防漏鉆井液體系技術(shù)研究與應(yīng)用

王金磊，趙國浩，王　軍

（1.中油哈薩克PKKR項(xiàng)目鉆井部，北京100300；2.中油西部鉆探公司哈薩克克孜項(xiàng)目部，新疆烏魯木齊830000）

防漏鉆井液體系技術(shù)研究與應(yīng)用

王金磊*1，趙國浩2，王軍2

（1.中油哈薩克PKKR項(xiàng)目鉆井部，北京100300；2.中油西部鉆探公司哈薩克克孜項(xiàng)目部，新疆烏魯木齊830000）

微泡鉆井液能有效降低液柱壓力，對儲(chǔ)層空隙有較好的封堵作用，通過嚴(yán)格控制失水和加強(qiáng)封堵，可有效降低對儲(chǔ)層的傷害。針對Konys油田的地質(zhì)情況和儲(chǔ)層特性開展技術(shù)研究，從固井流體設(shè)計(jì)和固井施工工藝設(shè)計(jì)2方面著手，設(shè)計(jì)出了滿足現(xiàn)場施工要求的低密度防漏水泥漿體系即微泡沫鉆井液體系，該體系具有流變稠化性能好、抗壓強(qiáng)度高、防漏防竄能力強(qiáng)等特點(diǎn)。在Konys油田試驗(yàn)應(yīng)用3井次，固井施工過程順利，均未發(fā)生漏失，固井質(zhì)量合格率達(dá)到100%，優(yōu)質(zhì)率達(dá)到80%，固井水泥返高達(dá)標(biāo)率100%，效果良好。在K-82、K-587、K357H等井中都進(jìn)行了應(yīng)用，并都達(dá)到預(yù)期目的，效果良好。

微泡鉆井液；泡沫性能；配方優(yōu)選；現(xiàn)場應(yīng)用

Konys油田主力開發(fā)層塊侏羅系油藏目前地層壓力只有2.88MPa和3.1MPa，壓力保持程度只有原始地層壓力（5.9MPa）的49.3%和54.3%，局部地區(qū)壓力只有1.5MPa，壓力保持程度只有25%。目前，侏羅系油藏實(shí)測壓力系數(shù)已下降至0.31～0.92，地層虧空嚴(yán)重。Konys油田白堊系、侏羅系油藏均為帶底水油藏，地層滲透性和連通性較好，地層松散、承壓能力下降，且地層孔隙度較大。可知，Konys油田屬于典型的低壓易漏油藏，開發(fā)過程中容易造成儲(chǔ)層污染，鉆井作業(yè)過程中，鉆井液在壓差作用下向儲(chǔ)層滲透，以及過大的壓差作用會(huì)引發(fā)的惡性漏失，導(dǎo)致大量鉆井液及其固相含量進(jìn)入油層孔隙，造成嚴(yán)重污染。低壓儲(chǔ)層保護(hù)通常從降低井底作業(yè)壓差和改善作業(yè)流體與底層配伍性方面著手［1］。降低井底作業(yè)壓差，降低漏失風(fēng)險(xiǎn)，減少地層中外來流體的進(jìn)入；對于低壓儲(chǔ)層的開發(fā)過程中，外來流體的進(jìn)入不可避免時(shí)，就需要通過改善作業(yè)流體與底層配伍性，降低其對油層的污染。微泡沫鉆井液體系有著獨(dú)特的低密度效應(yīng)和泡沫封堵作用［2-3］，是一種適用于低壓儲(chǔ)層開發(fā)和保護(hù)的鉆井液體系。針對Konys油田的地質(zhì)情況和儲(chǔ)層特性，采用微泡沫鉆井液進(jìn)行鉆進(jìn)，進(jìn)行了適于該儲(chǔ)層的微泡沫鉆井液的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用，得到良好的效果。

1　微泡沫的穩(wěn)定性及作用機(jī)理

1.1微泡沫的穩(wěn)定性

影響微泡沫鉆井液穩(wěn)定性的因素分內(nèi)因和外因，內(nèi)因主要有液膜的排液作用和氣體透過液膜的擴(kuò)散作用；外因主要有溫度、壓力、外界物質(zhì)的侵入等［4-5］。

對于微泡沫而言，由于其與普通泡沫在微觀結(jié)構(gòu)上的差異，引起微泡沫破裂的主要因素是重力作用［3］。液體因其自身的重力而下降，使液膜不斷變薄，最終導(dǎo)致泡沫的破裂。因此，液膜的性質(zhì)是影響微泡沫穩(wěn)定性的主要因素。另外，當(dāng)溫度、壓力等外界條件發(fā)生變化或受外力沖擊、震動(dòng)時(shí)，更會(huì)加速其破裂進(jìn)程。

1.2微泡鉆井液作用機(jī)理

（1）低密度效應(yīng)，微泡沫鉆井液密度低于一般水基鉆井液，可有效降低井底液柱壓力，降低失水，減少漏失，減少污染，保護(hù)儲(chǔ)層。

（2）賈敏效應(yīng)［6］，微泡沫在向地層滲透的過程中，在孔隙喉道處被捕集，由于賈敏效應(yīng)的疊加作用而大大增加了泡沫鉆井液向地層流動(dòng)的阻力，防止鉆井液繼續(xù)向地層滲透或漏失。

（3）阻緩壓力傳遞機(jī)理，微泡沫鉆井液中的泡沫可以阻緩鉆井液液柱壓力向地層傳遞，從而減緩地層孔隙壓力的增加。

2　起泡劑與穩(wěn)泡劑的優(yōu)選

2.1起泡劑的優(yōu)選

同普通泡沫鉆井液相比，微泡沫鉆井液對起泡劑有更加嚴(yán)格的要求［7］。對所使用的起泡劑，要求起泡能力較強(qiáng)，而氣泡量不需太大；生成的泡沫必須非常細(xì)小均勻且穩(wěn)定性好，同時(shí)要有較好的抗鹽、抗鈣、抗溫能力。

傾注法是生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)中常用的評價(jià)起泡性能的方法，該方法比較方便而且準(zhǔn)確。所用儀器為Ross-Miles發(fā)泡儀，如圖1所示。

圖1　Ross-Miles發(fā)泡儀

采用傾注法對多種起泡劑進(jìn)行了評價(jià)，加量均為0.4%，結(jié)果如表1所示。

表1　起泡劑評價(jià)

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，起泡劑F871、JP-2、SJ-6和TSB-2都具有良好的起泡能力，且半衰期長，是較好的起泡劑。

2.2穩(wěn)泡劑評價(jià)

通過理論研究與機(jī)理分析，對鉆井液處理劑的穩(wěn)泡效果做了評價(jià)試驗(yàn)，試驗(yàn)起泡劑選用0.5%TSB-2，其結(jié)果如表2所示。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，PAC、XC和CMC是良好的泡沫穩(wěn)定劑，配出的泡沫液既有較高的起泡量，穩(wěn)定性又好。

表2　穩(wěn)泡劑評價(jià)

3　微泡沫鉆井液配方研究及性能評價(jià)

3.1配方研究

微泡沫鉆井液是氣、液、固的多相分散體系，其穩(wěn)定性取決于微泡沫的穩(wěn)定存在和鉆井液體系的穩(wěn)定，而微泡沫的穩(wěn)定主要是液膜的穩(wěn)定，同時(shí)應(yīng)使液膜具有較低的排液速率。因此，選定微泡沫鉆井液的基漿應(yīng)具有以下條件：（1）適當(dāng)?shù)墓滔嗪浚唬?）具有一定的液體粘度；（3）穩(wěn)定的鉆井液性能。

3.1.1流型調(diào)節(jié)

配方1：4%土+0.2%Na2CO3+0.1%NaOH+0.1% XC+0.5%Na-HPAN+0.3%CMC+0.1%PAC+2% SMP-II+0.25%TSB-2；

配方2：4%土+0.2%Na2CO3+0.1%NaOH+0.2% XC+0.5%Na-HPAN+0.3%CMC+0.1%PAC+2% SMP-II+0.25%TSB-2；

配方3：4%土+0.2%Na2CO3+0.1%NaOH+0.1% XC+0.5%Na-HPAN+0.3%CMC+0.3%PAC+2% SMP-II+0.25%TSB-2；

配方4：4%土+0.2%Na2CO3+0.1%NaOH+0.2% XC+0.5%Na-HPAN+0.3%CMC+0.2%PAC+2% SMP-II+0.25%TSB-2。

性能測試結(jié)果見表3。

表3　鉆井液性能測試

3.1.2抑制劑優(yōu)選

無機(jī)鹽類抑制劑的加入，會(huì)影響到微泡沫鉆井液中微泡液膜的穩(wěn)定性，從而使微泡沫鉆井液體系的穩(wěn)定性降低。因而本試驗(yàn)評價(jià)了常用聚合物抑制劑對粘土膨脹的抑制效果。

根據(jù)已有的經(jīng)驗(yàn)，與K-PAM、FA367相比，增粘抑制劑YFKN對泥巖分散的抑制效果更加明顯，其與微泡沫鉆井液體系配伍性良好，對微泡沫的穩(wěn)定性沒有不良影響。

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果及分析，微泡沫鉆井液體系是選擇基液粘度適中，起泡能力好，抗污染能力強(qiáng)，具有泥頁巖抑制能力，配制方便，完全能夠滿足現(xiàn)場施工需要。最終確定的微泡沫鉆井液配方為：

4%+0.2%Na2CO3+0.1%～0.2%NaOH+0.1%～0.3%XC+0.5%～1%Na-HPAN+0.2%～0.5%YFKN+ 0.3%～0.5%CMC+0.1%～0.3%PAC+2%～3%SMPII+0.2%～0.5%TSB-2。

性能如表4所示。

表4　鉆井液性能表

3.2鉆井液性能評價(jià)

3.2.1抗溫試驗(yàn)

選用1號(hào)配方+0.2%YFKN，做不同溫度下的老化試驗(yàn)，結(jié)果如表5。

表5　抗溫試驗(yàn)測試

試驗(yàn)結(jié)果表明，溫度升高對微泡沫的穩(wěn)定性有一定影響，但是影響不是很大。

隨溫度升高，基液變稀，半衰期變短，濾失量略有增加。但是在現(xiàn)場施工時(shí)，根據(jù)實(shí)際情況，隨著井溫的變化，適當(dāng)調(diào)整基液粘度，增大穩(wěn)泡劑加量，選擇合適的微泡沫流體配方。

3.2.2抗污染能力

煤油對微泡沫鉆井液的影響表現(xiàn)為：隨著煤油加量的增加，起泡劑的起泡能力呈下降趨勢，密度升高。現(xiàn)場鉆遇油層時(shí)，應(yīng)適當(dāng)提高起泡劑的加量，以提高微泡沫鉆井液的穩(wěn)定性。見圖2。

圖2　密度隨煤油加量變化曲線圖

3.2.3密度特性

密度低是泡沫鉆井液的突出性質(zhì)之一，由于其中含有大量的氣體，在溫度、壓力等因素的影響下，其密度變化范圍很大。通用的表述固液兩相流體密度的方法和氣體密度的方法已無法描述微泡沫鉆井液的密度變化規(guī)律。所以微泡沫鉆井液密度與壓力、溫度的關(guān)系必須通過實(shí)驗(yàn)方法給出。

圖3　微泡沫鉆井液溫度—壓力—密度曲線

根據(jù)圖3可以得出，微泡沫鉆井液密度受壓力影響較大，溫度影響較小。其中5MPa之前，密度曲線變化率較高；5MPa之后，密度變化相對較小。密度隨溫度升高而略有增加，但是幅度較小。

3.2.4儲(chǔ)層保護(hù)效果

用微泡沫鉆井液兩對塊儲(chǔ)層砂巖巖芯做污染評價(jià)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表6所示。

表6　動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)用巖心油層物性

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，微泡鉆井液滲透率恢復(fù)值在90%以上，具有較好的油層保護(hù)效果。

4　現(xiàn)場應(yīng)用

根據(jù)Konys油田的地層特征、微泡沫鉆井液特性以及其在國內(nèi)的使用情況，制定了相應(yīng)的技術(shù)措施，確保施工的順利進(jìn)行，并取得良好的成果。

4.1現(xiàn)場施工情況

K82井是一口三開直井，設(shè)計(jì)井深為1350m，按照設(shè)計(jì)，表層鉆至井深30m，該井在二開374m以下井段試驗(yàn)微泡沫鉆井液，重點(diǎn)預(yù)防下部儲(chǔ)層漏失。該井施工難點(diǎn)在于上部白堊系存在淺氣層，下部侏羅系油層屬于異常低壓，壓力系數(shù)差別大，漏失風(fēng)險(xiǎn)大。鉆井液密度從1.20g/cm3降至1.10g/cm3，起泡順利，鉆井液中微泡沫細(xì)小均勻，穩(wěn)泡效果良好，在鉆進(jìn)、起下鉆、測井、通井、下套管、固井作業(yè)中，井下情況均正常，實(shí)現(xiàn)了微泡防漏的預(yù)期效果。

K587井是一口三開直井，設(shè)計(jì)井深為1350m，按照設(shè)計(jì)，二開鉆至井深375m，該井在三開375m以下井段試驗(yàn)微泡沫鉆井液，預(yù)防下部儲(chǔ)層漏失。要求以1.17g/cm3的鉆井液密度三開，然后采用微泡沫技術(shù)防漏。施工過程中，鉆井液密度最低達(dá)到1.12g/cm3，成功預(yù)防井漏。

K357H井是一口三開水平井，設(shè)計(jì)井深為1655m，二開鉆至井深375m，該井在三開段試驗(yàn)微泡沫鉆井液，預(yù)防下部儲(chǔ)層漏失。井深1354.81m處垂深為1252.54m，對比鄰井，垂深1252.54m可能存在油層氣頂，不宜直接采用低密度鉆井液三開，鉆進(jìn)至井深1351.81m出現(xiàn)油氣顯示，停泵觀察無溢流，開始試驗(yàn)微泡沫鉆井液。該井三開鉆井液密度從1.19g/cm3降低至1.12g/cm3，完鉆時(shí)鉆井液密度為1.12g/cm3，定向儀器信號(hào)正常，成功預(yù)防井漏。

4.2應(yīng)用效果

微泡沫鉆井液性能穩(wěn)定，降低密度幅度可達(dá)0.10g/cm3，鉆井液性能穩(wěn)定，與低密度微珠和聚合物鉆井液對比數(shù)據(jù)見表7。

表7　不同鉆井液性能比較

微泡沫鉆井液密度低于常規(guī)水基鉆井液，與低密度微珠鉆井液相當(dāng)；鉆井液濾失量低，可減少地層損害；粘切高，攜巖能力強(qiáng)，能有效地清除井底巖屑；固相含量低，便于控制流變性；不需要空氣壓縮機(jī)及其它氣體注入設(shè)備或氮?dú)獍l(fā)生器，可循環(huán)使用。

微泡沫鉆井液在Konys油田試驗(yàn)效果良好，在低壓地層防漏中取得了成功，相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表8。

在高、低壓同層井段，微泡沫進(jìn)入地層、封堵孔隙，有效地防止了低壓層發(fā)生井漏。最低鉆井液密度降至了0.1 g/cm3，防止了井漏。

通過對試驗(yàn)井K-82、K-587井與其鄰井射孔、采油情況調(diào)查，對比數(shù)據(jù)如表9所示。

與鄰井相比，K-82井比K-61井日產(chǎn)油多5.7m3，K-587井比K-179井日產(chǎn)油多11.3m3，平均單孔產(chǎn)油量分別提高29.7%和84%。說明微泡沫鉆井液體系對低壓儲(chǔ)層保護(hù)作用明顯，有利于提高單井采收率。

表8　微泡沫鉆井液試驗(yàn)情況統(tǒng)計(jì)表

表9　產(chǎn)油數(shù)據(jù)對比

5　結(jié)論及建議

（1）微泡沫鉆井液具有密度低的特點(diǎn)，鉆進(jìn)中性能穩(wěn)定。解決了以往在低壓儲(chǔ)層鉆井時(shí)的井漏問題，避免了因漏失而引起的儲(chǔ)層損害；

（2）微泡沫鉆井液，可以有效保護(hù)低壓儲(chǔ)層，利于返排，提高采收率；

（3）微泡沫鉆井液具有較強(qiáng)的攜帶能力，在鉆進(jìn)過程中井口返出巖屑正常，滿足了地質(zhì)錄井和鉆井工程的要求；

（4）為低壓油藏的鉆井施工提供了一種新的鉆井液體系，通過現(xiàn)場應(yīng)用表明，微泡沫鉆井液防漏效果好，儲(chǔ)層保護(hù)效果明顯，值得推廣應(yīng)用。

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TE2

B

1004-5716（2016）05-0063-05

2015-04-20

2015-12-26

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“高溫高壓低彈性模量復(fù)合固井材料形成機(jī)理研究”，編號(hào)：51474192；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)，編號(hào)2012098。

王金磊（1983-），男（漢族），山東聊城人，工程師，現(xiàn)從事鉆井工藝技術(shù)現(xiàn)場施工安全優(yōu)化組織管理工作。