)加入0.5%SMLUB-E后，泥餅黏附系數(shù)大幅下降到0.061 2，說(shuō)明少量的SMLUB-E就可以顯著降低泥餅表面的摩擦因數(shù)。但極壓潤(rùn)滑系數(shù)的下降幅度很小，僅從0.270下降到0.250，這說(shuō)明0.5%的質(zhì)量分?jǐn)?shù)并不能有效改善SMLUB-E的極壓潤(rùn)滑系數(shù)。隨著SMLUB-E質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.5%逐漸增大到1.5%，泥餅黏附系數(shù)趨于穩(wěn)定，始終保持在0.052 4～0.043 7。而極壓潤(rùn)滑系數(shù)也從0.250顯著下降到0.160，說(shuō)明只有當(dāng)SMLUB-E的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1.5%以上時(shí)，才能形成牢固、較高壓力下不易被破壞的潤(rùn)滑膜。

表4 SMO-FREE鉆井液潤(rùn)滑性變化

通過(guò)關(guān)聯(lián)摩阻與極壓潤(rùn)滑系數(shù)的變化曲線（見(jiàn)圖2），可以進(jìn)一步弄清摩阻與SMO-FREE鉆井液潤(rùn)滑性的關(guān)系。從圖2可以看出，側(cè)鉆開(kāi)始后至6 212 m，隨著井斜角的增大，摩阻從120 kN小幅降低到100 kN。在此期間，盡管隨著SMLUB-E質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.5%增加到1.0%，SMO-FREE鉆井液極壓潤(rùn)滑系數(shù)逐漸降低，但仍高于0.20。隨著鉆進(jìn)的繼續(xù)，SMLUB-E的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從1.0%進(jìn)一步提高到1.5%，此時(shí)極壓潤(rùn)滑系數(shù)從0.21下降到0.16，摩阻也從100 kN顯著下降到60 kN左右。繼續(xù)增大SMLUB-E質(zhì)量分?jǐn)?shù)至2.0%，使極壓潤(rùn)滑系數(shù)下降到0.14，摩阻也進(jìn)一步下降到40 kN。通過(guò)分析SMLUB-E質(zhì)量分?jǐn)?shù)、極壓潤(rùn)滑系數(shù)與摩阻的關(guān)系可知，當(dāng)SMO-FREE鉆井液中SMLUB-E質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于1.5%時(shí)，極壓潤(rùn)滑系數(shù)低于0.16，此時(shí)能夠發(fā)揮優(yōu)異的潤(rùn)滑效果，將摩阻控制在較低范圍。

4 結(jié)論

1）室內(nèi)評(píng)價(jià)結(jié)果表明，不混油低摩阻SMO-FREE鉆井液抗溫可達(dá)160℃，具有良好的流變性、濾失造壁性和潤(rùn)滑性，極壓潤(rùn)滑系數(shù)和泥餅黏附系數(shù)分別為0.095和0.052 4，低于聚磺混油鉆井液約39%和25%，潤(rùn)滑性能優(yōu)于聚磺混油鉆井液。

2）SMO-FREE鉆井液在塔河油田TP154XCH井成功進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。全井鉆進(jìn)過(guò)程中未出現(xiàn)托壓現(xiàn)象，起下鉆順暢，無(wú)黏卡。隨著環(huán)保潤(rùn)滑劑SMLUB-E質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐步提高至1.5%～2.0%，摩阻大幅下降，完鉆時(shí)摩阻僅為40 kN，遠(yuǎn)低于老井在套管中的摩阻，說(shuō)明SMO-FREE鉆井液有效降低了鉆具與套管及井壁間的摩阻，展示了優(yōu)異的潤(rùn)滑降摩性能。

3）SMO-FREE鉆井液體系在TP154XCH井應(yīng)用效果良好，井下摩阻低，且未出現(xiàn)任何復(fù)雜情況，保證了安全、快速的鉆進(jìn)，不僅減輕了環(huán)保壓力，且極大提高了鉆井效率，具有廣闊的應(yīng)用前景。