超低滲透鉆井液井壁穩(wěn)定機(jī)理

柏曉超，劉偉，崔翰林(中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300459)

0 引言

安全生產(chǎn)是各行業(yè)運(yùn)行與發(fā)展的前提條件，石油鉆井更要將安全生產(chǎn)放在首要位置。提高井壁穩(wěn)定性便是基礎(chǔ)，尤其是現(xiàn)階段鉆井?dāng)?shù)量在不斷增多、深度也在持續(xù)增加，所鉆井不同層位的復(fù)雜程度難以預(yù)測(cè)，急需采用新技術(shù)來穩(wěn)定井壁以減少井下復(fù)雜情況的發(fā)生并降低油氣層損害。超低滲透鉆井液即為一種較理想的體系，其應(yīng)用能夠有效減少井壁失穩(wěn)給鉆井作業(yè)帶來消極影響，并且還可以進(jìn)一步拓寬油氣井的壓力窗口范圍，在低安全窗口鉆井及微裂縫地層鉆井中應(yīng)用效果顯著[1-3]。

1 超低滲透鉆井液的吸附、成膜與保護(hù)機(jī)理

納米乳化石蠟是以石蠟、乳化劑和水為主要原料，通過合適的乳化分散工藝制成的粒徑小于500 nm 的乳狀液[4-9]。乳化石蠟平均粒徑在160 nm 左右，凝固點(diǎn)最低達(dá)到-30 ℃，防凍能力突出，并具有良好的穩(wěn)定性，具有綠色無污染的特點(diǎn)[10]，其疏水性可以在近井壁帶形成有效的半滲透膜。聚合醇類分子能降低鉆井液濾液的化學(xué)活性，其復(fù)雜分子鏈對(duì)水分子的吸附增強(qiáng)致使濾液黏度增加導(dǎo)致流體侵入地層速率降低，其醇羥基也可與泥頁(yè)巖表面的粘土膠結(jié)形成復(fù)合物，排掉部分水從而阻止水分進(jìn)入，起到抑制頁(yè)巖作用從而有利于穩(wěn)定井壁。二者復(fù)配形成的強(qiáng)韌泥餅可以最大限度降低鉆井液濾液對(duì)地層的侵?jǐn)_，有效減緩了地層吸水膨脹導(dǎo)致的井塌、縮徑現(xiàn)象的發(fā)生。

超低滲透鉆井液體系采用聚合醇/ 納米乳化石蠟復(fù)配作為低滲透劑，主要用于深井段、水平井段、復(fù)雜易垮塌井段，對(duì)破裂帶、走滑斷層、傾覆體地層有良好的作業(yè)效果。聚合醇/納米乳化石蠟復(fù)配而成的低滲透劑具有相變溫度，其相變溫度隨著無機(jī)鹽加量增加而逐步降低后趨于穩(wěn)定，10%加量的氯化鈉或者氯化鉀對(duì)于其濁點(diǎn)溫度的降低在15～20 ℃之間。作業(yè)過程中建議選用濁點(diǎn)高于出口溫度20～30 ℃的聚合醇。當(dāng)井底溫度低于相變溫度，其作為分散相以游離態(tài)存在，由于多數(shù)顆粒直徑較巖層孔隙大，正壓差作用下形成的泥餅在井筒內(nèi)壁形成疏水層，起到瀝青質(zhì)封堵劑的封堵作用；當(dāng)井底溫度高于其相變溫度時(shí)呈液珠狀，發(fā)生形變被擠入地層，改變孔喉處的界面張力形成水鎖而阻止濾液的進(jìn)入。

低滲透劑能降低聚合物在粘土上的吸附量，隨著溫度的升高其吸附量由15% 逐步升高至30%。低滲透劑局部絡(luò)合聚合物的吸附基團(tuán)，控制其與粘土的橋聯(lián)作用，但并不能完全破壞聚合物的吸附作用，而是有一定的限度，并能延緩聚合物的熱降解作用。實(shí)驗(yàn)證明，無論溫度在濁點(diǎn)上還是在濁點(diǎn)下聚合醇均能與聚合物發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用。對(duì)于不同巖性隨著吸附消耗量的增加，其建議加量可以從3%提高至5%。

為驗(yàn)證低滲透鉆井液成膜、吸附性，實(shí)驗(yàn)通過采用3%海水膨潤(rùn)土漿，添加3%聚合醇+1%乳化石蠟，使用高溫高壓黏附儀，在不同溫度情況下測(cè)定其黏附系數(shù)。結(jié)果表明添加后的鉆井液黏附系數(shù)起始值0.2 左右，且溫度越高摩擦系數(shù)越小、潤(rùn)滑性能越好，達(dá)到濁點(diǎn)溫度后效果更明顯，黏附系數(shù)可降低50%以上。

通常情況下鉆完井期間為保持井控安全普遍采用正壓差，濾液的進(jìn)入使油氣層的原始平衡壓力不可避免的受到損害。其中最大的傷害為鉆完井液所攜帶的微粒引發(fā)的孔喉堵塞從而導(dǎo)致滲透率下降進(jìn)而影響采油效率。孔喉堵塞主要包括固體顆粒物堵塞、聚合物堵塞、粘土物質(zhì)堵塞、結(jié)垢等類型，流體遇阻進(jìn)一步造成乳化、潤(rùn)濕程度降低等后果，所以作業(yè)期間通常維持較低的正壓差以最大限度降低對(duì)油氣層損害。超低滲透鉆井液會(huì)在一定的壓力下可延長(zhǎng)致密膜的作用時(shí)間，并且隨著循環(huán)溫度的上升，其防滲透效果較傳統(tǒng)鉆井液明顯提升，說明溫度、壓力對(duì)超低滲透鉆井液在成膜和保護(hù)油氣層上影響較低。膠束薄膜的致密性非常高，具有很大的承壓力，并且清除起來也十分容易，這是因?yàn)樵诒砻嫘纬傻谋Ｗo(hù)膜，不會(huì)對(duì)巖層內(nèi)部產(chǎn)生任何的吸附作用，清除封閉膜只需要輕微的反向壓力即可。

超低滲透鉆井液中聚合醇/ 納米乳化石蠟形成的封堵易返排，對(duì)油氣層的保護(hù)性能非常好，能夠在使用過程中利用煤油的返排來解除堵塞，油相滲透率的恢復(fù)程度高，恢復(fù)速度快，其氣-液表面張力較清水降低45%，油-水界面張力較清水降低78%。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知對(duì)巖心滲透率恢復(fù)的結(jié)果通常在98.4%左右，油相的滲透率恢復(fù)率可達(dá)100%，且滲透率恢復(fù)耗時(shí)短。可見該種類型的鉆井液對(duì)油氣層的損傷微乎其微，能夠最大限度地提高鉆井液對(duì)儲(chǔ)層的保護(hù)力度，為井下鉆具創(chuàng)造一個(gè)良好的工作環(huán)境。

2 超低滲透鉆井液穩(wěn)固井壁的作用機(jī)理

微觀研究顯示低滲透鉆井液中含有膠束聚合物。鉆進(jìn)新地層后動(dòng)態(tài)濾失期間快速吸附在頁(yè)巖孔隙表面，低滲透劑的進(jìn)入使孔喉由水潤(rùn)濕變?yōu)橛蜐?rùn)濕，毛細(xì)管力由此成為濾液滲入的阻力，隨著時(shí)間推移泥餅上逐漸形成一層薄而致密的膜，這層膜的出現(xiàn)可提升正向承壓能力1.5 MPa 以上。由達(dá)西定律得知，液體流動(dòng)速率與濾液的黏度成反比，由于濾液黏度的增加濾液滲入速度明顯降低，濾失壓差的增加可使濾失量降低，可對(duì)井壁穩(wěn)定起到增益作用。進(jìn)一步分析可知，成膜增強(qiáng)井壁穩(wěn)定是利用人工控制方法，在井筒鉆井液和孔隙流體間形成一種有效的隔離狀態(tài)，從而對(duì)濾液的滲入起到一定的阻礙效果，減少地層受到外界的入侵，使其維持原始地應(yīng)力而提高穩(wěn)定性。現(xiàn)階段采用的添加劑所形成的多為半透膜，研究過程中也多以該類膜為主，其他類型的添加劑也可作為今后的研究重點(diǎn)。

超低滲透鉆井液可以對(duì)巖層的膨脹起到較好的抑制效果，這就為防止鉆進(jìn)過程中的坍塌提供了安全保證。特殊形狀的聚合物可以在短時(shí)間內(nèi)形成膠束薄膜，減緩鉆井液對(duì)巖層的深層滲透。在這種情況下，地層流體會(huì)盡量少與鉆井液接觸，同樣濾液會(huì)減少侵入到巖層的深度，也盡可能減少出現(xiàn)井壁坍塌的問題。即便有極為少量的鉆井液濾液滲入巖層，該種超低滲透鉆井液體系也會(huì)因其具有較巖層內(nèi)流體相似的活度，不會(huì)造成巖層的吸水膨脹而導(dǎo)致垮塌等問題，安全系數(shù)極高。

實(shí)驗(yàn)通過基礎(chǔ)配方添加3%聚合醇+1%乳化石蠟后進(jìn)行降濾失評(píng)價(jià)，隨著實(shí)驗(yàn)溫度升高，高溫高壓濾失量逐漸降低，溫度大于濁點(diǎn)后失水量減少更加明顯，結(jié)果濾失降低率最高可達(dá)43%。

配方一：3% 海水膨潤(rùn)土漿+0.3% NaOH+0.3% Na2CO3+0.6% 聚陰離子纖維素+1%交聯(lián)淀粉+1%改性瀝青+1%零滲透封堵成膜劑+12% NaCl+8% KCl。

配方二：3% 海水膨潤(rùn)土漿+0.3% NaOH+0.3% Na2CO3+0.6% 聚陰離子纖維素+1% 交聯(lián)淀粉+1% 改性瀝青+1% 零滲透封堵成膜劑+3% 聚合醇+1% 乳化石蠟+12% NaCl+8% KCl。

通過一系列實(shí)驗(yàn)可知，超低滲透鉆井液可以在頁(yè)巖表層形成保護(hù)膜，防止濾液的滲入，并且這種封閉膜的形成過程也只是短短的幾分鐘便可以完成，有效防止剩余的濾液或固體顆粒對(duì)地層產(chǎn)生影響。與同類的處理劑相比而言，超低滲透鉆井液的封堵性能是其它處理劑不能比擬的。根據(jù)實(shí)驗(yàn)應(yīng)用可知物質(zhì)聚合力越強(qiáng)，其成膜的抑制性就越大，所能夠承受的壓力越大，對(duì)巖層的滲透力影響就越小。實(shí)驗(yàn)室研究證明，該種鉆井液成膜后的壓縮性特別強(qiáng)，因此受到的壓力越大，封閉膜的質(zhì)量越高，對(duì)井壁的穩(wěn)定和保護(hù)效果就越強(qiáng)。研究者新研制的產(chǎn)品致密性也要高于以前使用的FLC200。從宏觀上看，封閉性越強(qiáng)，則對(duì)地層壓力的阻隔與緩解能力就越強(qiáng)，承受性能也越高，另外阻緩壓力還可以防止井壁巖石出現(xiàn)膨脹與裂縫，壓力無法傳遞則越有助于提高井壁的穩(wěn)定性和安全性。

鉆進(jìn)過程中由于地層環(huán)境的多樣性，不可避免地會(huì)發(fā)生復(fù)雜情況，其中井漏是危害鉆井安全的重要因素。除地層原始裂縫、斷層、溶洞等原發(fā)性井漏外，人為因素導(dǎo)致的誘導(dǎo)井漏占據(jù)很大比例。其主要誘導(dǎo)因素為地層壓力虧空而導(dǎo)致靜液柱壓力遠(yuǎn)大于地層壓力，因此防止井漏關(guān)鍵在于增強(qiáng)地層承壓能力。超低滲透鉆井液形成的致密保護(hù)膜能夠緩解液柱對(duì)井壁巖層的壓力，這就在一定程度上提高了預(yù)防井漏的可能性。超低滲透鉆井液可以達(dá)到零滲透的應(yīng)用效果，鉆井液中的聚合物可以在井壁形成穩(wěn)定的保護(hù)屏障。若施工過程中靜液柱壓力超過了孔隙壓力，裂縫處滲入鉆井液會(huì)不斷膨脹，將漏處完全堵住。這使地層具有更高的承壓能力，有效平衡來自不同方向的壓力，同時(shí)減緩壓力的傳遞速度，將地層的壓力實(shí)行封堵后，井壁不會(huì)因受壓不平衡而出現(xiàn)井漏問題。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

渤海某區(qū)塊第一口探井鉆前設(shè)計(jì)沒有明顯異常，鉆遇一個(gè)斷層。地震資料及鄰井鉆井資料顯示，設(shè)計(jì)井不存在特殊地層，但仍建議鉆井工程人員密切注意鉆井實(shí)時(shí)參數(shù)的變化，選用合適的鉆井液密度，做好安全作業(yè)。作業(yè)過程中三開12.25 寸井段鉆進(jìn)過程中即出現(xiàn)明顯的垮塌掉塊，隨著井深的增加沒有明顯的改善狀況，鉆進(jìn)至完鉆井深后倒劃眼起鉆，起鉆速度低于90 m/h，起鉆至管鞋后下鉆過程中頻繁遇阻、遇卡，由于無法通過起下鉆拉順裸眼井段而反復(fù)通井，通井期間頻繁憋抬鉆具。該井段鉆進(jìn)用時(shí)3 天，通井作業(yè)耗時(shí)7 天，期間通過提高鉆井液比重、降低濾失量、提高封堵性，仍無良好解決辦法。通過不斷地稠塞+重稠塞配合清掃井眼，地層最終已垮塌至極限。電測(cè)顯示井眼井徑擴(kuò)大率100%，嚴(yán)重影響作業(yè)效率，電測(cè)質(zhì)量受到影響。

作業(yè)結(jié)束后結(jié)合電測(cè)數(shù)據(jù)重新分析該井，發(fā)現(xiàn)作業(yè)區(qū)塊位于走滑斷層，雖然未預(yù)測(cè)異常，但是地層的反復(fù)傾軋導(dǎo)致地應(yīng)力嚴(yán)重異常，并有類似傾覆體的構(gòu)造。作業(yè)井位選取過程中鉆遇多套斷層膠結(jié)，屬于明顯的破碎帶構(gòu)造，這種構(gòu)造在勘探方面的作業(yè)比例也逐年增加。為應(yīng)對(duì)突發(fā)異常應(yīng)力，增加作業(yè)過程中鉆井液相關(guān)時(shí)效，選擇使用超低滲透鉆井液體系。后續(xù)該區(qū)塊連續(xù)作業(yè)8 口井，作業(yè)過程中仍發(fā)現(xiàn)垮塌跡象，但相對(duì)于1 井有明顯改善。其主要體現(xiàn)為：垮塌得到有效緩解，井下鉆具受到的側(cè)向振動(dòng)明顯降低；垮塌量與垮塌掉塊尺寸明顯減少；起下鉆期間阻掛減少，相對(duì)應(yīng)鉆井液非生產(chǎn)失效由70%降至15%，與常規(guī)復(fù)雜情況井相近；電測(cè)作業(yè)顯示井徑擴(kuò)大率10%～15%，較同類井無明顯異常。作業(yè)結(jié)束棄井期間，固井沖洗液經(jīng)過后，泥餅破壞隨機(jī)發(fā)生垮塌鉆具上提下放懸重明顯異常，連續(xù)循環(huán)處理正常后才能滿足正常固井。作業(yè)的8 口井中有4 口為定向井，作業(yè)順暢，作業(yè)時(shí)效、地質(zhì)資料錄取均滿足甲方要求。通過該區(qū)塊作業(yè)后，充分說明該體系的優(yōu)越性。并且逐步在其他相應(yīng)區(qū)塊進(jìn)行推廣，能夠有效應(yīng)對(duì)應(yīng)力異常、地層垮塌等相關(guān)復(fù)雜情況。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，超低滲透鉆井液在微觀上具有快速并強(qiáng)力吸附的作用，且吸附量非常大，可以在井壁上形成具有高致密性的膠束薄膜。其可以有效封閉滲透性地層，將開裂程度較大的巖層封住，這樣就在井壁巖石表層形成保護(hù)層，防止濾液的入侵和膨脹，提高了井壁的穩(wěn)定性。該種鉆井液可以承受巨大的地層壓力，能夠降低壓力對(duì)油氣層的損害，減少坍塌和井漏事故的發(fā)生率。