化学抗磨减阻剂CX-300 的评价及在大位移井中的应用

魏裕森，王跃曾，李思洋，张伟国，狄明利

（1.中海石油（中国）有限公司深圳分公司，广东深圳 518067；2.中海油服油田化学事业部深圳作业公司，广东深圳 518067）

南海东部在大位移井的钻井和下套管过程中，遇到的难题和挑战主要为构造受到大断层控制，泥浆安全密度窄，很容易漏失。如惠州某油田受两条大断层控制，井眼稳定性差，泥浆安全密度窗口只有0.23 g/cm3；流花某油田储层顶部存在小断层及破碎带，易出现漏失和井下复杂情况。为了在钻井和下套管作业过程中能够有效地控制ECD，避免压漏地层或断层，就需要从各种途径降低摩阻扭矩等。

在大位移井的钻井和下套管过程中，降低扭矩、摩擦阻力和提高管子耐磨能力有两种途径，一种是通过机械方法，即在钻杆柱上加装抗磨减阻工具，造斜段加装NRDPP 类工具、稳斜段加装LoTAD 等，但对于泥浆安全密度窗口很窄的情况，由于降摩减阻工具尺寸大，容易引起钻进、起下钻、下套管激动压力大，易造成ECD 过高压漏地层。另一种方法就是化学方法，即在钻井液、完井液中加入抗磨减阻剂，以降低大位移井由于稳斜角大和稳斜段长而导致的高摩阻和高扭矩，为顺利完成钻井作业和套管顺利下到设计井深创造条件。

为了防止出现套管过度磨损、钻柱扭矩摩阻过高、地层被压漏等情况，使用了抗磨减阻剂CX-300，通过有机负离子吸附在钻杆外表面及套管内表面形成保护膜，起到抗磨减阻效果。另外添加了纳米抗磨惰性材料，可以在套管、钻具表面形成滚动摩擦而起到降摩作用[1]。

1 问题分析与应对

1.1 问题与挑战

（1）南海东部油田新区块钻遇地层断层发育、安全泥浆密度窗口窄，钻进和下套管过程中易发生漏失和出现压差卡钻卡套管等井下事故。

（2）西江区块泥浆安全密度窗口窄，钻进和下套管过程中容易憋漏地层。

（3）部分新区块地层密度窗口窄、地层稳定性差，造成已有技术风险放大化，无法满足现场安全作业。

（4）通过在钻杆柱上加装抗磨减阻工具容易造成ECD 过高压漏地层。

1.2 分析与应对

（1）由于采用机械方法降低摩阻扭矩的效果有限，且在现场应用中出现了钻杆、套管扭矩过高、套管下不到位和压漏地层等情况，因此，通过化学方法来实现降摩减阻是一种行之有效的手段。

（2）高摩阻与扭矩是大位移井的主要特征，化学降摩减阻技术的贡献在于可以降低钻进和下套管时的摩阻和扭矩，有利于控制井下ECD，避免压漏地层出现漏失。

（3）在现有的化学降摩减阻剂中通过筛选而选出CX-300，并对其进行评价和现场应用。

2 技术现状

2.1 化学降摩减阻技术现状

2.1.1 降失水剂 在井眼的钻进过程中，由于正压作用，水基钻井液的滤液会通过泥饼侵入地层，从而引起泥页岩的水化膨胀效应[1，2]，严重时会导致井壁失稳以及各种复杂情况发生。在钻井液中加入降失水剂可以在井壁上形成薄而致密且渗透率低的滤饼，从而有效降低钻井过程中钻井液的滤失量。钻井液降滤失剂主要有水溶性和油溶性两类。最常用的是水溶性降滤失剂，分为：天然及改性天然高分子类、合成聚合物类、合成树脂类以及工业废料和化工副产品改性制备的降滤失剂四大类[3]。

2.1.2 流变改性剂 流变改性剂又名流型调节剂，主要用于改善钻井液体系的流变性，即改善黏度和切力两方面，因此，流型调节剂也称增黏提切剂或提切剂。其中，黏度主要受体系的固相含量影响，尤其是小颗粒固相含量越多，体系的黏度越大。钻井液应该具有适当的黏度，若黏度过小，钻井液的滤失量会增大，造成经济损失的同时，也对储层产生损害；若黏度过大，钻井液循环过程中的摩阻就会变大，钻进速度减慢，钻具使用寿命缩短，而且容易发生井下事故。而切力主要由体系的结构力决定，有时固相含量也会对钻井液体系的切力造成影响。当钻井液中空间网架结构越稳定时，体系的切力就越强。钻井液的切力不宜过小，过小的切力无法悬浮固相和清洁岩屑，切力过大则容易造成憋泵。流型调节剂作用于钻井液体系，在适当范围内对体系流变参数进行调节，确保钻井液具有良好的剪切稀释性能[4]。目前用于钻井液的常见流型调节剂主要包括有机土增效剂聚酯橡胶和改性脂肪酸等。

2.1.3 抗磨减阻剂 钻井液用润滑剂既可以提高钻井液的润滑性能、降低井下摩阻，还可以改善钻井液的流变性和滤失性能，提高破岩效率[5]。液体润滑剂是最常用的润滑剂，但近年来随着油气开采过程中，对海洋生态环境的要求日趋严苛，对于钻井液处理剂的环保要求日益严格，矿物油类、沥青类等常规润滑剂在现场的应用逐渐受到限制，而环保润滑剂、极压润滑剂以及纳米润滑剂等越来越受到研究学者的青睐。固体类润滑剂也是一类常用的润滑剂，其摩擦方式主要为滚动摩擦，能在钻具与井壁之间形成滚动摩擦，降低磨损。但在钻井过程中，其在钻具的挤压作用下易破碎和变形，且尺寸较大，易被固控设备清除，严重影响其润滑效果[6－10]。

2.2 化学降摩减阻润滑机理

化学降摩减阻剂属有机负离子化合物类产品，它是以醇、脂肪酸酯、非离子表面活性剂与纳米级抗磨材料在高温条件下通过一系列反应得到的产物，含多种极性基团的有机复合物，吸附基团多，吸附能力强；并引入纳米级抗磨材料，可以在管体表面形成滑动或滚动摩擦，能承受高温高压和高负荷状态，具有优异的抗磨效果；CX-300 中还含有有机抗温油性物，具有良好的润滑功能[7]。

3 化学降摩减阻剂CX-300 评价及测试

3.1 磨损实验

通过在抗磨性能测试仪，在仪器左边增加砝码（一块砝码质量约1 kg，在杠杆原理作用下，其中一块砝码施加在钢柱上的负荷为75 kg），对金属钢柱与摩擦环加压进行磨损测试，金属钢柱与摩擦环间充满所需测试的流体介质。

主要进行以下多种组合实验以测试其抗磨性能：（1）对清水和加有1 %抗磨减阻剂的流体进行抗磨性实验；（2）无固相钻井液磨损性能评价；（3）低固相饱和盐水钻井液磨损性能评价；（4）专业磨损实验：对抗磨减阻剂进行耐磨带与套管组合运转下的抗磨损实验。

加入CX-300 后，钢柱的磨痕显著变小，表明其抗磨损能力强。

3.2 耐温磨蚀实验

钻井液中加入1.0 %抗磨减阻剂后，测定不同温度下磨蚀速率（见图1 和表1）。由图1、表1 数据可知：老化后随着温度的升高，钢柱的磨蚀速率逐渐升高，但相比老化前增量较小，表明CX-300 的耐温性较好，可抗180 ℃。

图1 CX-300 抗磨减阻耐温性能

表1 CX-300 在不同温度下的磨蚀速率

3.3 抗磨损实验

入井前做抗磨减阻剂与钻井液或完井液体系基浆的配伍性实验，每次的测试时长为20 min。主要测试其加入前后、老化前后钻完井液体系流变性能、API 滤失量、黏度及φ3/φ6 的变化，如：基浆配方[5]：3 %膨润土浆+0.2 %NaOH+0.3 %PF-PAC+0.7 %CMC+2.5 %PFSMP-2+2.0 %SPC+0.15 %JT-888+铁矿粉，钻井液密度2.0 g/cm3（见表2）。由表2 可知，在基浆中加入CX-300后，耐磨带的1 h 磨损量为239.8 mg，相比基浆中降低了67.7 %；套管磨损量为287.0 mg，相比基浆中降低了66.6 %，表明1 %CX-300 的套管组合中的减摩效果较好。

3.4 润滑性能评价

室内对抗磨减阻剂与常见几种抗磨润滑剂在基浆中的润滑性能进行了对比评价。

3.4.1 抗磨减阻剂与完井液体系评价

3.4.1.1 完井液配方 采用FANN 极压润滑仪对完井液体系（海水+甲酸钠，1.09 g/cm3）的润滑性能进行室内评价实验，完井液配方如下：

配方一：海水+甲酸钠加重至1.09 g/cm3；

表2 耐磨带与套管组合的抗磨损性能评价

配方二：海水+甲酸钠加重至1.09 g/cm3+2 %抗磨减阻剂；

配方三：海水+甲酸钠加重至1.09 g/cm3+2%抗磨减阻剂+0.7%防水锁剂PF-SATRO-1。

3.4.1.2 实验方法 完井液配制完成以后装入老化罐于120 ℃热滚16 h，冷却后采用FANN 极压润滑仪测试润滑性能（150 lb·f·in）。

3.4.1.3 结果（见表3）。

（1）加入抗磨减阻剂的完井液润滑系数降低率达到47 %，而同时加入抗磨减阻剂和防水锁剂后，其润滑系数降低率仅为21 %。（2）抗磨减阻剂和防水锁剂同时相对于只加入抗磨减阻剂，完井液摩阻系数增加了50 %，说明抗磨减阻剂和防水锁剂的共同使用会影响抗磨减阻剂的效果。由于防水锁剂含有多种表面活性剂，具有表面活性的物质能够降低润滑剂的润滑效果[8]。（3）抗磨减阻剂本身具有降低表面张力效应，说明抗磨减阻剂本身具有防水锁性能，可以不再另外加入防水锁剂。（4）为了保证钻井作业的安全和有效性建议将该抗磨减阻剂作为钻井液常用添加剂使用。

3.5 配伍性实验

基浆取自现场钻井液（见表4），从表4 中可以看出CX-300 抗磨剂对基浆性能影响不大，与现场钻井液配伍性良好。

4 化学降摩减阻技术现场应用效果

抗磨减阻剂在南海东部油田中调整井中加量1 %，扭矩平稳，空转扭矩降幅约12.5 %；有效实现传递钻压，ROP 相比应用前提高45 %（见图2），同时节省设备升级改造费用；其中惠州某大位移井加入后，摩阻系数由0.4 降为0.25（见表5）。通过现场应用与加入前后对比，抗磨减阻剂CX-300 具有明显的减阻、减扭效果，在现场不改变现用钻井液的情况下，CX-300 与钻井液具有很好的配伍性。

在该惠州油田的井中首次使用抗磨减阻剂CX-300，试验井段215.9 mm，井段4 400 m～4 808 m 产层段，井斜51°，加入前后钻井参数对照表。

表3 抗磨减阻剂在完井液体系中润滑性能

表4 CX-300 对基浆性能的影响

图2 CX-300 加入后空转扭矩

表5 CX-300 对钻井参数的影响

通过以上数据对比，抗磨减阻剂CX-300 具有明显的减阻减扭效果。在现场应用中不需要改变已有钻井液的情况下，CX-300 具有良好的配伍性，使用方便，安全可靠，是一种先进的钻井添加剂。

CX-300 在流花油田三口井中使用，钻井摩阻扭矩降低值达到15 %以上，抗磨减阻效果显著。现场应用表明，抗磨减阻润滑剂CX-300 润滑性能好，用量少，经济实用，加入CX-300 不影响钻井液体系配伍性，还能够有效降低钻进时套管与钻具间的摩阻扭矩、降低钻井和下套管时的ECD 波动、消除管柱震动。

现场使用时，CX-300 加入水基钻井液程序类似于其他钻井液添加剂，每次在循环池中进行添加。根据实验室实验和现场使用经验，推荐一次加量为2 %（体积加量，按循环周细水长流均匀地加入，最少添加两个循环周，以保证CX-300 与循环钻井液充分乳化），之后根据现场钻进进尺、钻井参数变化和泥浆消耗量按0.3 %～0.5 %随时补充（也是按循环周细水长流均匀的加入，保证CX-300 与钻井液充分乳化互溶）。在添加CX-300 时适当增大烧碱的加量，提高泥浆pH 值，使用效果更佳。

5 结论

（1）近几年，钻井液用抗磨减阻剂CX-300 在现场应用取得较好效果。经过室内实验评价以及现场应用表明，抗磨减阻润滑剂CX-300 润滑性能好，用量少，经济实用、不影响钻井液体系配伍性；能够降低钻进时钻具与套管间的摩阻扭矩，还能够消除管柱震动，降低钻井和下套管时的ECD 波动。

（2）CX-300 在钻井液、完井液和修井液中都可以使用。但使用之前，有必要进行配伍性实验、耐温实验、添加量和抗磨减阻效果实验评价。

（3）化学方法是大位移井降摩减阻的一种有效途径。通过对CX-300 降摩减阻剂的评价和应用，取得了较好的应用效果，为大位移井化学降摩减阻摸索了一条有益的方法，应在此基础上，不断探索和完善化学降摩减阻体系。