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新型高效抗磨减阻剂在东海油气田的应用

文档作者：黄召1，2 何福耀1 雷磊1 丁建平1 严维锋1 谢中成1，2 文档来源： 1．中海石油（中国）有限公司上海分公司 2. 西南石油大学石油与天然气工程学院，		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.1001-5620.2017.04.009
新型高效抗磨减阻剂在东海油气田的应用
黄召1，2， 何福耀1， 雷磊1， 丁建平1， 严维锋1， 谢中成1，2
（1．中海石油（中国）有限公司上海分公司，上海 200335 ；2. 西南石油大学石油与天然气工程学院，成都 610500）
黄召，何福耀，雷磊，等. 新型高效抗磨减阻剂在东海油气田的应用[J]. 钻井液与完井液，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 近年来，东海油气田大位移井、大斜度井和水平分支井钻井作业越来越多，钻进过程中的高扭矩、钻杆和套管
的磨损已经严重地影响了作业的安全和效率。在这些高难度井中引入了一种新型高效抗磨减阻剂ARDR LUBE-100。ARDR
LUBE-100 属于有机负离子和有机金属化合物类产品，其主要是以醇、脂等抗磨材料在高温下，通过酯化合成及缩合反应
得到的产物，在中间体合成过程中产生了有机金属离子及添加了抗磨惰性离子，通过有机负离子吸附在套管及钻杆表面，
可以在管体表面形成滚动摩擦，起到了很好的抗磨减阻作用。室内评价和现场应用表明，该抗磨减阻剂与钻井液配伍性良好，
在钻井液中加入1% 左右即可将钻井液的润滑系数降低60%，钻具与套管之间的磨损速率降低99.64% 以上，抗磨减阻效果
明显。
关键词 钻井液；抗磨；减阻；水平井；大位移井
中图分类号：TE254.4 文献标识码：A 文章编号：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
随着对东海勘探的不断深入，不少边际油气田
被陆续发现，这些油气田的特点是油气储量小、油
层厚度薄，埋藏深，低孔低渗，而要经济有效地开
发这批油气田，就必须合理地利用周边的设施和选
择合适的开发方式，因此大位移井、大斜度井和
水平分支井被广泛地应用到了这些油气田的开发
第一作者简介：黄召，工程师，1982 年生，现在主要从事钻井液技术研究工作。电话 13671604406/（021）22831221，
E-mail ：huangzhao@cnooc.com.cn。
万方数据
50 钻 井 液 与 完 井 液 2017 年 7 月
中[1-5]，由此也导致了钻井过程中扭矩特别大，钻
杆和套管磨损严重，影响了井下安全和作业效率。
如何降低钻进摩阻扭矩和钻杆套管磨损，是迫切
需要解决的问题[6-8]。通过进行广泛地调研和实验，
一种新型高效抗磨减阻剂ARDR LUBE-100 在这类
高难度井中得到了很好的应用，在现场作业过程中
降低了摩阻扭矩，减少了钻杆和套管的磨损。
1 高效抗磨减阻剂的润滑机理
东海多个开发井项目组大部分井属于深井或
超深井大位移井范畴，设计阶段模拟的摩阻扭矩较
大，多口井在钻遇深部地层后钻进的摩阻及扭矩达
到了平台设备的极限能力。为了避免钻具疲劳发生
钻具事故，减小钻进过程钻机负荷，降低作业风
险，联合某关联公司在室内合成了高效抗磨减阻剂
ARDR LUBE-100，其属于有机负离子和有机金属
化合物类产品，主要是以醇、脂等抗磨材料在高温
下通过酯化合成及缩合反应得到的产物，通过有机
负离子吸附在套管及钻杆表面，可以在管体表面形
成滚动摩擦，更好地起到抗磨减阻的作用。ARDR
LUBE-100 含有抗温油性有机物，具有显著的润滑
功能。钻井液中加入该产品，无需再添加其他润
滑剂。
2 高效抗磨减阻剂的性能评价
通过在抗磨性能测试仪左边增加相同重量砝
码，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。
2.1 抗磨性能
对清水和加有1%ARDR LUBE-100 的流体进
行抗磨性实验，结果见表1。由表1 可以看出，清
水仅能承受3 块砝码，且磨损严重，表面粗糙，而
ARDR LUBE-100 能够承受7 块砝码，轻微磨损，
表面光滑，说明其具有好的抗磨性能。
表1 ARDR LUBE-100 在清水中的抗磨性能
流体介质砝码/ 块现象
清水3 磨损70 mm， 粗糙
清水+1%ARDRLUBE-100 7 磨损4 mm， 光滑
注：一块砝码1 kg，在杠杆原理作用下加在钢柱上的
压力为75 kg，实验条件为常温常压。
2.1.1 清水无固相钻井液磨损实验
对清水无固相钻井液进行抗磨损实验，结果
见表2。从表2 可以看出，清水无固相钻井液中加
入0.3%ARDR LUBE-100 后，其磨损速率可降低
99.85% 以上。钻井液配方如下。
1#　清水+0.5%HV-CMC
表2 不同加量ARDR LUBE-100 对清水无固相
钻井液（1# 配方）磨损速率的影响
ARDR
LUBE-100/%
负重/
kg
t/
min
金属磨损量/
mg
磨损速率/
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 饱和盐水低固相钻井液磨损实验
对饱和盐水低固相钻井液进行抗磨损实验，结
果见表3。由表3 可知，饱和盐水无固相钻井液中
加入0.3%～0.5%ARDR LUBE-100 后，其磨损速
率可降低99.64% 以上。钻井液配方如下。
2#　0.8%淡水膨润土浆+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 对饱和盐水
无固相钻井液（2# 配方）磨损速率的影响
ARDR
LUBE-100/%
负重/
kg
t/
s
金属磨损量/
mg
磨损速率/
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 高密度铁矿粉钻井液磨损实验
对高密度铁矿粉钻井液进行抗磨损实验，结果
见表4。钻井液配方如下。
3#　4.0%钠膨润土浆+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+ 铁矿粉和重晶石（3∶1），加
重至2.30 g/cm3
由表4 可知， 高密度铁矿粉钻井液中加入
万方数据
黄召第 34 卷 第 4 期 等：新型高效抗磨减阻剂在东海油气田的应用 51
0.5%～3%ARDR LUBE-100 后，其磨损速率可降
低55.9%～79.5% 左右。
表4 不同加量ARDR LUBE-100 对高密度
铁矿粉钻井液（3# 配方）磨损速率的影响
ARDR
LUBE-100/%
负重/
kg
t/
min
金属磨损
量/mg
磨损速率/
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 高效抗磨减阻剂专业磨损评价
对高效抗磨减阻剂ARDR LUBE-100 进行
S135 钻杆接头与P110 套管组合和NATE2000H 耐
磨带与P110 套管组合下的抗磨损实验，结果见表
5 和表6。实验样品各4 套，每套测试时间为20
min。所用钻井液配方如下。
4#　3.0%膨润土浆+0.7%HV-CMC+2.5%SMP-2+
0.3%PAC-LV+2.5%SPC+0.1%JT-888+0.2%NaOH+
170% 铁矿粉（密度为1.97 g/cm3）
表5 S135 钻杆接头与P110 套管组合在加入1.0%
抗磨减阻剂的4# 配方钻井液中的磨损实验
ARDR
LUBE-100/
%
实验
次数
试样组合
磨损前
重量/mg
磨损后重
量/mg
磨损量/
mg
失重/
mg/h
0
S135 钻杆
接头
765.3
P110 套管891.0
1.0
1
S135 钻杆
接头
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# 配方基浆中加入1.0%
ARDR LUBE-100，S135 钻杆接头平均每小时失重
231.8 mg，比在基浆中失重降低69.7%；P110 套管
失重为279.7 mg/h，比在基浆中失重降低68.6%。
由表6 可以看出，4# 配方基浆中加入1.0% ARDR
LUBE-100，MATE2000 耐磨带平均每小时失重77.8
mg，比在基浆中失重降低55.3% ；P110 套管失重
69.8 mg/h，比在基浆中失重降低75.1%。
表6 NATE2000H 耐磨带与P110 套管组合在加入1.0%
抗磨减阻剂的4# 配方钻井液中的磨损实验结果
ARDR
LUBE-100/
%
实验
次数
试样组合
磨损前
重量/mg
磨损后重
量/mg
磨损量/
mg
失重/
mg/h
0
MATE2000
耐磨带
174.0
P110 套管280.6
1.0
1
MATE2000
耐磨带
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 润滑性能
采用LEM 润滑仪对ARDR LUBE-100 与常见
的几种润滑剂的性能进行了对比评价。在不同载荷、
不断增加扭矩的情况下测定流体对钻杆和井壁的摩
擦系数[9-12]，见图1 和表7。由图1 和表7 可以看出，
ARDR LUBE-100 的润滑性能优于液体抗磨减阻剂
Lube167 和Lube776，与其他固体高效抗磨减阻剂
Steel Lube EP 和Starglide 的润滑性能相当。
图1　不同抗磨减阻剂的润滑性能对比
万方数据
52 钻 井 液 与 完 井 液 2017 年 7 月
2.3 与东海油田常用钻井液的配伍性
2.3.1 与PEM钻井液的配伍性
配制4 个PEM 钻井液样品，每个400 mL，在
50 ℃下测试流变性，实验结果如表8 所示。
表8 加入ARDR LUBE-100 前后PEM 钻井液性能
ARDR
LUBE-100/
%
T老化/
℃
实验
条件
φ6/φ3
PV/
mPa·s
YP/
Pa
Gel/
Pa/Pa
FLAPI/
mL
FLHTHP/
mL
0 150
滚前2.5/2 16 5.0 1.0/1.5 9.0 40
滚后5.0/4 19 11.0 2.5/2.5 9.5 36
1.5 100
滚前3.0/2 16 5.0 1.0/1.5 9.0 40
滚后7.0/6 25 11.0 3.0/4.0 9.5 34
1.5 150
滚前3.0/2 18 5.5 1.0/1.5 9.0 35
滚后6.0/5 23 12.5 2.5/3.5 10.0 38
1.5 180
滚前2.5/2 16 5.0 1.0/1.5 9.0 35
滚后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
的钻井液在100～180 ℃下，其流变性能、API 滤
失量、高温高压滤失量变化均不大，说明ARDR
LUBE-100 的抗温性好，与PEM钻井液的配伍性好。
PEM 钻井液配方如下。
5#　4 kg/m3NaOH+3 kg/m3Na2CO3+10 kg/m3
膨润土+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 与EZFLOW钻井液的配伍性
配制4 个EZFLOW 钻井液样品各400 mL，在
50 ℃下测试钻井液在不同温度下热滚前后的性能。
实验结果如表9 所示。由表9 可知，EZFLOW 钻
井液中加入1.5%ARDR LUBE-100 后，钻井液滚前
性能基本不变；140 ℃热滚16 h 后的黏度略有上升，
但增幅很小， 说明ARDR LUBE-100 与EZFLOW
钻井液具有良好的配伍性；在100～150 ℃ 下，
ARDR LUBE-100 的流变性能、API 滤失量、LSRV
变化均不大，抗温性好。实验使用的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 不同抗磨减阻剂的润滑性能对比
扭矩外力/
N·m
基浆+3%Lube 167 基浆+3%Lube 776 基浆+2%Steel lube EP 基浆+3%Starglide 基浆+3%ARDR LUBE-100
扭矩/N·m 摩擦系数扭矩/N·m 摩擦系数扭矩/N·m 摩擦系数扭矩/N·m 摩擦系数扭矩/N·m 摩擦系数
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
万方数据
黄召第 34 卷 第 4 期 等：新型高效抗磨减阻剂在东海油气田的应用 53
表9 加入ARDR LUBE-100 前后EZFLOW 性能
ARDR
LUBE-100/
%
T 老化/
℃
条件
AV/
mPa·s
PV/
mPa·s
YP/
Pa
φ6/φ3
FLAPI/
mL
LSRV/
mPa·s
0 140
滚前25.5 9 16.5 15/13
滚后34.5 17 17.5 9/8 3.5 36 395
1.5 100
滚前25.5 9 16.5 15/13
滚后37.0 19 16.0 16/14 3.2 53 265
1.5 140
滚前26.0 9 17.0 12/11
滚后35.5 16 19.5 11/9.5 3.4 47 890
1.5 150
滚前25.5 9 16.5 15/13
滚后30.0 15 15.0 10/9 3.5 44 630
注：钻井液热滚后的pH 值为8～9。
3 现场应用
3.1 摩阻扭矩应用效果对比
抗磨减阻剂ARDR LUBE-100 被大量使用在了
东海某油气田开发项目中，该油气田设计8 口井，
5 口水平井，3 口水平分支井，平均井深为4 959
m，地层温度为120～150 ℃。在气田多口井钻井
过程中，顶驱扭矩波动为50～56 kN·m，超过平
台钻具上扣扭矩，钻进期间顶驱多次憋停。加入
ARDR LUBE-100 后，扭矩浮值波动明显降低，最
高降低了20%，扭矩绝对值降低10 kN·m 以上，
提高钻井时效和降低了卡钻风险。在加入抗磨减阻
剂ARDR LUBE-100 后，3 口井的平均摩阻降低约
30%，减少了起下钻钻具阻卡风险和提高作业时效。
表10 加入1.5%ARDR LUBE-100 前后钻井参数对比
井号井型井深/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
井号
扭矩波动范围/（kN·m） 上提、下放悬重/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 钻具磨损应用效果对比
水平井和大位移井钻井过程中钻具磨损往往较
常规定向井、直井磨损大。该气田全部为水平井和
水平分支井，在钻进过程中钻具磨损较为严重。在
加入抗磨减阻剂ARDR LUBE-100 后，钻具磨损量
明显减小（见图2 和图3），沉砂池磁铁周期铁屑
收集量较未加入前减少。
图2　加入抗磨减阻剂钻具的磨损
图3　未加入抗磨减阻剂钻具的磨损
3.3 提高钻井效率，降低钻井风险
加入抗磨减阻剂ARDR LUBE-100 后，能显著
降低起下钻摩阻，增加下钻过程中钻具悬重，便于
钻具和管柱的下入，同时减少钻具阻卡风险，在
A4H、A5M 和A6H 井钻井过程中短程起下钻及完
钻后起钻，井眼均顺畅无阻挂，提高了钻井作业时
效，减少了井下复杂情况的发生。
4 认识和结论
1.ARDR LUBE-100 与东海常用钻井液配伍性
良好，加入前后钻井液性能无明显变化。
2.ARDR LUBE-100 的润滑性能优于广泛使用
的高效液体润滑剂，与非常规固体高效润滑剂相
当，通过室内实验，不断优化改进，其耐温性达到
了150 ℃。
3.ARDR LUBE-100 能显著降低钻进时的顶驱
扭矩和起下钻时钻具的摩阻，显著降低钻具和套管
的磨损。
4.ARDR LUBE-100 能显著减少摩阻扭矩，提
高机械钻速，减少卡钻等钻井事故风险，为实现安
全、快速、高效钻井提供了有力保障，可在其他海
上油气田大力推广应用。
万方数据
54 钻 井 液 与 完 井 液 2017 年 7 月
参 考 文 献
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（收稿日期2017-3-13；HGF=1703M4；编辑 马倩芸）

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