甄劍武

（1.頁巖油氣富集機理與有效開發(fā)國家重點實驗室，北京 100101；2.中國石化石油工程技術研究院，北京 100101）

水平井鉆井過程中，隨著鉆井工具與井壁的接觸面積增大，摩阻和扭矩隨之增大，易導致托壓，使鉆壓無法順利施加到鉆頭，造成工具面擺放困難，從而影響鉆井定向施工[1-2]。在此情況下，首選技術方案是提高鉆井液的潤滑能力，降低鉆具與地層之間的滑動摩擦力；其次，需要提高鉆井液的濾失造壁性，形成薄而韌的濾餅，降低鉆具滑動摩擦阻力；此外，還可以提高鉆井液的攜巖能力，及時將鉆屑攜帶出井，減小巖屑床對鉆具的摩阻[3]。高密度鉆井液中含有加重劑、封堵劑等大量有用固相，其固相容限相對較低，因此在實鉆過程中鉆屑等劣質(zhì)固相分散進入鉆井液后、對鉆井液流變性和潤滑性的影響較大，會出現(xiàn)鉆井液井眼清潔能力下降、潤滑減阻效果降低等問題，影響鉆井施工效率，嚴重時還會導致卡鉆故障[4]。水平井應用高密度鉆井液鉆進時，如果鉆井液潤滑減阻性能較差，則造斜段和水平段鉆進時發(fā)生卡鉆的風險大大增加[5-6]。為此，筆者以長鏈脂肪酸植物油為原料，研制了鉆井液潤滑劑RHJ-1，制定了配套的控制固相含量、利用加重劑 “軸承”效應等技術措施，形成了水平井高密度鉆井液潤滑減阻技術，并在WY23-4HF 井進行了現(xiàn)場試驗，驗證了技術的可行性和有效性。

1 鉆井液潤滑性影響因素

水平井鉆井過程中，影響鉆井液潤滑性的因素較多，主要分為工程因素（鉆具組合、井眼軌跡和工程參數(shù)等）和鉆井液因素[2]。本文只討論鉆井液因素，主要包括潤滑劑類型、固相含量和加重劑粒徑。

1.1 潤滑劑類型

不同類型潤滑劑的潤滑機理不同，適用環(huán)境和條件也不盡相同[7-8]：固體潤滑劑類似于滾珠軸承的作用，將滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，可大幅降低扭矩和阻力；液體潤滑劑可在固體表面形成一層潤滑膜，這層潤滑膜存在于鉆具與井壁之間，能大幅降低鉆具摩阻。油基鉆井液的潤滑效果比水基鉆井液更好，井下摩阻低的主要原因是其連續(xù)相為油相，具有較好的潤滑性[9-10]。水平井高密度鉆井液用潤滑劑具有較強的吸附能力和較好的降低摩擦系數(shù)的作用，能夠吸附在鉆具、套管和井眼表面，形成具有一定厚度和抗壓能力的疏水潤滑膜，當鉆具與井壁發(fā)生干摩擦和邊界摩擦時，潤滑膜不易被外力破壞[11]。

1.2 固相含量

高密度鉆井液的固相含量對鉆井液潤滑性的影響比較大。鉆井液中加重劑和其他有用固相所占體積分數(shù)較大，鉆井過程中鉆屑等劣質(zhì)固相不可避免地會分散進入鉆井液，導致鉆井液總固相含量升高、自由水含量相對降低[12]。因此，鉆井液循環(huán)流動過程中，各種固相顆粒之間、固相與液相之間及液相內(nèi)部碰撞摩擦增多，表現(xiàn)為鉆井液黏度、切力和黏附系數(shù)升高，反映在井下即活動鉆具時摩阻增大[13]。由此可見，控制高密度鉆井液中的固相含量對其潤滑減阻性能非常重要。

1.3 加重劑粒徑

高密度鉆井液中固相的粒徑對鉆井液的潤滑性能也有影響。高密度鉆井液含有大量加重劑，研究表明[12，14-15]，粒徑大于10.0 μm 的加重劑顆粒具有一定的“軸承”效應。當采用重晶石粉加重時，密度達到1.40 kg/L 左右時摩擦系數(shù)最高，之后摩擦系數(shù)隨著密度增大而逐漸下降，密度大于1.80 kg/L 后趨于穩(wěn)定。這是因為隨著重晶石加量增大，具有“軸承”效應的顆粒逐漸增多，因此出現(xiàn)摩擦系數(shù)先升高后降低的變化趨勢。

綜上所述，要提高高密度鉆井液的潤滑性，首先要研制或選用合適的潤滑劑類型，液體潤滑劑是首選；其次要控制好鉆井液的固相含量，尤其是劣質(zhì)固相含量；此外，還要考慮重晶石粉的粒徑分布。

2 潤滑劑的研制與性能評價

2.1 潤滑劑RHJ-1 的研制

大多數(shù)潤滑劑的基礎油為礦物油，但考慮其芳烴含量、分子改性的便利性及經(jīng)濟環(huán)保性要求，以長鏈脂肪酸植物油為原材料合成潤滑劑。

合成步驟：長鏈脂肪酸含有不飽和雙鍵，首先與醇類通過酯化反應得到中間產(chǎn)物脂肪酸酯，然后引入硫元素（硫元素可在極壓下發(fā)生摩擦化學反應，生成吸附能力較強的無機潤滑膜）進行硫化改性反應，反應過程中用氮氣吹掃保護反應體系防止氧化，最后冷卻得到一種新的極壓潤滑物質(zhì)RHJ-1。即反應分2 步，第一步為酯化反應：

采用紅外光譜儀測定長鏈脂肪酸和硫化產(chǎn)物RHJ-1 的紅外圖譜，結(jié)果如圖1 和圖2 所示。

圖1 植物油紅外光譜Fig.1 Infrared spectrum of the vegetable oil

圖2 RHJ-1 的紅外光譜Fig.2 Infrared spectrum of the lubricant RHJ-1

由圖1 和圖2 可知，1740 cm-1的C＝O 吸收峰、1245 cm-1和1167 cm-1的C—O 吸收峰未發(fā)生變化，說明硫化反應過程中酯基未參與反應。797 cm-1的吸收峰是C—S—C 的特征峰，充分說明硫化反應加成到了C＝C 雙鍵，從而在RHJ-1 分子中形成了C—S—C 的結(jié)構(gòu)。

2.2 潤滑劑RHJ-1 的性能評價

以5.0%膨潤土漿為基漿，加入不同體積分數(shù)的潤滑劑RHJ-1，進行極壓潤滑性測試，并用三維形貌表征滑塊摩擦面的粗糙度，試驗結(jié)果如表1 所示。

表1 極壓潤滑系數(shù)和摩擦面粗糙度Table 1 Extreme pressure lubrication coefficient and friction surface roughness

由表1 可知，隨著RHJ-1 加量增大，滑塊摩擦面的粗糙度和極壓潤滑系數(shù)均呈降低趨勢；加量達到1.5%以上時，粗糙度和極壓潤滑系數(shù)的降低趨勢變緩并趨于平穩(wěn)。加入潤滑劑RHJ-1 后，RHJ-1 分子的強吸附基團吸附在滑塊表面，疏水端朝外形成了潤滑膜，減少了滑塊之間的直接摩擦，降低了滑塊摩擦面的粗糙度，表現(xiàn)為膨潤土漿的潤滑性得到了改善。

3 高密度鉆井液配方及性能評價

3.1 基漿配方

一般情況下，高密度鉆井液應用井段較深。由于受地層溫度、水敏性等因素影響，鉆井液要具有較強的抗溫性和抑制性。因此，以應用較多的具有較好抗高溫強抑制性的KCl 聚磺鉆井液為研究對象，考察了潤滑劑RHJ-1 加量對高密度鉆井液性能的影響。

基于上述原因，得到了高密度鉆井液基漿配方：1.5% 膨潤土+0.5%PAC-LV+3.0%SMP-II+3.0%SPNH+3.0% 磺化瀝青+3.0%QS-2（400 目）+7.0%KCl+RHJ-1+重晶石粉。

3.2 鉆井液性能評價

3.2.1 RHJ-1 加量對鉆井液潤滑性的影響

密度2.10 kg/L 的鉆井液基漿中加入不同量的潤滑劑RHJ-1，測定其在高溫150 ℃下滾動老化16 h前后的潤滑系數(shù)，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 潤滑劑加量對鉆井液潤滑系數(shù)的影響Fig.3 Effect of lubricant dosage on the lubrication coefficient of drilling fluids

由圖3 可知，鉆井液基漿加入潤滑劑RHJ-1 后，老化前的潤滑系數(shù)呈下降趨勢，但下降幅度不大；老化后的鉆井液潤滑系數(shù)下降趨勢明顯。分析認為，這是因為RHJ-1 均勻分散到鉆井液中需要一個過程，在鉆井液老化前潤滑劑尚未充分發(fā)揮作用，因此測試得到的極壓潤滑系數(shù)較高；而經(jīng)高溫老化后，RHJ-1 在鉆井液中分散均勻，使鉆井液的潤滑性提高，減小了滑塊之間的摩擦阻力。隨著RHJ-1 加量增大，鉆井液的潤滑性逐漸增強；RHJ-1 加量大于2.0% 時，極壓潤滑系數(shù)開始大幅降低；加量大于3.0%時逐漸趨于穩(wěn)定。這表明RHJ-1 具有良好的抗溫性能，且加量為3.0%時潤滑效果最佳。

根據(jù)圖3 的分析結(jié)果，測定不同密度鉆井液中加入3.0%RHJ-1 后的潤滑系數(shù)，以考察RHJ-1 提高鉆井液潤滑性的能力。大多數(shù)高密度鉆井液的密度為1.90～2.30 kg/L，故選用密度分別為1.90，2.10 和2.30 kg/L 的3 種鉆井液基漿進行試驗，結(jié)果如圖4所示。

圖4 潤滑劑RHJ-1 對鉆井液潤滑系數(shù)的影響Fig.4 Effect of the lubricant RHJ-1 on the lubrication coefficient of drilling fluids

從圖4 可以看出：未加潤滑劑RHJ-1 時，隨著鉆井液密度升高，其潤滑系數(shù)有所下降；加入潤滑劑RHJ-1 后，鉆井液潤滑系數(shù)均大幅度降低，且隨著鉆井液密度升高，潤滑系數(shù)有一定程度的下降。分析認為，高密度鉆井液中粒徑10 μm 以上的“軸承”顆粒含量較多，使鉆井液的潤滑性得到較大提高。這說明RHJ-1 對高密度鉆井液的潤滑性具有較好的促進作用。

3.2.2 鉆井液的配伍性評價

根據(jù)上述評價結(jié)果，在密度1.90，2.10 和2.30 kg/L的3 種鉆井液基漿分別加入3.0%RHJ-1，在150 ℃下滾動老化16 h，測試RHJ-1 對鉆井液塑性黏度、API 濾失量等性能的影響情況，結(jié)果見圖5 和圖6。

由圖5 可知，潤滑劑RHJ-1 對不同密度鉆井液都有一定的增黏作用。這主要是因為RHJ-1 在鉆井液中呈分散狀態(tài)，導致黏度小幅升高，但對鉆井液流變性的影響不大。

圖5 潤滑劑RHJ-1 對鉆井液塑性黏度的影響Fig.5 Effect of the lubricant RHJ-1 on the PV of drilling fluids

圖6 潤滑劑RHJ-1 對鉆井液API 濾失量的影響Fig.6 Effect of the lubricant RHJ-1 on the API filtration of drilling fluids

由圖6 可知，加入潤滑劑RHJ-1 后，鉆井液的API 濾失量有所降低。這是因為，RHJ-1 分散進入鉆井液后形成較小液滴，起到了一定的封堵降濾失作用。這說明RHJ-1 對鉆井液流變性的影響較小，且有利于提高鉆井液的濾失造壁性。

3.2.3 鉆屑對鉆井液潤滑性的影響

在密度2.10 kg/L 的鉆井液中分別加入3.0%和4.0%RHJ-1，在150 ℃高溫下滾動16 h，再分別加入5.0%、10.0%和15.0%鉆屑（200 目龍馬溪組頁巖氣地層巖屑，模擬鉆屑分散進入鉆井液），考察鉆屑對鉆井液潤滑性的影響，結(jié)果如表2 所示。

表2 鉆屑對鉆井液潤滑性的影響Table 2 Effect of cuttings on the lubricity of drilling fluids

由表2 可知，鉆井液中加入泥頁巖鉆屑后，潤滑性有所降低。主要原因是，加入鉆屑增大了鉆井液中的固相含量，導致摩擦阻力增大。加入3.0%潤滑劑RHJ-1 后，鉆井液潤滑系數(shù)大幅下降；加入10.0% 和15.0% 鉆屑，并將RHJ-1 的加量增大到4.0%時，鉆井液的潤滑系數(shù)進一步降低，降低率可達55.58%，但潤滑系數(shù)的總體變化趨勢仍是隨著鉆屑加量增大而升高。因此，應用中可根據(jù)實際情況增大潤滑劑RHJ-1 的加量，但需要提高固控設備清除鉆屑的效率，盡可能減少鉆屑進入鉆井液的量。

RHJ-1 性能評價及高密度鉆井液的潤滑性能評價結(jié)果表明，該潤滑劑在高密度鉆井液中有較好的潤滑效果。但高密度鉆井液固相含量高，應控制固相含量，特別是應該盡量減少鉆井液中的鉆屑，降低其對鉆井液潤滑性的影響。

4 潤滑減阻措施

水平井鉆井過程中，隨著井斜角增大和水平段延伸，固相含量逐漸升高，導致鉆井液黏切增大，對潤滑減阻的要求很高。雖然使用潤滑劑是水平井高密度鉆井液潤滑減阻的關鍵，但是鉆井過程中諸多因素影響其效果，因此需要采取針對性的潤滑減阻措施：

1）造斜段鉆進時，以定向鉆進不托壓為目的，根據(jù)井斜角變化和井下摩阻情況，調(diào)整潤滑劑加量，降低鉆井液潤滑系數(shù)。

2）水平段鉆進時，隨著水平段延長，需要適當增大潤滑劑加量。由于受固控設備效率所限，鉆屑不斷研磨分散變細，固相含量會逐漸升高，對潤滑劑的吸附消耗量增大，故需增大潤滑劑加量，以保持鉆井液的潤滑性。

3）滑動定向鉆進時，以細水長流的形式補充潤滑劑，以保證滑動定向作業(yè)順利進行。

4）加強短起下鉆，用重稠漿清掃井眼清除巖屑床，必要時大排量循環(huán)，以提高攜巖效率、沖刷虛濾餅，保持較好的井眼條件。

5）控制鉆井液的固相含量。振動篩采用200 目以上篩布，提高其他固控設備運行效率，以清除鉆屑，必要時補充稀膠液。

5 現(xiàn)場試驗

采用RHJ-1 潤滑劑配制了高密度水基鉆井液，并制定了配套的潤滑減阻措施，形成了水平井高密度鉆井液潤滑減阻技術，并在四川盆地某區(qū)塊水平井WY23-4HF 井造斜段、水平段進行了現(xiàn)場試驗，取得了顯著效果。

該區(qū)塊目的層埋深超過3800 m，地層溫度140 ℃，鉆井液密度2.05～2.15 kg/L。WY23-4HF 井三開井段為3430～5546 m，造斜段長616 m，水平段長1500 m。WY23-4HF 井三開應用高密度鉆井液降摩減阻技術順利完鉆，起鉆時摩阻僅為300 kN，與應用油基鉆井液的鄰井WY23-1HF 井摩阻245 kN 相當，與應用水基鉆井液的鄰井WY23-2HF 井相比摩阻降幅達45.5%（見圖7）。

圖7 WY23-4HF 井三開完鉆起鉆摩阻與鄰井對比情況Fig.7 Comparison of tripping out friction with that of offset wells after drilling of 3rd-spud section in Well WY 23-4HF

現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)，鉆進水平段過程中，鉆屑不斷分散進入鉆井液，導致鉆井液黏切升高、摩阻增大，且細分散鉆屑比表面積較大，增大了對潤滑劑的吸附量。比較明顯的是，鉆至A靶點（井深4046 m 處）時起鉆更換鉆具，下鉆到底后循環(huán)鉆井液，鉆井液的漏斗黏度從62 s 升高至82 s，表觀黏度從51 mPa·s升高至58 mPa·s；經(jīng)加大膠液量維護，黏度有所降低。分析認為其主要原因是，雖然固控設備可以清除大顆粒鉆屑，但難以清除細顆粒鉆屑，使其在鉆井液中不斷積累；另外，起下鉆過程中，鉆具對井壁濾餅的刮擦和對鉆屑的反復研磨，也會導致細顆粒鉆屑進入鉆井液中。

6 結(jié)論

1）以長鏈脂肪酸植物油為原料研制的潤滑劑RHJ-1 具有較好的潤滑作用，能降低摩擦面的粗糙度，提高高密度鉆井液的潤滑能力。

2）潤滑劑RHJ-1 與鉆井液配伍性良好，對鉆井液的流變性影響較小，能降低鉆井液的濾失量，有助于提高鉆井液的濾失造壁性。

3）以潤滑劑RHJ-1 配制了高密度水基鉆井液，并制定配套的潤滑減阻措施，形成了水平井高密度鉆井液潤滑減阻技術。采用該技術鉆進水平井造斜段、水平段時，鉆井施工順利，完鉆時起鉆摩阻較小，取得了顯著效果。