成膜防塌液的室內(nèi)研究及其應(yīng)用工藝——用于解決氣—液鉆井轉(zhuǎn)換初期的井壁失穩(wěn)問(wèn)題

王 蘭 吳 琦 段 敏

1.油氣田應(yīng)用化學(xué)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 2.中國(guó)石油川慶鉆探工程公司鉆采工程技術(shù)研究院3.中國(guó)石油川慶鉆探工程公司川西鉆探工程公司

與傳統(tǒng)鉆井液鉆井相比，氣體鉆井具有提高鉆井速度、保護(hù)油氣層、降低鉆井綜合成本等優(yōu)勢(shì)，在國(guó)內(nèi)外已越來(lái)越廣泛地應(yīng)用。氣體鉆井結(jié)束后，循環(huán)介質(zhì)要由氣體轉(zhuǎn)換為鉆井液。由于氣體鉆井時(shí)，流體柱壓力極低，井眼周圍地層巖石應(yīng)力得到充分釋放，形成更多的應(yīng)力釋放縫；加之空氣錘的應(yīng)用，加劇了井壁上裂縫的形成。與鉆井液鉆井相比，由于氣體鉆井的井壁上沒(méi)有濾餅存在，氣體鉆井轉(zhuǎn)換成鉆井液鉆井時(shí)，鉆井液中的水相會(huì)快速潤(rùn)濕干燥的井壁，并沿氣體鉆井形成的裂縫或天然孔縫進(jìn)入到地層深部，引起地層中的黏土礦物吸水膨脹導(dǎo)致井壁失穩(wěn)或厚濾餅的形成，造成起下鉆遇阻復(fù)雜。無(wú)論是井壁失穩(wěn)還是厚濾餅的存在，都需要花費(fèi)更多的時(shí)間來(lái)解決井眼通暢問(wèn)題，在一定程度上影響了氣體鉆井的總體效果。目前，在氣體鉆井轉(zhuǎn)換成鉆井液鉆井的過(guò)程中采用潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)防塌技術(shù)或替入低失水、強(qiáng)抑制、強(qiáng)封堵鉆井液等，在一定程度上減少了鉆井液中的水相進(jìn)入地層，對(duì)穩(wěn)定井壁起到了較好的作用［1－7］。實(shí)驗(yàn)研究的成膜防塌技術(shù)，是利用成膜液預(yù)先在井壁上形成一層致密的防水滲膜，有效阻止鉆井液中的自由水進(jìn)入地層，防止水化膨脹引起的井壁失穩(wěn)和厚濾餅的形成［8－12］。

1 成膜防塌室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)方法

1）人造巖心浸泡實(shí)驗(yàn)：用鉆井膨潤(rùn)土粉在5.0 MPa壓制5min制成人造巖心，分別在不同濃度的成膜液中（80℃）進(jìn)行浸泡成膜，將沒(méi)有成膜的原始巖心和成膜后的巖心分別在蒸餾水中浸泡，對(duì)比分散情況。

2）泥球浸泡實(shí)驗(yàn)：分別用淡水、濃度100kg／m3的KCl鹽水和霧化基液分別做成泥球在成膜液中（80℃）進(jìn)行浸泡實(shí)驗(yàn)，對(duì)比分析成膜情況。

3）防清水滲透實(shí)驗(yàn)：用水基鉆井液在中壓濾失儀上壓制成滲透性濾餅2塊（模擬滲透性地層），一塊用成膜液浸泡形成防水滲膜后用清水進(jìn)行防水滲透實(shí)驗(yàn)，另一塊直接用清水進(jìn)行防水滲透實(shí)驗(yàn)，對(duì)比其清水滲透量。

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

1.2.1 不同濃度的成膜液的成膜情況

將人造巖心放入不同濃度的成膜液中（80℃）浸泡10s，取出后干燥，觀察成膜情況。不同濃度成膜液中防滲膜的形成情況見(jiàn)表1。

實(shí)驗(yàn)表明：當(dāng)成膜液濃度達(dá)200kg／m3后，巖心在成膜液中浸泡10s就能在表面形成防滲膜（圖1）。因此，從成膜效果和成本考慮，成膜液濃度300～400 kg／m3為最優(yōu)加量。

表1 不同濃度成膜液的成膜情況表（80℃）

圖1 干燥后的巖心成膜照片

1.2.2 不同浸泡時(shí)間的成膜情況

將人造巖心放入濃度為300kg／m3的成膜液中（80℃）浸泡5s、10s、10min和1h，分別取出后干燥，觀察成膜情況，不同浸泡時(shí)間成膜液的成膜情況如圖2。

圖2 不同浸泡時(shí)間的成膜照片（80℃）

實(shí)驗(yàn)表明：在濃度為300kg／m3的成膜液中，巖心成膜與時(shí)間關(guān)系不密切。浸泡5s、10s、10min和1h后，巖心上形成的防水滲膜差別不明顯。

1.2.3 防水滲膜的清水溶解性實(shí)驗(yàn)

將原始巖心與成膜后的巖心分別放入清水中浸泡24h，原始巖心由于水化分散明顯（圖3），有防水滲膜后的巖心由于有致密的防水滲膜保護(hù)，未出現(xiàn)水化分散現(xiàn)象（圖4），說(shuō)明所形成的防水滲隔膜不能被清水溶解。

圖3 清水浸泡的原始巖心分散照片

圖4 清水浸泡的成膜巖心照片

1.2.4 泥球浸泡實(shí)驗(yàn)

模擬井下情況，用濕泥球（淡水泥球、100kg／m3鹽水泥球、霧化基液泥球）在300kg／m3成膜液中（80℃）浸泡，泥球表面在很短時(shí)間內(nèi)形成一層防水滲膜。浸泡24h，均未見(jiàn)明顯開(kāi)裂現(xiàn)象（圖5）。

圖5 不同泥球浸泡實(shí)驗(yàn)圖（80℃）

1.2.5 防清水滲透實(shí)驗(yàn)

用水基鉆井液壓制成滲透性濾餅進(jìn)行清水滲透性實(shí)驗(yàn)，評(píng)價(jià)防水滲膜防自由水滲透的效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 隔離膜降濾失實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

實(shí)驗(yàn)表明：防水滲膜能夠降低50%以上清水滲透量，即能有效阻止水相進(jìn)入地層，具有較好的防水滲效果。

2 成膜防塌技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工藝

2.1 氣體鉆井的成膜現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工藝

當(dāng)氣體鉆井需要轉(zhuǎn)換為鉆井液鉆井時(shí)，可采用2種工藝方法在井壁上“涂抹”防水滲膜。①配制濃度為300～400kg／m3的一定量的成膜液作為前置液，后跟注高性能鉆井液。這就在鉆井液接觸氣體鉆井裸露的井壁前，預(yù)先在井壁上“涂抹”了1層防水滲膜。②在氣體鉆井結(jié)束后，將濃度為300～400kg／m3成膜液作為霧化基液，通過(guò)霧化泵和氣體增壓機(jī)注入井下，預(yù)先在井壁上“涂抹”1層防水滲膜，隨后再替入鉆井液。

上述2種工藝方法我們認(rèn)為都有效，并且現(xiàn)場(chǎng)容易實(shí)現(xiàn)。

2.2 霧化鉆井的成膜現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工藝

對(duì)于地層出水的井，當(dāng)實(shí)施霧化鉆井時(shí)，同相有2種工藝方法在井壁上“涂抹”防水滲膜。①在霧化基液中加入300～400kg／m3的成膜液。因此，在整個(gè)霧化鉆井中，井壁上就被連續(xù)不間斷地“涂抹”上防水滲膜，防止霧化鉆井過(guò)程中井壁失穩(wěn)。②如果考慮成本的可接受性，在霧化鉆井過(guò)程中，也可采用在井壁上間斷“涂抹”防水滲膜的工藝方式，即：將配制好的濃度為300～400kg／m3的成膜液儲(chǔ)存于獨(dú)立的罐中存放。正常鉆井時(shí)，每鉆進(jìn)100～150m注入6～8m3成膜液；每次短程起下或起鉆時(shí)，注入6～8m3成膜液。成膜液注入排量推薦為2～8L／s。

3 結(jié)論與建議

1）針對(duì)氣體鉆井后替入鉆井液進(jìn)行介質(zhì)轉(zhuǎn)換初期井壁失穩(wěn)的原因［1，3，13］，提出了解決井壁失穩(wěn)的技術(shù)新思路——成膜防塌技術(shù)，即在井壁上形成一層致密的防水滲膜，有效阻止鉆井液中的水相進(jìn)入地層，起到穩(wěn)定井壁的作用。

2）實(shí)驗(yàn)表明研制的成膜液在人造巖心表面能快速成膜，具有較好的防清水滲透效果。

3）成膜液既可作為氣體鉆井后轉(zhuǎn)換鉆井液鉆井時(shí)的前置液，也可作為霧化鉆井中的霧化基液。

4）推薦成膜液的濃度為300～400kg／m3。

5）針對(duì)氣體鉆井和地層出水后的霧化鉆井，推薦了現(xiàn)場(chǎng)可操作性強(qiáng)的防滲膜“涂抹”工藝方法。

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