大位移井完井液潤滑劑性能評價*

江 華，楊 洋，由福昌，杜佳琪，鄧 聰

（1.中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東深圳 518067；2.荊州嘉華科技有限公司，湖北荊州 434000）

大位移井一般是指水平位移與垂直深度之比大于2 的定向井和水平井。目前為了開發(fā)邊際油田、減少海上鉆井平臺和提高投資效益，大位移水平井作業(yè)需求不斷增長，水平位移不斷延長，目前水平位移已突破10 000 m，水平位移與垂直深度之比遠遠大于2。與直井相比，大位移井完井作業(yè)中最大的難點是生產(chǎn)管柱下入過程中，由于重力影響，管柱貼近井眼低邊一側(cè)，完井管柱與井壁接觸面積增大，摩阻增加，導(dǎo)致完井管柱下入困難，完井管柱也會因此產(chǎn)生摩擦損傷，嚴重影響完井作業(yè)的進行［1-2］。

含固相完井液存在以下問題：（1）含固相完井液靜止時凝膠強度高，開泵時易引起壓力波動，停泵時固相易沉降，增加了井下復(fù)雜事故發(fā)生的可能性［3-5］；（2）黏度大，固相含量高，增加井下工具摩阻，引起井筒中高摩擦壓力損失［6-8］；（3）固相會增加作業(yè)過程中的鉆井液當(dāng)量密度［9-10］；（4）容易對儲層帶來固相傷害［11-12］。而無固相完井液或清潔鹽水完井液具有以下優(yōu)點［13-14］：（1）固相含量低，對儲層保護效果好；（2）礦化度高，抑制能力強；（3）黏度低，摩阻壓力損失小，完井管柱下入過程中的摩阻要小于含固相完井液，降低完井管柱及工具的磨損破壞。因此，無固相完井液或清潔鹽水完井液更適合大位移井的完井作業(yè)。

無固相完井液或清潔鹽水完井液本身的潤滑性較好，但在現(xiàn)場完井作業(yè)中，僅僅依靠完井液自身的潤滑性并不能滿足完井作業(yè)中的降摩減阻要求，需要加入一定量的潤滑劑。但是目前常用潤滑劑多為油溶性潤滑劑，含油量較多，在無固相完井液或者清潔鹽水完井液中容易產(chǎn)生浮油或者油珠，給儲層帶來傷害。針對這一情況，本文以潤滑劑主劑、植物油脂酸乙酯、二烷基二硫代氨基甲酸鉬、脂肪醇醚磷酸酯鉀鹽、單丁醚為主要原料研發(fā)了一種完井液水溶性潤滑劑CR301，研究了加有該潤滑劑的KCl鹽水完井液體系降摩減阻性、抗磨能力、配伍性、對儲層保護效果及水鎖效應(yīng)。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

甘油脂肪酸酯GMS、丙二醇單月桂酸酯BPML、油酸二乙醇酰胺ODEA、椰油酸二乙醇酰胺6501（1∶2）、磷酸酯TXP-4、脂肪醇醚磷酸酯鉀鹽MOA3PK、表面活性劑OP-10，江蘇省海安石油化工廠；納米石墨001，青島東凱石墨有限公司；乙醇，工業(yè)級，濟南雙盈化工有限公司；植物油脂酸乙酯，廣州鎂洛迪生物化工科技有限公司；二烷基二硫代氨基甲酸鉬F1510，杭州施特安化工有限公司；單丁醚，濟南麥豐化工有限公司；消泡劑DEL，荊州嘉華科技有限公司；KCl，工業(yè)級；緩蝕劑ZJ，河南森瑞化工有限公司；潤滑劑JX-108，毅嘉新材料（山東）有限公司；潤滑劑-1（鉆井液用水基潤滑劑），濮陽市豪然化工有限公司；潤滑劑-2（鉆井液用潤滑劑），天津雄冠科技發(fā)展有限公司；潤滑劑lube，荊州嘉華科技有限公司；潤滑劑DX621，德旭新材料（廣州）股份有限公司。去離子水；模擬海水，礦化度35000 mg/L、pH值7.6；實驗采用人造模擬巖心（荊州嘉華科技有限公司），巖心滲透率為10×10-3～20×10-3μm2。

Fann21200 型極壓潤滑儀，F(xiàn)ann 儀器公司；KMY201-1A 抗磨試驗機，成都浩宇馳儀器儀表有限公司；WZT-2 型光電濁度計，上海平軒科學(xué)儀器有限公司；HKY-1 型多功能巖心驅(qū)替裝置，荊州塔林儀器設(shè)備公司；QBZY系列全自動表界面張力儀，上海方瑞儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 潤滑劑CR301研制

室溫下，將75 份脂肪酸酯（甘油脂肪酸酯和丙二醇單月桂酸酯的質(zhì)量比1∶1）加入反應(yīng)釜中，然后在攪拌的條件下加入10份表面活性劑（油酸二乙醇酰胺和椰油酸二乙醇酰胺的質(zhì)量比1∶1）和210份去離子水，攪拌升溫至180 ℃后，負壓到0.1～0.2 MPa的條件下充分反應(yīng)3 h，冷卻并恒溫至60 ℃后加入混合均勻的5份磷酸酯和10份納米石墨，在溫度為60～80 ℃時，負壓到0.1～0.2 MPa，反應(yīng)2 h，然后用10 份乙醇洗滌，分離出過濾層；降溫后得到黃色液體即為鉆井液潤滑劑CR301的主劑。

將潤滑劑主劑、植物油脂酸乙酯、二烷基二硫代氨基甲酸鉬、脂肪醇醚磷酸酯鉀鹽、單丁醚、OP-10和消泡劑按一定比例在一定條件下混合得到潤滑劑CR301。

1.2.2 完井液體系的配制

取一定量的配方為模擬海水+25%KCl+2%緩蝕劑ZJ的KCl基礎(chǔ)完井液，加入一定量的潤滑劑，用磁力攪拌器以1000 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌10 min，備用。

1.2.3 評價方法

（1）CR301降摩減阻效果評價

按照Q/SH 1025 0512—2007《鉆井液用潤滑劑通用技術(shù)條件》，用Fann21200極壓潤滑儀在150 ln.lb 的扭矩下測定了加入潤滑劑前后完井液的摩阻系數(shù)。

使用KMY201-1A 抗磨試驗機，主要工作部件由一個隨主軸旋轉(zhuǎn)的磨環(huán)以及壓在磨環(huán)上的固定磨柱構(gòu)成，試驗時在不同壓力條件下，磨環(huán)磨柱之間產(chǎn)生滑動摩擦，試驗機通過砝碼及杠桿構(gòu)成的加力系統(tǒng)，可以測試出潤滑劑的油膜強度以及由潤滑劑在金屬摩擦接觸表面所形成的抗磨保護層的強度，在不斷加砝碼的過程中，磨環(huán)與磨柱抱死卡停，通過加壓砝碼（砝碼一塊重約837 g）的塊數(shù)來評價潤滑劑抗磨減阻能力，可以很好地模擬完井液存在的情況時下管柱過程中金屬管材之間的磨損情況。

（2）與完井液的配伍性

將加有一定量潤滑劑CR301 的KCl 完井液體系在90 ℃的水浴鍋或150 ℃恒溫加熱箱中加熱養(yǎng)護，然后使用光電濁度計測定不同溫度下養(yǎng)護2 h后的加入潤滑劑前后的完井液體系的濁度，以判斷潤滑劑與完井液的配伍性。

（3）儲層保護效果評價

采用HKY-1 型多功能巖心驅(qū)替裝置對巖心進行滲透率的測定，并根據(jù)滲透率恢復(fù)值來判定儲層保護效果。實驗正向氣驅(qū)測定傷害前滲透率，利用完井液反向污染60 min后，正向氣驅(qū)測定傷害后巖心的滲透率，計算滲透率恢復(fù)率。

（4）水鎖效應(yīng)評價

采用QBZY 系列全自動表界面張力儀在60 ℃下測定加入潤滑劑前后完井液體系的表面張力，以判定完井液體系發(fā)生水鎖效應(yīng)的概率。

2 結(jié)果與討論

2.1 潤滑劑CR301的降摩減阻效果

2.1.1 潤滑劑CR301加量對KCl完井液摩阻系數(shù)的影響

不同潤滑劑CR301 加量的KCl 完井液體系的摩阻系數(shù)見表1。隨著CR301 加量的增大，完井液的摩阻系數(shù)減小，當(dāng)CR301加量為3%時，摩阻系數(shù)為0.032，摩阻系數(shù)降低率達58%。摩阻系數(shù)越小，潤滑性越好，金屬間的摩擦阻力越小，在完井作業(yè)中管柱下入過程中的阻力越小，管柱的摩擦損傷越小。由此可見，CR301 可明顯改善KCl 完井液體系的潤滑性。

表1 CR301加量對KCl完井液體系摩阻系數(shù)的影響

2.1.2 潤滑劑CR301加量對KCl完井液抗磨能力的影響

抗磨試驗機主要模擬的是在完井液存在的情況下，金屬與金屬之間的摩擦，砝碼加重的外力可以很好地模擬摩擦阻力。如果完井液的抗磨能力差，則在砝碼加重的外力很小的情況下，試驗機就會卡停。不同CR301 加量的完井液體系的抗磨能力見表2。從表2可以看出，KCl完井液不加潤滑劑時，在4塊砝碼的外力下即會卡停；潤滑劑CR301為2%時，完井液體系的抗磨能力明顯增強，在10塊砝碼的外力下才會卡停；潤滑劑CR301 加量大于2%時，在10 塊砝碼的外力下也不會卡停。此外，還可以從磨柱磨痕的狀態(tài)來推斷完井液體系的抗磨能力。在未加CR301 的完井液中的磨柱磨痕的表面積遠遠大于在CR301加量為2%的完井液中鋼球的磨痕。加入CR301 后完井液體系的抗磨能力大大提高，CR301 可明顯改善完井管柱下入過程中的磨損傷害。

表2 不同CR301加量下完井液體系的抗磨能力

2.1.3 不同潤滑劑對KCl完井液潤滑性能的對比

室內(nèi)評價了潤滑劑CR301 與其他幾種潤滑劑對KCl 完井液體系潤滑性能的改善效果，結(jié)果見表3，潤滑劑加量為2%。在相同加量下，加入潤滑劑CR301和潤滑劑-2的KCl完井液體系體系的抗磨能力相當(dāng)，均為10塊砝碼卡停。加入潤滑劑-2的KCl完井液體系的摩阻系數(shù)降低率為43.59%，略高于加入潤滑劑CR301的KCl完井液體系的（41.03%），但潤滑劑-2在完井液體系中以油珠的形式均勻分散，在儲層中容易附著在地層巖石上而封堵巖石孔隙，給儲層帶來傷害。加入潤滑劑Lube 的KCl 完井液體系的摩阻系數(shù)降低率也在40%左右，但抗磨能力比加入CR301的KCl完井液體系的差，且完井液表面有油花，在儲層中容易附著在地層巖石上而封堵巖石孔隙，給儲層帶來傷害。

表3 相同加量下不同潤滑劑對KCl完井液潤滑性能的影響

綜上，在KCl 完井液中加入潤滑劑CR301 后可以大大降低完井液的摩阻，提高完井液的抗磨性能，減小金屬之間的磨損，從而在完井液作業(yè)中降低管柱下入的摩擦阻力，減小管柱摩擦損傷。此外，加入潤滑劑CR301的完井液體系清澈透明無油花，不會給儲層帶來傷害。

2.2 其他性能

2.2.1 潤滑劑CR301與KCl完井液的配伍性

加有不同量潤滑劑CR301 的KCl 完井液體系分別在室溫、90 ℃、150 ℃下放置2 h后的濁度見表4。潤滑劑CR301 對KCl 完井液體系的濁度影響不大，不管是在室溫還是在150℃高溫下均沒有不溶物產(chǎn)生，外觀清澈透明。這說明潤滑劑CR301 與KCl 完井液體系具有良好的配伍性，不會在完井液作業(yè)中給儲層帶來傷害。

表4 CR301加量對完井液濁度的影響

2.2.2 對儲層的保護性能

采用HKY-1 型多功能巖心驅(qū)替裝置對完井液體系進行儲層保護性能評價，結(jié)果如表5 所示。從表5 可以看出，KCl 完井液體系對儲層的傷害程度較小，巖心滲透率恢復(fù)值為75.4%；加入2%的潤滑劑CR301 后，巖心滲透率恢復(fù)值由75.4%提高至85.4%。這說明潤滑劑CR301對儲層的保護效果很好，可一定程度上減小完井液體系對儲層的傷害。

2.2.3 水鎖效應(yīng)評價

表面張力越大，越容易產(chǎn)生水鎖效應(yīng)，越容易帶來儲層傷害。從儲層保護效果考慮，完井液的表面張力越小越好。加有不同量潤滑劑CR301的KCl完井液體系的表面張力見表6。加入CR301后，KCl完井液體系的表面張力明顯降低，加量為2%和3%時表面張力可降至30 mN/m 以下。加入潤滑劑CR301 可以減小KCl 完井液體系水鎖效應(yīng)的發(fā)生，降低儲層傷害，這與儲層保護實驗結(jié)果一致。

表6 不同加量CR301下KCl完井液體系的表面張力

3 結(jié)論

水溶性潤滑劑CR301 可大大改善KCl 完井液的潤滑性能，降低完井液的摩阻，減小完井管柱下入阻力，降低完井管柱的摩擦損傷。與空白KCl 完井液相比，加入2% CR301 的KCl 完井液體系的摩阻系數(shù)降低率可達41.03%，抗磨能力可以承受10塊砝碼的重量，且磨痕明顯變小。

CR301 與KCl 完井液具有很好的配伍性，外觀清澈透明，表面無油花。CR301 可改善完井液體系的儲層保護性能，減小水鎖效應(yīng)，減低對儲層傷害。CR301 可作為完井液的潤滑劑用在大位移井完井作業(yè)中。