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国外Y区块储层润滑防卡钻井液技术

文档作者：柴金鹏1，2 邱正松1 郭保雨2 王旭东2 蔡勇2 文档来源： 1. 中国石油大学（华东）石油工程学院， 2. 中石化胜利石油工程有限公司钻井工程技术公司，		点击数：	更新时间： 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
钻 井 液 与 完 井 液
DRILLING FLUID &amp;amp; COMPLETION FLUID
doi: 10.3969/j.issn.1001-5620.2017.04.008
国外Y 区块储层润滑防卡钻井液技术
柴金鹏1，2， 邱正松1， 郭保雨2， 王旭东2， 蔡勇2
（1. 中国石油大学（华东）石油工程学院，山东青岛266580 ；2. 中石化胜利石油工程有限公司钻井工程技术公司，山东东营257064）
柴金鹏，邱正松，郭保雨，等. 国外Y 区块储层润滑防卡钻井液技术[J]. 钻井液与完井液，2017，34（4）：45-48.
CHAI Jinpeng, QIU Zhengsong, GUO Baoyu, et al.Application of lubricating drilling fluid technology in drilling the Fahliyan
Formation of block Y[J].Drilling Fluid &amp;amp; Completion Fluid，2017，34（4）：45-48.
摘要 国外Y 区块主力油层为Fahliyan 地层，属于渗透性灰岩地层，以孔隙为主，含少量微裂缝，地层渗透率强，而
且属于高、低压同层，上部地层压力高，在较大的压差作用下极易发生压差卡钻现象。在分析Fahliyan 地层特点及卡钻机
理的基础上，提出了“高效润滑、强化封堵”的解决思路，研制了高性能的植物油润滑剂，并建立了润滑防卡钻井液体系。
研究表明：在25 ℃时，在6% 膨润土浆中加入1% 的植物油润滑剂，体系的极压润滑系数降低率和黏附系数降低率分别达
到88.57% 和86.67%，而且在体系中引入非离子表面活性剂Tween 80 和双子表面活性剂C12-2-12 的混合物作为高温保护剂，
将其抗温能力提高至170 ℃ ；以植物油润滑剂和封堵材料为基础，建立了润滑防卡钻井液体系，该体系泥饼摩阻系数小于
0.05，极压润滑系数小于0.1。该区块的9 口井使用该润滑防卡钻井液体系钻Fahliyan 地层后，均无卡钻事故发生，确保了
现场施工的顺利进行，取得了良好的应用效果。
关键词 润滑；防卡；润滑剂；植物油；压差卡钻；Fahliyan 地层
中图分类号：TE254.3 文献标识码：A 文章编号：1001-5620（2017）04-0045-04
国外Y 区块的主力油层是位于白垩系下统的Fahliyan 地层，为孔隙性渗透性灰岩地层，以孔隙
基金项目：胜利石油工程有限公司科技攻关项目（GC1204 ）。
第一作者简介：柴金鹏，1974 年生，高级工程师，现为中国石油大学（华东） 在读博士生，主要从事钻井液技术研究
与应用及市场开发等工作。电话 13864720102 ； E-mail ：chaijinpeng.slyt@sinopec.com。
Application of Lubricating Drilling Fluid Technology in Drilling the Fahliyan Formation of Block Y
CHAI Jinpeng1, 2, QIU Zhengsong1, GUO Baoyu2, WANG Xudong2, CAI Yong2
(1. College of Petroleum Engineering, China University of Petroleum, Qingdao, Shandong 266580;2. Branch of Drilling
Engineering Technology, Sinopec Shengli Petroleum Engineering Company Ltd., Dongying, Shandong 257064)
Abstract Fahliyan Formation, the main target zone in the Block Y, is a permeable limestone formation with developed porosity, small
amount of micro-fractures and high permeability. High pressure and low pressure layers are coexisting in the same formation with high
pressure existing in the upper part of that formation. Pipe sticking is easy to happen under high differential pressures. To solve these
problems, a drilling fluid with high lubricity and high plugging capacity was developed based on the analysis of the characteristics of
the Fahliyan Formation and the mechanism of pipe sticking. The lubricity of the drilling fluid came from a high performance vegetable
oil lubricant developed. Laboratory studies showed that at 25 ℃, 6% bentonite slurry treated with 1% vegetable oil lubricant, had
its extreme pressure friction coefficient and adhesion coefficient reduced by 88.57% and 86.67%, respectively. The treatment of the
bentonite slurry with a nonionic surfactant tween-80 and a Gemini surfactant C12-2-12 enhanced the high temperature stability of the
bentonite slurry to 170 ℃. A lubricating drilling fluid was formulated with these additives and a plugging agent. This drilling fluid had
mud cake friction coefficient that was less than 0.05, extreme pressure friction coefficient less than 0.2, and effectively functioned at
170 ℃. The application of this drilling fluid, together with a set of appropriate engineering measures in 9 wells (penetrating the Fahliyan
Formation) proved successful. No pipe sticking accident occurred during drilling, ensuring the success of the drilling operation.
Key words Lubricate; Pipe sticking prevention; Lubricant; Vegetable oil; Differential pressure pipe sticking; Fahliyan Formation
万方数据
46 钻 井 液 与 完 井 液 2017 年 7 月
为主，含少量微裂缝，地层渗透率强，由U.Fahliyan
和L.Fahliyan 两套不同压力体系组成[1-5]。为达到
简化井身结构、优质快速钻井的目的，在同一裸
眼段需要同时钻开这2 种层位，由于钻井液密度
大（1.70 g/cm3），与地层孔隙压力间的压差达15
MPa，在较大的压差作用下易发生压差卡钻。在施
工过程中，Fahliyan 地层多次发生卡钻现象。该地
层的卡钻事故特点为：卡钻时间短，卡钻后均能
建立循环，卡钻前后泵压无差异，加入解卡剂后
大部分能顺利解卡。由此判断其属于压差卡钻[1-7]。
该区块地温梯度为2.89 ℃ /100 m，井下温度高达
145 ℃，较高的井底温度对防卡处理提出了更高的
要求。为了解决Fahliyan 地层的卡钻问题，先后使
用了油基钻井液和KCl 聚磺钻井液体系，但效果
均不理想[3]。在该区块F11 井的施工过程中[5]，钻
进Fahliyan 地层后，发生了严重的压差卡钻，尽管
加入了足量的封堵剂和润滑剂，但由于润滑剂的性
能达不到要求，未见任何效果，无法继续钻进，只
能提前完钻。针对现有润滑剂不能满足Fahliyan 地
层钻井需要的问题，研制了高性能的植物油润滑剂，
并以此为基础构建了润滑防卡钻井液体系，解决了
Fahliyan 地层的压差卡钻问题。
1 植物油润滑剂的研制
1.1 植物油润滑剂的制备
植物油的主要成分是直链高级脂肪酸、脂肪
酸三甘油酯以及少量的水分等，笔者采用化学法来
制备植物油润滑剂，主要涉及酯化反应和酯交换反
应[8]。为了增强植物油润滑剂的抗温性能，在植物
油润滑剂中加入了抗高温保护剂。
在装有搅拌器、回流冷凝管以及分水器的反应
器中，将植物油、甲醇（或甲醇/ 乙醇的混合物）
以及催化剂按照一定比例混合，升温至120 ℃，反
应过程中测定其转化率，反应结束后蒸馏除去未反
应的甲醇，降温至90 ℃后，加入抗高温保护剂，
搅拌均匀后出料，即得研制的植物油润滑剂。
抗高温保护剂是非离子表面活性剂Tween80
和双子表面活性剂C12-2-12 的混合物。双子表
面活性剂C12-2-12 分子结构中拥有2 个头基、2
个烷基尾链和一条联接基。由于其特殊的分子结
构，该分子同时存在分子间和分子内作用力[9-11]。
C12-2-12 分子通过联接基团将头基连接到一起，
克服了2 个阳离子头基之间的相互排斥作用，使
其能够更加紧密地联接。Tween80 具有较长的柔
性链，C12-2-12 分子吸附到Tween80 的柔性链上，
形成类似“梳形”的结构，而植物油润滑剂分子通
过氢键以及烷基链的疏水作用吸附到C12-2-12 和
Tween 80 形成的“梳形”结构上[12]。C12-2-12 和
Tween 80 在水溶液中能够通过表面活性剂与聚合
物的相互作用实现协同增效的作用，限制植物油润
滑剂分子在高温下的热运动幅度，从而提高其抗高
温的能力。
1.2 植物油润滑剂的性能评价
利用极压润滑仪和黏附系数测定仪来表征植物
油润滑剂的性能，并对其加量进行了优选实验，相
关数据见表1。由表1 可知，研制的植物油润滑剂
既能降低极压润滑系数，又能降低黏附系数，加量
在1% 时便能达到较好的效果，继续增大加量，润
滑效果并没有显著提高，因此确定其加量为1%。
表1 植物油润滑剂在6% 膨润土浆中加量的优选
加量/
%
极压润滑系数黏附系数荧光/
EP △EP/% Kf △Kf/% 级
0 0.70 0 0.15 0 0
0.5 0.15 78.57 0.04 73.33 3
1.0 0.08 88.57 0.02 86.67 3
1.5 0.07 90.00 0.03 80.00 3
2.0 0.07 90.00 0.02 86.67 3
通过高温老化表征了植物油润滑剂的抗温能
力，见表2。由表2 可知，老化温度在120～150 ℃时，
植物油润滑剂的润滑效果稍好于老化之前，这是由
于植物油润滑剂的抗温能力较强，老化之后在基浆
中分散得更好；老化温度在150～170 ℃时，植物
油润滑剂的性能稍有降低，但幅度不大，能够满足
现场应用的需要；当老化温度超过180 ℃时，其性
能下降幅度较大。因此该植物油润滑剂的抗温能力
达到170 ℃。表3 给出了植物油润滑剂和常用润滑
剂性能的对比。由表3 可知，聚合醇润滑剂和聚醚
润滑剂能有效降低黏附系数，但是极压润滑系数降
低不多；酯基润滑剂和白油润滑剂能降低极压润滑
系数，但黏附系数降低不多；在Y 区块前期施工
万方数据
柴第 34 卷 第 4 期 金鹏等：国外Y区块储层润滑防卡钻井液技术 47
中常用的液体乳化剂RH200，能降低极压润滑系
数和黏附系数，但是在高温老化之后性能下降很快，
这也解释了RH200 在Y 区块应用不理想的原因；
和常用的润滑剂对比，植物油润滑剂既能降低极压
润滑系数，又能降低黏附系数，而且具有较好的抗
高温能力，170 ℃高温老化之后性能变化不大。
表2 植物油润滑剂抗温能力表征（加量为1%）
老化条件
极压润滑系数黏附系数荧光/
EP △EP/% Kf △Kf/% 级
25 ℃ 0.08 88.57 0.02 86.67 3
120 ℃、16 h 0.06 91.42 0.02 86.67 2
150 ℃、16 h 0.07 90.00 0.03 80.00 3
160 ℃、16 h 0.09 87.14 0.03 80.00 2
170 ℃、16 h 0.09 87.14 0.04 73.33 2
180 ℃、16 h 0.15 78.57 0.06 60.00 3
190℃、16 h 0.34 52.86 0.08 46.67 3
表3 植物油润滑剂与常用润滑剂性能对比
润滑剂老化条件EP
△EP/
%
Kf
△Kf/
%
基浆25 ℃ 0.70 0.15
植物油
润滑剂
25 ℃ 0.08 88.57 0.02 86.67
170 ℃、16 h 0.09 87.14 0.04 73.33
聚合醇
25 ℃ 0.45 35.71 0.04 73.33
170 ℃、16 h 0.55 21.42 0.08 46.67
聚醚
25 ℃ 0.42 40.00 0.03 80.00
170 ℃、16 h 0.54 22.86 0.07 53.33
白油
25 ℃ 0.14 80.00 0.09 40.00
170 ℃、16 h 0.31 55.71 0.12 20.00
酯基
25 ℃ 0.13 81.42 0.07 53.33
170 ℃、16 h 0.35 50.00 0.12 20.00
RH200
25 ℃ 0.24 65.71 0.03 80.00
170 ℃、16 h 0.39 44.29 0.08 46.67
注：基浆为6% 膨润土浆；润滑剂加量均为1%。
2 润滑防卡钻井液体系
针对Y 区块Fahliyan 地层卡钻的特点，在研
制高性能植物油润滑剂的基础上，建立了润滑防卡
钻井液体系，该体系配方如下。
（1.5%～2%）膨润土+0.3% 烧碱+0.2% 纯碱+
（0.5%～1.2%）非渗透处理剂SNFST+（3%～5%）
SPNH+（3%～5%）SMP-2+（1%～1.5%）植物油润
滑剂+（0.5%～1%）流型调节剂HHDN+（5%～6%）
KCl+（3%～5%）超细CaCO3+（2%～3%）玻璃微珠+
加重剂（重晶石粉）
该体系基本性能：pH 值为11， 密度为
1.60～1.75 g/cm3，塑性黏度为25～35 mPa·s，动
切力为10～12 Pa，API 滤失量不大于2 mL，高温
高压滤失量（150 ℃，3.5 MPa）不大于8 mL，泥饼
摩阻系数低于0.05，极压润滑系数低于0.1，抗温
能力达到170 ℃。
加入植物油润滑剂之后，可以控制润滑防卡钻
井液的摩阻和扭矩在合理的范围。为了强化封堵能
力，加入了足量SPNH 和SMP-2，使体系的高温
高压滤失量不大于8 mL。此外，进入Fahliyan 低
压层时加入超细碳酸钙和玻璃微珠等堵漏材料以封
堵地层，提高地层的承压能力。由表4 可知，润滑
防卡钻井液对砂床具有优异的封堵能力，而且具有
抗温能力强、承压能力好的特点，适用国外Y 油
田F 区块的地层特点[3]。此外，在体系中加入流型
调节剂HHDN 调整钻井液流变性，动塑比控制在
0.40～0.45 Pa/（mPa·s），在保证悬浮携带岩屑的
基础上，兼顾对井壁的冲刷能力，降低形成虚厚泥
饼的可能性，同样有利于预防压差卡钻。
表4 润滑防卡钻井液砂床侵入深度实验
砂床粒径/
mm
砂床侵入深度（170 ℃、3.5 MPa）/cm
第1 次第2 次平均
0.45～0.90 3.5 3.3 3.5
0.28～0.45 2.7 2.3 2.5
0.18～0.28 1.5 1.5 1.5
0.154～0.18 0.5 0.5 0.5
0.125～0.154 0.3 0.5 0.4
3 现场应用
除了提高钻井液的性能，现场应用时还需要
使用合理的工程措施才能有效预防压差卡钻，这些
措施如下。①利用固控设备，控制合理的固相含
量和粒度分配。需控制膨润土含量不大于2%，含
砂量不大于0.2%，固相含量为20%～25%，尽最
大可能减少钻井液中劣质固相的含量。②在钻进
中加入随钻封堵材料单向压力封闭剂SNDF，对
万方数据
48 钻 井 液 与 完 井 液 2017 年 7 月
新钻开的地层进行低浓度的封堵。③精确控制钻
井液密度，尽可能减少压差。根据工程实际情况，
在保证井眼安全的情况下，尽量降低钻井液密度，
减少压差。在U.Fahliyan 地层控制钻井液密度在
1.62～1.65 g/cm3， 在L.Fahliyan 地层控制钻井液密
度在1.68～1.70 g/cm3。④简化钻具结构，减少钻
铤数量，多使用加重钻杆；尽可能缩短钻具静止时
间，接立柱时及时开动转盘活动钻具。
在国外Y 区块的Fahliyan 地层钻进时，9 口井
使用润滑防卡钻井液体系钻进，均无卡钻现象发生，
较好地解决了该区块的压差卡钻问题。特别是F8
井采用KCl- 聚磺钻井液体系，尽管采取了屏蔽暂
堵、添加润滑剂等措施，但在Fahliyan 地层仍然发
生了卡钻现象。解卡后使用上述润滑防卡钻井液技
术继续钻进Fahliyan 地层，无卡钻现象发生。
4 结论
1. 研制的润滑防卡钻井液具有配方简单、操
作方便的特点，使用该钻井液，并辅以合理的工程
措施，在国外Y 区块9 口井的Fahliyan 地层钻进，
均无卡钻发生，为区块的后续开发提供了技术思路。
2. 研制的高性能植物油润滑剂具有抗高温、少
量高效的特点，而且具有来源广、成本低、环保性
能好、不影响录井等特点，具有推广利用的价值。
参 考 文 献
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