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新型高效抗磨減阻劑在東海油氣田的應用

文檔作者：黃召1，2 何福耀1 雷磊1 丁建平1 嚴維鋒1 謝中成1，2 文檔來源： 1．中海石油（中國）有限公司上海分公司 2. 西南石油大學石油與天然氣工程學院，		點擊數(shù)：	更新時間： 2024年02月26日
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第34 卷 第4 期
2017 年7 月
Vol. 34 No. 4
July 2017
鉆 井 液 與 完 井 液
DRILLING FLUID &amp;amp; COMPLETION FLUID
doi: 10.3969/j.issn.1001-5620.2017.04.009
新型高效抗磨減阻劑在東海油氣田的應用
黃召1，2， 何福耀1， 雷磊1， 丁建平1， 嚴維鋒1， 謝中成1，2
（1．中海石油（中國）有限公司上海分公司，上海 200335 ；2. 西南石油大學石油與天然氣工程學院，成都 610500）
黃召，何福耀，雷磊，等. 新型高效抗磨減阻劑在東海油氣田的應用[J]. 鉆井液與完井液，2017， 34（4）：49-54.
HUANG Zhao， HE Fuyao， LEI Lei， et al.Application of a new highly efficient anti-wear friction reducer in donghai oil and
gas field[J]. Drilling Fluid &amp;amp; Completion Fluid，2017， 34（4）：49-54.
摘要 近年來，東海油氣田大位移井、大斜度井和水平分支井鉆井作業(yè)越來越多，鉆進過程中的高扭矩、鉆桿和套管
的磨損已經(jīng)嚴重地影響了作業(yè)的安全和效率。在這些高難度井中引入了一種新型高效抗磨減阻劑ARDR LUBE-100。ARDR
LUBE-100 屬于有機負離子和有機金屬化合物類產(chǎn)品，其主要是以醇、脂等抗磨材料在高溫下，通過酯化合成及縮合反應
得到的產(chǎn)物，在中間體合成過程中產(chǎn)生了有機金屬離子及添加了抗磨惰性離子，通過有機負離子吸附在套管及鉆桿表面，
可以在管體表面形成滾動摩擦，起到了很好的抗磨減阻作用。室內(nèi)評價和現(xiàn)場應用表明，該抗磨減阻劑與鉆井液配伍性良好，
在鉆井液中加入1% 左右即可將鉆井液的潤滑系數(shù)降低60%，鉆具與套管之間的磨損速率降低99.64% 以上，抗磨減阻效果
明顯。
關(guān)鍵詞 鉆井液；抗磨；減阻；水平井；大位移井
中圖分類號：TE254.4 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5620（2017）04-0049-06
Application of a New Highly Efficient Anti-wear Friction Reducer in Donghai Oil and Gas Field
HUANG Zhao1, 2, HE Fuyao1, LEI Lei1, DING Jianping1, YAN Weifeng1, XIE Zhongcheng1, 2
(1. Shanghai Branch Company, CNOOC, Shanghai 200335;
2. School of Oil &amp;amp; Natural Gas Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500)
Abstract In Donghai Oil and Gas Field, more and more extended reach wells, high angle deviated wells and multilateral horizontal
wells have been drilled in recent years. During the drilling operations, high torque and wear-and-tear experienced by the drill pipes
and the casing strings have impacted on the safety and the efficiency of the drilling operations. A highly efficient anti-wear friction
reducer, ARDR LUBE-100 was found, after extensive investigation and experiments, to be effective in dealing with the problems
aforementioned. ARDR LUBE-100 is a compound of organic anions and organic metals, and is a product of anti-wear materials such
as alcohols and esters through esterification reaction or condensation reaction at high temperatures. Organic metal ions are generated
in intermediate synthesis reaction, and anti-wear inert ions are added into the reactants. ARDR LUBE-100 can be adsorbed onto
the surface of a pipe, where rolling friction takes place between the ARDR LUBE-100 particles and the surface of the pipe, thereby
effectively reducing wear-and-tear and friction. Laboratory evaluation and field application proved that the ARDR LUBE-100 has
good compatibility with drilling fluids, and 1% of ARDR LUBE-100 in drilling fluid has reduced the coefficient of friction by 60%,
and rate of wear between drill pipe and casing string reduced by 99.64%, indicating that the use of ARDR LUBE-100 can remarkably
wear-and-tear and friction.
Key words Drilling fluid; Anti-wear; Friction reduction; Horizontal well; Extended reach well
隨著對東海勘探的不斷深入，不少邊際油氣田
被陸續(xù)發(fā)現(xiàn)，這些油氣田的特點是油氣儲量小、油
層厚度薄，埋藏深，低孔低滲，而要經(jīng)濟有效地開
發(fā)這批油氣田，就必須合理地利用周邊的設(shè)施和選
擇合適的開發(fā)方式，因此大位移井、大斜度井和
水平分支井被廣泛地應用到了這些油氣田的開發(fā)
第一作者簡介：黃召，工程師，1982 年生，現(xiàn)在主要從事鉆井液技術(shù)研究工作。電話 13671604406/（021）22831221，
E-mail ：huangzhao@cnooc.com.cn。
萬方數(shù)據(jù)
50 鉆 井 液 與 完 井 液 2017 年 7 月
中[1-5]，由此也導致了鉆井過程中扭矩特別大，鉆
桿和套管磨損嚴重，影響了井下安全和作業(yè)效率。
如何降低鉆進摩阻扭矩和鉆桿套管磨損，是迫切
需要解決的問題[6-8]。通過進行廣泛地調(diào)研和實驗，
一種新型高效抗磨減阻劑ARDR LUBE-100 在這類
高難度井中得到了很好的應用，在現(xiàn)場作業(yè)過程中
降低了摩阻扭矩，減少了鉆桿和套管的磨損。
1 高效抗磨減阻劑的潤滑機理
東海多個開發(fā)井項目組大部分井屬于深井或
超深井大位移井范疇，設(shè)計階段模擬的摩阻扭矩較
大，多口井在鉆遇深部地層后鉆進的摩阻及扭矩達
到了平臺設(shè)備的極限能力。為了避免鉆具疲勞發(fā)生
鉆具事故，減小鉆進過程鉆機負荷，降低作業(yè)風
險，聯(lián)合某關(guān)聯(lián)公司在室內(nèi)合成了高效抗磨減阻劑
ARDR LUBE-100，其屬于有機負離子和有機金屬
化合物類產(chǎn)品，主要是以醇、脂等抗磨材料在高溫
下通過酯化合成及縮合反應得到的產(chǎn)物，通過有機
負離子吸附在套管及鉆桿表面，可以在管體表面形
成滾動摩擦，更好地起到抗磨減阻的作用。ARDR
LUBE-100 含有抗溫油性有機物，具有顯著的潤滑
功能。鉆井液中加入該產(chǎn)品，無需再添加其他潤
滑劑。
2 高效抗磨減阻劑的性能評價
通過在抗磨性能測試儀左邊增加相同重量砝
碼，對金屬鋼柱與摩擦環(huán)加壓進行磨損測試，金屬
鋼柱與摩擦環(huán)間充滿所需測試的流體介質(zhì)。
2.1 抗磨性能
對清水和加有1%ARDR LUBE-100 的流體進
行抗磨性實驗，結(jié)果見表1。由表1 可以看出，清
水僅能承受3 塊砝碼，且磨損嚴重，表面粗糙，而
ARDR LUBE-100 能夠承受7 塊砝碼，輕微磨損，
表面光滑，說明其具有好的抗磨性能。
表1 ARDR LUBE-100 在清水中的抗磨性能
流體介質(zhì)砝碼/ 塊現(xiàn)象
清水3 磨損70 mm， 粗糙
清水+1%ARDRLUBE-100 7 磨損4 mm， 光滑
注：一塊砝碼1 kg，在杠桿原理作用下加在鋼柱上的
壓力為75 kg，實驗條件為常溫常壓。
2.1.1 清水無固相鉆井液磨損實驗
對清水無固相鉆井液進行抗磨損實驗，結(jié)果
見表2。從表2 可以看出，清水無固相鉆井液中加
入0.3%ARDR LUBE-100 后，其磨損速率可降低
99.85% 以上。鉆井液配方如下。
1#　清水+0.5%HV-CMC
表2 不同加量ARDR LUBE-100 對清水無固相
鉆井液（1# 配方）磨損速率的影響
ARDR
LUBE-100/%
負重/
kg
t/
min
金屬磨損量/
mg
磨損速率/
mg/（h·kN）
0 24 4 20.8 1 274.0
0.3 240 4 0.2 1.2
0.5 240 4 0.2 1.2
1.0 240 4 0.3 1.8
2.1.2 飽和鹽水低固相鉆井液磨損實驗
對飽和鹽水低固相鉆井液進行抗磨損實驗，結(jié)
果見表3。由表3 可知，飽和鹽水無固相鉆井液中
加入0.3%～0.5%ARDR LUBE-100 后，其磨損速
率可降低99.64% 以上。鉆井液配方如下。
2#　0.8%淡水膨潤土漿+0.8%NaOH+0.3%
Na2CO3+ 0.1%PAC-LV+1.5%SPNH+1.5%SMP-HT+
2%DYFT+ 2%LPF（H）+30%KCl+0.5% 生物聚合物
表3 不同加量ARDR LUBE-100 對飽和鹽水
無固相鉆井液（2# 配方）磨損速率的影響
ARDR
LUBE-100/%
負重/
kg
t/
s
金屬磨損量/
mg
磨損速率/
mg/（h·kN）
0 24 240 21.0 1 286.2
0.3 240 190 0.6 4.6
0.5 240 190 0.4 3.1
1.0 240 190 0.4 3.1
2.1.3 高密度鐵礦粉鉆井液磨損實驗
對高密度鐵礦粉鉆井液進行抗磨損實驗，結(jié)果
見表4。鉆井液配方如下。
3#　4.0%鈉膨潤土漿+0.8%NaOH+1.0%SMP-1+
0.1%PAC-HV+1.0%SYP-1+1.0%PSC-2+0.1%SP-80+
1.0%XHL+3.0%KCl+ 鐵礦粉和重晶石（3∶1），加
重至2.30 g/cm3
由表4 可知， 高密度鐵礦粉鉆井液中加入
萬方數(shù)據(jù)
黃召第 34 卷 第 4 期 等：新型高效抗磨減阻劑在東海油氣田的應用 51
0.5%～3%ARDR LUBE-100 后，其磨損速率可降
低55.9%～79.5% 左右。
表4 不同加量ARDR LUBE-100 對高密度
鐵礦粉鉆井液（3# 配方）磨損速率的影響
ARDR
LUBE-100/%
負重/
kg
t/
min
金屬磨損
量/mg
磨損速率/
mg/（h·kN）
0 48 4 9.3 397.7
0.5 48 3 4.3 175.5
1.0 48 3 2.7 110.2
2.0 48 3 2.2 89.8
3.0 48 3 2.0 81.6
2.1.4 高效抗磨減阻劑專業(yè)磨損評價
對高效抗磨減阻劑ARDR LUBE-100 進行
S135 鉆桿接頭與P110 套管組合和NATE2000H 耐
磨帶與P110 套管組合下的抗磨損實驗，結(jié)果見表
5 和表6。實驗樣品各4 套，每套測試時間為20
min。所用鉆井液配方如下。
4#　3.0%膨潤土漿+0.7%HV-CMC+2.5%SMP-2+
0.3%PAC-LV+2.5%SPC+0.1%JT-888+0.2%NaOH+
170% 鐵礦粉（密度為1.97 g/cm3）
表5 S135 鉆桿接頭與P110 套管組合在加入1.0%
抗磨減阻劑的4# 配方鉆井液中的磨損實驗
ARDR
LUBE-100/
%
實驗
次數(shù)
試樣組合
磨損前
重量/mg
磨損后重
量/mg
磨損量/
mg
失重/
mg/h
0
S135 鉆桿
接頭
765.3
P110 套管891.0
1.0
1
S135 鉆桿
接頭
6 203.7 6 139.4 64.3
231.8
2 6 089.1 6 032.7 56.4
3 5 991.0 5 878.9 112.1
4 5 825.6 5 749.3 76.3
1.0
1
P110 套管
94 254.2 9 4174.9 79.3
279.7
2 94 174.9 94 112.8 62.1
3 94 112.8 93 977.8 135.0
4 93 977.8 93 881.3 96.5
由表5 可以看出，4# 配方基漿中加入1.0%
ARDR LUBE-100，S135 鉆桿接頭平均每小時失重
231.8 mg，比在基漿中失重降低69.7%；P110 套管
失重為279.7 mg/h，比在基漿中失重降低68.6%。
由表6 可以看出，4# 配方基漿中加入1.0% ARDR
LUBE-100，MATE2000 耐磨帶平均每小時失重77.8
mg，比在基漿中失重降低55.3% ；P110 套管失重
69.8 mg/h，比在基漿中失重降低75.1%。
表6 NATE2000H 耐磨帶與P110 套管組合在加入1.0%
抗磨減阻劑的4# 配方鉆井液中的磨損實驗結(jié)果
ARDR
LUBE-100/
%
實驗
次數(shù)
試樣組合
磨損前
重量/mg
磨損后重
量/mg
磨損量/
mg
失重/
mg/h
0
MATE2000
耐磨帶
174.0
P110 套管280.6
1.0
1
MATE2000
耐磨帶
6 296.1 6 269.4 26.7
77.8
2 6 953.6 6 940.5 13.1
3 6 929.8 6 894.5 35.3
4 6 869.0 6 840.4 28.6
1.0
1
P110 套管
96 086.6 96 060.0 26.6
69.8
2 96 060.0 96 045.8 14.2
3 96 045.8 96 017.9 27.9
4 96 017.9 95 993.5 24.2
2.2 潤滑性能
采用LEM 潤滑儀對ARDR LUBE-100 與常見
的幾種潤滑劑的性能進行了對比評價。在不同載荷、
不斷增加扭矩的情況下測定流體對鉆桿和井壁的摩
擦系數(shù)[9-12]，見圖1 和表7。由圖1 和表7 可以看出，
ARDR LUBE-100 的潤滑性能優(yōu)于液體抗磨減阻劑
Lube167 和Lube776，與其他固體高效抗磨減阻劑
Steel Lube EP 和Starglide 的潤滑性能相當。
圖1　不同抗磨減阻劑的潤滑性能對比
萬方數(shù)據(jù)
52 鉆 井 液 與 完 井 液 2017 年 7 月
2.3 與東海油田常用鉆井液的配伍性
2.3.1 與PEM鉆井液的配伍性
配制4 個PEM 鉆井液樣品，每個400 mL，在
50 ℃下測試流變性，實驗結(jié)果如表8 所示。
表8 加入ARDR LUBE-100 前后PEM 鉆井液性能
ARDR
LUBE-100/
%
T老化/
℃
實驗
條件
φ6/φ3
PV/
mPa·s
YP/
Pa
Gel/
Pa/Pa
FLAPI/
mL
FLHTHP/
mL
0 150
滾前2.5/2 16 5.0 1.0/1.5 9.0 40
滾后5.0/4 19 11.0 2.5/2.5 9.5 36
1.5 100
滾前3.0/2 16 5.0 1.0/1.5 9.0 40
滾后7.0/6 25 11.0 3.0/4.0 9.5 34
1.5 150
滾前3.0/2 18 5.5 1.0/1.5 9.0 35
滾后6.0/5 23 12.5 2.5/3.5 10.0 38
1.5 180
滾前2.5/2 16 5.0 1.0/1.5 9.0 35
滾后5.0/4 21 10.0 2.5/3.0 9.5 40
由表8 可以看出，加入1.5%ARDR LUBE-100
的鉆井液在100～180 ℃下，其流變性能、API 濾
失量、高溫高壓濾失量變化均不大，說明ARDR
LUBE-100 的抗溫性好，與PEM鉆井液的配伍性好。
PEM 鉆井液配方如下。
5#　4 kg/m3NaOH+3 kg/m3Na2CO3+10 kg/m3
膨潤土+4 kg/m3PF-PAC-LV+3 kg/m3 PF-PLUS+
10 kg/m3 PF-DYFT-2+10 kg/m3 PF-LPF-H+10 kg/m3
PF-LSF+10 kg/m3 PF-SPNH-HT+10 kg/m3 PF-SMPHT
2.3.2 與EZFLOW鉆井液的配伍性
配制4 個EZFLOW 鉆井液樣品各400 mL，在
50 ℃下測試鉆井液在不同溫度下熱滾前后的性能。
實驗結(jié)果如表9 所示。由表9 可知，EZFLOW 鉆
井液中加入1.5%ARDR LUBE-100 后，鉆井液滾前
性能基本不變；140 ℃熱滾16 h 后的黏度略有上升，
但增幅很小， 說明ARDR LUBE-100 與EZFLOW
鉆井液具有良好的配伍性；在100～150 ℃ 下，
ARDR LUBE-100 的流變性能、API 濾失量、LSRV
變化均不大，抗溫性好。實驗使用的EZFLOW 配
方如下。
6#　400 mL 海水+3 kg/m3 NaOH+3 kg/m3
Na2CO3+6 kg/m3 EZVIS+25 kg/m3 EZFLO+50 kg/m3
EZCARB
表7 不同抗磨減阻劑的潤滑性能對比
扭矩外力/
N·m
基漿+3%Lube 167 基漿+3%Lube 776 基漿+2%Steel lube EP 基漿+3%Starglide 基漿+3%ARDR LUBE-100
扭矩/N·m 摩擦系數(shù)扭矩/N·m 摩擦系數(shù)扭矩/N·m 摩擦系數(shù)扭矩/N·m 摩擦系數(shù)扭矩/N·m 摩擦系數(shù)
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
68 4.08 0.060 2.72 0.040 2.72 0.040 4.08 0.060 4.76 0.070
136 6.80 0.050 8.16 0.060 6.80 0.050 8.16 0.060 8.16 0.060
204 10.88 0.053 12.24 0.060 10.88 0.053 10.88 0.053 11.56 0.057
272 14.96 0.055 14.96 0.055 13.60 0.050 13.60 0.050 14.96 0.055
340 17.68 0.052 17.68 0.052 16.32 0.048 17.68 0.052 17.00 0.050
408 24.48 0.060 21.76 0.053 19.04 0.047 20.40 0.050 20.40 0.050
476 31.28 0.066 27.20 0.057 23.12 0.049 25.84 0.054 23.80 0.050
544 35.36 0.065 32.64 0.060 25.84 0.048 28.56 0.053 27.20 0.050
612 40.80 0.067 38.08 0.062 29.92 0.049 31.28 0.051 31.28 0.051
680 43.52 0.064 40.80 0.060 32.64 0.048 34.00 0.050 34.68 0.051
748 48.96 0.065 44.88 0.060 38.08 0.051 38.08 0.051 38.76 0.052
816 53.04 0.065 48.96 0.060 39.44 0.048 42.16 0.052 42.16 0.052
平均值0.060 2 0.056 6 0.048 4 0.053 0 0.053 9
最大值0.065 0 0.060 0 0.048 0 0.052 0 0.052 0
萬方數(shù)據(jù)
黃召第 34 卷 第 4 期 等：新型高效抗磨減阻劑在東海油氣田的應用 53
表9 加入ARDR LUBE-100 前后EZFLOW 性能
ARDR
LUBE-100/
%
T 老化/
℃
條件
AV/
mPa·s
PV/
mPa·s
YP/
Pa
φ6/φ3
FLAPI/
mL
LSRV/
mPa·s
0 140
滾前25.5 9 16.5 15/13
滾后34.5 17 17.5 9/8 3.5 36 395
1.5 100
滾前25.5 9 16.5 15/13
滾后37.0 19 16.0 16/14 3.2 53 265
1.5 140
滾前26.0 9 17.0 12/11
滾后35.5 16 19.5 11/9.5 3.4 47 890
1.5 150
滾前25.5 9 16.5 15/13
滾后30.0 15 15.0 10/9 3.5 44 630
注：鉆井液熱滾后的pH 值為8～9。
3 現(xiàn)場應用
3.1 摩阻扭矩應用效果對比
抗磨減阻劑ARDR LUBE-100 被大量使用在了
東海某油氣田開發(fā)項目中，該油氣田設(shè)計8 口井，
5 口水平井，3 口水平分支井，平均井深為4 959
m，地層溫度為120～150 ℃。在氣田多口井鉆井
過程中，頂驅(qū)扭矩波動為50～56 kN·m，超過平
臺鉆具上扣扭矩，鉆進期間頂驅(qū)多次憋停。加入
ARDR LUBE-100 后，扭矩浮值波動明顯降低，最
高降低了20%，扭矩絕對值降低10 kN·m 以上，
提高鉆井時效和降低了卡鉆風險。在加入抗磨減阻
劑ARDR LUBE-100 后，3 口井的平均摩阻降低約
30%，減少了起下鉆鉆具阻卡風險和提高作業(yè)時效。
表10 加入1.5%ARDR LUBE-100 前后鉆井參數(shù)對比
井號井型井深/m 使用ARDR
LUBE-100 井深/m
A5M 水平分支井4 764 4 545
A4H 水平井5 056 4 530
A6H 水平井5 466 5 172
井號
扭矩波動范圍/（kN·m） 上提、下放懸重/t
加入前加入后加入前加入后
A5M 56～60 46～54 205/104 185/115
A4H 46～51 34～37 225/94 194/117
A6H 51～53 45～ 47 245/89 200/97
3.2 鉆具磨損應用效果對比
水平井和大位移井鉆井過程中鉆具磨損往往較
常規(guī)定向井、直井磨損大。該氣田全部為水平井和
水平分支井，在鉆進過程中鉆具磨損較為嚴重。在
加入抗磨減阻劑ARDR LUBE-100 后，鉆具磨損量
明顯減?。ㄒ妶D2 和圖3），沉砂池磁鐵周期鐵屑
收集量較未加入前減少。
圖2　加入抗磨減阻劑鉆具的磨損
圖3　未加入抗磨減阻劑鉆具的磨損
3.3 提高鉆井效率，降低鉆井風險
加入抗磨減阻劑ARDR LUBE-100 后，能顯著
降低起下鉆摩阻，增加下鉆過程中鉆具懸重，便于
鉆具和管柱的下入，同時減少鉆具阻卡風險，在
A4H、A5M 和A6H 井鉆井過程中短程起下鉆及完
鉆后起鉆，井眼均順暢無阻掛，提高了鉆井作業(yè)時
效，減少了井下復雜情況的發(fā)生。
4 認識和結(jié)論
1.ARDR LUBE-100 與東海常用鉆井液配伍性
良好，加入前后鉆井液性能無明顯變化。
2.ARDR LUBE-100 的潤滑性能優(yōu)于廣泛使用
的高效液體潤滑劑，與非常規(guī)固體高效潤滑劑相
當，通過室內(nèi)實驗，不斷優(yōu)化改進，其耐溫性達到
了150 ℃。
3.ARDR LUBE-100 能顯著降低鉆進時的頂驅(qū)
扭矩和起下鉆時鉆具的摩阻，顯著降低鉆具和套管
的磨損。
4.ARDR LUBE-100 能顯著減少摩阻扭矩，提
高機械鉆速，減少卡鉆等鉆井事故風險，為實現(xiàn)安
全、快速、高效鉆井提供了有力保障，可在其他海
上油氣田大力推廣應用。
萬方數(shù)據(jù)
54 鉆 井 液 與 完 井 液 2017 年 7 月
參 考 文 獻
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（收稿日期2017-3-13；HGF=1703M4；編輯 馬倩蕓）

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