防漏钻井液体系技术研究与应用

王金磊，赵国浩，王　军

（1.中油哈萨克PKKR项目钻井部，北京100300；2.中油西部钻探公司哈萨克克孜项目部，新疆乌鲁木齐830000）

防漏钻井液体系技术研究与应用

王金磊*1，赵国浩2，王军2

（1.中油哈萨克PKKR项目钻井部，北京100300；2.中油西部钻探公司哈萨克克孜项目部，新疆乌鲁木齐830000）

微泡钻井液能有效降低液柱压力，对储层空隙有较好的封堵作用，通过严格控制失水和加强封堵，可有效降低对储层的伤害。针对Konys油田的地质情况和储层特性开展技术研究，从固井流体设计和固井施工工艺设计2方面着手，设计出了满足现场施工要求的低密度防漏水泥浆体系即微泡沫钻井液体系，该体系具有流变稠化性能好、抗压强度高、防漏防窜能力强等特点。在Konys油田试验应用3井次，固井施工过程顺利，均未发生漏失，固井质量合格率达到100%，优质率达到80%，固井水泥返高达标率100%，效果良好。在K-82、K-587、K357H等井中都进行了应用，并都达到预期目的，效果良好。

微泡钻井液；泡沫性能；配方优选；现场应用

Konys油田主力开发层块侏罗系油藏目前地层压力只有2.88MPa和3.1MPa，压力保持程度只有原始地层压力（5.9MPa）的49.3%和54.3%，局部地区压力只有1.5MPa，压力保持程度只有25%。目前，侏罗系油藏实测压力系数已下降至0.31～0.92，地层亏空严重。Konys油田白垩系、侏罗系油藏均为带底水油藏，地层渗透性和连通性较好，地层松散、承压能力下降，且地层孔隙度较大。可知，Konys油田属于典型的低压易漏油藏，开发过程中容易造成储层污染，钻井作业过程中，钻井液在压差作用下向储层渗透，以及过大的压差作用会引发的恶性漏失，导致大量钻井液及其固相含量进入油层孔隙，造成严重污染。低压储层保护通常从降低井底作业压差和改善作业流体与底层配伍性方面着手［1］。降低井底作业压差，降低漏失风险，减少地层中外来流体的进入；对于低压储层的开发过程中，外来流体的进入不可避免时，就需要通过改善作业流体与底层配伍性，降低其对油层的污染。微泡沫钻井液体系有着独特的低密度效应和泡沫封堵作用［2-3］，是一种适用于低压储层开发和保护的钻井液体系。针对Konys油田的地质情况和储层特性，采用微泡沫钻井液进行钻进，进行了适于该储层的微泡沫钻井液的优化设计，并进行了现场应用，得到良好的效果。

1　微泡沫的稳定性及作用机理

1.1微泡沫的稳定性

影响微泡沫钻井液稳定性的因素分内因和外因，内因主要有液膜的排液作用和气体透过液膜的扩散作用；外因主要有温度、压力、外界物质的侵入等［4-5］。

对于微泡沫而言，由于其与普通泡沫在微观结构上的差异，引起微泡沫破裂的主要因素是重力作用［3］。液体因其自身的重力而下降，使液膜不断变薄，最终导致泡沫的破裂。因此，液膜的性质是影响微泡沫稳定性的主要因素。另外，当温度、压力等外界条件发生变化或受外力冲击、震动时，更会加速其破裂进程。

1.2微泡钻井液作用机理

（1）低密度效应，微泡沫钻井液密度低于一般水基钻井液，可有效降低井底液柱压力，降低失水，减少漏失，减少污染，保护储层。

（2）贾敏效应［6］，微泡沫在向地层渗透的过程中，在孔隙喉道处被捕集，由于贾敏效应的叠加作用而大大增加了泡沫钻井液向地层流动的阻力，防止钻井液继续向地层渗透或漏失。

（3）阻缓压力传递机理，微泡沫钻井液中的泡沫可以阻缓钻井液液柱压力向地层传递，从而减缓地层孔隙压力的增加。

2　起泡剂与稳泡剂的优选

2.1起泡剂的优选

同普通泡沫钻井液相比，微泡沫钻井液对起泡剂有更加严格的要求［7］。对所使用的起泡剂，要求起泡能力较强，而气泡量不需太大；生成的泡沫必须非常细小均匀且稳定性好，同时要有较好的抗盐、抗钙、抗温能力。

倾注法是生产和实验中常用的评价起泡性能的方法，该方法比较方便而且准确。所用仪器为Ross-Miles发泡仪，如图1所示。

图1　Ross-Miles发泡仪

采用倾注法对多种起泡剂进行了评价，加量均为0.4%，结果如表1所示。

表1　起泡剂评价

由实验数据可知，起泡剂F871、JP-2、SJ-6和TSB-2都具有良好的起泡能力，且半衰期长，是较好的起泡剂。

2.2稳泡剂评价

通过理论研究与机理分析，对钻井液处理剂的稳泡效果做了评价试验，试验起泡剂选用0.5%TSB-2，其结果如表2所示。

实验数据表明，PAC、XC和CMC是良好的泡沫稳定剂，配出的泡沫液既有较高的起泡量，稳定性又好。

表2　稳泡剂评价

3　微泡沫钻井液配方研究及性能评价

3.1配方研究

微泡沫钻井液是气、液、固的多相分散体系，其稳定性取决于微泡沫的稳定存在和钻井液体系的稳定，而微泡沫的稳定主要是液膜的稳定，同时应使液膜具有较低的排液速率。因此，选定微泡沫钻井液的基浆应具有以下条件：（1）适当的固相含量；（2）具有一定的液体粘度；（3）稳定的钻井液性能。

3.1.1流型调节

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。

性能测试结果见表3。

表3　钻井液性能测试

3.1.2抑制剂优选

无机盐类抑制剂的加入，会影响到微泡沫钻井液中微泡液膜的稳定性，从而使微泡沫钻井液体系的稳定性降低。因而本试验评价了常用聚合物抑制剂对粘土膨胀的抑制效果。

根据已有的经验，与K-PAM、FA367相比，增粘抑制剂YFKN对泥岩分散的抑制效果更加明显，其与微泡沫钻井液体系配伍性良好，对微泡沫的稳定性没有不良影响。

根据上述试验结果及分析，微泡沫钻井液体系是选择基液粘度适中，起泡能力好，抗污染能力强，具有泥页岩抑制能力，配制方便，完全能够满足现场施工需要。最终确定的微泡沫钻井液配方为：

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　钻井液性能表

3.2钻井液性能评价

3.2.1抗温试验

选用1号配方+0.2%YFKN，做不同温度下的老化试验，结果如表5。

表5　抗温试验测试

试验结果表明，温度升高对微泡沫的稳定性有一定影响，但是影响不是很大。

随温度升高，基液变稀，半衰期变短，滤失量略有增加。但是在现场施工时，根据实际情况，随着井温的变化，适当调整基液粘度，增大稳泡剂加量，选择合适的微泡沫流体配方。

3.2.2抗污染能力

煤油对微泡沫钻井液的影响表现为：随着煤油加量的增加，起泡剂的起泡能力呈下降趋势，密度升高。现场钻遇油层时，应适当提高起泡剂的加量，以提高微泡沫钻井液的稳定性。见图2。

图2　密度随煤油加量变化曲线图

3.2.3密度特性

密度低是泡沫钻井液的突出性质之一，由于其中含有大量的气体，在温度、压力等因素的影响下，其密度变化范围很大。通用的表述固液两相流体密度的方法和气体密度的方法已无法描述微泡沫钻井液的密度变化规律。所以微泡沫钻井液密度与压力、温度的关系必须通过实验方法给出。

图3　微泡沫钻井液温度—压力—密度曲线

根据图3可以得出，微泡沫钻井液密度受压力影响较大，温度影响较小。其中5MPa之前，密度曲线变化率较高；5MPa之后，密度变化相对较小。密度随温度升高而略有增加，但是幅度较小。

3.2.4储层保护效果

用微泡沫钻井液两对块储层砂岩岩芯做污染评价实验，结果如表6所示。

表6　动态实验用岩心油层物性

从试验数据得出，微泡钻井液渗透率恢复值在90%以上，具有较好的油层保护效果。

4　现场应用

根据Konys油田的地层特征、微泡沫钻井液特性以及其在国内的使用情况，制定了相应的技术措施，确保施工的顺利进行，并取得良好的成果。

4.1现场施工情况

K82井是一口三开直井，设计井深为1350m，按照设计，表层钻至井深30m，该井在二开374m以下井段试验微泡沫钻井液，重点预防下部储层漏失。该井施工难点在于上部白垩系存在浅气层，下部侏罗系油层属于异常低压，压力系数差别大，漏失风险大。钻井液密度从1.20g/cm3降至1.10g/cm3，起泡顺利，钻井液中微泡沫细小均匀，稳泡效果良好，在钻进、起下钻、测井、通井、下套管、固井作业中，井下情况均正常，实现了微泡防漏的预期效果。

K587井是一口三开直井，设计井深为1350m，按照设计，二开钻至井深375m，该井在三开375m以下井段试验微泡沫钻井液，预防下部储层漏失。要求以1.17g/cm3的钻井液密度三开，然后采用微泡沫技术防漏。施工过程中，钻井液密度最低达到1.12g/cm3，成功预防井漏。

K357H井是一口三开水平井，设计井深为1655m，二开钻至井深375m，该井在三开段试验微泡沫钻井液，预防下部储层漏失。井深1354.81m处垂深为1252.54m，对比邻井，垂深1252.54m可能存在油层气顶，不宜直接采用低密度钻井液三开，钻进至井深1351.81m出现油气显示，停泵观察无溢流，开始试验微泡沫钻井液。该井三开钻井液密度从1.19g/cm3降低至1.12g/cm3，完钻时钻井液密度为1.12g/cm3，定向仪器信号正常，成功预防井漏。

4.2应用效果

微泡沫钻井液性能稳定，降低密度幅度可达0.10g/cm3，钻井液性能稳定，与低密度微珠和聚合物钻井液对比数据见表7。

表7　不同钻井液性能比较

微泡沫钻井液密度低于常规水基钻井液，与低密度微珠钻井液相当；钻井液滤失量低，可减少地层损害；粘切高，携岩能力强，能有效地清除井底岩屑；固相含量低，便于控制流变性；不需要空气压缩机及其它气体注入设备或氮气发生器，可循环使用。

微泡沫钻井液在Konys油田试验效果良好，在低压地层防漏中取得了成功，相关数据统计见表8。

在高、低压同层井段，微泡沫进入地层、封堵孔隙，有效地防止了低压层发生井漏。最低钻井液密度降至了0.1 g/cm3，防止了井漏。

通过对试验井K-82、K-587井与其邻井射孔、采油情况调查，对比数据如表9所示。

与邻井相比，K-82井比K-61井日产油多5.7m3，K-587井比K-179井日产油多11.3m3，平均单孔产油量分别提高29.7%和84%。说明微泡沫钻井液体系对低压储层保护作用明显，有利于提高单井采收率。

表8　微泡沫钻井液试验情况统计表

表9　产油数据对比

5　结论及建议

（1）微泡沫钻井液具有密度低的特点，钻进中性能稳定。解决了以往在低压储层钻井时的井漏问题，避免了因漏失而引起的储层损害；

（2）微泡沫钻井液，可以有效保护低压储层，利于返排，提高采收率；

（3）微泡沫钻井液具有较强的携带能力，在钻进过程中井口返出岩屑正常，满足了地质录井和钻井工程的要求；

（4）为低压油藏的钻井施工提供了一种新的钻井液体系，通过现场应用表明，微泡沫钻井液防漏效果好，储层保护效果明显，值得推广应用。

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TE2

B

1004-5716（2016）05-0063-05

2015-04-20

2015-12-26

国家自然科学基金项目“高温高压低弹性模量复合固井材料形成机理研究”，编号：51474192；中央高校基本科研业务费，编号2012098。

王金磊（1983-），男（汉族），山东聊城人，工程师，现从事钻井工艺技术现场施工安全优化组织管理工作。