泡沫鉆井技術(shù)在YB27—2井的應(yīng)用

孫勝利

[摘 要]川東北地區(qū)上部地層砂巖泥巖互層頻繁，硬度大，研磨性強(qiáng)，可鉆性差，采用常規(guī)鉆井液方式的機(jī)械鉆速較低。由于上部地層含水量大，從而使空氣鉆井方法應(yīng)用受到限制。針對該地區(qū)上部大井眼施工速度慢、地層出水、井漏等問題，通過室內(nèi)研究優(yōu)選出在該地區(qū)使用的各種處理劑，通過運(yùn)用泡沫鉆井技術(shù)成功的解決了大井眼地層鉆速慢、易漏等問題，大大縮短了鉆井周期。

[關(guān)鍵詞]川東北 泡沫鉆井 周期

中圖分類號：TE242.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）20-0279-02

引言

中石化西南油氣分公司YB27-2井位于四川省蒼溪縣浙水鄉(xiāng)紅旗村1組，是四川盆地川東北巴中低緩構(gòu)造元壩區(qū)塊長興組④號礁帶布置的一口大斜度井，設(shè)計(jì)井深6917米，鉆井中不可預(yù)見的因素較多，特別是該井上部地層不穩(wěn)定，可能存在易漏、易塌、易出水，易斜等復(fù)雜情況，如果用鉆井液鉆井，主要存在機(jī)械鉆速低、嚴(yán)重井漏等復(fù)雜情況等問題。如果使用氣體鉆井，主要存在地層出水的問題，為解決以上問題引入泡沫鉆井技術(shù)。

1 泡沫鉆井技術(shù)

泡沫是以液體為連續(xù)相、氣體為分散相的均勻網(wǎng)狀系統(tǒng)，是一種密度低、粘滯性好、可壓縮的非牛頓流體，泡沫密度可調(diào)范圍大、攜巖性能好且結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，是一種優(yōu)良的低密度鉆井流體。泡沫鉆井就是在壓縮空氣中注入一定量的泡沫劑溶液，使介質(zhì)在循環(huán)中產(chǎn)生大量的穩(wěn)定泡沫，發(fā)揮稀釋、減阻、增浮、降壓和潤滑的多種作用，提高鉆井效能。其基液一般是由水、燒堿、發(fā)泡劑和穩(wěn)泡劑按一定比例配制而成，氣體一般選擇空氣。泡沫在壓力較高情況下性能穩(wěn)定，不易破壞，并具有密度低、失水量小、黏度高、攜巖效果好等特點(diǎn)，所以廣泛地用于低壓、易漏失地層的鉆井。

泡沫鉆井與常規(guī)鉆井液鉆井相比具有如下特點(diǎn)：① 提高機(jī)械鉆速。壓差對鉆速的影響極大，而泡沫的密度低，井內(nèi)液柱壓力達(dá)到最低值，使井底形成一個(gè)較大的負(fù)壓，鉆頭在負(fù)壓下使巖石旋轉(zhuǎn)爆裂、破碎，從而最大限度地提高地層的可鉆性。②用泡沫鉆開地層，井壁不易坍塌。泡沫鉆井由于失水極少，減少了井壁水敏坍塌的可能性。③延長鉆頭使用壽命。在井底鉆頭處，泡沫返速比常規(guī)鉆井液快得多，且由于井底呈負(fù)壓狀態(tài)，鉆屑幾乎沒有壓持效應(yīng)，從而延長了鉆頭牙齒的使用壽命。

2 YB27-2井泡沫鉆井技術(shù)

2.1 YB27-2井上部地層概況

YB27-2井井眼為660.4 mm，屬于特大井眼，環(huán)空間距大，攜砂困難，上部地層以砂巖、泥巖、砂泥巖互層為主，地層含多個(gè)水層，統(tǒng)計(jì)資料顯示：鄰井YB27井在鉆井過程中掉塊嚴(yán)重，發(fā)生井漏8次，YB102井使用密度為1.07g/cm3的鉆井液鉆至劍門關(guān)組（井深20.5-22.8m處）發(fā)生兩次井漏，共漏失鉆井液13.5m3，上部陸相地層研磨性強(qiáng)，地層可鉆性極差（可鉆性級值5～8），鉆頭磨損厲害，巖性多變，機(jī)械鉆速偏低，陸相地層大井眼井段采用常規(guī)鉆井液鉆井的機(jī)械鉆速一般不超過1 m/h。因此確保井底清潔、解決地層出水、抑制井壁坍塌、提高機(jī)械鉆速是該段地層鉆進(jìn)的技術(shù)關(guān)鍵。

2.2 泡沫鉆井液配方

泡沫鉆井液是泡沫鉆井的關(guān)鍵技術(shù)之一，泡沫化學(xué)劑包括發(fā)泡劑、穩(wěn)泡劑、泥巖抑制劑、緩蝕劑、消泡劑等，泡沫化學(xué)劑的選擇應(yīng)確保泡沫具有高的發(fā)泡能力和合適的半衰期，根據(jù)實(shí)際需要還應(yīng)同時(shí)滿足抗油、抗鹽、抗溫、抗腐蝕以及防止地層坍塌的能力。

YB27-2井井眼大，地層出水量大，因此泡沫要滿足以下要求：① 較大的發(fā)泡體積。在井眼容積一定時(shí)，泡沫分散度越高，泡沫體積越大，泡沫液注入量越小，泡沫材料耗量越少，鉆屑在井眼內(nèi)滯留的時(shí)間越短，井眼越容易被清潔② 泡沫穩(wěn)定性強(qiáng)，能在長時(shí)間的循環(huán)和高溫條件下性能穩(wěn)定。③抗污染能力強(qiáng)，與地層流體及入井液配伍性好，化學(xué)劑性能穩(wěn)定。

2.2.1 發(fā)泡劑的優(yōu)選

發(fā)泡劑是常用的一種表面活性劑，它的分子結(jié)構(gòu)由非極性的親油基團(tuán)和極性的親水油成為既有親水性又有親油型的“雙親”結(jié)構(gòu)基團(tuán)所構(gòu)成，泡沫鉆井液主要具有堵漏基層保護(hù)的作用，所以要求發(fā)泡劑有較高的起泡能力，其生成的泡沫必須具備非常良好的均勻細(xì)密性及穩(wěn)定性，還要具備較良好的抗污染能力。介于上述要求，為了保證發(fā)泡劑的優(yōu)選，在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)，取當(dāng)?shù)氐?、鹽水和不同的發(fā)泡劑進(jìn)行試驗(yàn)，分別加入同百分含量的發(fā)泡劑，然后用高速攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌，記錄泡沫的體積和半衰期。

試驗(yàn)結(jié)果如下：

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果選擇發(fā)泡劑AOS，AOS屬于離子型發(fā)泡劑，發(fā)泡量大，離子型發(fā)泡劑形成的雙層吸附膜之間具有排斥力，阻礙了液膜變薄，使水不易排出，延長了泡沫壽命其半衰期長，泡沫穩(wěn)定性好，抗鹽能力強(qiáng)。

2.2.2穩(wěn)泡劑的選擇

泡沫型鉆井液的穩(wěn)定性除受發(fā)泡劑的影響外，還受到穩(wěn)泡劑的影響，泡沫的穩(wěn)定性與液膜的強(qiáng)度密不可分，而液膜的強(qiáng)度取決于液膜的表面粘度，表面粘度大，則液膜不易受到外力作用而破裂，同時(shí)將減緩液膜的排液速度、氣體透過液膜的擴(kuò)散速度和泡沫上移速度，增加了微泡沫的穩(wěn)定性。

針對元壩地區(qū)地層特點(diǎn)和室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，最終選用高分子聚合物聚丙烯酰胺作為穩(wěn)泡劑，可有效提高液相粘度、降低液相流動性、減緩泡沫排液并且還可在井壁表面發(fā)生多點(diǎn)吸附、形成吸附膜，可減緩流體滲入地層、抑制粘土分散膨脹有利于穩(wěn)定井壁的穩(wěn)定。

針對穩(wěn)泡劑加量問題進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，其加量與泡沫性能結(jié)果如下：

從圖中可以看出發(fā)泡量隨著穩(wěn)泡劑的加入逐漸降低，穩(wěn)泡劑加量0.2%以后趨于平穩(wěn)，半衰期隨著穩(wěn)泡劑加量逐漸增加，當(dāng)穩(wěn)泡劑加量0.2%以后逐漸趨于平穩(wěn)，因此穩(wěn)泡劑加量選擇0.2%附近。

2.2.3 井壁穩(wěn)定劑的選擇

為防止泥頁巖因吸水膨脹垮塌，增強(qiáng)泡沫鉆井液的抑制性，解決井壁失穩(wěn)的問題，我們選用能在井壁周圍形成憎水保護(hù)膜的YJB-1，使用川東北上部地層的巖屑，在130度下滾動老化16小時(shí)，進(jìn)行回收率試驗(yàn)，通過巖屑熱滾回收率試驗(yàn)研究現(xiàn)場巖心與不同濃度的YJB-1之間的關(guān)系。

試驗(yàn)結(jié)果如下：

從圖中可以看出，YJB-1加量達(dá)到0.5%以后，巖屑回收率達(dá)到變化也趨于平緩，故確定其加量為0.5%左右，其回收率為95%

根據(jù)以上試驗(yàn)情況和現(xiàn)場實(shí)際制定配方為：0.1%AOS+0.2%PAM+0.5%YJB-1抑制劑+輔助劑

3 YB27-2井現(xiàn)場應(yīng)用效果

3.1 工藝流程及鉆進(jìn)參數(shù)

以空氣為工作對象，用空壓機(jī)對空氣先進(jìn)行初級加壓，然后經(jīng)過增壓機(jī)增壓將高壓氣體通過立管三通進(jìn)入鉆具，使用泥漿泵泵入泡沫基液，在立管處泵入基液開始與空氣混合，在鉆具內(nèi)形成泡沫，泡沫通過鉆頭時(shí)對鉆頭進(jìn)行冷卻，并在環(huán)空完成攜帶巖屑的任務(wù)，再通過井口的環(huán)形防噴器的側(cè)出口，泡沫和鉆屑進(jìn)入排砂管線，最后到破泡池，泡沫自然破泡后基液回收到上水池進(jìn)行再利用。

YB27-2井泡沫鉆井的鉆頭選用26ST525CG 鉆頭不裝噴嘴。鉆具組合如下：Φ660.4mm26ST525CG鉆頭*0.63m+730*830雙母浮閥*0.40m+Φ279.4mm鉆鋌*17.82m+831*730接頭*0.48m+Φ228.6mm鉆鋌*25.7m+731*630接頭*0.48m+631*410接頭*0.47m+411*520接頭*0.48m+Φ139.7m鉆桿

現(xiàn)場鉆進(jìn)參數(shù)：氣量為150m3/min，鉆壓10-20t，轉(zhuǎn)速為50-60rpm，立壓2.0-3.0MPa，注液量4-8L/S。

3.2 現(xiàn)場性能優(yōu)化措施

在現(xiàn)場施工中發(fā)現(xiàn)，在鉆速較快時(shí)，攜巖效果會變差，產(chǎn)生較多井底沉砂，對于大量出水地層，攜水效率較低，排砂管出口會出現(xiàn)液滴流淌。在泥巖井段泥巖水化抑制能力的強(qiáng)弱對泡沫鉆井過程中的井壁穩(wěn)定尤為重要若不能及時(shí)將地層水?dāng)y帶出地面，會導(dǎo)致地層不穩(wěn)定；在非泥巖段，泡沫體積膨脹非常快，很快充滿排砂池，甚至溢出，很容易造成周邊環(huán)境的污染 。在實(shí)際鉆進(jìn)中，結(jié)合現(xiàn)場使用泡沫性能、鉆遇地層等資料，逐漸調(diào)整了各種泡沫材料的加量及加料頻率，達(dá)到了較好的效果。

首先保持穩(wěn)泡劑加量為0.2% 和井壁穩(wěn)定劑加量0.5% 不變，將發(fā)泡劑加量從 0.08% 增至 0.14%，分別測定泡沫液發(fā)泡量、半衰期、抑制性。在排砂管出口處取樣 1.5 L，將泡沫沖洗干凈，砂樣過孔徑為0.30mm的篩，收集篩余砂樣、烘干、稱量，得到砂樣篩余干重，對比分析，以此獲得發(fā)泡劑最佳加量。保持該加量及井壁穩(wěn)定劑加量為 0.5% 不變，改變穩(wěn)泡劑加量，得到穩(wěn)泡劑最佳加量。同理，獲得井壁穩(wěn)定劑最佳加量，現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表 1。

由表 1 數(shù)據(jù)可知，當(dāng)發(fā)泡劑加量增加時(shí)，發(fā)泡量和半衰期均有所增加，當(dāng)加量由0.12%增加至 0.14% 時(shí)，發(fā)泡量比增加了 28mL，但半衰期比0.12%時(shí)減小1.5分鐘，因此確定現(xiàn)場最佳加量為 0.12%。

當(dāng)穩(wěn)泡劑加量增加時(shí)，發(fā)泡量逐漸減少，表明穩(wěn)泡劑能夠壓縮泡沫體積，減小泡沫表面能，使之更加密實(shí)，泡沫更加穩(wěn)定，從砂樣篩余質(zhì)量也可看出，穩(wěn)泡劑也能提高體系的抑制性，這主要是利用大分子聚合物進(jìn)入體系時(shí)大量吸水的特點(diǎn)，提高泡沫干度，減少地層出水產(chǎn)生的影響，當(dāng)其加量從 0.20% 增至 0.25% 時(shí)，各項(xiàng)指標(biāo)變化趨于平緩，考慮到使用成本及該加量已經(jīng)能滿足攜巖需要，確定其最佳加量為 0.2%。

對于井壁穩(wěn)定劑，其對發(fā)泡量和半衰期無較大影響，卻可以有效提高體系抑制性，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定其最佳加量為 0.6%。因此確定了現(xiàn)場鉆進(jìn)泥巖段時(shí)的泡沫鉆井液配方為 ：0.1% 發(fā)泡劑 +0.2% 穩(wěn)泡劑 +0.6%YJB-1。

3.3 優(yōu)化效果

調(diào)整前 ：在一口井的易水化泥巖段鉆進(jìn)時(shí)，返出泡沫液變?yōu)闇啙釥?，排砂管中，砂粒碰撞管壁聲音較小，排砂管出口處出現(xiàn)液滴流淌，這些均表明泡沫材料濃度偏低，井中存水沒有及時(shí)攜出，大的泥巖塊已經(jīng)水化分散成細(xì)粒狀。

調(diào)整后 ：發(fā)現(xiàn)這種情況后，根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果，迅速調(diào)整了泡沫體系性能，在經(jīng)過 2 個(gè)循環(huán)周后，渾濁泡沫液逐漸發(fā)白，表明水化程度大大減輕 ；同時(shí)，砂粒碰撞管壁聲音呈逐漸變大，排砂管出口處滴水現(xiàn)象消失。

4 泡沫鉆井與常規(guī)鉆井效果對比

泡沫鉆井與常規(guī)鉆井液鉆井在大井眼鉆井中相比，滿足了大井眼的攜砂要求，提高了機(jī)械鉆速，通過合理控制泡沫鉆井液體系中起泡劑的用量，使該體系具有較強(qiáng)的切力，返出的巖屑滿足了大井眼巖屑攜帶要求及地質(zhì)資料的錄取要求。泡沫鉆井液能夠有效地預(yù)防了井漏，現(xiàn)場使用的泡沫鉆井液體系與常規(guī)鉆井液相比密度大大降低，很大程度上避免漏失發(fā)生的可能性，而該區(qū)塊鄰井相同地層在使用常規(guī)鉆井液進(jìn)行鉆井過程中經(jīng)常發(fā)生裂縫性惡性漏失。

YB27-2井和YB 27-1H井均使用泡沫鉆井技術(shù)，其速度顯優(yōu)于YB 27井常規(guī)鉆井液鉆井，YB27-2井使用泡沫鉆井技術(shù)安全順利鉆至井深506m，鉆井進(jìn)尺480米，平均機(jī)械鉆速3.25m/h，比常規(guī)鉆井節(jié)約26天，大大縮短了鉆井周期。

YB27-2井及鄰井效果對比表

結(jié)論

1）空氣泡沫鉆井工藝技術(shù)能夠解決在地層不坍塌、地層出水量小和地層無天然氣的井漏井段的正常鉆井問題，并且保證了井下安全，鉆井速度快，節(jié)省了鉆井綜合成本。

2）通過室內(nèi)研究得到適應(yīng)川東北地層得到泡沫鉆井液配方，其具有半衰期長、抑制性強(qiáng)、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

3）根據(jù)實(shí)際施工情況合理調(diào)整配方，得到泡沫鉆井液各處理劑最佳加量，通過對性能的優(yōu)化，使得易水化泥巖段的攜巖效果和抑制性得到明顯改善。

4）泡沫鉆井為提高鉆井速度提供了有效的技術(shù)手段，降低了鉆井成本，比鉆井液鉆井提高機(jī)械鉆速4至5倍。

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