王曉軍

(中國石油長城鉆探工程有限公司工程技術研究院，遼寧盤錦 124010)

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?鉆井完井?

抗溫抗鹽無固相微泡沫鉆井液研制與現(xiàn)場應用

王曉軍

(中國石油長城鉆探工程有限公司工程技術研究院，遼寧盤錦 124010)

摘要：為降低鉆井過程中的儲層損害，解決微泡沫鉆井液抗溫抗鹽性能不足、穩(wěn)泡效果差的問題，合成了微泡沫發(fā)泡劑LF-2和穩(wěn)泡劑HMC-1，優(yōu)選了增黏劑和降濾失劑，配制了抗溫抗鹽無固相微泡沫鉆井液。室內性能評價表明，該鉆井液的巖屑回收率達88.7%，40/80目砂石漏層中30 min漏失量僅1.8 mL，巖心滲透率恢復率88.87%。抗溫抗鹽無固相微泡沫鉆井液在茨120井欠平衡井段的應用結果表明，其性能穩(wěn)定易調整，平均機械鉆速達4.41 m/h，平均井徑擴大率僅為3.97%，欠平衡鉆進效果明顯，全烴值最高100%，并多次點火成功。研究表明，抗溫抗鹽無固相微泡沫鉆井液體系抗溫、抗鹽能力強，儲層保護效果好，具有推廣應用價值。

關鍵詞：欠平衡鉆井；發(fā)泡劑；穩(wěn)泡劑；泡沫鉆井液；現(xiàn)場應用；茨120井

隨著我國石油需求的不斷增長及已探明儲量的深度開采，油氣勘探開發(fā)逐步向深層、復雜地層發(fā)展，鉆遇高溫高壓高鹽地層的概率逐漸增大，采用常規(guī)鉆井液打開儲層，不但鉆速低、經(jīng)常發(fā)生漏失，而且極易對儲層造成嚴重的傷害，導致探井的勘探成功率低[1]。為提高鉆井效率，及時準確地發(fā)現(xiàn)油氣層，提高油氣井產(chǎn)能，采用欠平衡鉆井是一種理想的解決方案，而無固相微泡沫鉆井液為氣、液、固三相分散體系，是實施欠平衡鉆井最理想的低密度鉆井液[2-3]?；鶟{中加入發(fā)泡劑和穩(wěn)泡劑等表面活性劑后經(jīng)過物理、化學作用，形成有多層膜包裹并以均勻、非聚集、非連續(xù)態(tài)存在的微氣泡，可配制出無固相微泡沫鉆井液，其密度可調，且可多次循環(huán)使用，但存在抗溫抗鹽性能不足、穩(wěn)泡效果差等問題。

筆者針對常規(guī)無固相微泡沫鉆井液存在的問題，在分析微泡沫結構和性能的基礎上，合成了性能優(yōu)良的微泡沫發(fā)泡劑LF-2和穩(wěn)泡劑HMC-1，并優(yōu)選增黏劑和降濾失劑等其他處理劑，配制了抗溫抗鹽無固相微泡沫鉆井液，在茨采、沈采和冷家油田的21口井欠平衡鉆井施工中進行了應用，提速和儲層保護效果明顯。

1處理劑的優(yōu)選與性能評價

1.1發(fā)泡劑的研制與評價

常規(guī)泡沫鉆井液的發(fā)泡劑(如VF-1、SJ-6和K12等)抗溫、抗鹽能力較差，為此，筆者合成了一種

同時含羥基和磺酸基的長碳鏈陰離子表面活性劑LF-2，在分子結構中引入磺酸基團，提高了表面活性劑的抗溫性；同時，分子中的羥基與磺酸基對金屬離子有螯合作用，可改善表面活性劑的耐鹽性。采用基液膨脹率和析液半衰期來評價發(fā)泡劑的發(fā)泡、抗溫和抗鹽能力，基液膨脹率是指泡沫體積與基液體積的比值，析液半衰期是指泡沫析出液量達到基液體積一半所需的時間，結果見表1和表2。

從表1和表2可以看出，發(fā)泡劑LF-2不但抗高溫、抗鹽能力強，而且發(fā)泡量大、半衰期長，性能明顯優(yōu)于其他發(fā)泡劑。

1.2穩(wěn)泡劑的研制與評價

微泡沫鉆井液是一種熱力學不穩(wěn)定體系，微泡沫的穩(wěn)定性取決于表面張力、內外壓差和液膜強度，而液膜表面黏度是影響液膜強度的關鍵因素。表面黏度增大，液膜不易在外力作用下破裂，液膜的排液速度和氣體穿過液膜的能力均減小，微泡沫穩(wěn)定性增強[4-7]。因此，為提高泡沫穩(wěn)定性、延長泡沫壽命，需加入提高液膜強度的穩(wěn)泡劑,經(jīng)過室內大量的合成試驗，研制了黏稠狀乳白色穩(wěn)泡劑HMC-1，屬于高相對分子質量、復合網(wǎng)絡狀分子結構的陰離子聚合物。相對分子質量大的聚合物熱穩(wěn)定性能相對較好，而相比鏈狀分子結構，網(wǎng)絡狀分子結構聚合物的穩(wěn)泡性能更好。以水+0.2%Na2CO3+0.4%LF-2為基液，加入不同量的穩(wěn)泡劑，在3 000 r/min下高速攪拌10 min，觀察發(fā)泡情況及泡沫穩(wěn)定情況，結果見表3。

表1　常溫下不同發(fā)泡劑的膨脹率和半衰期試驗結果

注：試驗用鉆井液的配方為水+0.2%Na2CO3+發(fā)泡劑；①該數(shù)據(jù)及同一行其他數(shù)據(jù)為發(fā)泡劑加量。

表2不同發(fā)泡劑抗鹽、抗溫能力試驗結果

Table 2The evaluation foaming agents with temperature and salt resistance

發(fā)泡劑基液膨脹率,%析液半衰期/min海水淡水(150℃老化16h)海水淡水(150℃老化16h)SJ-63203302718LF-2580585137155K123904152634VF-14104003529

注：試驗用鉆井液的配方為海水(淡水)+0.2%Na2CO3+0.4%發(fā)泡劑。

從表3可以看出，加入穩(wěn)泡劑后基液的泡沫穩(wěn)定性都有不同程度的提高，但HMC-1的穩(wěn)泡效果更好，抗溫能力更強，使微泡沫鉆井液能滿足更大井深的使用要求，性能明顯優(yōu)于其他穩(wěn)泡劑。

1.3增黏劑的優(yōu)選與評價

無固相微泡沫鉆井液需要性能較好的增黏劑來提高體系的黏度和切力，以保證鉆屑的懸浮與攜帶。為此,進行了增黏劑優(yōu)選試驗。選取常用的4種增黏劑PAC-HV、HT-XC、HV-CMC和HEC，以常規(guī)加量0.3%加入到基漿中，測定基漿的主要性能參數(shù)，結果見表4。

表3　不同穩(wěn)泡劑性能對比試驗結果

注：①該數(shù)據(jù)及同一行其他數(shù)據(jù)為穩(wěn)泡劑加量。

表4　不同增黏劑性能對比試驗結果

注：基漿配方為水+0.2%Na2CO3+0.5%LF-2+1.0% HMC-1。

由表4可知，只有添加抗高溫生物黃原膠HT-XC的基漿老化前后的黏度、切力及動塑比均符合性能要求。分析認為，這是因為HT-XC是在常規(guī)黃原膠聚合物中引入了剛性基團，改善了其抗溫性能，因此選擇HT-XC作為鉆井液的增黏劑。

1.4降濾失劑的優(yōu)選與評價

以水+0.2%Na2CO3+0.5%LF-2+1.0% HMC-1+0.3% HT-XC作為基漿，分別將加量4.0%的降濾失劑KH-931、SMP-Ⅱ和SPNH，以及這3種降濾失劑分別以2.0%的加量兩兩復配后，與基漿攪拌均勻，分別在室溫及150 ℃條件下老化16 h后測試其濾失量，結果見表5。

由表5可知，3種降濾失劑單一加入到無固相微泡沫鉆井液后效果都不理想，高溫老化后的濾失量都很快超過15.0 mL，而KH-931與SMP-Ⅱ復配后的降濾失效果明顯，能夠滿足現(xiàn)場使用要求。因此，優(yōu)選降濾失劑KH-931與SMP-Ⅱ復配后作為無固相微泡沫鉆井液的降濾失劑。

表5不同降濾失劑及復配后性能試驗結果

Table 5Performance of different fluid loss additives before and after the combination

配方試驗條件濾失量/mL濾餅厚度/mm基漿室溫35.00.5基漿+4.0%KH-931室溫11.00.5150℃/16p1.40.5基漿+4.0%SPNH室溫15.60.5150℃/16p6.80.5基漿+4.0%SMP-Ⅱ室溫12.00.5150℃/16h18.20.5基漿+2.0%KH-931+2.0%SPNH室溫9.20.5150℃/16h17.00.5基漿+2.0%KH-931+2.0%SMP-Ⅱ室溫4.00.5150℃/16h6.40.5基漿+2.0%SPNH+2.0%SMP-Ⅱ室溫7.60.5150℃/16h15.00.5

2無固相微泡沫鉆井液性能評價

在優(yōu)選出各種處理劑的基礎上，經(jīng)優(yōu)化完善，最終形成了抗溫能力達150 ℃的無固相微泡沫鉆井液，配方為水+0.15%Na2CO3+0.30%～0.50%LF-2+0.50%～1.00%HMC-1+0.15%～0.30%HT-XC+2.00%～4.00%KH-931+2.00%～4.00%SMP-Ⅱ。通過調整發(fā)泡劑LF-2和穩(wěn)泡劑HMC-1的加量，該鉆井液的密度可控制在0.85～0.95 kg/L。

2.1流變性能

室內對無固相聚合物鉆井液和抗溫無固相微泡沫鉆井液的流變性能進行了測試，結果見表6。從表6可看出，與常規(guī)無固相聚合物鉆井液相比，無固相微泡沫鉆井液密度低、黏度高、濾失量低。

表6　無固相微泡沫鉆井液常規(guī)性能

2.2抗溫性能

分別在室溫和150 ℃條件下對不同密度的無固相微泡沫鉆井液的流變性能進行了測試，結果見表7。

從表7可以看出，無固相微泡沫鉆井液熱滾前后的流變性能變化不大，高溫老化后鉆井液仍具有良好的流變性和較低的濾失量。另外，重新攪拌后，泡沫穩(wěn)定時間長于48 h，說明該鉆井液有較好的抗溫穩(wěn)定性能。

表7　不同密度的無固相微泡沫鉆井液抗溫性能評價

2.3抗鹽及抗污染性能

在室內評價了密度0.90 kg/L的無固相微泡沫鉆井液老化(老化條件150 ℃下滾動16 h)的抗鹽性能和抗巖屑污染性能，結果見圖1和圖2。

由圖1可知，隨著NaCl加量的增加，無固相微泡鉆井液濾失量有所上升，黏度相應下降，但整體流變性能變化幅度不大，說明抗溫無固相微泡沫鉆井液具有良好的抗鹽性能。

由圖2可知，無固相微泡沫鉆井液中的茨110井沙4段泥質砂巖巖屑侵入量達到20%時仍具有良好的流變性及較低的濾失量，說明該鉆井液的抗巖屑污染能力強。

圖1　無固相微泡沫鉆井液抗鹽性能Fig.1　The salt tolerance of solid-free micro-foam drilling fluids

2.4抑制性能

巖屑的毛細管吸入時間越短，滾動回收率越高，表明鉆井液抑制巖屑分散的能力越強。測試過100目篩的巖屑在3種常見的無固相鉆井液中的毛細管吸入時間和40目巖屑在150 ℃下滾動16 h后的回收率，結果見表8。

圖2　無固相微泡沫鉆井液抗巖屑污染性能Fig.2　The cutting contamination resistance of solid-free micro-foam drilling fluids

Table 8The suppression of three kinds of solid-free drilling fluids

鉆井液類型密度/(kg·L-1)毛細管吸入時間/s巖屑回收率,%無固相聚合物1.05159.667.3無固相水包油0.98147.481.4無固相微泡沫0.90125.288.7

從表8可以看出，與另外2種無固相鉆井液相比，無固相微泡沫鉆井液的毛細管吸入時間最短、滾動回收率最高，表明其抑制性和控制泥頁巖水化分散的能力更好。分析認為，這是因為：無固相微泡沫鉆井液中自由水含量相對較低；另外，微泡沫鉆井液中的發(fā)泡劑和穩(wěn)泡劑是具有強吸附基團的表面活性物質，可以在地層巖石表面吸附成膜，且吸附基團往往為親水基團，朝向鉆井液的一端為憎水端，阻止了泥頁巖與鉆井液的進一步接觸，從而抑制了泥頁巖的水化[8-10]。

2.5封堵性能

在靜濾失儀杯中預先放入200 g不同粒度的砂石，加入密度0.90 kg/L微泡沫鉆井液，測定微泡沫鉆井液在25 ℃、0.7 MPa壓力下的漏失量隨時間的變化情況。試驗結果表明，微泡沫鉆井液在80/120目砂石構成的漏層中完全沒有漏失，在40/80目砂石構成的漏層中30 min漏失量僅為1.8 mL，表明無固相微泡沫鉆井液具有較強的封堵能力。分析認為，這是因為：1)微泡沫在向漏層滲透的過程中，在孔隙喉道處被捕集，可以阻緩鉆井液液柱壓力向地層傳遞；2)賈敏效應的疊加作用大大增加了泡沫鉆井液向漏層流動的阻力，防止了鉆井液繼續(xù)漏失[11-14]。

2.6儲層保護性能

為了保證無固相鉆井液儲層動態(tài)損害試驗的平行性，便于比較3種無固相鉆井液的儲層保護效果，選用孔隙度、滲透率差別較小的3塊巖心進行滲透率恢復試驗，結果見表9。

表9　無固相鉆井液儲層動態(tài)損害評價試驗結果

由表9可知，微泡沫鉆井液對巖心滲透率損害最小，滲透率恢復率為88.87%，說明微泡沫鉆井液對儲層產(chǎn)生的損害小，具有良好的儲層保護特性。分析認為：微泡沫鉆井液不但不含固相，而且密度較低，有效降低了鉆井液進入儲層對其造成的損害[15-17]；另一方面，泡沫具有可變形特性及封堵作用，降低了鉆屑微粒及濾液進入儲層的概率。

3現(xiàn)場應用

抗溫抗鹽可循環(huán)微泡沫鉆井液在茨采、沈采和冷家油田21口井的欠平衡鉆井中進行了應用，應用結果表明，鉆速提高效果和儲層保護效果明顯。

茨120井是部署在渤海灣盆地遼河凹陷東部茨榆坨構造帶中部茨110區(qū)塊的一口重點預探井，主要目的層為太古界的潛山儲層，巖性以花崗巖、片麻巖、混合巖類為主。根據(jù)鄰井地層壓力預測結果，該井完鉆層位預測地層壓力系數(shù)為1.032。該井二開鉆至井深2 785.00 m時已經(jīng)進入潛山地層，取心顯示較好，提前585.00 m中完，為了及時準確地發(fā)現(xiàn)和保護油氣層，決定在目的層段采用抗溫抗鹽無固

相微泡沫鉆井液進行欠平衡鉆井施工，鉆井液配方為清水+0.20%～0.40%LF-2+0.30%～0.50%HMC-1+0.15%～0.30%HT-XC+0.20%～0.40%KH-931+0.20%～0.40%SMP-Ⅱ+0.15%Na2CO3+2.00%～3.00%潤滑劑，鉆進井段為2 785.00～4 005.00 m，井底最高溫度達141.5 ℃。不同井深處鉆井液的主要性能見表10。

表10　茨120井無固相微泡沫鉆井液性能

茨120井欠平衡井段地層的巖性為片麻巖、花崗巖，平均機械鉆速達4.41 m/h，與采用無固相聚合物鉆井液鉆進的鄰井茨110井和茨16井相比，相

同層段的機械鉆速提高70%以上，大大縮短了鉆井周期(見表11)。

抗溫抗鹽無固相微泡沫鉆井液在茨120井長達

表11　茨120井與鄰井相同層段鉆速對比

1 220.00 m的欠平衡裸眼段鉆井施工過程中，始終保持良好的性能，濾失量較低，動塑比較高，泡沫循環(huán)持續(xù)性好，鉆井泵上水正常，未出現(xiàn)由于浸泡時間較長導致的井塌掉塊等井下故障，測井施工順利，井徑規(guī)則，平均井徑擴大率為3.97%，小于鄰井6.87%的井徑擴大率。該井欠平衡鉆進與循環(huán)過程中油氣顯示活躍，全烴值最高達100%，并多次點火成功，火焰最高達6 m，及時發(fā)現(xiàn)和保護了油氣層，說明抗溫無固相微泡沫鉆井液對油層損害小，有利于提高勘探開發(fā)成功率及油氣采收率。

4結論

1) 室內合成的發(fā)泡劑LF-2和穩(wěn)泡劑HMC-1具有良好的抗溫抗鹽性能，配制的微泡沫鉆井液密度在0.85～0.95 kg/L范圍內可調，抗溫、抗污染能力強，抑制性、封堵能力好，并具有良好的儲層保護特性，能夠滿足復雜地層的施工要求。

2) 現(xiàn)場應用結果表明，抗溫抗鹽無固相微泡沫鉆井液在高溫下的性能穩(wěn)定、抑制性強，在提高鉆速的同時儲層保護效果好，完全滿足遼河油田低壓裂縫性潛山地層的勘探開發(fā)需要。

3) 為了適應頁巖油氣井及水敏地層等復雜井安全快速鉆井的需要，下一步應開展油基發(fā)泡劑、穩(wěn)泡劑等處理劑的優(yōu)選或研制工作。

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[編輯滕春鳴]

The Development and Application of Solid-Free Micro-Foam Drilling Fluid with Temperature Resistance and Salt Tolerance

WANG Xiaojun

(EngineeringResearchInstitute，CNPCGreatWallDrillingEngineeringCompanyLimited，Panjin，Liaoning，124010，China)

Abstract:In order to reduce reservoir damage during drilling and to improve temperature resistance, salt tolerance and foam stabilization of micro-foam drilling fluid, a new type of solid-free micro-foam system with temperature resistance and salt tolerance was prepared by synthesizing the foaming agents LF-2 and foam stabilizer HMC-1 and optimizing viscosity increasing agents and fluid loss additives. Laboratory performance evaluations showed that the cutting recovery rate was 88.7%, the recovery rate of core permeability was 88.87% and the circulation lost was only 1.8 mL in 40/80 mesh sand thief zones within 30 min. Later, the new system was used in underbalanced intervals drilling of Well Ci120. Results indicated that this new system was stable and adjustable, and drilling improvements were remarkable with average ROP 4.41 m/h and average hole enlargement rate 3.97%, respectively. In addition, the maximum total hydrocarbon of the intervals was up to 100% with success ignitions. In summary, the solid-free micro-foam drilling fluid system is strong in terms of temperature and salt resistance, and it demonstrates good performance in reservoir protection is worthy of further large scale application.

Key words:underbalanced drilling; foaming agent; foam stabilizer; foam drilling fluid; field application；Well Ci120

中圖分類號：TE254+.3

文獻標志碼：A

文章編號：1001-0890(2016)02-0058-07

doi:10.11911/syztjs.201602010

基金項目：國家科技重大專項“深井超深井優(yōu)質鉆井液與固井完井技術研究”(編號：2016ZX05020-004)、中國石油天然氣集團公司科學研究與技術開發(fā)項目“高溫高密度鉆井液與可排放海水基鉆井液成套技術研發(fā)”(編號：2014E-3802)與“油砂SAGD鉆完井技術集成研究”(編號：2013D-4509)聯(lián)合資助。

作者簡介：王曉軍(1984—)，男，內蒙古赤峰人，2008年畢業(yè)于濟南大學資源環(huán)境專業(yè)，2011年獲中國石油大學(華東)油氣井工程專業(yè)碩士學位，工程師，主要從事鉆井液和儲層損害診斷與保護等方面的研究。E-mail：wangxiaojun666666@126.com。

收稿日期：2015-06-05；改回日期：2016-01-11。