防漏鉆井液體系技術研究與應用

王金磊，趙國浩，王　軍

（1.中油哈薩克PKKR項目鉆井部，北京100300；2.中油西部鉆探公司哈薩克克孜項目部，新疆烏魯木齊830000）

防漏鉆井液體系技術研究與應用

王金磊*1，趙國浩2，王軍2

（1.中油哈薩克PKKR項目鉆井部，北京100300；2.中油西部鉆探公司哈薩克克孜項目部，新疆烏魯木齊830000）

微泡鉆井液能有效降低液柱壓力，對儲層空隙有較好的封堵作用，通過嚴格控制失水和加強封堵，可有效降低對儲層的傷害。針對Konys油田的地質情況和儲層特性開展技術研究，從固井流體設計和固井施工工藝設計2方面著手，設計出了滿足現場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、抗壓強度高、防漏防竄能力強等特點。在Konys油田試驗應用3井次，固井施工過程順利，均未發生漏失，固井質量合格率達到100%，優質率達到80%，固井水泥返高達標率100%，效果良好。在K-82、K-587、K357H等井中都進行了應用，并都達到預期目的，效果良好。

微泡鉆井液；泡沫性能；配方優選；現場應用

Konys油田主力開發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%，局部地區壓力只有1.5MPa，壓力保持程度只有25%。目前，侏羅系油藏實測壓力系數已下降至0.31～0.92，地層虧空嚴重。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。可知，Konys油田屬于典型的低壓易漏油藏，開發過程中容易造成儲層污染，鉆井作業過程中，鉆井液在壓差作用下向儲層滲透，以及過大的壓差作用會引發的惡性漏失，導致大量鉆井液及其固相含量進入油層孔隙，造成嚴重污染。低壓儲層保護通常從降低井底作業壓差和改善作業流體與底層配伍性方面著手［1］。降低井底作業壓差，降低漏失風險，減少地層中外來流體的進入；對于低壓儲層的開發過程中，外來流體的進入不可避免時，就需要通過改善作業流體與底層配伍性，降低其對油層的污染。微泡沫鉆井液體系有著獨特的低密度效應和泡沫封堵作用［2-3］，是一種適用于低壓儲層開發和保護的鉆井液體系。針對Konys油田的地質情況和儲層特性，采用微泡沫鉆井液進行鉆進，進行了適于該儲層的微泡沫鉆井液的優化設計，并進行了現場應用，得到良好的效果。

1　微泡沫的穩定性及作用機理

1.1微泡沫的穩定性

影響微泡沫鉆井液穩定性的因素分內因和外因，內因主要有液膜的排液作用和氣體透過液膜的擴散作用；外因主要有溫度、壓力、外界物質的侵入等［4-5］。

對于微泡沫而言，由于其與普通泡沫在微觀結構上的差異，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，最終導致泡沫的破裂。因此，液膜的性質是影響微泡沫穩定性的主要因素。另外，當溫度、壓力等外界條件發生變化或受外力沖擊、震動時，更會加速其破裂進程。

1.2微泡鉆井液作用機理

（1）低密度效應，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，保護儲層。

（2）賈敏效應［6］，微泡沫在向地層滲透的過程中，在孔隙喉道處被捕集，由于賈敏效應的疊加作用而大大增加了泡沫鉆井液向地層流動的阻力，防止鉆井液繼續向地層滲透或漏失。

（3）阻緩壓力傳遞機理，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　起泡劑與穩泡劑的優選

2.1起泡劑的優選

同普通泡沫鉆井液相比，微泡沫鉆井液對起泡劑有更加嚴格的要求［7］。對所使用的起泡劑，要求起泡能力較強，而氣泡量不需太大；生成的泡沫必須非常細小均勻且穩定性好，同時要有較好的抗鹽、抗鈣、抗溫能力。

傾注法是生產和實驗中常用的評價起泡性能的方法，該方法比較方便而且準確。所用儀器為Ross-Miles發泡儀，如圖1所示。

圖1　Ross-Miles發泡儀

采用傾注法對多種起泡劑進行了評價，加量均為0.4%，結果如表1所示。

表1　起泡劑評價

由實驗數據可知，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，是較好的起泡劑。

2.2穩泡劑評價

通過理論研究與機理分析，對鉆井液處理劑的穩泡效果做了評價試驗，試驗起泡劑選用0.5%TSB-2，其結果如表2所示。

實驗數據表明，PAC、XC和CMC是良好的泡沫穩定劑，配出的泡沫液既有較高的起泡量，穩定性又好。

表2　穩泡劑評價

3　微泡沫鉆井液配方研究及性能評價

3.1配方研究

微泡沫鉆井液是氣、液、固的多相分散體系，其穩定性取決于微泡沫的穩定存在和鉆井液體系的穩定，而微泡沫的穩定主要是液膜的穩定，同時應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具有以下條件：（1）適當的固相含量；（2）具有一定的液體粘度；（3）穩定的鉆井液性能。

3.1.1流型調節

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。

性能測試結果見表3。

表3　鉆井液性能測試

3.1.2抑制劑優選

無機鹽類抑制劑的加入，會影響到微泡沫鉆井液中微泡液膜的穩定性，從而使微泡沫鉆井液體系的穩定性降低。因而本試驗評價了常用聚合物抑制劑對粘土膨脹的抑制效果。

根據已有的經驗，與K-PAM、FA367相比，增粘抑制劑YFKN對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，對微泡沫的穩定性沒有不良影響。

根據上述試驗結果及分析，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，具有泥頁巖抑制能力，配制方便，完全能夠滿足現場施工需要。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鉆井液性能評價

3.2.1抗溫試驗

選用1號配方+0.2%YFKN，做不同溫度下的老化試驗，結果如表5。

表5　抗溫試驗測試

試驗結果表明，溫度升高對微泡沫的穩定性有一定影響，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。但是在現場施工時，根據實際情況，隨著井溫的變化，適當調整基液粘度，增大穩泡劑加量，選擇合適的微泡沫流體配方。

3.2.2抗污染能力

煤油對微泡沫鉆井液的影響表現為：隨著煤油加量的增加，起泡劑的起泡能力呈下降趨勢，密度升高。現場鉆遇油層時，應適當提高起泡劑的加量，以提高微泡沫鉆井液的穩定性。見圖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法描述微泡沫鉆井液的密度變化規律。所以微泡沫鉆井液密度與壓力、溫度的關系必須通過實驗方法給出。

圖3　微泡沫鉆井液溫度—壓力—密度曲線

根據圖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，密度變化相對較小。密度隨溫度升高而略有增加，但是幅度較小。

3.2.4儲層保護效果

用微泡沫鉆井液兩對塊儲層砂巖巖芯做污染評價實驗，結果如表6所示。

表6　動態實驗用巖心油層物性

從試驗數據得出，微泡鉆井液滲透率恢復值在90%以上，具有較好的油層保護效果。

4　現場應用

根據Konys油田的地層特征、微泡沫鉆井液特性以及其在國內的使用情況，制定了相應的技術措施，確保施工的順利進行，并取得良好的成果。

4.1現場施工情況

K82井是一口三開直井，設計井深為1350m，按照設計，表層鉆至井深30m，該井在二開374m以下井段試驗微泡沫鉆井液，重點預防下部儲層漏失。該井施工難點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，壓力系數差別大，漏失風險大。鉆井液密度從1.20g/cm3降至1.10g/cm3，起泡順利，鉆井液中微泡沫細小均勻，穩泡效果良好，在鉆進、起下鉆、測井、通井、下套管、固井作業中，井下情況均正常，實現了微泡防漏的預期效果。

K587井是一口三開直井，設計井深為1350m，按照設計，二開鉆至井深375m，該井在三開375m以下井段試驗微泡沫鉆井液，預防下部儲層漏失。要求以1.17g/cm3的鉆井液密度三開，然后采用微泡沫技術防漏。施工過程中，鉆井液密度最低達到1.12g/cm3，成功預防井漏。

K357H井是一口三開水平井，設計井深為1655m，二開鉆至井深375m，該井在三開段試驗微泡沫鉆井液，預防下部儲層漏失。井深1354.81m處垂深為1252.54m，對比鄰井，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，鉆進至井深1351.81m出現油氣顯示，停泵觀察無溢流，開始試驗微泡沫鉆井液。該井三開鉆井液密度從1.19g/cm3降低至1.12g/cm3，完鉆時鉆井液密度為1.12g/cm3，定向儀器信號正常，成功預防井漏。

4.2應用效果

微泡沫鉆井液性能穩定，降低密度幅度可達0.10g/cm3，鉆井液性能穩定，與低密度微珠和聚合物鉆井液對比數據見表7。

表7　不同鉆井液性能比較

微泡沫鉆井液密度低于常規水基鉆井液，與低密度微珠鉆井液相當；鉆井液濾失量低，可減少地層損害；粘切高，攜巖能力強，能有效地清除井底巖屑；固相含量低，便于控制流變性；不需要空氣壓縮機及其它氣體注入設備或氮氣發生器，可循環使用。

微泡沫鉆井液在Konys油田試驗效果良好，在低壓地層防漏中取得了成功，相關數據統計見表8。

在高、低壓同層井段，微泡沫進入地層、封堵孔隙，有效地防止了低壓層發生井漏。最低鉆井液密度降至了0.1 g/cm3，防止了井漏。

通過對試驗井K-82、K-587井與其鄰井射孔、采油情況調查，對比數據如表9所示。

與鄰井相比，K-82井比K-61井日產油多5.7m3，K-587井比K-179井日產油多11.3m3，平均單孔產油量分別提高29.7%和84%。說明微泡沫鉆井液體系對低壓儲層保護作用明顯，有利于提高單井采收率。

表8　微泡沫鉆井液試驗情況統計表

表9　產油數據對比

5　結論及建議

（1）微泡沫鉆井液具有密度低的特點，鉆進中性能穩定。解決了以往在低壓儲層鉆井時的井漏問題，避免了因漏失而引起的儲層損害；

（2）微泡沫鉆井液，可以有效保護低壓儲層，利于返排，提高采收率；

（3）微泡沫鉆井液具有較強的攜帶能力，在鉆進過程中井口返出巖屑正常，滿足了地質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，通過現場應用表明，微泡沫鉆井液防漏效果好，儲層保護效果明顯，值得推廣應用。

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TE2

B

1004-5716（2016）05-0063-05

2015-04-20

2015-12-26

國家自然科學基金項目“高溫高壓低彈性模量復合固井材料形成機理研究”，編號：51474192；中央高校基本科研業務費，編號2012098。

王金磊（1983-），男（漢族），山東聊城人，工程師，現從事鉆井工藝技術現場施工安全優化組織管理工作。