高效防塌封堵處理劑的研究與應(yīng)用

凡　帆，林　海，陳　磊，張藝聰

（中國石油川慶鉆探工程公司鉆采工程技術(shù)研究院長慶分院，低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710021）

高效防塌封堵處理劑的研究與應(yīng)用

凡帆*，林海，陳磊，張藝聰

（中國石油川慶鉆探工程公司鉆采工程技術(shù)研究院長慶分院，低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710021）

針對長北區(qū)塊12-1/4″大井眼大斜段復(fù)雜地層，對磺化瀝青類的防塌封堵劑FD-50作為鉆井液處理劑的性能進(jìn)行了室內(nèi)評價(jià)，在溫度65℃～150℃、壓差1.4～3.5MPa范圍內(nèi)，2%FD-50降低實(shí)驗(yàn)鉆井液濾失量的能力優(yōu)于對照的FT-1，實(shí)驗(yàn)鉆井液的高溫高壓濾失量隨FD-50加量的增加（1%～3%）而降低。在現(xiàn)場應(yīng)用中，F(xiàn)D-50具有良好的護(hù)壁和防塌效果，可以在裂縫與微裂縫地層、煤層等易塌地層進(jìn)行推廣。

長北區(qū)塊；磺化瀝青；防塌；封堵

CB18-1井位于榆林氣田長北區(qū)塊北緣，屬于殼牌中國勘探與生產(chǎn)有限公司（以下簡稱殼牌公司）長北氣田開發(fā)三期。其二開12.25寸井段的“雙石層”中含有較高比例的粘土礦物，粘土礦物的水化膨脹和水化分散，引起泥頁巖內(nèi)部膨脹壓力和地層壓力增高，巖石強(qiáng)度降低，井眼膨脹引起縮徑或者巖體崩散解體向井內(nèi)垮塌造成井眼擴(kuò)大。當(dāng)鉆至山西組頂部的大段炭質(zhì)泥巖段和煤層時，井斜角已經(jīng)接近90°，煤層多與泥巖互層，泥巖常具有較強(qiáng)的水化分散性和水化膨脹性，水化后強(qiáng)度降低，煤層下的泥巖垮塌后，煤層因失去支撐而垮塌或泥巖夾層的失穩(wěn)使煤層失去穩(wěn)定且堅(jiān)固的格檔也失穩(wěn)；泥巖水化產(chǎn)生的膨脹壓必然對相鄰煤層產(chǎn)生推擠作用，從而增大井壁煤巖的應(yīng)力，使本來就破碎的煤巖剝落掉塊甚至垮塌。同樣，煤層的垮塌也會促使上部泥頁巖垮塌，形成惡性循環(huán)［1］。如果單純從力學(xué)穩(wěn)定方面考慮解決該問題，過高的鉆井（完井）液密度有可能產(chǎn)生井漏，而且較高的密度必定增大鉆井（完井）液水相的漏失導(dǎo)致泥頁巖進(jìn)一步水化膨脹而加劇了垮塌行為，所以只能是暫時的、片面的甚至是錯誤的解決問題。因此，我們對磺化瀝青類的防塌封堵劑（FD-50）進(jìn)行研究與應(yīng)用，取得了良好的效果。

1　磺化瀝青的物化性質(zhì)及防塌機(jī)理

1.1磺化瀝青的物化性質(zhì)

磺化瀝青是一種以石油烴基化合物為原料經(jīng)過硫酸等物質(zhì)進(jìn)行復(fù)雜的化學(xué)處理而得到的一種改性的高分子化合物。經(jīng)過磺化、氧化和乳化等改性化學(xué)處理得到的產(chǎn)品。磺化瀝青溶于乙醇和苯，含有少量的無機(jī)鹽，水溶液pH值8左右，是一種既部分溶于水又溶于油的粽黑色物質(zhì)，能夠分散在鉆井液中起到良好的護(hù)壁和防塌效果［2］。

1.2磺化瀝青在鉆井液中的護(hù)壁防塌機(jī)理

在構(gòu)造破碎地層和較厚的粉煤層，巖石成粉散狀態(tài)，膠結(jié)性差，巖石之間是由分子引力聯(lián)系著。當(dāng)鉆穿這種地層時，形成了新的自由面破壞了原有的相對平衡，由于鉆井液的失水，自由水分子將沿著小裂縫向井壁深處滲透，促使巖煤層的水化膨脹，在井內(nèi)壓差作用下將會發(fā)生井壁掉塊和坍塌現(xiàn)象。

鉆井液中加入磺化瀝青后，瀝青磺酸鹽分子將溶解在鉆井液的濾液中形成帶有負(fù)電荷的離子，破碎的巖石斷鍵上帶有正電荷，靜電效應(yīng)使帶有負(fù)電荷的磺化瀝青粒子朝向裂隙斷鍵邊緣運(yùn)動，產(chǎn)生電泳現(xiàn)象。最后帶有負(fù)電荷的磺化瀝青粒子以及磺酸基團(tuán)端基被吸附到破碎巖石斷鍵邊緣上，磺化瀝青憎水的基端朝向裂隙。當(dāng)吸附達(dá)到平衡后，整個裂隙聚滿了磺化瀝青微粒，阻止著自由水分子侵入巖煤層。

磺化瀝青分子還可以被吸附到泥漿中粘土微粒的斷鍵邊緣上，由于井內(nèi)的壓差、井壁固有的滲透性，泥漿失水后粘土微粒、吸附有磺化瀝青分子的粘土微粒、磺化瀝青微粒，以及未磺化的瀝青微粒將一起沉降在井壁上，形成薄而韌具有可壓縮的泥餅，這種泥餅具有隔水性。

2　室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

2.1實(shí)驗(yàn)用鉆井液與鉆井液性能測定

按照石油天然氣行業(yè)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/SY1095-2007鉆井液用磺化瀝青FT-1的規(guī)定，量取350mL蒸餾水，加入14.0g試驗(yàn)用的鈉膨潤土，高攪20min，倒入養(yǎng)護(hù)罐中靜置24h后，另外加入7.0g鐵鉻木質(zhì)素磺酸鹽和7.0g評價(jià)土，低速攪拌30min后，用20%氫氧化鈉調(diào)pH值為10，再高速攪拌20min作為基漿。

向基漿中加入磺化瀝青，低速攪拌30min，用20%氫氧化鈉調(diào)制pH值為10，高速攪拌20min，再低速攪拌1h，測定高溫高壓濾失量及API濾失量。

2.2對比磺化瀝青試樣

選擇河南新鄉(xiāng)一化的FT-1作為對照。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1降濾失性能對比

按Q/SY1095-2007測定了FD-50和FT-1的理化性能和降濾失性，結(jié)果列于表1。由表1數(shù)據(jù)可以看出，F(xiàn)D-50的降濾失性能明顯優(yōu)于FT-1。在實(shí)驗(yàn)中觀察到，F(xiàn)D-50在水基鉆井液中溶解最快最安全。

表1　FT-50和FT-1性能數(shù)據(jù)

3.2不同溫度下的高壓濾失量

在2份基漿中分別加入2%FD-50和2%FT-1，在65、90、120、150℃和3.5MPa下的濾失量測定結(jié)果如圖1所示。隨溫度升高，加入FD-50的鉆井液體系在3.5MPa下濾失量的變化幅度很小。在每一個溫度下濾失量均最低，這表明加入FD-50的基漿在每個測定溫度下都有較大的可壓縮性。

FD-50的軟化溫度范圍寬，可軟化變形的油溶性固體粒子含量高，在溫度升高的過程中不斷有固體粒子軟化，在壓差作用下變形而被擠入濾餅孔隙，增大滲濾阻力，提高濾餅的可壓縮性，阻止或減緩泥餅滲透率隨溫度升高而增大的趨勢，使濾餅變得更加致密，滲透率降低［3］。因此，F(xiàn)D-50具有非常好的抗溫性。

FT-1的油溶物含量高（達(dá)60%），但軟化點(diǎn)高而軟化溫度范圍較窄，鉆井液體系在65℃和90℃時的高溫濾失量較大，在90℃以上才隨溫度升高而減小。

3.3不同壓差下的中溫高溫濾失量

選擇65℃和150℃代表中溫和高溫，測定2%FD-50和2%FT-1處理的鉆井液在1.4、2.1、2.8、3.5MPa下的濾失量，測定結(jié)果如圖2（a）和2（b）。在65℃和150℃下含F(xiàn)D-50的鉆井液的濾失量隨壓差增大而改變的幅度很小，濾失量值均低于含F(xiàn)T-1的鉆井液的對應(yīng)值。FD-50中可軟化變形的油溶性固體粒子含量多、軟化溫度范圍寬，在中溫（65℃）和高溫（150℃）下都有粒子發(fā)生軟化，壓差增大時變形率增大，有更多粒子擠入濾餅孔隙。

FT-1油溶物含量很高，但軟化點(diǎn)高、軟化溫度范圍較窄，65℃時固體粒子軟化程度都很低；在150℃時數(shù)量較多的固體粒子已充分軟化，該鉆井液體系的濾失量隨壓差增大而降低。

3.4不同加量下的高溫高壓濾失量

圖1　不同溫度下各磺化瀝青鉆井液體系在3.5MPa下的濾失量

圖3列出磺化瀝青加量分別為1%、2%、3%的各鉆井液體系的高溫高壓（150℃，3.5MPa）濾失量數(shù)值。這2種磺化瀝青處理的鉆井液體系的高溫高壓濾失量均隨磺化瀝青加量增大而降低；在每一加量下，F(xiàn)D-50鉆井液體系的濾失量均最低；在這一實(shí)驗(yàn)條件下FD-50的降濾失性能最好。

4　現(xiàn)場應(yīng)用情況及效果

4.1主要的技術(shù)難題

長慶長北區(qū)塊的在二開鉆進(jìn)中主要存在下述幾個方面的技術(shù)難題：

（1）延長組易縮徑易垮塌、和尚溝組以下井段鉆遇地層巖石可鉆性差，機(jī)械鉆速相對慢；

圖2　在不同溫度和壓差下各磺化瀝青鉆井液的濾失量

圖3　不同加量的各種磺化瀝青鉆井液在高溫高壓（150℃，3.5MPa）濾失量

（2）劉家溝地層易發(fā)生大型漏失；石千峰組和石盒子組井壁不穩(wěn)定，容易坍塌；

（3）山西組鉆遇多套煤層，容易發(fā)生煤巖垮塌、掉塊。

（4）二開約2600多米的直井段和斜井段為直徑的12-1/4″的大井眼，機(jī)械鉆速較慢；上部井眼浸泡時間長，施工中石千峰組和石盒子組處于大斜度井段，坍塌問題突出。

山西組煤層坍塌物以及“雙石層”坍塌物見圖4。

4.2現(xiàn)場應(yīng)用

CB18-1井二開12-1/4″井段從延長組頂部一開套管鞋618m處開始鉆進(jìn)，鉆穿2600多米的復(fù)雜地層后穿過山西組頂部煤層，以92.5°井斜角在儲層3262m處著陸，完鉆后下9-5/8″L80級技術(shù)套管，固井封隔上部復(fù)雜地層。通過現(xiàn)場的使用表明，防塌封堵劑FD-50有以下優(yōu)點(diǎn)：

圖4　山西組煤層坍塌物以及“雙石層”坍塌物

（1）鉆井周期縮短。在裂縫與微裂縫地層、煤層等易塌地層中采用防塌封堵劑FD-50，防塌效果好。預(yù)防和處理井壁坍塌現(xiàn)象，順利通過復(fù)雜層，提高了鉆井效率，顯示了良好的經(jīng)濟(jì)效益。CB18-1在12-1/4″鉆井周期僅用了28d，相比其它井有了很大的進(jìn)步，見圖5；

（2）井眼通暢。鉆井液在環(huán)空間隙中循環(huán)，由于井內(nèi)的壓差，井壁的滲透作用，鉆井液在失水過程中的粘土顆粒和磺化瀝青微粒滲析在井壁上，形成的泥餅薄而韌，抑制了破碎坍塌地層的剝落，起到了良好的護(hù)壁作用，井眼通暢，起下鉆基本無遇阻現(xiàn)象；

圖5　各井在12-1/4″井眼鉆井周期對比圖

（3）潤滑減阻防卡作用。在井壁形成的泥餅上滲析有磺化瀝青，能夠有效地降低泥餅的粘滯系數(shù)。瀝青小顆粒在泥餅上富集會降低粘土顆粒表面界面自由能，從而減少了泥餅的粘著力。磺化瀝青分子帶有親水的磺酸基和羧酸基團(tuán)，它能夠與水分子相吸附，增加泥餅界面的水化膜厚度。因而磺化瀝青可以起到潤滑減阻和防卡作用。

5　結(jié)論

（1）防塌封堵劑FD-50的降高溫高壓濾失性能優(yōu)異，在150℃溫度范圍內(nèi)幾乎不隨溫度而變，顯示了良好的高溫穩(wěn)定性；在不同溫度下幾乎不隨壓差而變，表明形成的泥餅具有良好的可壓縮性；

（2）FD-50在鉆井液中的適用溫度范圍較對照產(chǎn)品FT-1寬，所處理鉆井液的濾失量較對照體系低；

（3）鉆井液體系的高溫高壓濾失量隨FD-50加量增大（1%～3%）而降低；

（4）現(xiàn)場應(yīng)用表明FD-50具有預(yù)防和處理井壁坍塌的作用，可以在裂縫與微裂縫地層、煤層等易塌地層進(jìn)行推廣。

［1］陳在君，黎金明，楊斌，等.長北氣田長水平井裸眼鉆井完井液技術(shù)［J］.天然氣工業(yè)，2007，27（11）：49-51.

［2］陳金照.磺化瀝青泥漿在煤田地質(zhì)鉆探中的應(yīng)用研究［J］.能源與環(huán)境，2006（5）：109-110.

［3］李濤江，蔣官澄，霍偉，等.磺化瀝青FT-533在鉆井液中的性能［J］.油田化學(xué)，1996，13（1）：33-36.

TE254

A

1004-5716（2016）01-0045-04

2014-12-31

凡帆（1986-），男（漢族），湖北仙桃人，助理工程師，現(xiàn)從事鉆完井液技術(shù)研究工作。