明玉廣，藍(lán) 強(qiáng)，李 卉，劉振東，卜凡康

(中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營(yíng) 257000)

石油勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中，在鉆探低壓、低滲、易漏失以及超深、高溫和地質(zhì)條件復(fù)雜油氣層時(shí)，采用常規(guī)水基鉆井液，往往會(huì)發(fā)生井漏、卡鉆、污染油氣層等問(wèn)題[1-3]。于是，國(guó)內(nèi)外許多油氣田在鉆進(jìn)該類型地層時(shí)應(yīng)用了泡沫鉆井液，取得了一定的效果[3-11]。但是應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，常規(guī)泡沫鉆井液在深部地層高溫環(huán)境下存在穩(wěn)定性差、抗壓能力弱以及攜巖能力差等問(wèn)題，而且在鉆遇油層時(shí)容易消泡。為了解決該問(wèn)題，在分析抗高溫、抗高壓、抗原油污染和抑制機(jī)理的同時(shí)，基于已有研究成果復(fù)配優(yōu)選了關(guān)鍵處理劑，得到了發(fā)泡劑FPTO-1、穩(wěn)泡劑WPTO-1和抑制劑YZTO-1，初步形成了深井泡沫鉆井液的基本配方，然后通過(guò)鉆井液性能室內(nèi)評(píng)價(jià)試驗(yàn)，從抗高溫、抗高壓、抗原油污染和抑制性能等方面綜合考慮，優(yōu)選了鉆井液配方，并在哈深2井深部井段進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，其在深部高溫、高壓井段具有優(yōu)良的穩(wěn)定性和攜巖能力，且具有一定的提速效果，為該地區(qū)的氣體泡沫鉆井提供了技術(shù)保障。

1 深井抗高溫泡沫鉆井液關(guān)鍵處理劑的研制

泡沫流體由氣體和泡沫劑、穩(wěn)泡劑、抑制劑等輔助處理劑組成。由于多數(shù)處理劑加入泡沫流體后會(huì)影響泡沫劑的發(fā)泡性能，為了使泡沫鉆井液的性能滿足鉆井要求，應(yīng)保證其具有良好的抑制防塌和抗污染等能力。因此，研制出優(yōu)質(zhì)泡沫劑以及抑制性、穩(wěn)定性好且與泡沫劑配伍的處理劑是配制該類鉆井液的關(guān)鍵。

1.1 發(fā)泡劑

發(fā)泡能力指表面活性劑形成泡沫的難易程度和生成泡沫量的多少，是衡量泡沫體系最重要的指標(biāo)之一。發(fā)泡劑發(fā)泡能力的測(cè)定和評(píng)價(jià)已有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，其中Ross-Miles法是目前國(guó)際通用的方法。該方法所用儀器稱為Ross-Miles儀或羅氏泡沫儀，可用于非離子型、陽(yáng)離子型、陰離子型和兩性離子型等4種類型發(fā)泡劑發(fā)泡能力的測(cè)定和評(píng)價(jià)。因此，筆者選用Ross-Miles法來(lái)分析評(píng)價(jià)發(fā)泡劑的發(fā)泡能力。室內(nèi)研究發(fā)現(xiàn)，有一種陽(yáng)離子型發(fā)泡劑形成的雙層吸附膜之間有排斥力，可阻礙液膜變薄，使水不易排出，從而延長(zhǎng)泡沫的壽命；還有一種陰離子處理劑，可以通過(guò)楔入的方式增強(qiáng)泡沫液膜的強(qiáng)度?；诖?，筆者將該陽(yáng)離子發(fā)泡劑與該陰離子處理劑按一定比例進(jìn)行復(fù)配，形成了抗溫抗油發(fā)泡劑FPTO-1。分析認(rèn)為，因FPTO-1分子中親水基和親油基之間有一具有一定極性的親水基團(tuán)，其溶解性、分散性、耐溫性、起泡能力及抗硬水性能都比較好，生物降解能力也比較強(qiáng)。為了評(píng)價(jià)FPTO-1的性能，在加量均為0.8%的條件下，對(duì)其與3種常用發(fā)泡劑進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果如圖1所示。

圖1 FPTO-1與3種常用發(fā)泡劑的性能對(duì)比Fig.1 Performance comparison of FPTO-1 with three kinds of commonly used foaming agents

由圖1可知：4種發(fā)泡劑的發(fā)泡體積維持一段時(shí)間后便開(kāi)始減小，穩(wěn)定性變差；FPTO-1的發(fā)泡量較多，泡沫可維持時(shí)間較長(zhǎng)(可達(dá)60～80 min)。相比較而言，F(xiàn)PTO-1具有更好的發(fā)泡能力。

進(jìn)一步試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，隨著FPTO-1加量增大，發(fā)泡體積增大；當(dāng)FPTO-1加量達(dá)到1.5%時(shí)，發(fā)泡體積變化趨于平緩，此時(shí)半衰期也達(dá)到最大。因此，其加量宜選擇在1.50%以內(nèi)。

1.2 穩(wěn)泡劑

按照作用機(jī)理的不同，穩(wěn)泡劑可分為2類：1)利用表面活性劑的協(xié)同作用，即在發(fā)泡劑中添加多種活性物質(zhì)，如月桂醇、三乙醇胺、月桂酰二乙醇胺等，增加表面吸附分子間的相互作用，使表面吸附膜強(qiáng)度增大，延長(zhǎng)泡沫壽命；2)添加增稠劑，能夠提高液相黏度、降低液相流動(dòng)性、減緩泡沫排液速度，如高黏聚陰離子纖維素等。針對(duì)深部地層高溫高壓的特點(diǎn)，選用高分子聚合物聚丙烯酰胺、聚乙烯醇等配制了一種改性聚合物作為穩(wěn)泡劑，命名為WPTO-1。分析認(rèn)為，WPTO-1除了可增加泡沫液的穩(wěn)定性外，還能在井壁表面發(fā)生多點(diǎn)吸附、形成吸附膜，具有封堵地層微裂縫、減緩流體滲入地層、有利于井眼穩(wěn)定、抑制黏土分散膨脹的作用[4-5，12]。為了評(píng)價(jià)其穩(wěn)泡效果，在室內(nèi)進(jìn)行了穩(wěn)泡劑加量與泡沫液穩(wěn)定性關(guān)系試驗(yàn)，結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出，當(dāng)WPTO-1的加量達(dá)到0.20%～0.25%時(shí)，無(wú)論是發(fā)泡量還是半衰期均趨于平穩(wěn)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)WPTO-1的加量較小時(shí)，泡沫鉆井液含液量少、干度大，泡沫液膜變薄，容

圖2 穩(wěn)泡劑加量與泡沫性能的關(guān)系Fig.2 Relationships between foam stabilizer dosage and foam performance

易膨脹破裂；隨著WPTO-1加量增大，發(fā)泡體積逐漸減小，當(dāng)WPTO-1的加量達(dá)到0.30%時(shí)，泡沫直徑變得細(xì)小、均勻、致密，表明該穩(wěn)泡劑對(duì)泡沫流體具有較好的壓縮聚能效果，能增加鉆井液體系的穩(wěn)定性[6-8]。綜合分析以上因素，從成本角度考慮，以WPTO-1的加量不大于0.30%為宜。

1.3 抑制劑

泥頁(yè)巖的黏土含量比較高，遇水后易發(fā)生膨脹、分散，使井壁坍塌，造成井下故障，而泡沫鉆井液由于密度低不能形成力學(xué)支撐，使得井眼穩(wěn)定性問(wèn)題更加突出。為此，研制了一種能在井眼周?chē)纬稍魉Ｗo(hù)膜、防止泥頁(yè)巖因吸水膨脹垮塌、同時(shí)又與其他處理劑配伍的抑制劑YZTO-1。為了評(píng)價(jià)YZTO-1的抑制性能，采用取自鉆井現(xiàn)場(chǎng)的巖屑進(jìn)行了熱滾回收試驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示。

圖3 YZTO-1抑制性能評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.3 Performance evaluation result of YZTO-1 inhibitor

從圖3可以看出，當(dāng)YZTO-1的加量為0.50%時(shí)，頁(yè)巖回收率可達(dá)到90%，因而能滿足現(xiàn)場(chǎng)要求。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況以及地質(zhì)要求，推薦YZTO-1的加量為0.50%～0.70%。

2 深井抗高溫泡沫鉆井液性能評(píng)價(jià)及配方優(yōu)選

根據(jù)上述關(guān)鍵處理劑優(yōu)選結(jié)果，初步確定6組深井抗高溫泡沫鉆井液配方。配方1：清水+0.50% FPTO-1+0.20% WPTO-1+0.50% YZTO-1；配方2：清水+1.50% FPTO-1+0.25%WPTO-1+0.50%YZTO-1；配方3：清水+1.00% FPTO-1+0.30% WPTO-1+0.50% YZTO-1；配方4：清水+1.20% FPTO-1+0.30% WPTO-1+0.50% YZTO-1；配方5：清水+0.80% FPTO-1+0.25% WPTO-1+0.50%YZTO-1；配方6：清水+1.20% FPTO-1+0.15% WPTO-1+0.50% YZTO-1。分別從抗高溫、抗原油污染、抑制性和抗高壓性能4方面對(duì)6組配方泡沫鉆井液進(jìn)行了評(píng)價(jià)，以優(yōu)選最佳配方。

2.1 抗高溫性能

在25，80和150 ℃溫度下，對(duì)配方1—配方6鉆井液的發(fā)泡體積、析液半衰期進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同配方泡沫鉆井液的發(fā)泡體積和析液半衰期Fig.4 Foaming volume and half-life of liquid separation with different dosages of foam drilling fluid

從圖4可以看出，在常溫至150 ℃之間，配方2和配方4鉆井液的發(fā)泡體積變化較小，半衰期減短幅度也比較小，表明兩配方都具有良好的耐溫性。因此，選取配方2和配方4進(jìn)行抗油性評(píng)價(jià)。

2.2 抗原油污染性能

取油田現(xiàn)場(chǎng)中途測(cè)試原油，按10%、20%和30%的加量，分別在25，80和150 ℃溫度條件下評(píng)價(jià)配方2和配方4鉆井液的抗原油污染和抗高溫性能。試驗(yàn)中，將原油加入鉆井液中按溫度要求滾動(dòng)老化16 h后再放至室溫時(shí)測(cè)試，測(cè)試時(shí)取100 mL樣品用高攪機(jī)在11 000 r/min轉(zhuǎn)速下攪拌1 min后取出倒入量筒讀取體積。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同加量原油對(duì)泡沫鉆井液性能的影響

由表1可知，隨著溫度升高和原油加量增大，配方2和配方4鉆井液的發(fā)泡體積都有一定程度減小，半衰期也都有縮短趨勢(shì)。當(dāng)原油加量達(dá)到30%時(shí)，兩個(gè)配方鉆井液均具有良好的抗高溫、抗原油污染性能，但相比較而言，配方2鉆井液的性能更為突出。

2.3 抑制性能

為考察深井抗高溫泡沫鉆井液的抑制性能，進(jìn)行了巖心膨脹試驗(yàn)。用10 g鈉基膨潤(rùn)土壓制成巖心，使用NP-02頁(yè)巖膨脹測(cè)試儀測(cè)定頁(yè)巖膨脹量，考察對(duì)比了配方2鉆井液與清水的抑制頁(yè)巖水化膨脹能力，結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看出，頁(yè)巖在清水中的線性膨脹量為5.28 mm，在配方2泡沫鉆井液中的線性膨脹量為2.34 mm。與在清水中相比，頁(yè)巖在泡沫鉆井液中的線性膨脹率明顯降低，這說(shuō)明配方2鉆井液具有較強(qiáng)的抑制頁(yè)巖膨脹的能力，并能在短時(shí)間內(nèi)在頁(yè)巖表面形成保護(hù)層，有效阻止外界流體的侵入。

圖5 巖心膨脹試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 The test results of core expansion

2.4 抗高壓性能

為了檢驗(yàn)配方2泡沫鉆井液在深井環(huán)境下是否還能保持低密度狀態(tài)，且穩(wěn)定性良好利于攜巖，在室內(nèi)用高溫高壓密度測(cè)試裝置進(jìn)行了抗高壓性能試驗(yàn)。測(cè)量方法為：向密閉可視容器中不斷通入氮?dú)饧訅海x取不同壓力下給定質(zhì)量泡沫液的發(fā)泡體積，計(jì)算泡沫液的密度，得到壓力-密度曲線，結(jié)果如圖6所示。

圖6 泡沫鉆井液在不同溫度和壓力下的密度Fig.6 The density of foam drilling fluid under different temperatures and pressures

由圖6可知：隨著地層壓力增大，配方2泡沫鉆井液的密度不斷增大，逐漸向1.0 kg/L靠近；同一壓力條件下，隨著地層溫度升高，配方2泡沫鉆井液的密度降低，當(dāng)溫度達(dá)到130 ℃以后，密度變化不大；當(dāng)?shù)貙訅毫?8 MPa、溫度為150 ℃時(shí)，泡沫密度小于0.90 kg/L。以地層壓力梯度為1.0 MPa/m、溫度梯度為3 ℃/100m計(jì)算，該鉆井液在井深3 000.00 m處的密度僅為0.89 kg/L，說(shuō)明該泡沫鉆井液可起到降低液柱壓力和保護(hù)儲(chǔ)層的目的。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證深井抗高溫泡沫鉆井液在鉆井中的實(shí)際應(yīng)用效果，在哈深2井三開(kāi)井段進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

3.1 哈深2井概況及鉆井難點(diǎn)

哈深2井位于準(zhǔn)噶爾盆地北緣1區(qū)塊西南端，是中國(guó)石化部署的一口重點(diǎn)探井，設(shè)計(jì)井深7 000.00 m，預(yù)計(jì)會(huì)鉆遇凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)砂礫巖、凝灰質(zhì)泥巖、安山巖和玄武巖等。

通過(guò)鄰井資料及該井一開(kāi)、二開(kāi)井段的鉆井情況可知，該井在鉆進(jìn)中存在很多困難，如：巖石可鉆性級(jí)值高(8級(jí)以上)、研磨性強(qiáng)(9級(jí)以上)，機(jī)械鉆速低；存在破碎帶，易掉塊，易井漏；井底溫度高。

分析認(rèn)為，該井三開(kāi)井段主要存在以下鉆井難點(diǎn)：

1) 預(yù)計(jì)最終井深超過(guò)5 000.00 m，根據(jù)鄰井立壓為6.0 MPa和平均泡沫密度為0.42 kg/L計(jì)算，井底壓力可達(dá)到27.0 MPa，因此，需要泡沫鉆井液具有優(yōu)良的抗高壓性能，以便在井下依然能保持泡沫穩(wěn)定并處于低密度狀態(tài)；

2) 鉆遇地層可鉆性差，并有斷層破碎帶，易坍塌、掉塊，有卡鉆風(fēng)險(xiǎn)，需要泡沫鉆井液具有良好的抑制性；

3) 該井有鉆遇高含油氣層的可能性，需要泡沫鉆井液具有優(yōu)良的抗原油污染性能；

4) 該井所在區(qū)塊地溫梯度較大，井底溫度比較高，需要泡沫鉆井液具有良好的抗高溫性能。

3.2 鉆井液配制及鉆井工況分析

按配方2配制深井抗高溫泡沫鉆井液，鉆進(jìn)過(guò)程中可根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整各組分的加量。具體配制及使用過(guò)程如下：

1) 將容量約為80 m3的地面循環(huán)罐清空并沖洗干凈，將水、發(fā)泡劑、穩(wěn)泡劑和抑制劑按配方比例依次加入配液罐，攪拌5～10 min使其混合均勻，配制成50 m3泡沫鉆井液備用；

2) 施工過(guò)程中，采用4臺(tái)高壓(量程為14 MPa)注液泵注泡沫鉆井液，注液要連續(xù)，要保證起泡連續(xù)和穩(wěn)定，避免立壓波動(dòng)導(dǎo)致對(duì)井下情況的誤判；

3) 鉆進(jìn)期間嚴(yán)格控制氣液比為200∶1～80∶1，避免發(fā)生井下燃爆；

4) 鉆井過(guò)程中如發(fā)現(xiàn)全烴值升高、泡沫排出不連續(xù)時(shí)，要及時(shí)檢查注液泵工況或適時(shí)增加發(fā)泡劑和抑制劑加量，如果泡沫變虛時(shí)建議適當(dāng)增大穩(wěn)泡劑加量，同時(shí)要注意觀察排砂口或聽(tīng)排砂管線聲音，若能聽(tīng)到連續(xù)、強(qiáng)烈的砂礫碰撞聲，表明攜巖效果好，維持現(xiàn)有鉆井液體系不變；

5) 4 748.00～4 771.00 m井段泡沫性能略有降低，依據(jù)返砂、油氣顯示情況，及時(shí)調(diào)整了發(fā)泡劑、穩(wěn)泡劑、抑制劑的加量以及氣液比，控制注氣量為130.0～162.5 m3/min(為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積，下同)，注液量為12～27 L/s，立壓為2.0～4.9 MPa，保持了泡沫液性能的穩(wěn)定性。

該井三開(kāi)3 837.00～5 173.50 m井段交叉使用了牙輪鉆頭和空氣錘，兩種鉆井方式下的鉆井參數(shù)及深井抗高溫泡沫鉆井液性能情況分別見(jiàn)表2和表3。

表3 空氣錘鉆進(jìn)期間鉆井參數(shù)及泡沫性能Table 3 Drilling parameters and foam properties during drilling with an air hammer

該井鉆至井深5 173.50 m時(shí)鉆遇破碎帶，掉塊非常嚴(yán)重，上提下放均有遇阻顯示，及時(shí)轉(zhuǎn)為普通水基鉆井液繼續(xù)鉆進(jìn)。

3.3 試驗(yàn)效果分析

哈深2井三開(kāi)3 837.00～5 173.50 m井段共使用牙輪鉆頭14只，空氣錘11只。牙輪鉆頭進(jìn)尺375.00 m，平均機(jī)械鉆速0.71 m/h；空氣錘進(jìn)尺961.50 m，平均機(jī)械鉆速1.81 m/h。該井使用深井抗高溫泡沫鉆井液井段與相鄰井段及鄰井使用常規(guī)鉆井液的鉆井情況對(duì)比，見(jiàn)表4。

表4 深井抗高溫泡沫鉆井液與常規(guī)鉆井液的鉆井情況對(duì)比

由表4可知：使用深井抗高溫泡沫鉆井液時(shí)的機(jī)械鉆速比使用常規(guī)鉆井液時(shí)高，比應(yīng)用空氣鉆井技術(shù)時(shí)低，但應(yīng)用純空氣鉆井技術(shù)時(shí)掉塊較多且常有遇阻、蹩鉆情況發(fā)生，相對(duì)而言使用深井抗高溫泡沫鉆井液要更安全；另外，使用深井抗高溫泡沫鉆井液后期，井底溫度達(dá)到了137 ℃，井底壓力也很高，都未對(duì)其性能造成影響，可見(jiàn)其抗高溫、抗高壓性能良好。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，深井抗高溫泡沫鉆井液綜合性能優(yōu)良，可以在對(duì)抗高溫、抗高壓和抑制性要求較高的深井鉆井中使用。

4 結(jié)論及建議

1) 研制了發(fā)泡劑FPTO-1、穩(wěn)泡劑WPTO-1和頁(yè)巖抑制劑YZTO-1，并通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)優(yōu)選了加量，形成了深井抗高溫泡沫鉆井液的基本配方。

2) 室內(nèi)性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)表明，深井抗高溫泡沫鉆井液耐溫150 ℃、抗油30%、抗壓28 MPa，且頁(yè)巖膨脹抑制效果顯著。

3) 深井抗高溫泡沫鉆井液在哈深2井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，鉆進(jìn)期間泡沫性能穩(wěn)定，未出現(xiàn)井下故障，在配合牙輪鉆頭和空氣錘鉆進(jìn)時(shí)的平均機(jī)械鉆速分別達(dá)到0.71 m/h和1.81 m/h，遠(yuǎn)高于常規(guī)水基鉆井液配合牙輪鉆頭時(shí)的機(jī)械鉆速(0.17 m/h)，表明該鉆井液具有現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。

4) 鑒于該鉆井液在哈深2井未鉆遇高含油氣層，建議再進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，以驗(yàn)證其抗原油污染的性能；同時(shí)，建議進(jìn)一步提高泡沫鉆井液的抗高溫和抗高壓能力，以形成綜合效果更好的深井抗高溫泡沫鉆井液技術(shù)。