吳婷婷,張烈輝 張宇睿( 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 (西南石油大學(xué)),四川 成都610500)
魏棟超 (中石油川慶鉆探工程有限公司,四川 成都610051)
泡沫鉆井技術(shù)作為欠平衡鉆井中的一種,在提高機(jī)械鉆速、減少地層漏失、防止壓差卡鉆、保護(hù)儲層等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢。然而,當(dāng)泡沫流體鉆遇大段水敏性泥頁巖地層時,由于泡沫流體不能在井壁形成泥餅,且泡沫鉆井液液柱壓力不能平衡地層坍塌壓力,因此隨著鉆井時間的增加,泥頁巖水化加劇,最終導(dǎo)致井壁失穩(wěn)問題[1~8]。針對泡沫鉆井井壁失穩(wěn)問題,選擇性能優(yōu)越的防塌處理劑配方是目前解決這一問題最為普遍、最為有效的辦法。為解決上述泡沫鉆井中出現(xiàn)的問題,開展了硅酸鹽/聚合物防塌泡沫鉆井液研究,對該泡沫鉆井液的基本性能和防塌性能進(jìn)行了評價,并對其防塌機(jī)理進(jìn)行了相應(yīng)的研究。
發(fā)泡劑按其性能可分為陰離子發(fā)泡劑、陽離子發(fā)泡劑、非離子發(fā)泡劑和兩性發(fā)泡劑4種類型,不同的發(fā)泡劑,其發(fā)泡性能不同。針對發(fā)泡劑的性能和成本,室內(nèi)采用Waring-Blender法[9]分別測定了4種發(fā)泡劑的起泡能力,包括:AOS、K12、ABS和AES,試驗(yàn)結(jié)果見表1。從表1可以看出,當(dāng)加入的發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同時,不同發(fā)泡劑的發(fā)泡性能有明顯的區(qū)別,其中K12、ABS、AES泡沫性能較好,發(fā)泡體積都超過500mL。但由于AES抗硬水能力相對于其他2種較強(qiáng),因此優(yōu)選AES作為該配方的發(fā)泡劑。
表1 不同類型發(fā)泡劑性能評價
為了提高泡沫的穩(wěn)定性,通常向泡沫基液中添加增黏劑作為穩(wěn)泡劑。其可提高液膜的黏度,降低流動度,減緩泡沫排液速度,從而增加泡沫的穩(wěn)定性[10]。然而,穩(wěn)泡劑的加入雖可以提高泡沫的穩(wěn)定性能,同時也會影響泡沫的發(fā)泡能力。室內(nèi)選用穩(wěn)泡劑XC和CMC,考察其對質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的AES發(fā)泡劑發(fā)泡性能的影響,試驗(yàn)結(jié)果見表2。從表2可以看出,隨著穩(wěn)泡劑XC和CMC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,泡沫體積降低,泡沫半衰期增加。通過室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果對比可知,XC對質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的AES發(fā)泡劑的發(fā)泡體積影響較CMC小,且穩(wěn)泡能力更為優(yōu)越。因此,選用XC作為該配方的穩(wěn)泡劑。
表2 加入不同穩(wěn)泡劑泡沫性能參數(shù)
表3 抑制劑的性能評價
目前解決泡沫鉆井井壁穩(wěn)定的方法主要是添加抑制劑,以減少泥頁巖地層水化的程度。常用的處理劑包括無機(jī)鹽和有機(jī)類物質(zhì)[11]。表3為該泡沫鉆井液泥頁巖抑制劑的優(yōu)選結(jié)果。從表3可以看出,通過硅酸鉀與聚乙烯醇相互匹配,可實(shí)現(xiàn)泥頁巖抑制性能大幅提升,有利于泡沫鉆井中的井壁穩(wěn)定。通過對泡沫鉆井液泥頁巖抑制劑的優(yōu)選可以看出,當(dāng)泡沫鉆井液配方為1%AES+0.3%XC+1%PVA+2%K2SiO4(配方里的百分?jǐn)?shù)為質(zhì)量分?jǐn)?shù)),泥頁巖滾動回收率高達(dá)96.15%,其發(fā)泡體積為530mL,半衰期為24.75min。因此,試驗(yàn)中選用該泡沫鉆井液配方進(jìn)行綜合性能評價。
當(dāng)采用泡沫鉆井液進(jìn)行鉆井時,為確保井下泡沫鉆井液性能的穩(wěn)定,因此需要泡沫鉆井液具有較強(qiáng)的抗污染能力。室內(nèi)對優(yōu)選泡沫體系的抗油、抗鹽和抗巖屑污染進(jìn)行了評價,試驗(yàn)結(jié)果見表4。其中,抗油污染是在泡沫體系中加入煤油,抗鹽和抗巖屑是在泡沫體系中加入NaCl和過100目篩的巖屑。從表4的試驗(yàn)結(jié)果中可以看出,該泡沫體系具有良好的抗污染性。
表4 泡沫鉆井液抗污染性試驗(yàn)
實(shí)際鉆井中,隨井深增加,井底溫度也隨之上升,泡沫的發(fā)泡體積和穩(wěn)定性也將受到影響,因此需要泡沫鉆井液具有較強(qiáng)的抗溫性能。為評價泡沫鉆井液體系的抗溫性,將泡沫體系在室溫、70、90、110、130℃的條件下老化16h,考察其發(fā)泡能力和穩(wěn)定性,試驗(yàn)結(jié)果見表5。從表5中可以看出,隨著溫度的增加,體系的發(fā)泡體積逐漸增大,表明該泡沫體系抗溫能力強(qiáng);半衰期隨著溫度的增加而降低,因此,在泡沫鉆井過程中,可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)泡沫基液黏度,保證出口泡沫的連續(xù)性。
表5 泡沫鉆井液抗溫性試驗(yàn)
2.3.1 泥頁巖自吸性能評價
在泡沫鉆井過程中,由于泡沫流體的熱力學(xué)不穩(wěn)定性導(dǎo)致的排液行為,泡沫基液與泥頁巖地層之間的化學(xué)勢差以及在泥頁巖強(qiáng)親水性條件下的毛細(xì)管作用力等影響因素,促使泡沫流體中的自由水不斷侵入泥頁巖地層,從而導(dǎo)致泥頁巖地層中水敏性黏土礦物水化加劇,進(jìn)而引發(fā)井壁失穩(wěn)問題。因此,必須有效地降低泥頁巖的自吸水速度。室內(nèi)采用泥頁巖自吸測量儀對泥頁巖巖樣進(jìn)行泥頁巖自吸測試,評價該泡沫鉆井液對泥頁巖吸水的影響,其試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。從圖1可知,優(yōu)選的泡沫鉆井液體系能顯著地降低泥頁巖的自吸速度,減小水侵入的深度,有效地減緩泥頁巖的水化過程,從而實(shí)現(xiàn)維持井壁穩(wěn)定的作用。
2.3.2 滾動回收試驗(yàn)
圖1 泥頁巖自吸水試驗(yàn)
將一定大小、一定質(zhì)量的泥頁巖巖樣放入盛有特定處理液的高溫罐中進(jìn)行滾動評價,通過回收率的大小來判斷處理劑的抑制能力。室內(nèi)評價了清水、100%白油、質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%聚丙烯酰胺鉀鹽 (KPAM)、未添加抑制劑的泡沫基液和防塌泡沫鉆井液對須家河組泥頁巖巖樣的一次回收率,同時也評價了經(jīng)不同配方處理后的巖樣在清水中的二次清水回收率,其試驗(yàn)結(jié)果見表6。從表6可以看出,硅酸鹽/聚乙烯醇防塌泡沫鉆井液一次回收率高達(dá)96.15%,較泡沫基液大幅度提高,略高于質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%KPAM溶液,并接近于白油的測試結(jié)果,表現(xiàn)出較強(qiáng)的抑制性能。從二次清水回收率方面看,防塌泡沫鉆井液的二次清水回收率高達(dá)90.34%,表現(xiàn)出持久的抑制性能,而經(jīng)其他處理劑熱滾后的巖樣,其二次清水回收率等同于巖樣在清水中直接熱滾后的回收率。
2.3.3 泥頁巖硬度測試
表6 泥頁巖滾動回收試驗(yàn)
硬度測試用于測定泥頁巖巖樣暴露于測試溶液中一段時間以后巖樣強(qiáng)度大小的變化,其強(qiáng)度的大小與泥頁巖自身的水化能力以及所接觸溶液的抑制性能有關(guān)[9]。相同條件下,測試壓力越大,試驗(yàn)巖樣越硬,處理液抑制性能越好。室內(nèi)采用自制泥頁巖硬度測試儀對經(jīng)白油、質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%KPAM和優(yōu)選的防塌泡沫鉆井液處理后的泥頁巖巖樣進(jìn)行硬度測試,其試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出,優(yōu)選的防塌泡沫鉆井液對于維持泥頁巖硬度,更優(yōu)于單一聚合物抑制劑KPAM,較為接近白油的測試結(jié)果。因此,從硬度測試的角度,該防塌泡沫鉆井液對于提高泥頁巖地層泡沫鉆井井壁穩(wěn)定方面具有突出的作用。
圖2 不同處理劑硬度測試結(jié)果
從井壁穩(wěn)定性評價試驗(yàn)可以看出,該防塌泡沫鉆井液具有較強(qiáng)的抑制泥頁巖自吸水的能力、較高的滾動回收率和較高的硬度測試結(jié)果。為進(jìn)一步分析該泡沫鉆井液的防塌機(jī)理,室內(nèi)采用Innov-X Terra便捷式X射線衍射儀 (功率85~90W,X射線管功率10W,Cu靶,XRD分辨率0.25°,2θ范圍5~55°)對膨潤土干樣 (熱烘105℃×4h)、經(jīng)清水處理后的膨潤土濕樣 (熱滾80℃×16h)以及經(jīng)該防塌泡沫鉆井液處理后的膨潤土濕樣 (熱滾80℃×16h)和干樣 (熱烘105℃×4h)進(jìn)行XRD分析,試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。
從圖3可以看出,對于膨潤土干樣,在低角度2θ=5~10°之間存在一個明顯的特征峰,從該峰可以得出該膨潤土干樣層間距為10.29。隨著膨潤土水化的加劇,水分子不斷進(jìn)入黏土晶層間,使得該特征峰將不斷向低角度移動。經(jīng)清水熱滾后的膨潤土濕樣,由于此時的特征峰已經(jīng)超出儀器的測定范圍,所以對于測定的膨潤土濕樣近似為一條直線,但其濕樣的層間距將顯著高于膨潤土干樣。泡沫鉆井液處理后的膨潤土干樣,其層間距為12.9,高于膨潤土干樣,這說明泡沫鉆井液中的抑制劑能進(jìn)入黏土晶層間作用。對于泡沫鉆井液處理后濕樣,其膨潤土層間距為14.27,高于泡沫鉆井液處理后干樣,而遠(yuǎn)低于清水處理后濕樣。這說明泡沫鉆井液中仍有部分水分子能進(jìn)入黏土晶層結(jié)構(gòu)中,但由于硅酸鉀/聚乙烯醇抑制劑的存在,使得膨潤土各晶層間的連接力以及晶層間空間阻力得到加強(qiáng),因此,能阻礙水分子的進(jìn)一步進(jìn)入,從而抑制黏土水化膨脹。
圖3 經(jīng)不同處理方式處理后的膨潤土XRD分析
對于硅酸鹽/聚乙烯醇防塌泡沫鉆井液,其維持井壁穩(wěn)定的主要原因在于硅酸鉀與聚乙烯醇兩者的協(xié)同作用,即封堵性與成膜性。在高pH值條件下,可溶性硅酸鹽以亞穩(wěn)態(tài)的單體或低聚物的形式存在。當(dāng)鉆井液進(jìn)入地層以后,由于地層孔隙流體pH值接近于中性,硅酸鹽通過自聚凝聚成凝膠狀物質(zhì)或與地層中的多價離子形成沉淀,覆蓋在巖石表面起封堵作用[12~15]。聚乙烯醇為高分子聚合物,由于分子量高不易進(jìn)入黏土晶層結(jié)構(gòu)中作用,因此聚乙烯醇主要是與泥頁巖巖石表面的黏土相互作用,形成一憎水的吸附膜,阻止水分子進(jìn)入黏土礦物晶層中,起到抑制黏土水化的作用。硅酸鉀中的K+可進(jìn)入黏土晶層間,加強(qiáng)晶層間的連接力,抑制黏土水化膨脹。同時K+的存在,有利于聚乙烯醇吸附膜的形成。圖4(a)為泥頁巖自吸泡沫鉆井液基液以后的圖片,其中巖樣上半部分為剝除巖樣表面后,裸露出的巖樣內(nèi)部形態(tài);下半部分則展示了硅酸鉀與聚乙烯醇在巖樣表面形成的膜特點(diǎn)。圖4(b)為經(jīng)泡沫鉆井液熱滾以后的泥頁巖干樣,通過顯微鏡觀察,可以發(fā)現(xiàn)巖樣表面分布著白色物質(zhì),這主要是硅酸鹽在黏土表面形成的凝膠物質(zhì)或沉淀。通過硅酸鉀與聚乙烯醇的協(xié)同作用,使得泥頁巖巖樣表面的分子膜更加致密,封堵性能更強(qiáng),從而大大提高泥頁巖地層的井壁穩(wěn)定能力。
圖4 經(jīng)泡沫鉆井液處理后的泥頁巖巖樣表面
1)通過對不同處理劑進(jìn)行優(yōu)選,室內(nèi)篩選出硅酸鹽/聚合物防塌泡沫鉆井液配方。該泡沫鉆井液表現(xiàn)出良好的泡沫性能,具有較強(qiáng)的抗污染和抗溫能力。
2)硅酸鹽/聚合物防塌泡沫鉆井液能有效地降低泥頁巖的吸水速度,具有較高的泥頁巖持久抑制性能,同時還具有較高的硬度測試結(jié)果,因而能有效地維護(hù)泡沫鉆井過程中的井壁穩(wěn)定。
3)該泡沫鉆井液的防塌機(jī)理主要在于硅酸鉀與聚乙烯醇的協(xié)同作用,其中封堵性與成膜性是維持井壁穩(wěn)定的主要因素。通過兩者協(xié)同作用,硅酸鉀可形成凝膠物質(zhì)或沉淀封堵泥頁巖巖樣孔隙或裂縫,并與聚乙烯醇作用在巖樣表面形成一層憎水膜。同時,鉆井液中部分小分子能進(jìn)入黏土晶層,加強(qiáng)黏土層間連接力,因而能有效防止鉆井液中自由水侵入,實(shí)現(xiàn)泡沫鉆井過程中的井壁穩(wěn)定。
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