吳婷婷，張烈輝 張宇睿（ 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 （西南石油大學(xué)），四川 成都610500）

魏棟超 （中石油川慶鉆探工程有限公司，四川 成都610051）

泡沫鉆井技術(shù)作為欠平衡鉆井中的一種，在提高機(jī)械鉆速、減少地層漏失、防止壓差卡鉆、保護(hù)儲(chǔ)層等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。然而，當(dāng)泡沫流體鉆遇大段水敏性泥頁(yè)巖地層時(shí)，由于泡沫流體不能在井壁形成泥餅，且泡沫鉆井液液柱壓力不能平衡地層坍塌壓力，因此隨著鉆井時(shí)間的增加，泥頁(yè)巖水化加劇，最終導(dǎo)致井壁失穩(wěn)問題[1～8]。針對(duì)泡沫鉆井井壁失穩(wěn)問題，選擇性能優(yōu)越的防塌處理劑配方是目前解決這一問題最為普遍、最為有效的辦法。為解決上述泡沫鉆井中出現(xiàn)的問題，開展了硅酸鹽/聚合物防塌泡沫鉆井液研究，對(duì)該泡沫鉆井液的基本性能和防塌性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并對(duì)其防塌機(jī)理進(jìn)行了相應(yīng)的研究。

1 泡沫鉆井液處理劑優(yōu)選

1.1 發(fā)泡劑的優(yōu)選

發(fā)泡劑按其性能可分為陰離子發(fā)泡劑、陽(yáng)離子發(fā)泡劑、非離子發(fā)泡劑和兩性發(fā)泡劑4種類型，不同的發(fā)泡劑，其發(fā)泡性能不同。針對(duì)發(fā)泡劑的性能和成本，室內(nèi)采用Waring－Blender法[9]分別測(cè)定了4種發(fā)泡劑的起泡能力，包括：AOS、K12、ABS和AES，試驗(yàn)結(jié)果見表1。從表1可以看出，當(dāng)加入的發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同時(shí)，不同發(fā)泡劑的發(fā)泡性能有明顯的區(qū)別，其中K12、ABS、AES泡沫性能較好，發(fā)泡體積都超過500mL。但由于AES抗硬水能力相對(duì)于其他2種較強(qiáng)，因此優(yōu)選AES作為該配方的發(fā)泡劑。

表1 不同類型發(fā)泡劑性能評(píng)價(jià)

1.2 穩(wěn)泡劑的優(yōu)選

為了提高泡沫的穩(wěn)定性，通常向泡沫基液中添加增黏劑作為穩(wěn)泡劑。其可提高液膜的黏度，降低流動(dòng)度，減緩泡沫排液速度，從而增加泡沫的穩(wěn)定性[10]。然而，穩(wěn)泡劑的加入雖可以提高泡沫的穩(wěn)定性能，同時(shí)也會(huì)影響泡沫的發(fā)泡能力。室內(nèi)選用穩(wěn)泡劑XC和CMC，考察其對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的AES發(fā)泡劑發(fā)泡性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果見表2。從表2可以看出，隨著穩(wěn)泡劑XC和CMC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，泡沫體積降低，泡沫半衰期增加。通過室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可知，XC對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的AES發(fā)泡劑的發(fā)泡體積影響較CMC小，且穩(wěn)泡能力更為優(yōu)越。因此，選用XC作為該配方的穩(wěn)泡劑。

表2 加入不同穩(wěn)泡劑泡沫性能參數(shù)

表3 抑制劑的性能評(píng)價(jià)

1.3 抑制劑的優(yōu)選

目前解決泡沫鉆井井壁穩(wěn)定的方法主要是添加抑制劑，以減少泥頁(yè)巖地層水化的程度。常用的處理劑包括無(wú)機(jī)鹽和有機(jī)類物質(zhì)[11]。表3為該泡沫鉆井液泥頁(yè)巖抑制劑的優(yōu)選結(jié)果。從表3可以看出，通過硅酸鉀與聚乙烯醇相互匹配，可實(shí)現(xiàn)泥頁(yè)巖抑制性能大幅提升，有利于泡沫鉆井中的井壁穩(wěn)定。通過對(duì)泡沫鉆井液泥頁(yè)巖抑制劑的優(yōu)選可以看出，當(dāng)泡沫鉆井液配方為1%AES＋0.3%XC＋1%PVA＋2%K2SiO4（配方里的百分?jǐn)?shù)為質(zhì)量分?jǐn)?shù)），泥頁(yè)巖滾動(dòng)回收率高達(dá)96.15%，其發(fā)泡體積為530mL，半衰期為24.75min。因此，試驗(yàn)中選用該泡沫鉆井液配方進(jìn)行綜合性能評(píng)價(jià)。

2 泡沫鉆井液性能評(píng)價(jià)

2.1 抗污染性能評(píng)價(jià)

當(dāng)采用泡沫鉆井液進(jìn)行鉆井時(shí)，為確保井下泡沫鉆井液性能的穩(wěn)定，因此需要泡沫鉆井液具有較強(qiáng)的抗污染能力。室內(nèi)對(duì)優(yōu)選泡沫體系的抗油、抗鹽和抗巖屑污染進(jìn)行了評(píng)價(jià)，試驗(yàn)結(jié)果見表4。其中，抗油污染是在泡沫體系中加入煤油，抗鹽和抗巖屑是在泡沫體系中加入NaCl和過100目篩的巖屑。從表4的試驗(yàn)結(jié)果中可以看出，該泡沫體系具有良好的抗污染性。

表4 泡沫鉆井液抗污染性試驗(yàn)

2.2 抗溫性能評(píng)價(jià)

實(shí)際鉆井中，隨井深增加，井底溫度也隨之上升，泡沫的發(fā)泡體積和穩(wěn)定性也將受到影響，因此需要泡沫鉆井液具有較強(qiáng)的抗溫性能。為評(píng)價(jià)泡沫鉆井液體系的抗溫性，將泡沫體系在室溫、70、90、110、130℃的條件下老化16h，考察其發(fā)泡能力和穩(wěn)定性，試驗(yàn)結(jié)果見表5。從表5中可以看出，隨著溫度的增加，體系的發(fā)泡體積逐漸增大，表明該泡沫體系抗溫能力強(qiáng)；半衰期隨著溫度的增加而降低，因此，在泡沫鉆井過程中，可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)泡沫基液黏度，保證出口泡沫的連續(xù)性。

表5 泡沫鉆井液抗溫性試驗(yàn)

2.3 井壁穩(wěn)定性能評(píng)價(jià)

2.3.1 泥頁(yè)巖自吸性能評(píng)價(jià)

在泡沫鉆井過程中，由于泡沫流體的熱力學(xué)不穩(wěn)定性導(dǎo)致的排液行為，泡沫基液與泥頁(yè)巖地層之間的化學(xué)勢(shì)差以及在泥頁(yè)巖強(qiáng)親水性條件下的毛細(xì)管作用力等影響因素，促使泡沫流體中的自由水不斷侵入泥頁(yè)巖地層，從而導(dǎo)致泥頁(yè)巖地層中水敏性黏土礦物水化加劇，進(jìn)而引發(fā)井壁失穩(wěn)問題。因此，必須有效地降低泥頁(yè)巖的自吸水速度。室內(nèi)采用泥頁(yè)巖自吸測(cè)量?jī)x對(duì)泥頁(yè)巖巖樣進(jìn)行泥頁(yè)巖自吸測(cè)試，評(píng)價(jià)該泡沫鉆井液對(duì)泥頁(yè)巖吸水的影響，其試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。從圖1可知，優(yōu)選的泡沫鉆井液體系能顯著地降低泥頁(yè)巖的自吸速度，減小水侵入的深度，有效地減緩泥頁(yè)巖的水化過程，從而實(shí)現(xiàn)維持井壁穩(wěn)定的作用。

2.3.2 滾動(dòng)回收試驗(yàn)

圖1 泥頁(yè)巖自吸水試驗(yàn)

將一定大小、一定質(zhì)量的泥頁(yè)巖巖樣放入盛有特定處理液的高溫罐中進(jìn)行滾動(dòng)評(píng)價(jià)，通過回收率的大小來判斷處理劑的抑制能力。室內(nèi)評(píng)價(jià)了清水、100%白油、質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%聚丙烯酰胺鉀鹽 （KPAM）、未添加抑制劑的泡沫基液和防塌泡沫鉆井液對(duì)須家河組泥頁(yè)巖巖樣的一次回收率，同時(shí)也評(píng)價(jià)了經(jīng)不同配方處理后的巖樣在清水中的二次清水回收率，其試驗(yàn)結(jié)果見表6。從表6可以看出，硅酸鹽/聚乙烯醇防塌泡沫鉆井液一次回收率高達(dá)96.15%，較泡沫基液大幅度提高，略高于質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%KPAM溶液，并接近于白油的測(cè)試結(jié)果，表現(xiàn)出較強(qiáng)的抑制性能。從二次清水回收率方面看，防塌泡沫鉆井液的二次清水回收率高達(dá)90.34%，表現(xiàn)出持久的抑制性能，而經(jīng)其他處理劑熱滾后的巖樣，其二次清水回收率等同于巖樣在清水中直接熱滾后的回收率。

2.3.3 泥頁(yè)巖硬度測(cè)試

表6 泥頁(yè)巖滾動(dòng)回收試驗(yàn)

硬度測(cè)試用于測(cè)定泥頁(yè)巖巖樣暴露于測(cè)試溶液中一段時(shí)間以后巖樣強(qiáng)度大小的變化，其強(qiáng)度的大小與泥頁(yè)巖自身的水化能力以及所接觸溶液的抑制性能有關(guān)[9]。相同條件下，測(cè)試壓力越大，試驗(yàn)巖樣越硬，處理液抑制性能越好。室內(nèi)采用自制泥頁(yè)巖硬度測(cè)試儀對(duì)經(jīng)白油、質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%KPAM和優(yōu)選的防塌泡沫鉆井液處理后的泥頁(yè)巖巖樣進(jìn)行硬度測(cè)試，其試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，優(yōu)選的防塌泡沫鉆井液對(duì)于維持泥頁(yè)巖硬度，更優(yōu)于單一聚合物抑制劑KPAM，較為接近白油的測(cè)試結(jié)果。因此，從硬度測(cè)試的角度，該防塌泡沫鉆井液對(duì)于提高泥頁(yè)巖地層泡沫鉆井井壁穩(wěn)定方面具有突出的作用。

圖2 不同處理劑硬度測(cè)試結(jié)果

3 泡沫鉆井液防塌機(jī)理研究

3.1 膨潤(rùn)土XRD分析

從井壁穩(wěn)定性評(píng)價(jià)試驗(yàn)可以看出，該防塌泡沫鉆井液具有較強(qiáng)的抑制泥頁(yè)巖自吸水的能力、較高的滾動(dòng)回收率和較高的硬度測(cè)試結(jié)果。為進(jìn)一步分析該泡沫鉆井液的防塌機(jī)理，室內(nèi)采用Innov－X Terra便捷式X射線衍射儀 （功率85～90W，X射線管功率10W，Cu靶，XRD分辨率0.25°，2θ范圍5～55°）對(duì)膨潤(rùn)土干樣 （熱烘105℃×4h）、經(jīng)清水處理后的膨潤(rùn)土濕樣 （熱滾80℃×16h）以及經(jīng)該防塌泡沫鉆井液處理后的膨潤(rùn)土濕樣 （熱滾80℃×16h）和干樣 （熱烘105℃×4h）進(jìn)行XRD分析，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出，對(duì)于膨潤(rùn)土干樣，在低角度2θ＝5～10°之間存在一個(gè)明顯的特征峰，從該峰可以得出該膨潤(rùn)土干樣層間距為10.29。隨著膨潤(rùn)土水化的加劇，水分子不斷進(jìn)入黏土晶層間，使得該特征峰將不斷向低角度移動(dòng)。經(jīng)清水熱滾后的膨潤(rùn)土濕樣，由于此時(shí)的特征峰已經(jīng)超出儀器的測(cè)定范圍，所以對(duì)于測(cè)定的膨潤(rùn)土濕樣近似為一條直線，但其濕樣的層間距將顯著高于膨潤(rùn)土干樣。泡沫鉆井液處理后的膨潤(rùn)土干樣，其層間距為12.9，高于膨潤(rùn)土干樣，這說明泡沫鉆井液中的抑制劑能進(jìn)入黏土晶層間作用。對(duì)于泡沫鉆井液處理后濕樣，其膨潤(rùn)土層間距為14.27，高于泡沫鉆井液處理后干樣，而遠(yuǎn)低于清水處理后濕樣。這說明泡沫鉆井液中仍有部分水分子能進(jìn)入黏土晶層結(jié)構(gòu)中，但由于硅酸鉀/聚乙烯醇抑制劑的存在，使得膨潤(rùn)土各晶層間的連接力以及晶層間空間阻力得到加強(qiáng)，因此，能阻礙水分子的進(jìn)一步進(jìn)入，從而抑制黏土水化膨脹。

3.2 成膜性能分析

圖3 經(jīng)不同處理方式處理后的膨潤(rùn)土XRD分析

對(duì)于硅酸鹽/聚乙烯醇防塌泡沫鉆井液，其維持井壁穩(wěn)定的主要原因在于硅酸鉀與聚乙烯醇兩者的協(xié)同作用，即封堵性與成膜性。在高pH值條件下，可溶性硅酸鹽以亞穩(wěn)態(tài)的單體或低聚物的形式存在。當(dāng)鉆井液進(jìn)入地層以后，由于地層孔隙流體pH值接近于中性，硅酸鹽通過自聚凝聚成凝膠狀物質(zhì)或與地層中的多價(jià)離子形成沉淀，覆蓋在巖石表面起封堵作用[12～15]。聚乙烯醇為高分子聚合物，由于分子量高不易進(jìn)入黏土晶層結(jié)構(gòu)中作用，因此聚乙烯醇主要是與泥頁(yè)巖巖石表面的黏土相互作用，形成一憎水的吸附膜，阻止水分子進(jìn)入黏土礦物晶層中，起到抑制黏土水化的作用。硅酸鉀中的K＋可進(jìn)入黏土晶層間，加強(qiáng)晶層間的連接力，抑制黏土水化膨脹。同時(shí)K＋的存在，有利于聚乙烯醇吸附膜的形成。圖4（a）為泥頁(yè)巖自吸泡沫鉆井液基液以后的圖片，其中巖樣上半部分為剝除巖樣表面后，裸露出的巖樣內(nèi)部形態(tài)；下半部分則展示了硅酸鉀與聚乙烯醇在巖樣表面形成的膜特點(diǎn)。圖4（b）為經(jīng)泡沫鉆井液熱滾以后的泥頁(yè)巖干樣，通過顯微鏡觀察，可以發(fā)現(xiàn)巖樣表面分布著白色物質(zhì)，這主要是硅酸鹽在黏土表面形成的凝膠物質(zhì)或沉淀。通過硅酸鉀與聚乙烯醇的協(xié)同作用，使得泥頁(yè)巖巖樣表面的分子膜更加致密，封堵性能更強(qiáng)，從而大大提高泥頁(yè)巖地層的井壁穩(wěn)定能力。

圖4 經(jīng)泡沫鉆井液處理后的泥頁(yè)巖巖樣表面

4 結(jié)論

1）通過對(duì)不同處理劑進(jìn)行優(yōu)選，室內(nèi)篩選出硅酸鹽/聚合物防塌泡沫鉆井液配方。該泡沫鉆井液表現(xiàn)出良好的泡沫性能，具有較強(qiáng)的抗污染和抗溫能力。

2）硅酸鹽/聚合物防塌泡沫鉆井液能有效地降低泥頁(yè)巖的吸水速度，具有較高的泥頁(yè)巖持久抑制性能，同時(shí)還具有較高的硬度測(cè)試結(jié)果，因而能有效地維護(hù)泡沫鉆井過程中的井壁穩(wěn)定。

3）該泡沫鉆井液的防塌機(jī)理主要在于硅酸鉀與聚乙烯醇的協(xié)同作用，其中封堵性與成膜性是維持井壁穩(wěn)定的主要因素。通過兩者協(xié)同作用，硅酸鉀可形成凝膠物質(zhì)或沉淀封堵泥頁(yè)巖巖樣孔隙或裂縫，并與聚乙烯醇作用在巖樣表面形成一層憎水膜。同時(shí)，鉆井液中部分小分子能進(jìn)入黏土晶層，加強(qiáng)黏土層間連接力，因而能有效防止鉆井液中自由水侵入，實(shí)現(xiàn)泡沫鉆井過程中的井壁穩(wěn)定。

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