三塘湖油田微泡沫防漏鉆井液技術(shù)研究與應(yīng)用

房炎偉　楊佳偉　馬玉梁　王顯國　趙志強(qiáng)

中國石油集團(tuán)西部鉆探工程有限公司

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三塘湖油田微泡沫防漏鉆井液技術(shù)研究與應(yīng)用

房炎偉楊佳偉馬玉梁王顯國趙志強(qiáng)

中國石油集團(tuán)西部鉆探工程有限公司

為減少低壓地層的井漏問題，室內(nèi)將優(yōu)選出的高效起泡劑與穩(wěn)泡劑、抑制劑、降失水劑、井壁穩(wěn)定劑等進(jìn)行配伍，形成了微泡沫鉆井液。在微觀結(jié)構(gòu)研究中,微泡沫顯示了獨(dú)特的多層膜結(jié)構(gòu)特征，膜強(qiáng)度高，微泡沫在鉆井液中分布均勻，可以有效降低鉆井液的密度。室內(nèi)對微泡沫鉆井液性能的研究表明，微泡沫鉆井液密度低，可以適應(yīng)高溫高壓的地層條件，抑制性強(qiáng)，可較大幅度地提高油氣層保護(hù)效果。在三塘湖油田的應(yīng)用表明，微泡沫鉆井液適用于封堵低壓漏失地層，且現(xiàn)場配制簡單、易于轉(zhuǎn)化、維護(hù)方便，鉆井液性能穩(wěn)定，能夠滿足鉆井工藝的要求，泥漿泵上水正常，應(yīng)用井段鉆井液密度降低到0.95 g/cm3以下，防止了井漏情況發(fā)生，減輕了油氣層污染，保證了鉆井工作的順利進(jìn)行。

鉆井液微泡沫油層保護(hù)防漏

三塘湖油田儲層埋藏深度淺，油藏非均質(zhì)性強(qiáng)，為中低孔低滲、裂縫-孔隙型儲層，平均油藏壓力系數(shù)0.71，屬異常低壓系統(tǒng)[1-2]。在低壓地層鉆進(jìn)過程中，經(jīng)常發(fā)生鉆井液嚴(yán)重漏失和壓差卡鉆，使用普通鉆井液體系，產(chǎn)生的過平衡壓力是發(fā)生漏失和壓差卡鉆的主要原因[3]。漏失的鉆井液進(jìn)入儲層可能會堵塞油氣通道，降低油氣采收率，也可能破壞井壁的穩(wěn)定性。若應(yīng)用充氣鉆井液或欠平衡鉆井技術(shù)，可以降低漏失地層的壓差，但需要配置價(jià)格極其昂貴的設(shè)備。因此，通過優(yōu)選高效起泡劑，并結(jié)合三塘湖油田的地質(zhì)特點(diǎn)，優(yōu)選鉆井液配方，形成了一種適合三塘湖油田的微泡鉆井液。該鉆井液以水為連續(xù)相，表面活性劑、聚合物處理劑通過物理、化學(xué)作用自然形成粒徑為15～150 μm、壁厚為3～10 μm的類似氣囊的微觀結(jié)構(gòu)[4]，分散在連續(xù)相中形成穩(wěn)定的氣液體系。在現(xiàn)場應(yīng)用，不需添加注氣設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)密度低于1.0 g/cm3，其微泡沫膜強(qiáng)度高，對低壓地層封堵作用強(qiáng)，可以有效控制井漏，降低鉆井成本。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)材料和儀器

實(shí)驗(yàn)采用的主要試劑有：起泡劑(F、A21、SJ-6、F871)，抑制劑YFKN，降失水劑MV-CMC，增黏劑(XC、PAC)，井壁穩(wěn)定劑(SMP-Ⅱ、FT-1)，均為工業(yè)級試劑。

主要實(shí)驗(yàn)儀器有：Ross-Miles發(fā)泡儀、偏光顯微鏡、SHM-01型鉆井液高溫高壓密度特性模擬試驗(yàn)裝置、輥?zhàn)蛹訜釥t、NP-3型智能頁巖膨脹儀、高溫高壓動態(tài)損害試驗(yàn)儀、高溫高壓濾失儀。

1.2起泡劑性能研究

采用傾注法在Ross-Miles發(fā)泡儀中對起泡劑進(jìn)行起泡性能研究[1-2,5]，起泡液為0.4%(w)的水溶液，實(shí)驗(yàn)溫度為50 ℃，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1和表2。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，起泡劑A21具有較高的起泡高度，半衰期長，在地層溫度下老化和受鹽污染的條件下，仍能保持較高的起泡高度，半衰期下降幅度較低。

表1 起泡劑性能評價(jià)Table1 Performanceevaluationoffoamagent起泡劑起泡高度/mm半衰期/minF205125A21235139SJ-6210132F871314136

表2 起泡劑地層溫度下抗鹽實(shí)驗(yàn)Table2 Saltresistpropertiesoffoamagentunderformationtemperature起泡劑100℃老化8h后w(鹽水)=3.5%起泡高度/mm半衰期/min起泡高度/mm半衰期/minF18287196119A2118895219113SJ-61658119794F87121964232108

1.3微泡沫鉆井液的基本性能

室內(nèi)研究中將起泡劑與穩(wěn)泡劑、抑制劑、流型調(diào)節(jié)劑、降濾失劑和井壁穩(wěn)定劑等調(diào)配成微泡沫鉆井液。

配方：4%(w)膨潤土+0.3%(w)YFKN+1%(w)MV-CMC+0.2%(w)XC+0.1%(w)PAC+2%(w)SMP-Ⅱ+2%(w)FT-1+0.2%(w)A21+0.5%(w)其他材料。

用高速變頻無極調(diào)速攪拌機(jī)以10 000 r/min的速度攪拌20 min，配制成含氣泡囊結(jié)構(gòu)的微泡沫鉆井液，測定其密度為0.85 g/cm3、塑性黏度為28 mPa·s、動切力為15 Pa、初/終切力為3 Pa/6 Pa、API濾失量為4.2 mL/30min。

1.4微泡沫的微觀結(jié)構(gòu)研究

微泡沫鉆井液中微氣泡的微觀結(jié)構(gòu)由氣核及外部包裹的多層膜(主要由增黏水層和表面活性劑層構(gòu)成)組成[4]，使用偏光顯微鏡放大160倍，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，微泡沫的直徑在10～100 μm左右，微泡沫的液膜厚度與氣泡直徑相當(dāng)，泡與泡之間呈分散排列。

微泡沫結(jié)構(gòu)的中心是氣核[4]，由內(nèi)向外依次是增黏水層、表面活性劑層以及處于過渡面間的三層膜結(jié)構(gòu)組成。增黏水層由聚合物水溶液形成，其局部濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于體相；表面活性劑層由聚合物高分子和表面活性劑組成，濃度從膜外側(cè)向體相逐漸降低，層間的三層膜結(jié)構(gòu)主要使增黏水層、表面活性劑層保持穩(wěn)定，維持界面張力，從而保持氣泡的穩(wěn)定性。

1.5微泡沫鉆井液性能評價(jià)

(1) 抗溫抗壓能力強(qiáng)。微泡沫具有良好的抗溫抗壓能力和強(qiáng)剪切稀釋性能。一般認(rèn)為，鉆井液中的微泡沫在高壓下將會消失[6]。室內(nèi)研究證明，微泡沫在20 MPa、120 ℃條件下仍然存在[4]。采用SHM-01型鉆井液高溫高壓密度特性模擬實(shí)驗(yàn)裝置對微泡沫鉆井液的密度特性研究的結(jié)果如圖2所示。

微泡沫比氣泡結(jié)構(gòu)要復(fù)雜得多，在高溫高壓環(huán)境下，鉆井液中含有的空氣本應(yīng)該都能溶解在水中，使得鉆井液密度接近基液密度[6]，但在微泡沫鉆井液中觀察不到這種現(xiàn)象。微泡沫鉆井液在壓力增加至20 MPa時(shí)，鉆井液的密度僅有微小增加，其原因可能是氣泡內(nèi)的氣體在受熱膨脹和高壓壓縮的雙重作用下，使得其氣泡大小變化不大。同時(shí)，由于微氣泡液膜的高強(qiáng)度，氣泡不易發(fā)生聚合變大，抑制了空氣進(jìn)入水外相中，使得體系密度變化不大。

(2) 抑制能力強(qiáng)。為測定微泡沫鉆井液對頁巖的抑制能力，室內(nèi)選取三塘湖盆地易水化膨脹的齊古組巖心，利用輥?zhàn)蛹訜釥t進(jìn)行巖心滾動回收實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表3所列(巖心在80 ℃下熱滾16 h)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，微泡沫鉆井液具有更高的滾動回收率。

在頁巖膨脹試驗(yàn)中，微泡沫鉆井液的頁巖膨脹率均低于聚磺鉆井液，在浸泡400 min后,微泡沫鉆井液的頁巖膨脹率低于聚磺鉆井液3.5%(見圖3)。

表3 巖心滾動回收率實(shí)驗(yàn)Table3 Experimentresultsofshalerollrecoveryratio體系滾動前質(zhì)量/g回收質(zhì)量/g回收率/%聚磺5042.685.2微泡沫5045.590.1

巖心滾動回收實(shí)驗(yàn)和頁巖膨脹實(shí)驗(yàn)說明，微泡沫鉆井液的抑制性強(qiáng)于聚磺鉆井液，其原因可能是微泡沫在巖心表層孔喉處堆積，降低了鉆井液的侵入深度，且微泡沫液膜的聚合物濃度遠(yuǎn)高于體相，可能在巖心外層形成了高濃度的聚合物層，提高了抑制效果。

(3) 油層保護(hù)效果好。微泡沫對油氣層滲流通道的封堵具有自匹配特性[4]，微泡沫的流動速率大于水溶液速率，在進(jìn)入油氣層通道時(shí)，體積大的微泡囊進(jìn)入通道最深，在窄孔喉處被擠壓變形，由于賈敏效應(yīng)產(chǎn)生的附加阻力分解了液柱壓力[7-8]，實(shí)際作用于最前方氣囊的壓力很小，液相中的其他微泡沫在壓差作用下在通道內(nèi)非均一堆積，呈“躺金字塔”狀[7-8]。微泡沫能夠根據(jù)儲層油氣儲滲空間的大小和產(chǎn)狀，自行調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)或形狀，最大限度地占據(jù)儲層儲滲空間或在井壁內(nèi)側(cè)形成黏膜層，其封堵不同尺寸滲流通道的自匹配特性，對油氣層有較好的保護(hù)效果。

微泡沫鉆井液對油層的保護(hù)效果以巖心滲透率實(shí)驗(yàn)和砂床濾失實(shí)驗(yàn)進(jìn)行評價(jià)。巖心滲透率實(shí)驗(yàn)采用高溫高壓動態(tài)損害試驗(yàn)儀(見表4)。選取三塘湖油田探井馬17井西山窯組巖心進(jìn)行污染實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)條件：壓差3.5 MPa、溫度60 ℃、剪切速率150 s-1、時(shí)間4 h。

表4 巖心滲透率實(shí)驗(yàn)Table4 Experimentresultsofshalepenetrationratio編號K∝①/10-3μm2K1②/10-3μm2K2③/10-3μm2K恢④/%168.9224.6321.0985.63280.1230.1626.4187.58 注:①K∝為空氣滲透率;②K1為污染前油相滲透率;③K2為污染后油相滲透率;④K恢為油相滲透率的恢復(fù)率。

在巖心滲透率實(shí)驗(yàn)中，微泡沫鉆井液侵入巖心不足2 cm，兩組巖心的巖心滲透率恢復(fù)值都在85%以上。說明微泡沫鉆井液對儲層傷害小，微泡沫在侵入巖心的過程中被拉伸變形，賈敏效應(yīng)使得阻力增加[7-8]，對油氣層形成封堵。

表5 砂床濾失實(shí)驗(yàn)Table5 Experimentresultsofsandbed壓力/MPa砂床濾失量/mL砂床進(jìn)入深度/cm微泡沫聚磺微泡沫聚磺1006.07.32008.09.2300.79.512.0401.510.012.0503.210.512.0

砂床濾失實(shí)驗(yàn)采用高溫高壓濾失儀[9]，把高溫高壓濾失實(shí)驗(yàn)的濾紙換成砂層，使用經(jīng)清水洗凈后烘干的砂子(粒徑為0.45～0.9 mm)，砂床鋪砂厚度為12 cm；按測試API濾失量的方法，加壓測試濾失量和濾液進(jìn)入砂床的深度，實(shí)驗(yàn)溫度45 ℃。

砂床濾失實(shí)驗(yàn)可直觀地反映鉆井液對儲層的保護(hù)效果。由表5可知，當(dāng)壓力增至5 MPa，微泡沫鉆井液砂床濾失量仍為0，濾液進(jìn)入砂床深度10.5 cm，說明微泡鉆井液具有較強(qiáng)的封堵作用。

2　現(xiàn)場應(yīng)用

三塘湖油田西山窯組儲層屬于異常低壓油藏[1-2]，油藏埋深1 326～1 738 m，地層壓力系數(shù)0.58～0.89，平均0.71；儲層特性屬于低孔、低滲，孔隙結(jié)構(gòu)很差，以細(xì)喉和細(xì)孔為主，容易造成水鎖[1]；巖性以灰色泥巖為主，夾泥質(zhì)粉砂巖、砂礫巖。

三塘湖油田注水井采用低密度鉆井液開發(fā)，二開上部采用聚合物鉆井液體系，儲層段至完井采用微泡沫鉆井液，目的是保護(hù)油氣層，提高注水開發(fā)效果。

2.1現(xiàn)場施工工藝

在現(xiàn)場進(jìn)行鉆井液體系轉(zhuǎn)化前，利用四級固控設(shè)備清除鉆井液中的有害固相，減少對微泡沫的影響。按配方要求，先加入其他各種鉆井液處理劑，調(diào)整好鉆井液性能；然后在鉆進(jìn)至儲層100 m開始，按每循環(huán)周100 kg用量均勻加入起泡劑,將鉆井液密度降低至0.95 g/cm3左右。

2.2鉆井液性能指標(biāo)及效果

微泡沫鉆井液在三塘湖油田注水井應(yīng)用了8口井(見表6)，測量取樣點(diǎn)在鉆井液出口管線部位。

在現(xiàn)場應(yīng)用的8口井中，應(yīng)用段鉆井液密度較穩(wěn)定且降低至0.95 g/cm3以下，施工過程中水龍帶運(yùn)行正常，泵壓較穩(wěn)定；黏度、屈服值、API濾失指標(biāo)波動范圍不大，基本符合實(shí)驗(yàn)室測試數(shù)據(jù)。說明在現(xiàn)場應(yīng)用中，鉆井液性能較穩(wěn)定，易于維護(hù)。8口井中應(yīng)用微泡沫井段的平均井徑擴(kuò)大率與全井相比有較大程度減

表6 微泡沫應(yīng)用井性能指標(biāo)及效果Table6 Performancesandeffectsofmicro-foamapplicationwell井號密度/(g·cm-3)黏度/sAPI濾失量/mL屈服值/Pa湖63-100.92～0.9578～854.011～12湖65-100.91～0.9472～874.010～13湖81-20.92～0.9571～774.010～11湖83-20.93～0.9572～844.012～15馬36-170.93～0.9574～824.012～14馬38-190.92～0.9570～784.011～13馬42-190.93～0.9572～814.012～14馬44-190.93～0.9575～834.012～15平均井徑擴(kuò)大率/%全井應(yīng)用段測井成功率/%鉆井復(fù)雜9.215.45100無12.336.73100無6.542.32100無5.910.66100無6.641.34100無8.233.35100無8.668.17100無7.152.48100無

小，測井成功率均達(dá)100%，說明微泡沫鉆井液具有較強(qiáng)的抑制性，鉆井液應(yīng)用性能與地層的匹配性較強(qiáng)，因而抑制了地層的水化膨脹與井壁的剝落坍塌。

在現(xiàn)場應(yīng)用的井段均未有井漏等復(fù)雜情況發(fā)生，原因可能是微泡沫鉆井液與油氣層之間的壓差小，鉆井液柱對井底的壓力較低，因此顯著降低了井漏發(fā)生率，低密度的鉆井液也有利于減小“壓持效應(yīng)”[10]，有利于提高鉆速。

3　結(jié) 論

(1) 由于微泡沫的多層膜結(jié)構(gòu)具有較高的穩(wěn)定性，氣泡不易發(fā)生破裂和互相聚合導(dǎo)致相分離。在模擬井下溫度壓力的環(huán)境下，鉆井液可以保持低密度且較穩(wěn)定。

(2) 微泡沫鉆井液具有較強(qiáng)的抑制性，與聚磺鉆井液相比，巖心滾動回收率和抑制頁巖膨脹率均較好。

(3) 微泡沫鉆井液的巖心滲透率恢復(fù)值達(dá)到了85%以上，砂床濾失量低于聚磺鉆井液，具有較好的油層保護(hù)效果。

(4) 現(xiàn)場應(yīng)用中，微泡沫鉆井液密度降低至0.95 g/cm3以下，性能穩(wěn)定，應(yīng)用井段平均井徑擴(kuò)大率有較大幅度降低，體現(xiàn)了抑制性強(qiáng)的特點(diǎn)，井漏等復(fù)雜情況發(fā)生率降低到零，達(dá)到了良好的應(yīng)用效果。

[1] 雍富華, 賈彪, 夏庭波, 等． 可循環(huán)微泡沫鉆井液技術(shù)研究[J]． 吐哈油氣， 2004， 9(4)： 349-353．

[2] 劉登峰， 郭建春， 張榮志， 等． 可循環(huán)微泡沫鉆井液在吐哈油田馬703井的應(yīng)用[J]． 鉆井液與完井液， 2005， 27(6)： 34-36．

[3] 汪桂娟, 丁玉興, 陳樂亮, 等． 具有特殊結(jié)構(gòu)的微泡沫鉆井液技術(shù)綜述[J]． 鉆井液與完井液， 2004, 21(3)： 44-52.

[4] 鄭立會， 曹園， 韓子軒. 含絨囊結(jié)構(gòu)的新型低密度鉆井液[J]． 石油學(xué)報(bào)， 2010， 31(5)： 490-493．

[5] 程啟華． 鉆井液用高效起泡劑ZQP的評價(jià)[J]． 石油與天然氣化工， 2006， 35(1)： 79-80．

[6] 隋躍華， 成效華， 孫強(qiáng)， 等． 可循環(huán)微泡沫鉆井液體系研究與應(yīng)用[J]． 鉆井液與完井液， 1999, 16(5)： 15-20.

[7] 蒲曉林， 李霜， 李艷梅， 等． 水基微泡沫鉆井液防漏堵漏原理研究[J]． 天然氣工業(yè)， 2005， 25(5)： 47-49．

[8] 趙福， 王平全， 李旭． 微泡沫鉆井液Aphron最新進(jìn)展[J]． 鉆采工藝， 2008, 1(1)： 123-124．

[9] 周玉霞， 李小軍， 吳振宇． BH油田儲層保護(hù)技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用效果評價(jià)研究[J]． 石油與天然氣化工， 2013， 42(6)： 619-623．

[10] 孫金聲， 楊宇平， 安樹明， 等． 提高機(jī)械鉆速的鉆井液理論與技術(shù)研究[J]． 鉆井液與完井液， 2009, 26(3)： 1-7．

Research and application of leak prevetion micro-foam drilling fluid in Santanghu oilfield

Fang Yanwei， Yang Jiawei， Ma Yuliang， Wang Xianguo， Zhao Zhiqiang

(CNPCXibuDrillingEngineeringCompanyLimited，Shanshan838200，China)

To solve the problem of well leakage in low pressure reserve, a circulative micro-foam drilling fluid was developed by combining high effective foam agent with foam stabilizer, inhibitor, filtrate reducer and borehole stabilizer. The unique multilayer film structure of micro-foam is made up of one nucleus and two layers and three layers film, and the micro-foam has a high film strength and can be uniformly dispersed in drilling fluid, which can efficiently reduce the density of drilling fluid. The performance evaluation indoors shows that the density of drilling fluid is low, and it is fit for HTHP formation, the rejection capability of drilling fluid is strong, which can effectively enhance reserve protection effect. The applications in Santanghu oilfield demonstrate that the micro-foam drilling fluid is suitable for plugging the low-pressure circulation-lost zones. The drilling fluid is easy to prepare, transform and maintain in field application. The property of drilling fluid is stable, which can meet the requirement of drilling process, and the mud pump works as normal. The drilling fluid density is less than 0.95 g/cm3, which prevents the well leakage and reduces the reserve pollution. It is approved that the micro-foam drilling fluid is helpful for drilling safety and quality.

drilling fluid, micro-foam, reserve protection, leak prevention

房炎偉(1977-),碩士研究生,工程師,2006年畢業(yè)于中國石油大學(xué)(華東)應(yīng)用化學(xué)專業(yè),現(xiàn)就職于中國石油集團(tuán)西部鉆探工程有限公司鉆井工程技術(shù)研究院,從事油田化學(xué)研究與應(yīng)用工作。E-mail:fyfy2000@sina.com

TE242

A

10.3969/j.issn.1007-3426.2016.04.011

2015-12-01；編輯：馮學(xué)軍