钱晓琳 ，柴龙 ，宣扬 ，徐江 ，林永学 ，叶道平

（1.中国石化石油工程技术研究院，北京 100101；2.中国石化集团西南工程公司湖南钻井分公司，湖南 长沙 410005）

0 引言

随着油气资源的日益枯竭，深水平井钻井已成为开发深层油气藏的重要技术手段。由于储层埋藏深、造斜点深，深水平井定向段和水平段的钻进过程中，钻具和井壁及套管之间存在较大的摩阻和扭矩，常导致起下钻困难、机械钻速慢、易托压、断钻具等诸多井下复杂事故［1-5］。目前，塔河油田深水平井施工仍普遍采用聚磺钻井液中混原油的方式降低摩阻和扭矩［6-10］。但原油毒性大且难降解，对环境危害大，导致后期废弃混油钻井液处理难度大、成本高。为了在解决深水平井摩阻、扭矩大这一技术难题的同时减轻环保压力，中石化石油工程技术研究院成功研制出了一种环境友好且耐高温的钻井液润滑剂SMLUB-E，并以SMLUB-E为主要处理剂形成了不混油低摩阻SMO-FREE钻井液体系。本文首先室内评价了SMO-FREE钻井液的流变性、滤失量及润滑性，然后介绍了该体系在塔河油田TP154XCH井的现场应用情况。

1 作用机理

不混油低摩阻SMO-FREE钻井液的核心组分，包括环保高性能润滑剂SMLUB-E、抗高温提切降滤失剂SMVIS、镶嵌成膜防塌剂SMNA-1。各处理剂的主要作用机理如下：

1）SMLUB-E为含有极压元素的两亲性分子，亲水基团牢固吸附在钻具表面，长链疏水尾基紧密排列朝向外侧，形成一层疏水的物理吸附膜。而当钻具与井壁接触压力较大时，SMLUB-E分子会通过极压元素的作用在摩擦面发生化学反应形成高强度的化学反应膜，显著降低摩擦接触面的摩擦阻力，并保护钻具，减轻磨损，尤其适用于钻具受到较高径向压力情况下降摩减阻的需要（见图1）。

图1 SMLUB-E的润滑降摩机理示意

2）SMVIS能够通过提高钻井液低剪切速率下的动切力来改善携岩能力，防止岩屑床的形成，而对塑性黏度的提高幅度较小，特别适用于环空返速较低的小井眼水平井。

3）SMNA-1具有较好的可变形性和成膜性，以及合理的颗粒粒度分布，能够有效地相互堆积、填充，使泥饼薄且光滑、致密，改善泥饼润滑性。

3种处理剂SMLUB-E，SMVIS和SMNA-1通过协同作用，共同赋予SMO-FREE钻井液优异的润滑降摩性能。

2 室内评价

室内评价了SMO-FREE钻井液的流变性、滤失量及润滑性，并与传统的聚磺混油钻井液进行了对比。

SMO-FREE钻井液配方：3%膨润土+0.3%SMVIS-2+0.2%SMVIS-1+0.3%SMPFL-H+3%SMP-2+3%SMC+1.5%SMNA-1+2%SMLUB-E+0.1%NaOH+重晶石（密度1.30 g/cm3）。

聚磺混油钻井液配方：3%膨润土+0.5%PAC-LV+0.1%HV-CMC+3%SMP-2+3%SMC+1%改性沥青+6%原油+0.5%乳化剂+0.1%NaOH+重晶石（密度1.30 g/cm3）。

2.1 流变性和滤失造壁性

SMO-FREE钻井液与聚磺混油钻井液在160℃老化前后的流变性及滤失量见表1。可以看出：160℃老化16 h后，SMO-FREE钻井液的流变参数变化幅度很小，滤失量仅为2.0 mL，展现了较好的流变性和滤失造壁性；而聚磺混油钻井液在老化后的黏度降低较为明显。160℃老化72 h后，SMO-FREE钻井液的黏度仅小幅下降，滤失量略增，但仍然保持在较低值；而聚磺混油钻井液的黏度大幅降低。这说明SMO-FREE钻井液的高温稳定性较好，优于传统的聚磺混油钻井液体系。

表1 SMO-FREE钻井液与聚磺混油钻井液流变性和滤失量评价结果

2.2 润滑性

SMO-FREE钻井液和聚磺混油钻井液于160℃老化不同时间的润滑性变化见表2。老化16 h后，SMOFREE钻井液的极压润滑系数和泥饼黏附系数分别为0.095和0.052 4，分别比聚磺混油钻井液低约39%和25%，展现了更为优异的润滑性能。老化72 h后，SMOFREE钻井液的极压润滑系数和泥饼黏附系数分别增大到0.213和0.0787，但仍明显优于聚磺混油钻井液。

表2 SMO-FREE钻井液与聚磺混油钻井液润滑性评价结果

3 现场应用

3.1 TP154XCH井概况

TP154XCH井是中石化西北油田分公司部署的一口侧钻水平井。该井位于库车县境内，构造位置属阿克库勒凸起西南斜坡。本井采用裸眼侧钻，侧钻点选择在奥陶系上统良里塔格组。侧钻点井深6 156 m，侧钻段最大井斜角为46.31°，靶点距井口水平位移为137.19 m。设计使用φ149.2mm钻头钻至完钻井深6 292.54 m，裸眼完井。钻遇地层包括奥陶系良里塔格组、恰尔巴克组和一间房组，岩性为黄灰色泥晶灰岩、棕褐色灰质泥岩、浅灰色泥晶灰岩、砂屑泥晶灰岩、泥晶砂屑灰岩。TP154XCH井原井眼轨迹呈阶梯状，最大井斜角达21.4°，使得本井在套管中的摩阻就高达100～120 kN，这对钻井液的润滑降摩效果提出了较大挑战。在保证井下摩阻较低的前提下，为了避免混油钻井液带来的环保压力，本侧钻井采用不添加原油的SMO-FREE钻井液。

3.2 SMO-FREE钻井液现场配方

（3%～4%）膨润土+（0.2%～0.3%）SMVIS-1+（0.2%～0.3%）SMVIS-2+（0.3%～0.4%）HV-CMC+（1% ～2%）SMP-1+（1%～2%）SPNH+（1%～2%）TSH-2+（1%～2%）SMNA-1+（0.5%～2.0%）SMLUB-E+BaSO4（密度 1.16 g/cm3）。

3.3 现场应用效果

3.3.1 SMO-FREE钻井液流变性和滤失量

钻进过程中，SMO-FREE钻井液的流变性和滤失量一直保持稳定。随着SMLUB-E质量分数的不断增加，钻井液的黏度、切力和滤失量变化幅度较小（见表3），滤饼始终保持光滑、致密及较好的韧性，说明SMLUB-E不会对钻井液的流变性、滤失量和滤饼质量造成负面影响。此外，目前市面上很多润滑剂产品在高温下容易使钻井液起泡，影响泥浆泵上水；原油及一些润滑剂还会因高温破乳和盐析作用而从钻井液中析出，并被振动筛筛除，增大了消耗量。而SMLUB-E则没有出现明显的起泡和析出现象，证明了该产品具有较好的稳定性。

表3 钻井过程中不混油钻井液流变性和滤失量变化

3.3.2 SMO-FREE钻井液润滑性与井下摩阻变化

3.3.2.1 黏卡、托压

TP154XCH井整个侧钻段钻进期间，起下钻及接单根时未发生任何黏卡、遇阻情况，滑动钻进无任何托压现象，表明SMO-FREE钻井液具有良好的润滑性，有效降低了井下摩阻。

3.3.2.2 井下摩阻

井下摩阻随井深、井斜角以及润滑剂SMLUB-E质量分数的变化规律如图2所示。从图2可以看出，定向钻进开始后加入0.5%SMLUB-E，摩阻从初始的120 kN小幅降低至110 kN，然而随着井深和井斜角的增大，摩阻又反弹至140 kN，这说明0.5%SMLUB-E的润滑效果有限，并不能很好地控制钻具进入裸眼段后产生的摩阻。而当SMLUB-E的质量分数提高到1.0%后，摩阻从140 kN降低到100 kN，初步展现了一定的润滑效果。

图2 TP154XCH井摩阻变化曲线

钻进至6 230 m时，SMLUB-E的质量分数已进一步提高到1.5%，此时可明显观察到摩阻显著下降，从100 kN下降到60 kN左右。自6 250 m开始进入稳斜段后，随着SMLUB-E的质量分数增大到2.0%，摩阻也从60 kN进一步下降到40 kN。此时摩阻已远低于老井在套管中的摩阻（100～120 kN），说明SMLUB-E质量分数达到1.5%～2.0%时能够有效降低套管和裸眼中的摩阻，展现出优异的润滑性能。

3.3.2.3 润滑性与井下摩阻关系分析

钻井过程中，SMO-FREE钻井液极压润滑系数和泥饼黏附系数随SMLUB-E质量分数的变化如表4所示。未加SMLUB-E时，钻井液的润滑性较差。当加入0.5%SMLUB-E后，泥饼黏附系数大幅下降到0.061 2，说明少量的SMLUB-E就可以显著降低泥饼表面的摩擦因数。但极压润滑系数的下降幅度很小，仅从0.270下降到0.250，这说明0.5%的质量分数并不能有效改善SMLUB-E的极压润滑系数。随着SMLUB-E质量分数从0.5%逐渐增大到1.5%，泥饼黏附系数趋于稳定，始终保持在0.052 4～0.043 7。而极压润滑系数也从0.250显著下降到0.160，说明只有当SMLUB-E的质量分数在1.5%以上时，才能形成牢固、较高压力下不易被破坏的润滑膜。

表4 SMO-FREE钻井液润滑性变化

通过关联摩阻与极压润滑系数的变化曲线（见图2），可以进一步弄清摩阻与SMO-FREE钻井液润滑性的关系。从图2可以看出，侧钻开始后至6 212 m，随着井斜角的增大，摩阻从120 kN小幅降低到100 kN。在此期间，尽管随着SMLUB-E质量分数从0.5%增加到1.0%，SMO-FREE钻井液极压润滑系数逐渐降低，但仍高于0.20。随着钻进的继续，SMLUB-E的质量分数从1.0%进一步提高到1.5%，此时极压润滑系数从0.21下降到0.16，摩阻也从100 kN显著下降到60 kN左右。继续增大SMLUB-E质量分数至2.0%，使极压润滑系数下降到0.14，摩阻也进一步下降到40 kN。通过分析SMLUB-E质量分数、极压润滑系数与摩阻的关系可知，当SMO-FREE钻井液中SMLUB-E质量分数高于1.5%时，极压润滑系数低于0.16，此时能够发挥优异的润滑效果，将摩阻控制在较低范围。

4 结论

1）室内评价结果表明，不混油低摩阻SMO-FREE钻井液抗温可达160℃，具有良好的流变性、滤失造壁性和润滑性，极压润滑系数和泥饼黏附系数分别为0.095和0.052 4，低于聚磺混油钻井液约39%和25%，润滑性能优于聚磺混油钻井液。

2）SMO-FREE钻井液在塔河油田TP154XCH井成功进行了现场应用。全井钻进过程中未出现托压现象，起下钻顺畅，无黏卡。随着环保润滑剂SMLUB-E质量分数逐步提高至1.5%～2.0%，摩阻大幅下降，完钻时摩阻仅为40 kN，远低于老井在套管中的摩阻，说明SMO-FREE钻井液有效降低了钻具与套管及井壁间的摩阻，展示了优异的润滑降摩性能。

3）SMO-FREE钻井液体系在TP154XCH井应用效果良好，井下摩阻低，且未出现任何复杂情况，保证了安全、快速的钻进，不仅减轻了环保压力，且极大提高了钻井效率，具有广阔的应用前景。