超低密度鉆井液技術(shù)在大慶油田易漏復(fù)雜層的應(yīng)用

李曉波

中國(guó)石油大慶鉆探工程公司 鉆井三公司（黑龍江 大慶 163000）

井漏、井涌和井噴等事故給鉆井施工帶來(lái)了巨大安全隱患，也造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失，特別是在經(jīng)過(guò)多年開(kāi)采的老區(qū)油田，這種現(xiàn)象更為普遍。大慶油田已經(jīng)走過(guò)了60年的勘探開(kāi)發(fā)歷程，在高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)期之后進(jìn)入到壓力枯竭、產(chǎn)能極低、特高含水率的后期開(kāi)發(fā)階段。大慶油田的南二、三區(qū)在經(jīng)過(guò)二次、三次加密開(kāi)發(fā)之后，再加上長(zhǎng)期注水、注聚采油，地層壓力系統(tǒng)變得極其復(fù)雜，最低地層壓力系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1.0，不僅層間壓力差異大，同層壓力也極不穩(wěn)定。在鉆井施工過(guò)程中，極易發(fā)生井漏、井涌，甚至是漏噴同層的復(fù)雜事故，對(duì)鉆井液密度窗口要求極高，最低密度要求小于0.8 g/cm3，既要能夠滿足防漏需要，特殊情況下又能將鉆井液密度提高至1.15 g/cm3，滿足壓穩(wěn)地層的需要，將井筒壓力控制在安全范圍之內(nèi)。因此，研究了一套超低密度鉆井液，有效降低了南二、三區(qū)的井漏、井涌等復(fù)雜事故，有效保證了該區(qū)塊石油資源的高效開(kāi)發(fā)，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 低密度鉆井液技術(shù)

1.1 玻璃微珠低密度鉆井液技術(shù)

為了滿足特殊復(fù)雜層欠平衡鉆井需要，大慶油田先后研究過(guò)低密度油包水和低密度水包油鉆井液技術(shù)，這兩種鉆井液的密度只能低至0.90 g/cm3，只能應(yīng)用于普通低壓力地層鉆井。對(duì)于南二、三區(qū)這樣的復(fù)雜區(qū)塊，只有密度更低的鉆井液才能滿足鉆井需求。

大慶油田2007 年研發(fā)出一套以空心玻璃微珠（HGS）作為密度減輕劑的低密度水基鉆井液。空心玻璃微珠作為鉆井液的核心添加劑，最主要的作用就是降低鉆井液密度，由耐熱堿石灰硼硅酸鹽玻璃制成，其粒徑分布范圍較廣，大都在10～90 μm；在承受較高的壓力下不易破碎；抗溫性極好，只有在高于600 ℃的環(huán)境中才會(huì)發(fā)生塑性形變；自身密度在0.32～0.60 g/cm3；同時(shí)，中空玻璃微珠具有良好的儲(chǔ)層保護(hù)效果。通過(guò)改變HGS加量，能夠有效調(diào)整鉆井液的密度，在鉆井液中玻璃微珠的極限加量為40%，此時(shí)鉆井液密度能降低至0.85～0.87 g/cm3[1-2]。

玻璃微珠鉆井液雖然密度較低，但也無(wú)法直接應(yīng)用到大慶油田南二、三區(qū)，主要存在以下2方面原因：①玻璃微珠低密度鉆井液最低密度只能降至0.85 g/cm3，與南二、三區(qū)需求的小于0.8 g/cm3的最低鉆井液密度還存在一定差距；②從玻璃微珠低密度鉆井液現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)例可知，當(dāng)玻璃微珠達(dá)到40%的極限加量時(shí)，由于鉆頭與地層、鉆具與井壁以及鉆頭水眼的擠壓、研磨作用，玻璃微珠會(huì)發(fā)生破碎和損耗，破碎率超過(guò)40%，總損耗量超過(guò)60%，這樣既會(huì)引起鉆井液密度升高，還會(huì)對(duì)鉆井液流變性產(chǎn)生負(fù)面影響。如果繼續(xù)維持鉆井液的低密度，只有加大玻璃微珠加量，勢(shì)必會(huì)增加鉆井液成本。

1.2 微泡沫鉆井液技術(shù)

在玻璃微珠低密度鉆井液之后，為了滿足一些區(qū)塊欠平衡鉆井需求，又研發(fā)了微泡沫鉆井液技術(shù)。這種鉆井液技術(shù)是將具有發(fā)泡能力的表面活性劑添加到鉆井液中，通過(guò)產(chǎn)生的泡沫降低鉆井液密度。為了獲得良好的發(fā)泡效果，保持較穩(wěn)定的泡沫，往往要向鉆井液中添加具有穩(wěn)泡能力的表面活性劑。這種低密度微泡沫鉆井液的密度范圍在0.86～1.10 g/cm3，也無(wú)法直接應(yīng)用于南二、三區(qū)，不能滿足安全鉆井對(duì)低密度的需求；同時(shí)，僅靠添加大量發(fā)泡劑來(lái)降低鉆井液密度，需要更高標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備來(lái)匹配發(fā)泡工藝，還會(huì)增加發(fā)泡劑和穩(wěn)泡劑的成本[3]。

2 超低密度鉆井液技術(shù)研究

結(jié)合玻璃微珠鉆井液和微泡沫鉆井液的特點(diǎn)，為了研究一套密度小于0.8 g/cm3的超低密度鉆井液，確定了研究思路：先通過(guò)控制中空玻璃微珠的加量，將水基鉆井液密度降至0.9 g/cm3左右；然后在玻璃微珠低密度鉆井液基礎(chǔ)上，再添加發(fā)泡劑和穩(wěn)泡劑，進(jìn)一步將鉆井液密度降至0.8 g/cm3以下，以滿足超低密度鉆井液需求。

2.1 玻璃微珠低密度鉆井液性能

2.1.1 玻璃微珠優(yōu)選

空心玻璃微珠的選擇必須遵行以下幾個(gè)原則：①玻璃微珠粒徑必須合理。粒徑越大越容易破碎，損耗率也越高，粒徑太小會(huì)因?yàn)榧庸すに嚨姆爆嵍鴮?dǎo)致成本增加；②玻璃微珠壁厚適中。太薄容易破碎，太厚會(huì)導(dǎo)致玻璃微珠自身密度的增加；③玻璃微珠在鉆井液中具有良好的分散度[4]。

根據(jù)以上原則，如圖1和圖2所示，優(yōu)選出平均粒徑在40 μm、壁厚在1～2 μm 的空心玻璃微珠，經(jīng)過(guò)室內(nèi)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，這種空心玻璃微珠在承受14～74 MPa 的壓力下，破碎率小于5%，且在鉆井液中具有良好的分散度，不會(huì)產(chǎn)生團(tuán)聚、絮凝的情況。

圖1 玻璃微珠微觀結(jié)構(gòu)圖

圖2 玻璃微珠在鉆井液中的分散微觀圖

2.1.2 玻璃微珠加量確定

在淡水基漿（配方：4%膨潤(rùn)土漿+1%～1.5%抑制劑+0.1%～0.2%包被劑+1.0%～1.5%降濾失劑）基礎(chǔ)上，加入不同量的玻璃微珠，測(cè)量玻璃微珠對(duì)鉆井液密度和流變性的影響規(guī)律，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3和圖4所示。由圖3可知，隨著玻璃微珠加量增加，鉆井液密度總體呈下降趨勢(shì)，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到40%時(shí)，鉆井液密度最低，為0.85 g/cm3；由圖4可知，鉆井液塑性黏度和動(dòng)切力隨著玻璃微珠加量增加，總體呈上升趨勢(shì)，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于25%，塑性黏度和動(dòng)切力增加緩慢，對(duì)鉆井液性能影響較小，但超過(guò)25%時(shí)，塑性黏度和動(dòng)切力快速增加，對(duì)鉆井液性能影響較大。

因此，綜合考慮玻璃微珠損耗率、鉆井液流變性和綜合成本等因素，確定玻璃微珠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%，此時(shí)鉆井液密度為0.92 g/cm3。

圖3 玻璃微珠對(duì)鉆井液密度影響曲線圖

圖4 玻璃微珠對(duì)鉆井液流變性影響曲線圖

2.2 超低密度鉆井液性能

在玻璃微珠低密度鉆井液基礎(chǔ)上，通過(guò)加入自主合成的發(fā)泡劑和穩(wěn)泡劑，再進(jìn)一步降低鉆井液密度至所需要的范圍。

2.2.1 發(fā)泡劑合成及性能評(píng)價(jià)

發(fā)泡劑是微泡沫鉆井液技術(shù)的關(guān)鍵處理劑，形成的泡沫的質(zhì)量直接決定著鉆井液性能是否穩(wěn)定。目前微泡沫鉆井液常用的發(fā)泡劑由于單體選擇和合成工藝的不同，產(chǎn)品的親油親水能力相差很大，最終發(fā)泡能力、泡沫質(zhì)量（發(fā)泡體積、半衰期和抗污染能力等）差異也較大。因此，選用烷基酰胺、胺基和羧酸等親水單體合成出能夠滿足要求的發(fā)泡劑[5]。該反應(yīng)為水溶液聚合反應(yīng)：將胺基化合物與二級(jí)去離子水配制成一定濃度的溶液，置于搪瓷反應(yīng)釜中，將溫度升高至60 ℃；再緩慢加入烷基酰胺單體與氫氧化鈉配制成的混合溶液；混合溶液加完后繼續(xù)反應(yīng)3～4 h，可得到乳白色表面活性劑CF。

采用常用的半衰期泡沫質(zhì)量評(píng)價(jià)法對(duì)合成的發(fā)泡劑CF的質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并和常用的發(fā)泡劑進(jìn)行了對(duì)比分析。該方法是將一定的發(fā)泡劑加入到水中，通過(guò)高速攪拌產(chǎn)生泡沫，測(cè)量產(chǎn)生泡沫的體積；并靜止觀察，記錄開(kāi)始析出液體的時(shí)間（出液時(shí)間）和半衰期（析出一半量液體的時(shí)間），實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知，自主合成的發(fā)泡劑CF，發(fā)泡體積和發(fā)泡能力都高于其他幾種表面活性劑，且出液時(shí)間和半衰期都更長(zhǎng)，說(shuō)明其產(chǎn)生的泡沫性能穩(wěn)定，質(zhì)量較高，能滿足泡沫鉆井液發(fā)泡需求。

表1 不同發(fā)泡劑性能對(duì)比

2.2.2 穩(wěn)泡劑合成及性能評(píng)價(jià)

在井下高溫高壓和水眼剪切作用下，泡沫極易發(fā)生破裂而引起鉆井液密度升高。為了進(jìn)一步提高泡沫穩(wěn)定性，常常在泡沫鉆井液中添加一種具有穩(wěn)泡作用的表面活性劑，以提高泡沫穩(wěn)定性。目前常用的穩(wěn)泡劑大都為生物聚合物類(lèi)、聚合纖維素類(lèi)和改性大分子類(lèi)，單一使用某一種穩(wěn)泡劑，效果較差，復(fù)合使用又存在成本高、加料和維護(hù)工藝復(fù)雜等問(wèn)題。因此，綜合考慮穩(wěn)泡能力、成本和維護(hù)工藝等因素，采用乳液聚合方式，以丙烯酸和酰胺類(lèi)化合物合成出一種低黏度的中分子量聚合物鉆井液體系用穩(wěn)泡劑SF。

對(duì)合成的穩(wěn)泡劑的穩(wěn)泡能力與其他幾種穩(wěn)泡劑進(jìn)行了對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，合成的穩(wěn)泡劑穩(wěn)泡能力較好，與發(fā)泡劑具有較好的協(xié)同作用，可以延長(zhǎng)半衰期。

表2 穩(wěn)泡劑性能評(píng)價(jià)

2.2.3 超低密度鉆井液配方研究及性能評(píng)價(jià)

在淡水基鉆井液配方基礎(chǔ)上，通過(guò)添加25%的空心玻璃微珠（HGS）使鉆井液密度降低至0.92 g/cm3，然后通過(guò)室內(nèi)配方研究和正交試驗(yàn)，確定了發(fā)泡劑和穩(wěn)泡劑的加量，將鉆井液密度降至0.78 g/cm3。超低密度鉆井液配方為：4%膨潤(rùn)土漿+1%～1.5%抑制劑+0.1%～0.2%包被劑+1.0%～1.5%降濾失劑+25%HGS+0.02%～0.04%發(fā)泡劑CF+0.01%～0.03%穩(wěn)泡劑SF。并對(duì)其相關(guān)性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

1）常規(guī)性能評(píng)價(jià)。對(duì)淡水基漿、玻璃微珠低密度鉆井液和超低密度鉆井液的流變性，以及超低密度鉆井液的泡沫穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3和表4。由表3 可知，與淡水基漿相比，玻璃微珠低密度鉆井液和超低密度鉆井液流變性變化較小，說(shuō)明在現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)不會(huì)因?yàn)椴Ａ⒅楹桶l(fā)泡劑的加入而發(fā)生性能突變；由表4可知，超低密度鉆井液密度隨著攪拌時(shí)間增加會(huì)略有降低，泡沫體上、中、下部密度幾乎不變，且半衰期時(shí)間都大于45 h，說(shuō)明泡沫體系均勻穩(wěn)定，能滿足現(xiàn)場(chǎng)施工需求。

表3 常溫下微泡沫鉆井液性能

表4 微泡沫鉆井液常規(guī)發(fā)泡性能

2）抗污染性能。在鉆井過(guò)程中，鉆井液性能會(huì)受到地層中的油相、巖屑等污染而變化，所以對(duì)超低密度鉆井液的抗污染能力評(píng)價(jià)也很關(guān)鍵[6]。由表5 可知，隨著柴油加量增加，鉆井液性能變化不明顯，具有較強(qiáng)的抗油污染能力，能抗15%柴油污染；由表6可知，鉆井液在受劣土污染之后，泡沫體積和黏度變化不明顯，說(shuō)明抗劣土污染能力較強(qiáng)，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)不同地層鉆井要求。

3）堵漏性能。在80 ℃條件下，采用砂床承壓封堵實(shí)驗(yàn)對(duì)超低密度鉆井液的堵漏承壓能力進(jìn)行評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在0.425～0.850 mm（20～40 目）和0.250～0.425 mm（40～60 目）砂床封堵實(shí)驗(yàn)中，承壓能力由常規(guī)鉆井液體系的5.2 MPa 和6.1 MPa 分別提高至7.5 MPa 和8.0 MPa，表明空心玻璃微珠和微氣泡在砂床孔隙中形成了有效封堵層，使承壓能力大幅度提高，說(shuō)明超低密度鉆井液對(duì)不裂縫性地層都具有較強(qiáng)的防漏堵漏能力。

表5 超低密度鉆井液抗油污染實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表6 微泡沫鉆井液抗劣土污染能力評(píng)價(jià)

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

研制的超低密度鉆井液在大慶油田南二、三區(qū)N252-1 井進(jìn)行了應(yīng)用。該井三開(kāi)井段為1 100～1 670 m，預(yù)測(cè)井底壓力系數(shù)小于1.0，存在易漏風(fēng)險(xiǎn)，所以采用超低密度鉆井液進(jìn)行鉆井。

三開(kāi)作業(yè)前，將淡水基漿性能調(diào)整至合理范圍，通過(guò)加料漏斗緩慢加入25%鉆井液體積的玻璃微珠，持續(xù)攪拌2 h 以上；當(dāng)玻璃微珠分散均勻、鉆井液密度穩(wěn)定之后，按照比例先后加入發(fā)泡劑和穩(wěn)泡劑，經(jīng)過(guò)攪拌槳剪切后，形成超低密度鉆井液，經(jīng)測(cè)量鉆井液密度為0.8 g/cm3，能夠滿足三開(kāi)井段欠平衡鉆井需求。在鉆井過(guò)程中，要根據(jù)鉆井液密度和泡沫體積的變化情況，按比例隨時(shí)補(bǔ)充玻璃微珠、發(fā)泡劑、穩(wěn)泡劑或消泡劑，并保持?jǐn)嚢铇＿\(yùn)轉(zhuǎn)。

在整個(gè)三開(kāi)過(guò)程中，鉆井液性能見(jiàn)表7，超低密度鉆井液性能穩(wěn)定，密度始終維持在0.80 g/cm3左右，API 失水在3 mL以內(nèi)，而且井底巖屑返出順利，沒(méi)有發(fā)生鉆井液漏失、井涌和井噴等復(fù)雜事故。機(jī)械鉆速比同區(qū)塊鄰井提高96%，鉆井周期也同比縮短12 d以上。

表7 現(xiàn)場(chǎng)鉆井液性能數(shù)據(jù)

4 結(jié)論及建議

1）針對(duì)大慶油田南二、三區(qū)地層的復(fù)雜特點(diǎn)，通過(guò)選用空心玻璃微珠和合成發(fā)泡劑、穩(wěn)泡劑，研制出一套超低密度鉆井液，密度最低能降至0.78 g/cm3，發(fā)泡穩(wěn)泡能力強(qiáng)，對(duì)0.25～0.85 mm（20～60 目）砂床的承壓能力在7.5 MPa 以上，并具有良好的抗污染能力。

2）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，該超低密度鉆井液技術(shù)能有效控制井筒壓力，使井漏和井涌風(fēng)險(xiǎn)降低，能提高鉆井速度，縮短鉆井周期，對(duì)老區(qū)油田復(fù)雜區(qū)塊井控安全和鉆井安全提供技術(shù)支撐，具有良好的推廣應(yīng)用前景。