李乾 王磊 王喜杰 李興 雷磊

（1.中國石油化工股份有限公司上海海洋油氣分公司 上海 200120；2.中海石油（中國）有限公司上海分公司 上海 200335）

中國東海油氣資源主要儲藏在花港組和平湖組地層，花港組和平湖組地層的巖石抗壓強(qiáng)度普遍超過70 MPa，其中，花港組下段軟硬交錯夾層頻繁且含礫石，平湖組地層存在泥巖與細(xì)砂巖、粉砂巖的不等厚互層，另外還存在多套薄煤層。“十三五”期間，隨著東海油氣田勘探開發(fā)進(jìn)程的持續(xù)推進(jìn)，相繼發(fā)現(xiàn)了一些邊際油氣田，這些油氣田儲層物性總體表現(xiàn)為低孔低滲，且距離已建導(dǎo)管架平臺超過3 000 m，需要采用大位移水平井實(shí)現(xiàn)高效開采［1-3］。近期在X氣田布置了一口大位移水平井X4H，該井垂深4 393 m，水平位移3 074 m，水平段長1 144 m，井底溫度高達(dá)152℃，鉆前預(yù)測φ212.73 mm井段鉆進(jìn)摩阻高扭矩大，基本達(dá)到鉆井平臺作業(yè)能力上限。為保證本井順利作業(yè)，本文從鉆井液與鉆井參數(shù)兩方面入手，通過對常規(guī)ZEFLOW鉆井液體系改進(jìn)，制定鉆井參數(shù)優(yōu)選方案，旨在降低大位移水平井鉆進(jìn)過程中的摩阻扭矩。本文提出的大位移井降摩減阻新技術(shù)已在東海新鉆的大位移水平井中取得成功應(yīng)用，有效降低了鉆進(jìn)摩阻扭矩，具有較好地應(yīng)用推廣價(jià)值。

1 東海大位移水平井鉆井作業(yè)難點(diǎn)分析

東海區(qū)域與大位移井實(shí)施較多的南海區(qū)域相比，存在儲層埋藏深（3 500～5 000 m）、井眼軌道長、地層可鉆性差等特點(diǎn)，“十三五”期間，東海共計(jì)實(shí)施了9口大位移井（表1）。

表1 東海已鉆大位移井統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of drilled extended reach wells in East China Sea

結(jié)合東海已鉆大位移井實(shí)鉆情況［4-7］，目前東海大位移水平井實(shí)施主要存在以下技術(shù)難點(diǎn)：

1）摩阻扭矩大。由于大位移水平井具有水平位移大、大井斜長穩(wěn)斜井段長、水平裸眼段長等特點(diǎn)，鉆柱躺在下井壁，摩擦阻力大，鉆進(jìn)扭矩高，有可能超過鉆柱上扣扭矩甚至是平臺頂驅(qū)設(shè)備的連續(xù)輸出扭矩，導(dǎo)致鉆井無法正常進(jìn)行。

2）鉆柱易產(chǎn)生螺旋屈曲。對于大位移水平井，鉆壓主要是由上部鉆柱的重量提供的，如果鉆柱受到的軸向載荷超過其正弦屈曲臨界載荷，將發(fā)生正弦屈曲，隨著鉆壓繼續(xù)增加，鉆柱所受軸向載荷將持續(xù)增大，一旦超過鉆柱螺旋屈曲臨界載荷，鉆柱將會沿井眼盤成螺旋狀，變?yōu)槁菪?，鉆具無法正常傳遞鉆壓和扭矩。

3）鉆具易疲勞、套管易磨損。東海大位移水平井井深大、作業(yè)難度高、鉆井周期長，鉆具易發(fā)生疲勞損壞（BYX-A1X井發(fā)生鉆具疲勞斷裂）。另外，由于上部造斜段鉆具側(cè)向力大，鉆具與套管摩擦劇烈，易引發(fā)套管磨損和鉆具刺漏等問題。

4）井眼難清潔。在大位移水平井鉆井施工中，由于大位移的特點(diǎn)，35°～65°井斜井段長，該井斜范圍內(nèi)攜巖困難，易形成巖屑床。由于水平井的特點(diǎn)，鉆柱躺在下井壁，形成偏心環(huán)空，巖屑逐漸堆積形成巖屑床，鉆具旋轉(zhuǎn)反復(fù)研磨鉆屑，鉆屑顆粒變細(xì)，鉆井液固相含量上升，摩阻扭矩增大。

通過上述對大位移水平井技術(shù)難點(diǎn)的分析，針對摩阻扭矩大和井眼難清潔問題，考慮從東海水平段常用的EZFLOW鉆井液入手，著力解決鉆井液潤滑性與流變性問題；針對鉆柱易產(chǎn)生螺旋屈曲和鉆具易疲勞、套管易磨損，考慮從鉆井參數(shù)入手，著力解決鉆具疲勞與屈曲問題。

2 超潤滑EZFLOW鉆井液研究

目前，東海水平井主要使用無固相EZFLOW鉆井液體系，該體系相比于PRD鉆井液，無需破膠可直接返排，能最大限度地保護(hù)儲層［8］。EZFLOW鉆井液主要是通過體系中分子鍵間的相互纏繞作用，形成了空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的形成與拆散是可逆的，能迅速建立靜切力，具有很好的巖屑懸浮能力［9-10］。該體系動塑比高，具有很好的巖屑攜帶能力。低剪切速率下具有較高的黏度和動切力，可以保證在低泵速或停泵時(shí)有效懸浮巖屑，減少巖屑床的堆積。

常規(guī)EZFLOW鉆井液體系中通過加入PF-LUBE來提高鉆井液潤滑性，但是針對大位移水平井，需要進(jìn)一步提高鉆井液潤滑性以降低摩阻扭矩，常規(guī)EZFLOW鉆井液體系潤滑性難以滿足要求。使用油基鉆井液雖然能夠進(jìn)一步降低摩擦系數(shù)減小鉆進(jìn)摩阻扭矩，但對水平段儲層保護(hù)存在不利影響［11-12］。因此，需要進(jìn)一步提高EZFLOW鉆井液潤滑性以滿足鉆井作業(yè)和儲層保護(hù)需要。

2.1 鉆井液體系配方

常規(guī)EZFLOW鉆井液體系配方如表2所示。表中PF-EZVIS為提黏提切劑，PF-JLX-C-S為聚合醇，起潤滑和抑制作用，PF-EZCARB為超細(xì)碳酸鈣，起屏蔽暫堵作用，PF-LUBE為植物油，起潤滑作用，PF-SATRO為防水鎖劑，PF-EZFLO為淀粉類降濾失劑。

表2 常規(guī)EZFLOW鉆井液體系配方Table 2 Formula of conventional EZFLOW drilling fluid system

為了進(jìn)一步提高EZFLOW鉆井液潤滑性，降低鉆進(jìn)摩阻扭矩，在該體系中引入CX300高效潤滑劑，與PF-LUBE潤滑劑協(xié)同作用。CX300高效潤滑劑主要是通過有機(jī)抗磨材料與金屬離子在高溫高壓條件下通過化學(xué)反應(yīng)生成的有機(jī)化合物，能夠吸附在鉆柱表面，將滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，起到良好的抗摩減扭作用。

2.2 潤滑劑復(fù)配性能評價(jià)

2.2.1 潤滑性能測試

室內(nèi)試驗(yàn)采用LEM-2型潤滑儀，該潤滑儀用鍥形塊模擬井壁，鍥形塊由標(biāo)準(zhǔn)貝雷砂巖巖心制成，以可調(diào)轉(zhuǎn)速的不銹鋼轉(zhuǎn)軸模擬鉆具，在模擬井壁與模擬鉆具之間充填鉆井液，不斷增加鉆具對井壁側(cè)向力提高扭矩外力，測定鉆柱與井壁的摩擦系數(shù)。試驗(yàn)用鉆井液的配方如表3所示，表中基礎(chǔ)膠液配方為：NaOH+Na2CO3+PF-EZVIS+PF-EZFLO+PF-JLX-C-S+PF-SATRO+PF-EZCARB。各鉆井液的潤滑性能評價(jià)對比結(jié)果如圖1所示。

表3 試驗(yàn)用鉆井液配方Table 3 Formula of drilling fluid for test

從圖1可以看出，將EZFLOW鉆井液體系常用潤滑劑PF-LUBE與CX300高效潤滑劑復(fù)配后，可以進(jìn)一步提高鉆井液的潤滑性，復(fù)配后的鉆井液潤滑性與固體高效潤滑劑Starglide和Steel Lube EP潤滑性相當(dāng)甚至是優(yōu)于其潤滑性。

圖1 實(shí)驗(yàn)用鉆井液潤滑性評價(jià)結(jié)果Fig.1 Evaluation results of lubricity of drilling fluid for experiment

2.2.2 抗磨性能測試

對上述實(shí)驗(yàn)用鉆井液配方1和配方4進(jìn)行鉆桿接頭與套管組合下的抗磨性能實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)以金屬圓柱（S135鋼級）代替鉆桿接頭，以摩擦塊（N80鋼級）代替套管，通過對金屬圓柱與摩擦塊采用加壓法進(jìn)行磨損測試，金屬圓柱與摩擦塊之間充滿了所需測試的鉆井液流體，模擬鉆桿接頭與套管在井下實(shí)際作業(yè)時(shí)的磨損情況。每種配方的鉆井液分別進(jìn)行3組實(shí)驗(yàn)，每次實(shí)驗(yàn)時(shí)間為30 min，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

從表4可以看出，配方4鉆井液中復(fù)配了PF-LUBE與CX300高效潤滑劑后，金屬圓柱的平均磨損量比在配方1鉆井液中減少了57.56%，摩擦塊的平均磨損量比在配方1鉆井液中減少了60%，表明復(fù)配后的鉆井液具有良好的抗磨性能。

表4 鉆井液抗磨性能實(shí)驗(yàn)Table 4 Experiment on antiwear property of drilling fluid

2.3 鉆井液高溫配伍性能評價(jià)

東海X氣田平湖組主力儲層埋深超過4 000 m，井底溫度超過140℃，對鉆井液的抗高溫性能要求高。實(shí)驗(yàn)室配置4個超潤滑EZFLOW鉆井液樣品和1個常規(guī)EZFLOW鉆井液樣品。超潤滑EZFLOW鉆井液樣品配方為0.2%NaOH+0.2%Na2CO3+1%PF-EZVIS+2%PF-EZFLO+2%PF-JLX-C-S+1%PF-SATRO+3%PF-EZCARB+4%PF-LUBE+2%CX300。采用室內(nèi)試驗(yàn)常用的鉆井液熱滾試驗(yàn)法，測量鉆井液樣品經(jīng)過不同溫度熱滾后性能變化情況，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。從室內(nèi)試驗(yàn)情況來看，超潤滑EZFLOW鉆井液在120～150℃老化后，流變性能穩(wěn)定，API濾失量、LSRV（低剪切速率黏度）和LSYP（低剪切速率動切力）均滿足作業(yè)需求，鉆井液抗高溫性能優(yōu)異，表明超潤滑EZFLOW鉆井液體系高溫配伍性能優(yōu)異。

表5 超潤滑EZFLOW鉆井液抗高溫老化評價(jià)Table 5 Evaluation of high temperature aging resistance of super lubricated EZFLOW drilling fluid

3 鉆井參數(shù)優(yōu)化

當(dāng)鉆柱在井眼內(nèi)繞自身軸線順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，鉆柱受壓會產(chǎn)生彎曲，鉆柱與井壁／套管接觸產(chǎn)生摩擦力，使鉆柱以一定的速度繞井眼軸線旋轉(zhuǎn)［13-15］，形成渦動（圖2）。

圖2 鉆柱渦動示意圖Fig.2 Schematic diagram of drill string whirl

對于大位移水平井，鉆進(jìn)過程通常都會伴隨有鉆柱渦動，鉆柱渦動除了對鉆柱疲勞和套管磨損有影響之外，對鉆井扭矩也有影響。在大位移水平井中，鉆進(jìn)的鉆壓主要是由上部鉆具提供，在鉆具受力中和點(diǎn)附近及下部，鉆具受到軸向壓縮載荷或所受軸向拉伸載荷較小的條件下，鉆柱會發(fā)生屈曲從而導(dǎo)致渦動的發(fā)生，進(jìn)而使鉆進(jìn)扭矩增大，影響鉆井安全和作業(yè)時(shí)效。鉆柱發(fā)生渦動時(shí)，鉆柱與井壁／套管接觸點(diǎn)處相對井壁／套管的滑移速度的計(jì)算公式可表示為

式（1）中：v為鉆柱與井壁／套管接觸點(diǎn)處相對井壁／套管的滑移速度，m／s；D為井眼直徑，m；d為鉆柱外徑，m；ω為鉆柱自轉(zhuǎn)角速度，rad／s；η為鉆柱渦動角速度，rad／s。

當(dāng)v=0時(shí)，鉆柱與井壁／套管接觸點(diǎn)處相對井壁／套管的滑動速度等于零，此時(shí)可理解為鉆柱與井壁／套管相對運(yùn)動狀態(tài)為滾動，此時(shí)扭矩最小。由Mitchell計(jì)算公式推導(dǎo)出鉆柱與井壁／套管之間的接觸力為

式（2）中：F為鉆柱與井壁／套管的接觸力，N；α為鉆柱與井壁／套管之間的環(huán)空間隙，m；N為鉆柱所受軸向力，N；E為鉆柱抗彎強(qiáng)度，Pa；m為鉆柱段重，kg／m。

由式（2）可知，為了降低鉆進(jìn)扭矩，應(yīng)該盡量降低鉆柱與井壁／套管接觸力F，對于大位移水平井水平段鉆進(jìn)，在α、E、m、D、d已經(jīng)確定的條件下，可以通過降低ω，也就是鉆柱轉(zhuǎn)速來降低鉆進(jìn)扭矩。

在大位移水平井鉆進(jìn)時(shí)，提高轉(zhuǎn)速有利于井眼清潔和機(jī)械鉆速的提高。機(jī)械鉆速與轉(zhuǎn)速的關(guān)系為指數(shù)關(guān)系，且指數(shù)一般小于1，可表示為

式（3）中：λ轉(zhuǎn)速指數(shù)，一般小于1；vROP為機(jī)械鉆速，m／h。

轉(zhuǎn)速選擇還需要考慮臨界轉(zhuǎn)速的問題，利用WellPlan軟件的Critical Speed模塊可以對鉆具臨界轉(zhuǎn)速進(jìn)行分析，其主要依據(jù)強(qiáng)迫頻率理論，分析不同轉(zhuǎn)速下的最大徑向變形及彎曲應(yīng)力，繪出相應(yīng)的幅頻響應(yīng)曲線，確定相應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)速。鉆進(jìn)過程中需避免鉆具轉(zhuǎn)速處于臨界轉(zhuǎn)速范圍，避免臨界轉(zhuǎn)速引起的共振危害。

通過上述分析可知，鉆進(jìn)扭矩與井眼清潔、機(jī)械鉆速之間存在矛盾。為了解決這一矛盾，需要綜合考慮鉆井工況，結(jié)合實(shí)鉆機(jī)械鉆速情況、鉆井平臺頂驅(qū)工作能力、井眼清潔情況等，適時(shí)調(diào)整鉆井參數(shù)。如鉆井扭矩過大，接近頂驅(qū)連續(xù)輸出扭矩上限，應(yīng)結(jié)合軟件模擬情況，實(shí)時(shí)分析井眼清潔情況和鉆具徑向位移與彎曲應(yīng)力沿鉆具分布情況，適當(dāng)降低轉(zhuǎn)速，保證在滿足井眼清潔和避免臨界轉(zhuǎn)速的條件下，達(dá)到降低鉆井扭矩的目的。為了維持一定的機(jī)械鉆速，在降低轉(zhuǎn)速的同時(shí)可以適當(dāng)增大鉆壓，以提高鉆頭吃入地層的深度進(jìn)而提高機(jī)械鉆速。需通過對鉆具受力狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析來確定鉆壓的提高范圍，保證鉆壓小于鉆柱發(fā)生正弦屈曲所允許的鉆壓，滿足安全高效作業(yè)原則。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

4.1 大位移井概況

東海X氣田構(gòu)造位置位于東海陸架盆地浙東坳陷西湖凹陷西斜坡平湖構(gòu)造帶平北段北部。該氣田縱向含油氣層系多，其中，花港組以構(gòu)造油氣藏為主，平湖組發(fā)育復(fù)合巖性氣藏和構(gòu)造油氣藏兩種類型。X4H井為X氣田近期設(shè)計(jì)的一口大位移水平井，該井完鉆井深6 412 m，垂深4 393 m，水平位移3 074 m，水平段長1 144 m，水平段鉆進(jìn)層位為平湖組P3b層，實(shí)測水平段鉆井液井下循環(huán)溫度132℃。實(shí)鉆井眼軌跡及井身結(jié)構(gòu)情況如圖3所示，φ212.73 mm水平段從5 268 m鉆進(jìn)至6 412 m，該井段開鉆使用常規(guī)EZFLOW鉆井液，自5 400 m之后添加CX300高效潤滑劑配置成超潤滑EZFLOW鉆井液體系，使鉆進(jìn)扭矩降低5%～8%左右，在6 100 m左右，由于鉆進(jìn)扭矩持續(xù)升高，現(xiàn)場通過降低轉(zhuǎn)速，提高鉆壓的方式，在保證機(jī)械鉆速的前提下，將鉆進(jìn)扭矩進(jìn)一步降低10%左右。

圖3 X4H井井眼軌跡及井身結(jié)構(gòu)情況Fig.3 Well trajectory and wellbore structure of Well X4H

4.2 超潤滑EZFLOW鉆井液應(yīng)用實(shí)踐

X4H井φ212.73 mm井眼在5 436、5 587、5 752 m附近分3次加入CX300高效潤滑劑，第一次加入1%的CX300，后兩次每次加入2%的CX300。圖4所示為5 286～6 000 m井段鉆進(jìn)扭矩變化情況，從圖中可以看出，每次加入CX300后，鉆井扭矩都呈現(xiàn)持續(xù)降低趨勢，說明CX300與PF-LUBE復(fù)配后的超潤滑EZFLOW鉆井液能夠有效降低鉆進(jìn)扭矩。在鉆進(jìn)150～170 m左右后，由于CX300自然消耗，鉆井液體系內(nèi)CX300含量下降，鉆進(jìn)扭矩又開始重新增大。

圖4 X4H井5 268～6 000 m井段鉆進(jìn)扭矩變化情況Fig.4 Variation of drilling torque in 5 268～6 000 m section of Well X4H

三次使用CX300后鉆進(jìn)扭矩變化情況如表6所示。從表6可以看出，使用CX300與PF-LUBE復(fù)配后，鉆井扭矩能夠降低2～5 k N·m，有效降低了鉆具與套管和井壁的摩擦系數(shù)，從巖屑返出情況來看（圖5），X4H井相比于與其一起批鉆的X8H井，巖屑中夾雜的鐵屑含量明顯減少，從側(cè)面說明了CX300與PF-LUBE復(fù)配后的超潤滑EZFLOW鉆井液能夠有效降低鉆柱與套管的磨損，起到了良好的降摩減扭效果。

表6 EZFLOW鉆井液加入復(fù)合潤滑劑前后扭矩對比Table 6 Torque comparison before and after adding composite lubricant to EZFLOW drilling fluid

圖5 X4H井與X8H井巖屑中夾雜鐵屑含量對比Fig.5 Comparison of iron chip content in cuttings of Well X4H and Well X8H

整個φ212.73 mm井段使用的超潤滑EZFLOW鉆井液的性能參數(shù)如表7所示，鉆井液性能穩(wěn)定，動塑比較高，具有很好的攜砂能力，φ6讀數(shù)超過井眼尺寸（英制尺寸數(shù)），能夠有效解決大位移水平井?dāng)y砂難、易形成沉砂床的問題，較高的低剪切速率黏度LSRV和動切力LSYP可以保證在低泵速或停泵時(shí)有效防止巖屑床的形成。EZFLOW鉆井液為無固相鉆井液體系，采用甲酸鈉和氯化鉀進(jìn)行加重，現(xiàn)場為了控制鉆井液固相含量，采用了3臺200目的振動篩配合兩臺離心機(jī)，有效控制鉆井液固相含量在5%以下，含砂量始終保持在0.1%，低的固相含量有利于保證泥餅薄而韌，進(jìn)一步降低濾餅的摩擦系數(shù)。

表7 超潤滑EZFLOW鉆井液性能參數(shù)表Table 7 Performance parameters of super lubricating EZFLOW drilling fluid

4.3 鉆井參數(shù)優(yōu)選實(shí)踐

X4H井φ212.73 mm井段自5 950 m左右，頂驅(qū)平均扭矩增大至62～71 k N·m，瞬時(shí)扭矩高達(dá)77 k N·m，鉆井平臺頂驅(qū)電機(jī)功率過大，開始出現(xiàn)高溫報(bào)警（頂驅(qū)溫度達(dá)到158℃），需要降低轉(zhuǎn)速劃眼循環(huán)來給頂驅(qū)降溫。鉆進(jìn)至6 080 m后，頂驅(qū)高溫報(bào)警越發(fā)頻繁，每鉆進(jìn)30 min左右就需要劃眼循環(huán)給頂驅(qū)降溫。

為了降低鉆進(jìn)扭矩，減少劃眼循環(huán)時(shí)間從而提高鉆井時(shí)效，現(xiàn)場首先進(jìn)行了鉆井參數(shù)敏感性試驗(yàn)，通過改變轉(zhuǎn)速、鉆壓，發(fā)現(xiàn)扭矩與轉(zhuǎn)速之間相關(guān)性更高，提高轉(zhuǎn)速至90 r／min后，扭矩波動較大且峰值較高，將轉(zhuǎn)速降低至75 r／min以下，扭矩降幅較大，能降低5～10 k N·m。

明確了扭矩與轉(zhuǎn)速相關(guān)性更強(qiáng)后，現(xiàn)場優(yōu)化鉆井參數(shù)。根據(jù)鉆具臨界轉(zhuǎn)速分析（圖6），轉(zhuǎn)速為28、65和85 r／min時(shí)出現(xiàn)較強(qiáng)的動力響應(yīng)，徑向位移很大，說明實(shí)際鉆井過程中應(yīng)避開這些臨界轉(zhuǎn)速。因此，將轉(zhuǎn)速降低至75 r／min。

圖6 鉆具徑向位移與轉(zhuǎn)速幅頻響應(yīng)情況Fig.6 Amplitude frequency response of radial displacement and rotational speed of drilling tools

通過對鉆具進(jìn)行受力分析模擬當(dāng)前鉆進(jìn)狀態(tài)，在6 112 m鉆壓超過139.7 k N，鉆具將發(fā)生正弦彎曲。因此，現(xiàn)場將鉆壓由80～110 k N提高至100～120 k N，保證鉆具受力狀態(tài)正常。在降低轉(zhuǎn)速提高鉆壓后，機(jī)械鉆速仍然維持在10 m／h，與調(diào)整前基本一致。在6 112 m至完鉆井深6 412 m之間，鉆柱轉(zhuǎn)速始終維持在75 r／min，頂驅(qū)扭矩保持在52～65 k N·m（圖7），頂驅(qū)再未出現(xiàn)高溫報(bào)警，保證了鉆井時(shí)效。

圖7 鉆井參數(shù)優(yōu)化前后扭矩變化Fig.7 Torque change before and after drilling parameters optimization

5 結(jié)論

1）CX300高效潤滑劑與EZFLOW鉆井液配伍性良好，配置而成的超潤滑EZFLOW鉆井液抗高溫能力強(qiáng)，鉆井液潤滑性能提升顯著，能夠進(jìn)一步降低摩擦系數(shù)，減小鉆進(jìn)扭矩，降低鉆柱與套管的磨損，可以起到良好的降摩減扭效果。

2）在提高鉆井液潤滑性的同時(shí)，優(yōu)化鉆井參數(shù)，通過降轉(zhuǎn)速增鉆壓，既能保證機(jī)械鉆速又可有效降低鉆進(jìn)扭矩。

3）對于東海大位移水平井，隨著水平位移的不斷增大，相配套的降摩減扭工具未來將成為研究方向，需要研發(fā)適用于東海區(qū)域特征的配套降摩減扭工具。