超低密度鉆井液技術在大慶油田易漏復雜層的應用

李曉波

中國石油大慶鉆探工程公司 鉆井三公司（黑龍江 大慶 163000）

井漏、井涌和井噴等事故給鉆井施工帶來了巨大安全隱患，也造成了較大的經濟損失，特別是在經過多年開采的老區油田，這種現象更為普遍。大慶油田已經走過了60年的勘探開發歷程，在高產穩產期之后進入到壓力枯竭、產能極低、特高含水率的后期開發階段。大慶油田的南二、三區在經過二次、三次加密開發之后，再加上長期注水、注聚采油，地層壓力系統變得極其復雜，最低地層壓力系數遠遠小于1.0，不僅層間壓力差異大，同層壓力也極不穩定。在鉆井施工過程中，極易發生井漏、井涌，甚至是漏噴同層的復雜事故，對鉆井液密度窗口要求極高，最低密度要求小于0.8 g/cm3，既要能夠滿足防漏需要，特殊情況下又能將鉆井液密度提高至1.15 g/cm3，滿足壓穩地層的需要，將井筒壓力控制在安全范圍之內。因此，研究了一套超低密度鉆井液，有效降低了南二、三區的井漏、井涌等復雜事故，有效保證了該區塊石油資源的高效開發，產生了良好的經濟效益和社會效益。

1 低密度鉆井液技術

1.1 玻璃微珠低密度鉆井液技術

為了滿足特殊復雜層欠平衡鉆井需要，大慶油田先后研究過低密度油包水和低密度水包油鉆井液技術，這兩種鉆井液的密度只能低至0.90 g/cm3，只能應用于普通低壓力地層鉆井。對于南二、三區這樣的復雜區塊，只有密度更低的鉆井液才能滿足鉆井需求。

大慶油田2007 年研發出一套以空心玻璃微珠（HGS）作為密度減輕劑的低密度水基鉆井液。空心玻璃微珠作為鉆井液的核心添加劑，最主要的作用就是降低鉆井液密度，由耐熱堿石灰硼硅酸鹽玻璃制成，其粒徑分布范圍較廣，大都在10～90 μm；在承受較高的壓力下不易破碎；抗溫性極好，只有在高于600 ℃的環境中才會發生塑性形變；自身密度在0.32～0.60 g/cm3；同時，中空玻璃微珠具有良好的儲層保護效果。通過改變HGS加量，能夠有效調整鉆井液的密度，在鉆井液中玻璃微珠的極限加量為40%，此時鉆井液密度能降低至0.85～0.87 g/cm3[1-2]。

玻璃微珠鉆井液雖然密度較低，但也無法直接應用到大慶油田南二、三區，主要存在以下2方面原因：①玻璃微珠低密度鉆井液最低密度只能降至0.85 g/cm3，與南二、三區需求的小于0.8 g/cm3的最低鉆井液密度還存在一定差距；②從玻璃微珠低密度鉆井液現場應用實例可知，當玻璃微珠達到40%的極限加量時，由于鉆頭與地層、鉆具與井壁以及鉆頭水眼的擠壓、研磨作用，玻璃微珠會發生破碎和損耗，破碎率超過40%，總損耗量超過60%，這樣既會引起鉆井液密度升高，還會對鉆井液流變性產生負面影響。如果繼續維持鉆井液的低密度，只有加大玻璃微珠加量，勢必會增加鉆井液成本。

1.2 微泡沫鉆井液技術

在玻璃微珠低密度鉆井液之后，為了滿足一些區塊欠平衡鉆井需求，又研發了微泡沫鉆井液技術。這種鉆井液技術是將具有發泡能力的表面活性劑添加到鉆井液中，通過產生的泡沫降低鉆井液密度。為了獲得良好的發泡效果，保持較穩定的泡沫，往往要向鉆井液中添加具有穩泡能力的表面活性劑。這種低密度微泡沫鉆井液的密度范圍在0.86～1.10 g/cm3，也無法直接應用于南二、三區，不能滿足安全鉆井對低密度的需求；同時，僅靠添加大量發泡劑來降低鉆井液密度，需要更高標準的設備來匹配發泡工藝，還會增加發泡劑和穩泡劑的成本[3]。

2 超低密度鉆井液技術研究

結合玻璃微珠鉆井液和微泡沫鉆井液的特點，為了研究一套密度小于0.8 g/cm3的超低密度鉆井液，確定了研究思路：先通過控制中空玻璃微珠的加量，將水基鉆井液密度降至0.9 g/cm3左右；然后在玻璃微珠低密度鉆井液基礎上，再添加發泡劑和穩泡劑，進一步將鉆井液密度降至0.8 g/cm3以下，以滿足超低密度鉆井液需求。

2.1 玻璃微珠低密度鉆井液性能

2.1.1 玻璃微珠優選

空心玻璃微珠的選擇必須遵行以下幾個原則：①玻璃微珠粒徑必須合理。粒徑越大越容易破碎，損耗率也越高，粒徑太小會因為加工工藝的繁瑣而導致成本增加；②玻璃微珠壁厚適中。太薄容易破碎，太厚會導致玻璃微珠自身密度的增加；③玻璃微珠在鉆井液中具有良好的分散度[4]。

根據以上原則，如圖1和圖2所示，優選出平均粒徑在40 μm、壁厚在1～2 μm 的空心玻璃微珠，經過室內評價實驗，這種空心玻璃微珠在承受14～74 MPa 的壓力下，破碎率小于5%，且在鉆井液中具有良好的分散度，不會產生團聚、絮凝的情況。

圖1 玻璃微珠微觀結構圖

圖2 玻璃微珠在鉆井液中的分散微觀圖

2.1.2 玻璃微珠加量確定

在淡水基漿（配方：4%膨潤土漿+1%～1.5%抑制劑+0.1%～0.2%包被劑+1.0%～1.5%降濾失劑）基礎上，加入不同量的玻璃微珠，測量玻璃微珠對鉆井液密度和流變性的影響規律，實驗結果如圖3和圖4所示。由圖3可知，隨著玻璃微珠加量增加，鉆井液密度總體呈下降趨勢，在質量分數達到40%時，鉆井液密度最低，為0.85 g/cm3；由圖4可知，鉆井液塑性黏度和動切力隨著玻璃微珠加量增加，總體呈上升趨勢，在質量分數小于25%，塑性黏度和動切力增加緩慢，對鉆井液性能影響較小，但超過25%時，塑性黏度和動切力快速增加，對鉆井液性能影響較大。

因此，綜合考慮玻璃微珠損耗率、鉆井液流變性和綜合成本等因素，確定玻璃微珠質量分數為25%，此時鉆井液密度為0.92 g/cm3。

圖3 玻璃微珠對鉆井液密度影響曲線圖

圖4 玻璃微珠對鉆井液流變性影響曲線圖

2.2 超低密度鉆井液性能

在玻璃微珠低密度鉆井液基礎上，通過加入自主合成的發泡劑和穩泡劑，再進一步降低鉆井液密度至所需要的范圍。

2.2.1 發泡劑合成及性能評價

發泡劑是微泡沫鉆井液技術的關鍵處理劑，形成的泡沫的質量直接決定著鉆井液性能是否穩定。目前微泡沫鉆井液常用的發泡劑由于單體選擇和合成工藝的不同，產品的親油親水能力相差很大，最終發泡能力、泡沫質量（發泡體積、半衰期和抗污染能力等）差異也較大。因此，選用烷基酰胺、胺基和羧酸等親水單體合成出能夠滿足要求的發泡劑[5]。該反應為水溶液聚合反應：將胺基化合物與二級去離子水配制成一定濃度的溶液，置于搪瓷反應釜中，將溫度升高至60 ℃；再緩慢加入烷基酰胺單體與氫氧化鈉配制成的混合溶液；混合溶液加完后繼續反應3～4 h，可得到乳白色表面活性劑CF。

采用常用的半衰期泡沫質量評價法對合成的發泡劑CF的質量進行了評價，并和常用的發泡劑進行了對比分析。該方法是將一定的發泡劑加入到水中，通過高速攪拌產生泡沫，測量產生泡沫的體積；并靜止觀察，記錄開始析出液體的時間（出液時間）和半衰期（析出一半量液體的時間），實驗結果見表1。由表1可知，自主合成的發泡劑CF，發泡體積和發泡能力都高于其他幾種表面活性劑，且出液時間和半衰期都更長，說明其產生的泡沫性能穩定，質量較高，能滿足泡沫鉆井液發泡需求。

表1 不同發泡劑性能對比

2.2.2 穩泡劑合成及性能評價

在井下高溫高壓和水眼剪切作用下，泡沫極易發生破裂而引起鉆井液密度升高。為了進一步提高泡沫穩定性，常常在泡沫鉆井液中添加一種具有穩泡作用的表面活性劑，以提高泡沫穩定性。目前常用的穩泡劑大都為生物聚合物類、聚合纖維素類和改性大分子類，單一使用某一種穩泡劑，效果較差，復合使用又存在成本高、加料和維護工藝復雜等問題。因此，綜合考慮穩泡能力、成本和維護工藝等因素，采用乳液聚合方式，以丙烯酸和酰胺類化合物合成出一種低黏度的中分子量聚合物鉆井液體系用穩泡劑SF。

對合成的穩泡劑的穩泡能力與其他幾種穩泡劑進行了對比，實驗結果見表2。由表2可知，合成的穩泡劑穩泡能力較好，與發泡劑具有較好的協同作用，可以延長半衰期。

表2 穩泡劑性能評價

2.2.3 超低密度鉆井液配方研究及性能評價

在淡水基鉆井液配方基礎上，通過添加25%的空心玻璃微珠（HGS）使鉆井液密度降低至0.92 g/cm3，然后通過室內配方研究和正交試驗，確定了發泡劑和穩泡劑的加量，將鉆井液密度降至0.78 g/cm3。超低密度鉆井液配方為：4%膨潤土漿+1%～1.5%抑制劑+0.1%～0.2%包被劑+1.0%～1.5%降濾失劑+25%HGS+0.02%～0.04%發泡劑CF+0.01%～0.03%穩泡劑SF。并對其相關性能進行了評價。

1）常規性能評價。對淡水基漿、玻璃微珠低密度鉆井液和超低密度鉆井液的流變性，以及超低密度鉆井液的泡沫穩定性進行評價，實驗結果見表3和表4。由表3 可知，與淡水基漿相比，玻璃微珠低密度鉆井液和超低密度鉆井液流變性變化較小，說明在現場施工時不會因為玻璃微珠和發泡劑的加入而發生性能突變；由表4可知，超低密度鉆井液密度隨著攪拌時間增加會略有降低，泡沫體上、中、下部密度幾乎不變，且半衰期時間都大于45 h，說明泡沫體系均勻穩定，能滿足現場施工需求。

表3 常溫下微泡沫鉆井液性能

表4 微泡沫鉆井液常規發泡性能

2）抗污染性能。在鉆井過程中，鉆井液性能會受到地層中的油相、巖屑等污染而變化，所以對超低密度鉆井液的抗污染能力評價也很關鍵[6]。由表5 可知，隨著柴油加量增加，鉆井液性能變化不明顯，具有較強的抗油污染能力，能抗15%柴油污染；由表6可知，鉆井液在受劣土污染之后，泡沫體積和黏度變化不明顯，說明抗劣土污染能力較強，能夠滿足現場不同地層鉆井要求。

3）堵漏性能。在80 ℃條件下，采用砂床承壓封堵實驗對超低密度鉆井液的堵漏承壓能力進行評價。實驗結果顯示，在0.425～0.850 mm（20～40 目）和0.250～0.425 mm（40～60 目）砂床封堵實驗中，承壓能力由常規鉆井液體系的5.2 MPa 和6.1 MPa 分別提高至7.5 MPa 和8.0 MPa，表明空心玻璃微珠和微氣泡在砂床孔隙中形成了有效封堵層，使承壓能力大幅度提高，說明超低密度鉆井液對不裂縫性地層都具有較強的防漏堵漏能力。

表5 超低密度鉆井液抗油污染實驗結果

表6 微泡沫鉆井液抗劣土污染能力評價

3 現場應用

研制的超低密度鉆井液在大慶油田南二、三區N252-1 井進行了應用。該井三開井段為1 100～1 670 m，預測井底壓力系數小于1.0，存在易漏風險，所以采用超低密度鉆井液進行鉆井。

三開作業前，將淡水基漿性能調整至合理范圍，通過加料漏斗緩慢加入25%鉆井液體積的玻璃微珠，持續攪拌2 h 以上；當玻璃微珠分散均勻、鉆井液密度穩定之后，按照比例先后加入發泡劑和穩泡劑，經過攪拌槳剪切后，形成超低密度鉆井液，經測量鉆井液密度為0.8 g/cm3，能夠滿足三開井段欠平衡鉆井需求。在鉆井過程中，要根據鉆井液密度和泡沫體積的變化情況，按比例隨時補充玻璃微珠、發泡劑、穩泡劑或消泡劑，并保持攪拌槳正常運轉。

在整個三開過程中，鉆井液性能見表7，超低密度鉆井液性能穩定，密度始終維持在0.80 g/cm3左右，API 失水在3 mL以內，而且井底巖屑返出順利，沒有發生鉆井液漏失、井涌和井噴等復雜事故。機械鉆速比同區塊鄰井提高96%，鉆井周期也同比縮短12 d以上。

表7 現場鉆井液性能數據

4 結論及建議

1）針對大慶油田南二、三區地層的復雜特點，通過選用空心玻璃微珠和合成發泡劑、穩泡劑，研制出一套超低密度鉆井液，密度最低能降至0.78 g/cm3，發泡穩泡能力強，對0.25～0.85 mm（20～60 目）砂床的承壓能力在7.5 MPa 以上，并具有良好的抗污染能力。

2）現場應用表明，該超低密度鉆井液技術能有效控制井筒壓力，使井漏和井涌風險降低，能提高鉆井速度，縮短鉆井周期，對老區油田復雜區塊井控安全和鉆井安全提供技術支撐，具有良好的推廣應用前景。