新型固体润滑剂在长庆分支水平井超长水平段的应用

董宏伟，凡 帆，高 洁

1.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室,2.川庆钻探工程有限公司工程技术研究院：西安 710016

目前，国内油田随着开发时间延长和开采量增大，开发难度增加，因而许多特殊工艺井(如深井、超深井、定向井、水平井和分支井等)得到广泛应用。而这些特殊工艺对钻井液性能提出更高的要求，尤其是针对长庆分支水平井大斜度井段、长水平段(气井水平段钻达2 000 m，油井水平段钻达1 500 m)润滑防卡问题，另外由于储层地质特征，水平段穿过大段碳质泥岩，使钻具与井壁的摩阻和扭矩大幅增加，因此需研究润滑防卡降扭矩技术难题[1-5]。液体润滑剂润滑系数降低有限，易使钻井液体系发泡，影响正常钻进，抗温性不足；液体润滑剂一般在120 ℃会失效，影响其在国内油田的大规模推广应用。而固体润滑剂能在摩擦表面上形成隔离润滑膜，达到减小摩擦、防止磨损的目的。固体润滑剂在减少带加硬层工具接头的磨损方面尤其有效，还有利于下尾管、下套管和旋转套管。固体润滑剂的热稳定性、化学稳定性和防腐蚀能力等良好，适于在高温、大斜度井段和长水平段使用[6]。因此，开展钻井液高效固体润滑剂研究具有现实意义，经济和社会效益将十分显著。

1 原料和仪器

天然鳞片石墨粉，含碳量99.95%，粒度500目，青岛恒锐密封制品有限公司生产；润湿剂，磺化油，含量70%，寿光市玉彦化工产品经营处；羧甲基纤维素(CMC)，含量99.0%，潍坊得利纤维素有限公司；乳化剂，十二烷基三甲基溴化铵(DTAB)，含量99.0%，宜兴市凯利达化学有限公司；十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)，含量99.0%，南京化学试剂股份有限公司；烷基酚聚氧乙烯醚(OP-10)，含量99.0%，邢台鑫蓝星科技有限公司；膨润土，新疆中非夏子街膨润土有限公司。

Fanns 212型润滑仪，美国Fanns公司生产；DLA-Ⅱ型钻井液润滑性分析仪，青岛海通达专用仪器厂生产；AC-FDS-800-10000地层伤害系统，美国TEMCO公司生产；电子天平，量程0～200 g，精确度0.001 g；173-00-1型高温滚子加热炉，美国OFI公司生产。

2 固体润滑剂改性石墨的性能评价

2.1 分散性

沉降实验是检验石墨在液相中分散性好坏的简单可靠的方法。当浆料分散较差时，固体颗粒易团聚成大颗粒，并快速沉降且沉降体积大；而当浆料分散较好时，固体颗粒不易团聚，独自缓慢沉降，浆料沉降速度慢，沉降体积小。石墨疏水性决定了其在水中难于分散，为了使其在水中具有良好的分散性，关键是改变其与水的润湿性能。图1为改性石墨/水分散体系的沉降体积与沉降时间的关系。随着表面活性剂含量增大，石墨/水分散体系的稳定性越好。 DTAB与CMC复配，乳化分散效果最佳。确定固体润滑剂改性石墨配方为：75%天然鳞片石墨粉+15%润湿剂磺化油+8%高分子聚合物CMC+2%乳化剂DTAB。

图1 改性石墨/水分散体系沉降体积与沉降时间的关系

2.2 改性石墨润滑系数

采用润滑系数较高摩阻大的细分散土浆作为基浆，基浆配方：3 000 mL水+0.3%NaCO3+6%膨润土(新疆夏子街)，水化24 h。基浆中加入不同加量改性石墨，采用Fanns 212型润滑仪进行润滑性评价，结果见表1。

表1 改性石墨的润滑系数

注：清水读数矫正值为32。

从表1看出，随着改性石墨加量增大，体系的润滑系数降低率越大，当改性石墨加量为3.0%时，体系的润滑系数降低率为80.3%，考虑现场施工要求，改性石墨加量为3.5%时，体系的润滑系数降低率为81.9%，变化不大。因此，改性石墨润滑剂加量以3.0%为宜。

2.3 模拟地层条件下改性石墨润滑性能

采用DLA-Ⅱ型钻井液润滑性分析仪，选用润滑系数较高摩阻大的细分散土浆作为基浆，基浆中加入不同加量改性石墨润滑剂，进行润滑性评价试验，结果见图2和图3。

图2 改性石墨润滑剂加量对摩擦系数的影响

图3 改性石墨润滑剂加量对降扭矩效果的影响

由图2和图3可知，细分散土浆体系中改性石墨润滑剂加量为2.5%～3.0%时,降扭矩和降摩阻效果最佳。随着侧向力增大，降扭矩和降摩阻效果变差。

2.4 降滤失效果

为了最大化减少对储层的伤害，降低钻井液滤液对地层的侵入，应将钻井液滤失控制到尽可能的低。改性石墨润滑剂具有降滤失能力，以4%膨润土浆为基浆，加入不同加量改性石墨润滑剂，考察其在 90 ℃/16 h 热滚前后的流变性及滤失性，以热滚后API滤失量及滤饼质量为主要评价指标，结果见表2。

表2 改性石墨润滑剂的降滤失性能

注:AV为表观黏度，PV为塑性黏度，YP为动切力，FL为API滤失量；下同。

从表2看出，随着改性石墨润滑剂加量增大，降滤失效果增强，90 ℃下热滚16 h后，流变性能和滤失量变化不大，说明改性石墨润滑剂耐温效果好。

2.5 改性石墨润滑剂与钻井液起泡性能

在原浆中加入改性石墨润滑剂，原浆为低伤害暂堵钻井完井液体系，采用量筒测量高速搅拌前后钻井液的体积,观察泡沫产生情况,结果见表3。该固体润滑剂不引起低伤害暂堵钻井完井液体系发泡。

表3 改性石墨润滑剂发泡效果

2.6 改性石墨润滑剂储层保护效果

为了验证改性石墨润滑剂对储层保护的影响，从现场取钻井液样品，加入改性石墨润滑剂充分搅拌，在压力3.5 MPa，时间2.5 h, 温度90 ℃下，进行室内岩心伤害评价，结果见表4。现场钻井液加入改性石墨润滑剂后，钻井液对储层岩心的伤害率均低，在6.50%～13.92%范围，均属于低伤害。说明该改性石墨润滑剂不影响钻井液的储层保护能力。

表4 现场钻井液的岩心伤害结果

注：Kg1和Kg2分别代表岩心伤害前后的气体渗透率。

3 现场试验应用

该水平井是在长北气田钻的一口双分支水平井，分支水平夹角90°，单支水平段长设计为2 000 m，第一支水平井为筛管完井，第二支水平井为裸眼完井，目的层为二迭系山西组山2粗砂岩气层，中间含泥岩夹层、煤层，及碳质泥岩，同时水平井产层裸露面积大，钻具与井壁产生的摩擦阻力和旋转的扭矩大，形成钻具泥包及黏吸卡钻的层段多。该井三开在垂深2 898.21 m，斜深3 405.0 m开窗侧钻,开始第一水平分支钻进，采用无黏土低伤害暂堵完井液体系(密度1.03 g/cm3)施工，开始没有加入无荧光DRH润滑剂，从井深3 405～4 005 m扭矩随水平段的钻进保持在34.0 kN·m以下，从4 005～4 105 m由于钻至大段泥岩扭矩从33.80 kN·m升至39.00 kN·m，再出泥岩打至砂岩储层，进一步观察扭矩变化直至井深4 405 m，开始逐渐加入改性石墨润滑剂, 维持加量3.0%，扭矩从41.00 kN·m下降至21.36 kN·m,扭矩降低率为47.9%，当向循环系统补充新泥浆, 按照加量3.0%相应加入改性石墨润滑剂,而后扭矩稳定且略增加，历时53 d扭矩基本上控制在30.0 kN·m以下，该水平井第一水平分支的扭矩随井深变化曲线见图4。

图4 第一水平分支扭矩和随井深变化

图5 第二水平分支扭矩和随井深变化

第二水平分支从斜深4 549～4 748 m钻至多个煤层、泥岩、碳质泥岩，出现井壁坍塌严重，扭矩失控。在垂深2 903 m，斜深3 813 m处进行悬空侧钻，同时泥浆密度增加至1.12 g/cm3,将固体润滑剂加量维持在3.0%,扭矩均控制在40 kN·m以内，历经60 d，该润滑剂均表现出良好润滑效果，第二水平分支的扭矩随井深变化曲线见图5。 2个长水平段整个施工安全顺利，无一次遇阻、遇卡现象，泥浆润滑性好，每趟起下钻畅通无阻，每次下钻一次到底。水平段钻进过程中取样，考察改性石墨润滑剂加入前后钻井液性能，结果见表5。改性石墨润滑剂加量为3.0% 时，Kf为0.034 9。

表5 改性石墨润滑剂加量对现场钻井液性能的影响

注:FV为漏斗黏度。

4 结论

1)研制的改性石墨固体润滑剂加量为3.0%时，体系润滑系数降低率达80.3%，润滑性优良，且具有较好的耐温性，不影响钻井液性能，不发泡。

2)针对长庆分支水平井超长水平段井眼钻进过程中的扭矩和阻力这一技术难题，通过对新型固体润滑剂的研制、润滑性评价及储层保护评价等研究和现场试验应用，提升了体系的润滑性能，成功地解决了上述难题。

3)新型固体润滑剂的使用保证了长水平段的安全钻进，使用高效长效固体润滑剂，安全顺利钻过2 19 5m水平段分支，超过2 000 m的设计，创造了长庆气田水平段新纪录。

[1] 杨玉良.水平井钻井液完井液润滑性的现场应用[J].石油钻井工程,1994,1(2):43-45.

[2] 张金波,鄢捷年.国外特殊工艺井钻井液技术新进展[J].油田化学,2003,20(3):285-290.

[3] 蔡利山,赵素丽.钻井液润滑剂润滑能力影响因素分析与评价[J].石油钻探技术,2003,31(1):44-46.

[4] 孙金声,潘小镛,刘进京.新型钻井液用润滑剂GXRH的研制[J].钻井液与完井液,2002,19(6):13-14.

[5] 许明标,胥洪彪,王昌军,等.新型钻井液用多元醇醚润滑剂的研究[J].油田化学,2002,19(4):301-303.

[6] 赵炬肃,冯桂双,王万杰,等.高性能复合型固体润滑剂的制备及研究[J].钻井液与完井液,2009,26(4):11-13.