新型微泡沫钻井液在大庆“三低”油藏中的应用

王亮

中国石油大庆钻探工程公司钻井三公司 （黑龙江 大庆 163413）

大庆“三低”油藏具有低压、低渗、低丰度及黏土含量高的地质特点。平均坍塌压力系数在0.7左右，平均储层压力系数0.98左右，渗透率为(0.01～250)×10-3μm2，平均孔隙度为15%，平均黏土矿物含量为16%。低压和低丰度使油藏精细评价难度加大，而且较低的地层压力使钻井液滤液和有害固相在压差作用下更易进入储层，较低的渗透率和较高的膨胀性黏土矿物含量，使储层易发生黏土膨胀、分散、运移而产生水锁、水敏损害[1-3]，且钻井过程中易发生钻井液漏失。为开发好“三低”油藏，常采用欠平衡钻井方式钻井，欠平衡油基钻井液高成本、高污染；欠平衡雾化、泡沫钻井液成本高，易发生井下复杂；欠平衡玻璃微珠钻井液成本也居高不下，且玻璃微珠不易回收，而微泡沫钻井液又存在发泡能力差、半衰期短等技术难题[1-3]。因此，以合成的两种发泡剂为基础，最终形成一套适合大庆“三低”油藏的新型微泡沫钻井液技术。

1 实验部分

1.1 试剂及仪器

主要试剂：含胺基化合物（工业品）、去离子水、烷基酰胺（工业品）、氢氧化钠（分析纯）、表面活性剂等。

主要仪器：高温高压反应釜、高温滚子炉、六速旋转黏度计、堵漏评价模拟装置、量筒、秒表等。

1.2 实验方法

1.2.1 实验原料及合成工艺

将一定的胺基化合物加入到微型高温高压反应釜中，并添加去离子水稀释至制定浓度。称取一定量的含有长链的烷基酰胺单体，与NaOH配制成1:1的混合溶液。缓慢将反应釜温度升高至50～60℃，在开动搅拌桨的情况下，将混合溶液通过加料装置缓慢加到反应釜中。加料完毕后，继续反应2～3 h，即可得到乳白色的表面活性剂QF-1。通过改变单体浓度和反应工艺可合成出表面活性剂QF-2。

1.2.2 发泡剂性能评价

在室内采用半衰期法对合成的两种发泡剂和其他种发泡剂进行对比。实验过程如下：将0.25%的发泡剂加入到100 mL自来水中，在10 000 r/min条件下高速搅拌5 min，然后将搅拌杯中的泡沫液转移到带刻度的量筒中测量发泡体积、出液时间（第一滴液体析出时间）和半衰期（从泡沫液中分离出50 mL液体时间）。

2 结果与讨论

2.1 发泡剂性能评价

依据1.2.2实验方法，对合成的表面活性剂QF-1、QF-2进行发泡性能评价，实验结果如表1所示。由表1可知，与其他种类发泡剂相比，合成的发泡剂QF-1和QF-2具有较强的发泡能力，出液时间较长，且半衰期长，因此选择QF-1和QF-2作为该体系的发泡剂。

表1 不同发泡剂的发泡性能对比

综合考虑发泡剂的发泡性能、成本等因素，将合成的QF-1和QF-2两种发泡剂进行复配使用，对发泡量和半衰期进行测量，实验结果如表2所示。从表2可以得知，将两种发泡剂按照各自50%的比例复配比较合理，所生成泡沫细密均匀，发泡体积、出液时间和半衰期均有增加，而且体系较稳定，所以选择发泡剂的复配比例：50%QF-1+50%QF-2。由于合成的两种发泡剂含有的亲水亲油基团数量平衡，首先具有较强的发泡能力；其次由于液膜具有一定的黏弹性和强度，这在形成泡沫承压能力强，不易破裂；形成气泡的粒径范围多在20～100 μm，形成的微泡沫外观为圆形，由较厚的液膜包裹空气内核，气泡均独立悬浮在基液中，由于液膜厚度较大，所以稳定性较好[4-6]。在地下钻井过程中，形成的微泡沫具有更强的承压能力和抗污染能力，不会因为泡沫破裂而增加发泡剂和稳泡剂的加量。

表2 发泡剂复配性能数据表

2.2 微泡沫钻井液体系研究与性能评价

2.2.1 稳泡剂优选

在室内评价了生物聚合物XC、聚阴离子纤维素PAC-LV、羧甲基纤维素CMC和改性淀粉这几种稳泡剂的稳泡能力，实验结果如表3所示。从表3可知，PAC-LV和XC具有较强的泡沫稳定能力，同时与发泡剂具有较好的协同作用，可以实现对半衰期的控制，实现微泡沫钻井工艺，所以选用PAC-LV和XC作为稳泡剂。

表3 稳泡剂稳泡性能数据表

XC、PAC-LV同属于增黏性稳泡剂，XC能抗温至80℃，PAC-LV能抗温至160℃，为了获得更好的稳泡效果，所以将XC和PAC-LV进行复配使用，复配后的发泡效果如表4所示。从表4可知，复配的稳泡剂中70%XC和30%PAC-LV组合，稳泡效果最好，泡沫均匀细小，其他复配组合稳泡效果较差。这是因为单一稳泡剂在泡沫表面形成的水化膜厚度较低，容易破裂，将两种稳泡剂复配使用，能使泡沫在较高温度环境条件下具有一定的厚度，提高高温高压条件下的稳定性[7-10]。因此稳泡剂复配比例70%XC+30%PAC-LV。

表4 稳泡剂复配结果

2.2.2 微泡沫钻井液配方

在优选出两种发泡剂和两种稳泡剂的基础上，通过室内配伍性研究和对配方优化，形成微泡沫钻井液配方如下：4%膨润土浆+0.2%～0.3%PAC-HV+0.1%～0.2%包被抑制剂+1.0%～1.5%降滤失剂+0.02%～0.04%QF-1+0.02%～0.04%QF-2+0.01%～0.03%XC+0.005%～0.01%PAC-LV。

2.2.3 微泡沫钻井液性能评价

按照该配方在室内配制了微泡沫钻井液，对其泡沫稳定性、抑制性、抗温性和抗污染等相关性能进行了评价。

2.2.3.1 常规性能评价

对微泡沫体系的常规性能的测量在一定程度上可以评价微泡沫钻井液体系的宏观性能，判断体系的稳定性，实验结果见表5和表6。如表5所示，在测量体系密度时，同时在容器的上部、中部、下部3个位置进行了泡沫密度测试，结果基本相同，说明微泡沫体系是均匀体系，密度小于1 g/cm3，且随着搅拌时间的增加，体系密度有小幅度降低。所测的4组数据中，半衰期时间都大于47 h，说明微泡沫体系很稳定。如表6所示，常温下钻井液的黏度和性能良好。

表5 微泡沫钻井液常规发泡性能

表6 微泡沫钻井液常温下的性能

2.2.3.2 抑制性评价

选用大庆浅层泥页岩岩屑，在80℃条件下进行线型膨胀实验和滚动回收实验，对微泡沫钻井液体系的抑制性进行评价。实验结果显示，该体系线型膨胀率为0.81%（清水膨胀率3.21%），滚动回收率为93.26%（清水回收率为27.83%），说明该体系在防止泥页岩膨胀方面具有较好的效果。

2.2.3.3 抗污染性能评价

抗盐、抗油和抗土侵能力直接决定着微泡沫钻井液在钻井过程中的性能，在室内对其抗污染性能进行了评价，实验结果如表7和表8。由表7可知，钻井液随加盐量的改变，性能无明显变化，具有很强的抗盐能力。由表8可知，微泡沫钻井液在受劣土污染之后，各方面性能无明显变化，说明抗污染能力较强，能够满足现场施工过程中地层情况变化对钻井液的要求。

2.2.3.4 封堵性能

按照配方配制一份微泡沫钻井液，评价其在80℃条件下对不同目数砂床的承压封堵能力。评价实验显示，孔径范围在250～420 μm的砂床中微泡沫钻井液承压能力在12 MPa以上，因为微泡可在砂床孔隙中形成一层泡沫封堵层，阻止钻井液继续漏失。在进行孔径范围在250～420 μm的砂床封堵实验时，也能形成有效的封堵层，但承压能力降低至8 MPa。说明新型微泡沫钻井液对不同裂缝尺寸的地层都具有较强的封堵防漏能力。

表7 微泡沫钻井液抗盐性实验结果

表8 微泡沫钻井液抗劣土污染能力评价

2.3 现场应用

研制的微泡沫钻井液在大庆油田“三低”油藏区块累计应用多口井。其中一口水平采油井F172-平1井技套下深1 198 m，在三开水平段1 200～1 970 m（垂深1 020～1 120 m）采用新型微泡沫钻井液进行钻井。在三开钻井过程中钻井液性能如表9所示。由表9可知，钻井液密度在0.90～1.04 g/cm3，API失水在3 mL以内，固相含量和含砂量较低。该井机械钻速比邻井提高114%，全井无复杂事故发生。

表9 现场钻井液性能数据表

3 结论

1）针对微泡沫钻井液发泡剂的缺点，在室内研发出适用于微泡沫钻井液的两种发泡剂，其发泡能力和半衰期均优于同类产品，复配使用后效果更佳。

2）以合成的两种发泡剂为主，通过优选稳泡剂，研发出一套新型微泡沫钻井液，密度在0.9～1.02 g/cm3，滚动回收率大于90%，能有效封堵孔径范围在250～420 μm的砂床，并能抗3%盐侵和20%土侵。

3）现场试验表明，微泡沫钻井液具有良好的井壁稳定能力和储层保护效果。