防塌霧化鉆井技術(shù)

蘇雪霞，孫 舉，徐 芳，鄭志軍，宋亞靜

1.中原石油工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，2.中原石油工程公司管具工程處：河南濮陽(yáng) 457001

氣體鉆井技術(shù)作為提速提效措施在川東北發(fā)揮了重要作用，但地層出水后井壁失穩(wěn)及泥包卡鉆等復(fù)雜問(wèn)題成為推廣氣體鉆井的瓶頸[1-8]。霧化鉆井是解決上述問(wèn)題、保持氣體鉆井優(yōu)勢(shì)的技術(shù)措施，但存在適用地層出水量較低，井壁穩(wěn)定時(shí)間短等難題[9-12]。為此，提出了防塌霧化液體系構(gòu)建方法，通過(guò)研制優(yōu)選關(guān)鍵處理劑，采用經(jīng)濟(jì)適用的陰離子型和非離子型表面活性劑作為霧化劑，形成了具有強(qiáng)抑制、強(qiáng)吸附、強(qiáng)包被性能的防塌霧化液體系，并在川東北地區(qū)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，井壁穩(wěn)定時(shí)間提高至11 d，循環(huán)利用率達(dá)92%，最大出水量達(dá)55 m3/h，保持了氣體鉆井鉆遇出水地層的提速優(yōu)勢(shì)，為川東北地區(qū)提速提效提供了技術(shù)保障。

1 防塌霧化液體系的構(gòu)建

井壁穩(wěn)定是延長(zhǎng)霧化鉆井安全作業(yè)時(shí)間的關(guān)鍵。與常規(guī)鉆井液鉆井相比霧化鉆井井壁穩(wěn)定的難點(diǎn)主要是在欠平衡狀態(tài)下防塌技術(shù)措施受到限制：防塌技術(shù)中基本的平衡地層坍塌壓力技術(shù)無(wú)法實(shí)施；阻止濾液侵入地層的封堵微裂縫技術(shù)無(wú)法實(shí)施；鉆井過(guò)程中在井壁上形成致密保護(hù)層的難度大。因此，霧化鉆井液體系構(gòu)建與普通鉆井液相比具有獨(dú)特性，這也是霧化鉆井液體系構(gòu)建與應(yīng)用的關(guān)鍵性難題。結(jié)合川東北各復(fù)雜區(qū)塊霧化鉆井的需要，提出了可滿足川東北地區(qū)施工需要的霧化液構(gòu)建方法與原則：

1)按照鉆井液體系構(gòu)建的一般原則，即滿足鉆井施工“安全、優(yōu)質(zhì)、高效”要求，結(jié)合川東北地區(qū)地層特點(diǎn)及氣體霧化鉆井施工經(jīng)驗(yàn)，遵循鉆井液體系構(gòu)建的“優(yōu)先原則”，即首先考慮可安全施工的原則。

2)防塌技術(shù)要求。針對(duì)應(yīng)用區(qū)塊不同井段地層的地質(zhì)特性，研究引入了強(qiáng)吸附、強(qiáng)包被成膜等防塌技術(shù)，通過(guò)具有不同防塌機(jī)理處理劑的協(xié)同作用，進(jìn)一步提高霧化流體對(duì)不同地層的防塌能力。

3)防泥包技術(shù)要求。利用表面活性劑的滲透、分散作用和小分子陽(yáng)離子聚合物的抑制泥質(zhì)鉆屑水化分散作用，降低泥質(zhì)鉆屑/粉的黏性，有效防止鉆屑堆積，提高霧化流體的洗井效率。

4)清除井下泥環(huán)技術(shù)要求。優(yōu)選出具有較強(qiáng)滲透、分散作用的表面活性劑，通過(guò)研究表面活性劑和防塌劑的配伍性，完善清除井下泥環(huán)技術(shù)。

5)攜水技術(shù)要求。利用表面活性劑降低界面張力分散液相，利用霧化穩(wěn)定劑防止水滴聚集，提高高壓氣體的攜水效率。

6)霧化液循環(huán)使用技術(shù)要求。利用高相對(duì)分子質(zhì)量聚合物的強(qiáng)絮凝作用在排砂過(guò)程中對(duì)循環(huán)液進(jìn)行絮凝處理，使霧化液中懸浮泥砂快速沉降，達(dá)到循環(huán)使用目的。

2 關(guān)鍵處理劑和表面活性劑的優(yōu)選

2.1 兩性離子井壁穩(wěn)定劑

鑒于常規(guī)井壁穩(wěn)定劑難以滿足防塌霧化液體系的需求，遵循霧化液體系構(gòu)建原則，采用分子設(shè)計(jì)原理，通過(guò)優(yōu)化合成工藝及配方，研制了適用于霧化鉆井井壁穩(wěn)定需求的中等相對(duì)分子質(zhì)量?jī)尚噪x子聚合物井壁穩(wěn)定劑WPZY-1。用IR200傅里葉變換紅外光譜儀對(duì)WPZY-1進(jìn)行了紅外光譜分析，結(jié)果見(jiàn)圖1。WPZY-1是含酰胺基、酰胺羰基、長(zhǎng)鏈烷基和陽(yáng)離子銨基等基團(tuán)的聚合物，分子鏈上陽(yáng)離子銨基提高了其在泥頁(yè)巖上的強(qiáng)吸附能力，其分子中一定比例的水化基及吸附基使其與霧化鉆井液流體具有良好的配伍性。

圖1 WPZY-1的紅外光譜圖

為考察WPZY-1抑制泥頁(yè)巖分散能力，采用馬12井上部地層的巖屑，進(jìn)行頁(yè)巖滾動(dòng)回收率試驗(yàn)，為了進(jìn)一步考察和對(duì)比WPZY-1抑制泥頁(yè)巖分散和長(zhǎng)期穩(wěn)定井壁的能力，將一次回收試驗(yàn)后的巖屑在清水中進(jìn)行48 h滾動(dòng)回收試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表1。WPZY-1具有較強(qiáng)的抑制泥頁(yè)巖分散能力，當(dāng)用量為0.1%時(shí)，一次回收率達(dá)95.0%以上，而巖心在清水中90 ℃/2 h一次回收率僅13.7%。經(jīng)0.5%WPZY-1溶液處理的巖屑，在清水中滾動(dòng)試驗(yàn)48 h時(shí)相對(duì)回收率達(dá)99.3%，進(jìn)一步驗(yàn)證所合成的WPZY-1具有良好的防塌性能，即在井眼中的防塌劑被無(wú)限稀釋時(shí)，吸附在井壁表面的處理劑仍可在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持井壁的相對(duì)穩(wěn)定。

表1 WPZY-1頁(yè)巖回收實(shí)驗(yàn)結(jié)果

注：實(shí)驗(yàn)用頁(yè)巖為馬12井1 200～1 600 m處巖心，R1為一次回收率，R2為二次回收率，R′為相對(duì)回收率；下同。

2.2 兩性離子包被絮凝劑

針對(duì)霧化液循環(huán)使用的技術(shù)需求，遵循霧化鉆井流體體系構(gòu)建原則，采用分子設(shè)計(jì)原理，通過(guò)優(yōu)化合成工藝及配方，研制了適用于防塌霧化液的高相對(duì)分子質(zhì)量?jī)尚噪x子包被絮凝劑PDAM，并對(duì)其進(jìn)行了防塌及絮凝性能評(píng)價(jià)，

2.2.1頁(yè)巖回收率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了考察合成的高相對(duì)分子質(zhì)量?jī)尚噪x子疏水聚合物PDAM的防塌能力，使用天然泥巖巖心進(jìn)行了不同用量聚合物水溶液的頁(yè)巖滾動(dòng)回收率實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2。PDAM用量為0.01%時(shí)，一次回收率達(dá)97%以上，2 h相對(duì)回收率達(dá)93%，而現(xiàn)場(chǎng)用同類聚合物防塌劑的相對(duì)回收率為82.5%。使用天然砂泥巖巖心進(jìn)行頁(yè)巖滾動(dòng)回收率實(shí)驗(yàn)，結(jié)果相同。較高的相對(duì)回收率表明，合成的PDAM在頁(yè)巖表面的吸附能力強(qiáng)，在較小加量下，能大幅提高頁(yè)巖的回收率，說(shuō)明PDAM具有較強(qiáng)的抑制能力，能有效控制泥頁(yè)巖水化分散。

表2 PDAM頁(yè)巖回收率實(shí)驗(yàn)

注：實(shí)驗(yàn)用頁(yè)巖為馬12井2 816～2 830 m處巖心。

2.2.2絮凝性能

對(duì)高相對(duì)分子質(zhì)量?jī)尚噪x子疏水聚合物PDAM的絮凝能力進(jìn)行絮凝實(shí)驗(yàn)。在100 mL具塞量筒中加入80 mL去離子水或聚合物溶液，加入2 g鈣膨潤(rùn)土，補(bǔ)加去離子水或聚合物溶液至100 mL，以30次/min(一倒一正為一次)的頻率搖動(dòng)5 min，靜止計(jì)時(shí)，記錄1，3，5 min析出清液的高度，結(jié)果見(jiàn)表3。PDAM具有良好的絮凝能力，聚合物加量為0.03%時(shí)5 min清液析出量為90.7 mL，清液析出量大，絮體沉降快。

表3 PDAM加量對(duì)絮凝性能的影響

取絮凝實(shí)驗(yàn)中經(jīng)不同用量PDAM處理后析出的上部清液，用721分光光度計(jì)測(cè)定其透光率，結(jié)果見(jiàn)圖2。經(jīng)聚合物PDAM處理的含泥污水在自然條件下沉降分層后，上部液體清澈透明，泥砂含量低。

圖2 PDAM的絮凝性能

2.3 表面活性劑

表面活性劑的合理使用在霧化鉆井中至關(guān)重要，其作用主要表現(xiàn)在：1)通過(guò)其降低水的表面張力作用使地層出水在高速氣流作用下易分散，同時(shí)避免已分散的水大量聚集，便于氣流有效攜帶；2)利用其吸附作用吸附在泥質(zhì)鉆屑的表面，降低泥質(zhì)鉆屑的黏性，避免泥質(zhì)鉆屑相互黏連，達(dá)到防止鉆具泥包的作用；3)利用其滲透和分散作用，在鉆具發(fā)生泥包和井下形成泥環(huán)時(shí)滲透進(jìn)泥團(tuán)中并吸附在泥質(zhì)顆粒的表面，降低泥團(tuán)的黏接強(qiáng)度，使之在高速氣流擾動(dòng)下分散，達(dá)到清除泥包、泥環(huán)的目的。根據(jù)發(fā)泡試驗(yàn)和與霧化鉆井用關(guān)鍵處理劑的配伍性試驗(yàn)優(yōu)選出非離子表面活性劑(烷基酚聚氧乙烯醚)和陰離子型表面活性劑(十二烷基硫酸鈉和十二烷基苯磺酸鈉)為霧化鉆井用表面活性劑。

2.4 防塌霧化液體系配方與性能

根據(jù)上述構(gòu)建方法，通過(guò)研發(fā)的關(guān)鍵處理劑，經(jīng)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)配方進(jìn)行優(yōu)化，形成霧化鉆井基液體系配方：(0.05%～0.10%) PDAM+(0.3%～0.7%) WPZY-1+(0.01%～0.05%)陰離子表面活性劑+(0～0.1%)非離子表面活性劑。

為了考察霧化基液的防塌能力，利用天然泥巖巖心和普光區(qū)塊上部地層鉆屑進(jìn)行滾動(dòng)回收率試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表4和表5。霧化基液具有很強(qiáng)的抑制防塌能力，對(duì)天然泥巖巖心的一次回收率達(dá)98.5%，一次滾動(dòng)回收試驗(yàn)的巖心在清水中繼續(xù)進(jìn)行二次滾動(dòng)回收試驗(yàn)，48 h相對(duì)回收率達(dá)96.7%，72 h相對(duì)回收率仍保持在64.9%；霧化基液對(duì)天然砂巖巖心的一次回收率達(dá)98.8%，48 h相對(duì)回收率達(dá)95.4%，96 h的相對(duì)回收率仍保持在57.3%。

表4 泥巖巖心回收率試驗(yàn)結(jié)果%

表5 砂巖巖心回收率試驗(yàn)結(jié)果%

在霧化基液中加入不同量的清水，用天然泥巖巖心進(jìn)行滾動(dòng)回收實(shí)驗(yàn)，考察霧化基液被稀釋后的抑制防塌能力，結(jié)果見(jiàn)表6。霧化基液在被清水稀釋10倍后，仍可有效控制鉆屑的水化分散；較高的相對(duì)回收率說(shuō)明，霧化基液中防塌劑在井壁上吸附能力強(qiáng)，在地層出水量大和環(huán)空氣/液流體中防塌劑含量大幅降低的情況下仍能保持井壁穩(wěn)定。按現(xiàn)場(chǎng)霧化基液排量2.4～3.6 m3/h，可保證地層出水量在24～36 m3/h時(shí)的安全鉆井。

表6 清水稀釋試驗(yàn)結(jié)果%

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

川東北地區(qū)上部地層復(fù)雜、穩(wěn)定性差、遇水后穩(wěn)定時(shí)間短，應(yīng)用室內(nèi)形成的防塌霧化液，有效預(yù)防霧化鉆井過(guò)程中井壁坍塌掉塊，延長(zhǎng)井眼在霧化狀態(tài)下的穩(wěn)定時(shí)間，大灣404-2H井提高至11 d；大灣403-2H泥巖段長(zhǎng)、出水量低，井眼環(huán)空中水砂比小，排砂口返出液呈黏稠泥漿狀，鉆具泥包的趨勢(shì)增加，由于霧化基液有效抑制泥質(zhì)鉆屑的水化、聚集、抱團(tuán)，鉆進(jìn)中井眼清潔，起出的鉆具無(wú)泥包現(xiàn)象，結(jié)果見(jiàn)圖3。P102-1井和元陸17井一開(kāi)出水量較大，最大出水量達(dá)55 m3/h，平均出水量為35 m3/h，排砂口返出液連續(xù)噴出，未見(jiàn)間斷柱塞狀涌水現(xiàn)象，表明霧化鉆井過(guò)程中，地層水與霧化空氣流混合較均勻，霧化劑有效降低井眼內(nèi)液體的聚集程度，提高了攜水效率，保持空氣鉆井的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)鉆具泥包情況

4 結(jié)論

1)通過(guò)研制霧化鉆井用兩性離子井壁穩(wěn)定劑WPZY-1及兩性離子包被絮凝劑PDAM，形成了適用于川東北地區(qū)的兩性離子防塌霧化液體系，該防塌霧化液體系具有強(qiáng)抑制、強(qiáng)吸附、強(qiáng)包被性能。

2)在川東北地區(qū)應(yīng)用了防塌霧化液，井壁穩(wěn)定時(shí)間由3～5 d提高至11 d的，霧化循環(huán)利用率達(dá)92%，適用地層出水量達(dá)55 m3/h，保持氣體鉆井鉆遇出水地層的提速優(yōu)勢(shì)，為川東北地區(qū)提速提效提供了技術(shù)保障。

AnAnti-CollapseMistDrillingTechnology

SU Xuexia1, SUN Ju1, XU Fang2, ZHENG Zhijun1, SONG Yajing1

1.DrillingEngineeringTechnologyResearchInstituteofSinopecZhongyuanPetroleumEngineeringCo.Ltd.,Puyang,Henan457001; 2.FittingsEngineeringDepartmentofSinopecZhongyuanPetroleumEngineeringCo.Ltd.,Puyang,Henan457001

AbstractIn consideration of the technical problems of short time of borehole wall stability, and low water production in relevant formation, etc., the method and the principles for establishing an anti-collapse misting solution system were suggested, and non-ionic surfactant and anionic surfactant were chosen as the misting agent accordingly. The formulation of the anti-collapse misting solution system was identified by studying key treatment agents. The primary recovery rate reached 98.8% when this anti-collapse misting solution was used in the core of natural Sandstone with the 48 h relative recovery rate being 95.4%, and the 16 h relative recovery rate remained at 91.2% after the anti-collapse misting solution diluted with clean water for 10 times was used. The application of this anti-collapse misting solution has shown that the anti-collapse agent in the misting base solution can be adsorbed onto the borehole wall firmly and that the borehole wall can remain stable in the case of large formation water production and substantial reduction of anti-collapse agent in the gas/liquid in annular space. This system has been used in the field of drilling in northeastern Sichuan Province. The time period in which borehole wall remained stable was increased from 3-5 d to 11 d with the recycling percent of the system being 92% and the maximum water production being 55 m3/h without any coating of mud on drilling tool, etc.

Key wordsanti-collapse misting solution; performance; borehole wall stability; northeastern Sichuan Province; drilling technology