成膜防塌液的室內研究及其應用工藝——用于解決氣—液鉆井轉換初期的井壁失穩(wěn)問題

王 蘭 吳 琦 段 敏

1.油氣田應用化學四川省重點實驗室 2.中國石油川慶鉆探工程公司鉆采工程技術研究院3.中國石油川慶鉆探工程公司川西鉆探工程公司

與傳統(tǒng)鉆井液鉆井相比，氣體鉆井具有提高鉆井速度、保護油氣層、降低鉆井綜合成本等優(yōu)勢，在國內外已越來越廣泛地應用。氣體鉆井結束后，循環(huán)介質要由氣體轉換為鉆井液。由于氣體鉆井時，流體柱壓力極低，井眼周圍地層巖石應力得到充分釋放，形成更多的應力釋放縫；加之空氣錘的應用，加劇了井壁上裂縫的形成。與鉆井液鉆井相比，由于氣體鉆井的井壁上沒有濾餅存在，氣體鉆井轉換成鉆井液鉆井時，鉆井液中的水相會快速潤濕干燥的井壁，并沿氣體鉆井形成的裂縫或天然孔縫進入到地層深部，引起地層中的黏土礦物吸水膨脹導致井壁失穩(wěn)或厚濾餅的形成，造成起下鉆遇阻復雜。無論是井壁失穩(wěn)還是厚濾餅的存在，都需要花費更多的時間來解決井眼通暢問題，在一定程度上影響了氣體鉆井的總體效果。目前，在氣體鉆井轉換成鉆井液鉆井的過程中采用潤濕反轉防塌技術或替入低失水、強抑制、強封堵鉆井液等，在一定程度上減少了鉆井液中的水相進入地層，對穩(wěn)定井壁起到了較好的作用［1－7］。實驗研究的成膜防塌技術，是利用成膜液預先在井壁上形成一層致密的防水滲膜，有效阻止鉆井液中的自由水進入地層，防止水化膨脹引起的井壁失穩(wěn)和厚濾餅的形成［8－12］。

1 成膜防塌室內實驗

1.1 實驗方法

1）人造巖心浸泡實驗：用鉆井膨潤土粉在5.0 MPa壓制5min制成人造巖心，分別在不同濃度的成膜液中（80℃）進行浸泡成膜，將沒有成膜的原始巖心和成膜后的巖心分別在蒸餾水中浸泡，對比分散情況。

2）泥球浸泡實驗：分別用淡水、濃度100kg／m3的KCl鹽水和霧化基液分別做成泥球在成膜液中（80℃）進行浸泡實驗，對比分析成膜情況。

3）防清水滲透實驗：用水基鉆井液在中壓濾失儀上壓制成滲透性濾餅2塊（模擬滲透性地層），一塊用成膜液浸泡形成防水滲膜后用清水進行防水滲透實驗，另一塊直接用清水進行防水滲透實驗，對比其清水滲透量。

1.2 實驗結果與討論

1.2.1 不同濃度的成膜液的成膜情況

將人造巖心放入不同濃度的成膜液中（80℃）浸泡10s，取出后干燥，觀察成膜情況。不同濃度成膜液中防滲膜的形成情況見表1。

實驗表明：當成膜液濃度達200kg／m3后，巖心在成膜液中浸泡10s就能在表面形成防滲膜（圖1）。因此，從成膜效果和成本考慮，成膜液濃度300～400 kg／m3為最優(yōu)加量。

表1 不同濃度成膜液的成膜情況表（80℃）

圖1 干燥后的巖心成膜照片

1.2.2 不同浸泡時間的成膜情況

將人造巖心放入濃度為300kg／m3的成膜液中（80℃）浸泡5s、10s、10min和1h，分別取出后干燥，觀察成膜情況，不同浸泡時間成膜液的成膜情況如圖2。

圖2 不同浸泡時間的成膜照片（80℃）

實驗表明：在濃度為300kg／m3的成膜液中，巖心成膜與時間關系不密切。浸泡5s、10s、10min和1h后，巖心上形成的防水滲膜差別不明顯。

1.2.3 防水滲膜的清水溶解性實驗

將原始巖心與成膜后的巖心分別放入清水中浸泡24h，原始巖心由于水化分散明顯（圖3），有防水滲膜后的巖心由于有致密的防水滲膜保護，未出現(xiàn)水化分散現(xiàn)象（圖4），說明所形成的防水滲隔膜不能被清水溶解。

圖3 清水浸泡的原始巖心分散照片

圖4 清水浸泡的成膜巖心照片

1.2.4 泥球浸泡實驗

模擬井下情況，用濕泥球（淡水泥球、100kg／m3鹽水泥球、霧化基液泥球）在300kg／m3成膜液中（80℃）浸泡，泥球表面在很短時間內形成一層防水滲膜。浸泡24h，均未見明顯開裂現(xiàn)象（圖5）。

圖5 不同泥球浸泡實驗圖（80℃）

1.2.5 防清水滲透實驗

用水基鉆井液壓制成滲透性濾餅進行清水滲透性實驗，評價防水滲膜防自由水滲透的效果。實驗結果見表2。

表2 隔離膜降濾失實驗結果表

實驗表明：防水滲膜能夠降低50%以上清水滲透量，即能有效阻止水相進入地層，具有較好的防水滲效果。

2 成膜防塌技術的現(xiàn)場應用工藝

2.1 氣體鉆井的成膜現(xiàn)場應用工藝

當氣體鉆井需要轉換為鉆井液鉆井時，可采用2種工藝方法在井壁上“涂抹”防水滲膜。①配制濃度為300～400kg／m3的一定量的成膜液作為前置液，后跟注高性能鉆井液。這就在鉆井液接觸氣體鉆井裸露的井壁前，預先在井壁上“涂抹”了1層防水滲膜。②在氣體鉆井結束后，將濃度為300～400kg／m3成膜液作為霧化基液，通過霧化泵和氣體增壓機注入井下，預先在井壁上“涂抹”1層防水滲膜，隨后再替入鉆井液。

上述2種工藝方法我們認為都有效，并且現(xiàn)場容易實現(xiàn)。

2.2 霧化鉆井的成膜現(xiàn)場應用工藝

對于地層出水的井，當實施霧化鉆井時，同相有2種工藝方法在井壁上“涂抹”防水滲膜。①在霧化基液中加入300～400kg／m3的成膜液。因此，在整個霧化鉆井中，井壁上就被連續(xù)不間斷地“涂抹”上防水滲膜，防止霧化鉆井過程中井壁失穩(wěn)。②如果考慮成本的可接受性，在霧化鉆井過程中，也可采用在井壁上間斷“涂抹”防水滲膜的工藝方式，即：將配制好的濃度為300～400kg／m3的成膜液儲存于獨立的罐中存放。正常鉆井時，每鉆進100～150m注入6～8m3成膜液；每次短程起下或起鉆時，注入6～8m3成膜液。成膜液注入排量推薦為2～8L／s。

3 結論與建議

1）針對氣體鉆井后替入鉆井液進行介質轉換初期井壁失穩(wěn)的原因［1，3，13］，提出了解決井壁失穩(wěn)的技術新思路——成膜防塌技術，即在井壁上形成一層致密的防水滲膜，有效阻止鉆井液中的水相進入地層，起到穩(wěn)定井壁的作用。

2）實驗表明研制的成膜液在人造巖心表面能快速成膜，具有較好的防清水滲透效果。

3）成膜液既可作為氣體鉆井后轉換鉆井液鉆井時的前置液，也可作為霧化鉆井中的霧化基液。

4）推薦成膜液的濃度為300～400kg／m3。

5）針對氣體鉆井和地層出水后的霧化鉆井，推薦了現(xiàn)場可操作性強的防滲膜“涂抹”工藝方法。

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