賈 佳, 蔣官澄, 夏忠躍, 馮 雷

(1. 中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司, 天津 300452;2. 中國石油大學(xué)(北京) 石油工程教育部重點實驗室, 北京 102249)

隨著對致密氣、煤層氣、頁巖氣等非常規(guī)天然氣的深入開發(fā)，鉆井摩阻和作業(yè)難度顯著增加，對鉆井液潤滑性能提出了越來越高的要求。高效潤滑劑是提升鉆井液潤滑性的主要材料，受到國內(nèi)外研究者的熱捧。目前，據(jù)不完全統(tǒng)計，國內(nèi)外鉆井液潤滑劑主要有15大類，包括一百七十多種[1-3]。按照相態(tài)分類，鉆井液用潤滑劑可以分為液體潤滑劑和固體潤滑劑，固體潤滑劑的作用原理是將鉆具與井壁間的滑動摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動摩擦，實現(xiàn)降低摩阻的目的，但是，在現(xiàn)場使用過程中，固體潤滑劑一般都是顆?；蛘咔驙畹墓腆w，極易被固控設(shè)備清除掉，影響了使用效果，限制了應(yīng)用范圍。液體潤滑劑是研究最為熱門和應(yīng)用最為廣泛的鉆井液潤滑劑，它可以幫助在井壁形成一種膜，降低摩阻系數(shù)。部分常規(guī)液體潤滑劑例如礦物油基、柴油基和瀝青類潤滑劑由于存在環(huán)保隱患，已逐漸被新型潤滑劑所取代。目前，在鉆井液液體潤滑劑中的極壓潤滑劑由于良好的潤滑效果，受到了越來越多研究者的重視，國外的斯倫貝謝、哈里伯頓和貝克休斯等公司均已成功開發(fā)出高性能的極壓潤滑劑，國內(nèi)目前也已經(jīng)開展了研究工作，但由于部分潤滑劑仍然存在一些環(huán)保問題，限制了大面積推廣應(yīng)用[4-5]。目前，在鄂爾多斯盆地臨興致密氣區(qū)塊，鉆井過程中面臨著井壁易坍塌、摩阻高、鉆速慢等問題，延長了鉆井周期，影響了后續(xù)完井作業(yè)質(zhì)量。由于臨興區(qū)塊是中海油致密氣勘探開發(fā)主戰(zhàn)場，肩負(fù)著增儲上產(chǎn)的重任，隨著能源行業(yè)7年行動計劃的實施，臨興致密氣進(jìn)入了“大開發(fā)”階段，預(yù)計到2025年要實現(xiàn)一千四百余口的鉆井任務(wù)，所以，有必要開展鉆井液潤滑性的相關(guān)研究，提升致密氣勘探開發(fā)效果。

1 區(qū)塊概況

臨興致密氣區(qū)塊發(fā)育的地層有延長組、紙坊組、和尚溝組、劉家溝組、石千峰組、石盒子組、山西組、太原組、本溪組、馬家溝組[6]，地層具有非均質(zhì)性強(qiáng)、連續(xù)性差的特點，區(qū)塊內(nèi)的巖性以巖屑砂巖、長石巖屑砂巖、巖屑長石砂巖為主，砂巖的分選性為中-差，磨圓中等，黏土礦物以高嶺石為主，膠結(jié)類型以孔隙型和接觸型為主?？紫抖燃s為2.0%～14.0%，滲透率約0.01～1.00 mD。在鉆井過程中需要做好防塌、防卡、防縮徑問題，對鉆井液泥餅的穩(wěn)定性和潤滑性提出了更高的要求。

對臨興區(qū)塊地層開展堿敏、水敏、速敏、酸敏、鹽敏分析[7-8]，結(jié)果顯示，地層表現(xiàn)為弱堿敏、中-強(qiáng)水敏、中等偏弱速敏、中等偏強(qiáng)酸敏、弱鹽敏特征(見表1)。在鉆井過程中，鉆井液在具備優(yōu)良潤滑性能的同時，要與地層有高度的適應(yīng)性。

表1 臨興地區(qū)儲層敏感性研究分析表

前期部分井尤其是水平井在鉆井過程中，多口井出現(xiàn)托壓、易坍塌、易卡鉆等一系列高摩阻問題，利用軟件對已鉆井的摩阻系數(shù)進(jìn)行數(shù)值反演，正常摩阻系數(shù)為0.25，而實際鉆進(jìn)時摩阻高達(dá)0.45(如圖1所示)，其中多口水平井由于摩阻過高，未能鉆至設(shè)計井深而提前完鉆。

圖1 臨興區(qū)塊摩井阻系數(shù)反演Fig.1 Inversion of friction coefficient in Linxing Block

經(jīng)過分析，影響鉆井高摩阻的因素有井眼軌跡、鉆具組合、施工參數(shù)、鉆井液潤滑性等，其中，軌跡設(shè)計目前一般都控制在5 °/30 m以內(nèi)，鉆具組合采用倒裝鉆具，施工參數(shù)多采用成熟的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，這些影響因素基本已經(jīng)較為確定，而鉆井液潤滑性的改進(jìn)可以直接有效降低高摩阻。鉆井液潤滑性能優(yōu)劣的重要影響因素是潤滑劑的好壞，所以開發(fā)性能優(yōu)良的潤滑劑對降阻至關(guān)重要。目前來說，對臨興區(qū)塊鉆井中使用的鉆井液進(jìn)行分析，使用的主要潤滑劑為石墨，石墨作為固體潤滑劑，依靠滾動摩擦的效果降低作業(yè)過程中的摩阻，但是在鉆具的擠壓和剪切作用下，容易發(fā)生變形，導(dǎo)致破碎，逐漸喪失潤滑功能。

為了解決前期鉆井液潤滑劑效果不好的問題，通過室內(nèi)試驗的方法，在高溫條件下，利用高分子材料，合成具有多重吸附基團(tuán)的高性能潤滑劑，開展常溫和高溫處理后的EP極壓潤滑性能評價、濾餅粘滯系數(shù)評價、四球摩擦實驗評價等，再結(jié)合地層特性，形成適合臨興區(qū)塊作業(yè)的降阻鉆井液體系，最后，通過現(xiàn)場應(yīng)用，評價鉆井過程中的實際潤滑效果。

2 鉆井液潤滑性研究

2.1 仿生潤滑劑研制

蚯蚓分泌的粘液具有高度潤滑性和憎水性的特點，一方面可以在爬動時降低與地面的摩擦，另一方面黏液可以濕潤身體，起到保護(hù)的作用。根據(jù)這個原理，開展了仿生潤滑劑的研制。

實驗藥品和儀器：實驗藥品有多元胺、多元醇、多元酸與長鏈脂肪酸、脂酸胺或者脂肪醇、膨潤土、對甲苯磺酸、碳酸鈉等，主要為上海安耐吉化學(xué)試劑公司生產(chǎn)。HD2010W型電動攪拌機(jī)，上海右一儀器有限公司；ZKYY型恒溫油浴鍋，鄭州英峪公司；ARB120型電子分析天平，美國奧豪斯公司；Fann212型極壓潤滑儀，美國Fann公司；BGRL-5型變頻式滾子加熱爐，青島同春石油儀器有限公司；MAGNA-IR560型傅立葉變換紅外光譜儀，Nicolet 公司；GJSS-B12K型高速變頻無極調(diào)速攪拌機(jī)，青島同春石油儀器有限公司。

實驗方法：將一定比例的長鏈羧酸和多元醇置于反應(yīng)容器中，加入對甲苯磺酸催化劑并進(jìn)行攪拌，加溫至約150 ℃，通入氮氣，反應(yīng)6 h，得到合成酯，將其與含硫極壓添加劑按質(zhì)量比3∶1 的比例混合，得到棕黃色的仿生潤滑劑。

潤滑劑外觀為棕黃色的液體，其微觀結(jié)構(gòu)內(nèi)含有多重吸附基團(tuán)(如圖2所示)，上面的兩親分子可以提高與鉆具、巖石顆粒、井壁的吸附力，使鉆具與井壁間的直接摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)槲侥らg的滑動，降低整個井筒內(nèi)的摩阻，提高潤滑性能[9-11]。具體來說，主要通過金屬螯合環(huán)和多重氫鍵發(fā)揮潤滑作用，潤滑劑中多分支極性吸附基團(tuán)提供配對電子，金屬鉆具表面鐵原子提供空電子軌道，兩者通過螯合作用強(qiáng)化潤滑劑吸附膜強(qiáng)度[12]，實現(xiàn)降低摩阻的目的，如圖3所示。

圖2 仿生潤滑劑結(jié)構(gòu)設(shè)計Fig.2 Structure design of bionic lubricant

圖3 仿生潤滑劑金屬螯合環(huán)原理Fig.3 Principle of metal chelating ring of bionic lubricant

除此之外，還能通過多重氫鍵發(fā)生作用，潤滑劑中多分支極性吸附基團(tuán)與井壁巖石表面形成“多重氫鍵”，增強(qiáng)油膜吸附強(qiáng)度，提高潤滑油膜抗剪切性能[13-14]，進(jìn)一步增強(qiáng)潤滑性，如圖4所示。

圖4 仿生潤滑劑“多重氫鍵”原理Fig.4 The “multiple hydrogen bonding” principle of bionic lubricant

2.2 潤滑性能評價

2.2.1 EP極壓潤滑評價

試驗評價結(jié)果表明，在4%淡水基漿中，多元醇酯類仿生潤滑劑的極壓潤滑系數(shù)降低率達(dá)到90%以上(見表2)，抗溫可達(dá)120 ℃(見表3)，明顯高于常規(guī)無極性吸附基團(tuán)的長鏈酯，潤滑性能優(yōu)異。

表2 仿生潤滑劑與其他潤滑劑潤滑性能對比Table 2 Comparison of lubrication performance between bionic lubricant and other lubricants

表3 120 ℃老化16 h后的仿生潤滑劑與其他潤滑劑潤滑性能對比

2.2.2 濾餅黏滯系數(shù)評價

仿生潤滑劑在淡水基漿中能顯著提高濾餅的潤滑性能，1%加量下老化前后濾餅粘附系數(shù)降低率在55%以上(見表4)，與國外潤滑劑產(chǎn)品性能相當(dāng)。 120 ℃高溫處理后的仿生潤滑劑(見表5)，性能明顯優(yōu)于國內(nèi)產(chǎn)品，與國外產(chǎn)品的性能也基本相當(dāng)。

表4 仿生潤滑劑與國內(nèi)外潤滑劑性能對比Table 4 Performance comparison of bionic lubricants and lubricants at home and abroad

表5 120 ℃處理后的仿生潤滑劑與國內(nèi)外潤滑劑性能對比Table 5 Performance comparison of lubricants treated at 120 ℃ with domestic and foreign lubricants

2.2.3 四球摩擦實驗評價

仿生潤滑劑降低的鋼-鋼摩擦系數(shù)大于90%，劃痕光滑，磨斑直徑小[15-16]。四球摩擦實驗表明，仿生潤滑劑與國內(nèi)其他潤滑劑相比，摩擦系數(shù)最小，約為0.1，如圖5所示。利用XPS分析鋼球表面劃痕的Fe2O3能譜隨深度變化，結(jié)果表明仿生潤滑劑在鋼球表面劃痕處形成的潤滑膜厚度約為15 nm，如圖6所示。

圖5 摩擦系數(shù)對比測定Fig.5 Measurement of friction coefficient

圖6 摩擦鋼球劃痕能譜深剖分析Fig.6 Energy spectrum analysis of steel ball scratch

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 基于仿生潤滑劑的鉆井液

在做好鉆井液潤滑性能的同時，需要保障鉆井液的整體性能，為此，需要向鉆井液中加入不同類型的處理劑。臨興區(qū)塊從延長組到劉家溝組，地層巖性主要以泥巖、泥砂巖互層為主，需注意防塌和縮徑，要控制好鉆井液中的固相含量，鉆井液中需加入大分子包被劑[17-18]。鉆穿劉家溝后，需要調(diào)整鉆井液性能，保證具備較強(qiáng)的抑制性、封堵性和潤滑性。根據(jù)已施工水平井經(jīng)驗及巖屑運移特點，環(huán)空返速是井眼凈化的關(guān)鍵，在這個階段，需要確保鉆井液泵排量不低于30 L/s，環(huán)空返速不低于0.85 m/s，以此提高鉆井液攜屑能力。在斜井段易導(dǎo)致井眼縮徑和卡鉆，需要注意防止形成虛厚泥餅，要及時補(bǔ)充液體潤滑劑以降低井內(nèi)摩阻[19]。

在提高潤滑性的基礎(chǔ)上，結(jié)合區(qū)塊地層特點，形成了臨興區(qū)塊降阻鉆井液體系配方：1%膨潤土漿+0.2%燒堿+2%木質(zhì)素共聚物+1%超分子降失水劑+1%PAC-LV+0.2%超分子包被劑+2%仿生潤滑劑+0.3%弱凝膠+8%KCl。室內(nèi)評價表明，該鉆井液配方黏度低、切力高，老化前后性能變化小，性能較為穩(wěn)定(見表6)。

將改進(jìn)后的鉆井液應(yīng)用于現(xiàn)場，與改進(jìn)前鉆井液相比，潤滑性能有了明顯的提升，模擬計算出來的摩阻系數(shù)為0.20～0.30，較之前的摩阻系數(shù)0.30～0.45有了明顯的改善(見表7)。

表6 仿生鉆井液老化前后性能Table 6 Performance of bionic drilling fluid before and after aging

表7 改進(jìn)前后鉆井液性能對比表Table 7 Comparison of drilling fluid performance before and after improvement

3.2 應(yīng)用效果

將加入仿生潤滑劑的鉆井液應(yīng)用于臨興致密氣區(qū)塊，與使用普通鉆井液體系作業(yè)的井進(jìn)行比較，根據(jù)統(tǒng)計看出，應(yīng)用仿生潤滑劑鉆井液體系進(jìn)行施工井的平均機(jī)械鉆速和純機(jī)械鉆速均高于使用普通鉆井液體系的井；通過分析計算可知，應(yīng)用仿生潤滑劑平均機(jī)械鉆速提高33%，如圖7所示，純機(jī)械鉆速提高37%，如圖8所示。因此，仿生潤滑劑鉆井液可顯著提升臨興作業(yè)井的機(jī)械鉆速。

圖7 平均機(jī)械鉆速提高情況Fig.7 Average ROP increase

圖8 純機(jī)械鉆速提高情況Fig.8 Pure ROP increase

除了機(jī)械鉆速以外，井眼的井徑擴(kuò)大率也明顯降低，井眼擴(kuò)大率是評定鉆井井身質(zhì)量的重要指標(biāo)，實際中往往使用平均井徑擴(kuò)大率與最大井徑擴(kuò)大率來評定井身質(zhì)量。對臨興區(qū)塊應(yīng)用仿生潤滑劑鉆井液和其他鉆井液體系作業(yè)井的井眼擴(kuò)大率進(jìn)行統(tǒng)計分析，結(jié)果表明，應(yīng)用仿生潤滑劑可使井眼擴(kuò)大率降低約34%。

將該鉆井液應(yīng)用于后續(xù)的水平井作業(yè)，鉆井過程中的摩阻明顯降低，水平井最大鉆深已經(jīng)超過3 500 m，水平段長超過1 200 m，已經(jīng)有8口水平井完鉆深度超過了3 000 m(見表8)，完成了地質(zhì)油藏的目標(biāo)。

表8 改進(jìn)后水平井鉆井?dāng)?shù)據(jù)表Table 8 Drilling data of improved horizontal wells

4 結(jié)論

針對臨興致密氣區(qū)塊鉆井過程中出現(xiàn)的高摩阻問題，結(jié)合地層特點，對鉆井液用潤滑劑開展了研究，受蚯蚓黏液啟發(fā)，研制了仿生潤滑劑，形成了適合臨興區(qū)塊的低摩阻鉆井液體系。主要研究結(jié)論如下：

1)在150 ℃高溫下，利用長鏈脂肪酸和多元醇為原料，反應(yīng)6 h，研制出了潤滑性能突出的仿生潤滑劑。

2)通過性能評價，仿生潤滑劑的極壓潤滑系數(shù)降低率達(dá)到90%以上，抗溫可達(dá)120 ℃，可以顯著提高濾餅的潤滑性能，表明可將其作為一種高性能潤滑劑，在現(xiàn)場投入使用。

3)根據(jù)鉆遇地層特點，將仿生潤滑劑添加到鉆井液體系中，形成了適合臨興區(qū)塊鉆井的降阻鉆井液配方：1%膨潤土漿+0.2%燒堿+2%木質(zhì)素共聚物+1%超分子降失水劑+1%PAC-LV+0.2%超分子包被劑+2%仿生潤滑劑+0.3%弱凝膠+8%KCl。

4)現(xiàn)場應(yīng)用表明，該鉆井液潤滑劑可以有效提高鉆速33%，井眼擴(kuò)大率降低約34%，有效實現(xiàn)提速增效的目的。