王金磊，趙國(guó)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(guó)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(duì)儲(chǔ)層空隙有較好的封堵作用，通過(guò)嚴(yán)格控制失水和加強(qiáng)封堵，可有效降低對(duì)儲(chǔ)層的傷害。針對(duì)Konys油田的地質(zhì)情況和儲(chǔ)層特性開(kāi)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(chǎng)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(guò)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(chǎng)應(yīng)用

Konys油田主力開(kāi)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(cè)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?？芍琄onys油田屬于典型的低壓易漏油藏，開(kāi)發(fā)過(guò)程中容易造成儲(chǔ)層污染，鉆井作業(yè)過(guò)程中，鉆井液在壓差作用下向儲(chǔ)層滲透，以及過(guò)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(lái)流體的進(jìn)入；對(duì)于低壓儲(chǔ)層的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，外來(lái)流體的進(jìn)入不可避免時(shí)，就需要通過(guò)改善作業(yè)流體與底層配伍性，降低其對(duì)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(kāi)發(fā)和保護(hù)的鉆井液體系。針對(duì)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(chǎng)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(guò)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(duì)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(guò)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(duì)起泡劑有更加嚴(yán)格的要求［7］。對(duì)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(píng)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(duì)多種起泡劑進(jìn)行了評(píng)價(jià)，加量均為0.4%，結(jié)果如表1所示。

表1　起泡劑評(píng)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(zhǎng)，是較好的起泡劑。

2.2穩(wěn)泡劑評(píng)價(jià)

通過(guò)理論研究與機(jī)理分析，對(duì)鉆井液處理劑的穩(wěn)泡效果做了評(píng)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(píng)價(jià)

3　微泡沫鉆井液配方研究及性能評(píng)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?；?）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(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表3　鉆井液性能測(cè)試

3.1.2抑制劑優(yōu)選

無(wú)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(píng)價(jià)了常用聚合物抑制劑對(duì)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(duì)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(duì)微泡沫的穩(wěn)定性沒(méi)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(yè)巖抑制能力，配制方便，完全能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)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(píng)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(cè)試

試驗(yàn)結(jié)果表明，溫度升高對(duì)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(chǎng)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(duì)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(shì)，密度升高?，F(xiàn)場(chǎng)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(jiàn)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(wú)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(guò)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(duì)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(duì)塊儲(chǔ)層砂巖巖芯做污染評(píng)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(chǎng)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(guó)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(chǎng)施工情況

K82井是一口三開(kāi)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(kāi)374m以下井段試驗(yàn)微泡沫鉆井液，重點(diǎn)預(yù)防下部?jī)?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(cè)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(kāi)直井，設(shè)計(jì)井深為1350m，按照設(shè)計(jì)，二開(kāi)鉆至井深375m，該井在三開(kāi)375m以下井段試驗(yàn)微泡沫鉆井液，預(yù)防下部?jī)?chǔ)層漏失。要求以1.17g/cm3的鉆井液密度三開(kāi)，然后采用微泡沫技術(shù)防漏。施工過(guò)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(kāi)水平井，設(shè)計(jì)井深為1655m，二開(kāi)鉆至井深375m，該井在三開(kāi)段試驗(yàn)微泡沫鉆井液，預(yù)防下部?jī)?chǔ)層漏失。井深1354.81m處垂深為1252.54m，對(duì)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(kāi)，鉆進(jìn)至井深1351.81m出現(xiàn)油氣顯示，停泵觀察無(wú)溢流，開(kāi)始試驗(yàn)微泡沫鉆井液。該井三開(kāi)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(duì)比數(shù)據(jù)見(jiàn)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(jiàn)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(guò)對(duì)試驗(yàn)井K-82、K-587井與其鄰井射孔、采油情況調(diào)查，對(duì)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(shuō)明微泡沫鉆井液體系對(duì)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(duì)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(wèn)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(guò)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(guò)現(xiàn)場(chǎng)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(guó)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?；究蒲袠I(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(chǎng)施工安全優(yōu)化組織管理工作。