泡沫鉆井技術在出水地層中的應用

周長虹 鄧 虎 段 敏 許期聰 鄧 柯 肖 洲

1.中國石油川慶鉆探工程公司鉆采工藝技術研究院 2.中國石油川慶鉆探工程公司川西鉆探公司

泡沫鉆井技術自20世紀50年代開始用于鉆井作業(yè)。泡沫是一種特殊的氣體型流體，由水、壓縮氣體、發(fā)泡劑及其他化學劑組成，因其具有密度低的特點，在低壓易漏地層具有顯著治漏提速和儲層保護效果［1－13］，國內已初步形成了一套穩(wěn)定泡沫鉆井工藝技術，如伊朗TBK氣田裂縫、溶洞發(fā)育，常規(guī)鉆井液鉆井漏失嚴重，鉆井周期長，在TBK－2井、TBK－3井采用空氣泡沫鉆井成功治理井漏［6］；準噶爾盆地的烏夏區(qū)塊風城組巖性膠結致密，研磨性強，平均機械鉆速不足1m／h，在風南8井的二疊系風城組3 629.0～4 257.07m井段實施泡沫鉆井，機械鉆速比常規(guī)方式提高4.8倍，并減少了鉆頭用量，提高了鉆井時效，創(chuàng)造了國內陸地泡沫鉆進的最深記錄［12］；大牛地氣田二疊系下石盒子組盒1段氣層具有低孔隙度、低地層壓力、特低滲透率、高基塊毛細管力、強非均質性的特點，常規(guī)直井和水平井幾乎不能實現(xiàn)自然建產，在DP14井、DP19井和DP22井應用氮氣泡沫鉆水平段，取得了良好的油氣顯示，且均實現(xiàn)了隨鉆點火［13］。但是，地層出水造成巖屑黏結成團、返出不暢成為氣體鉆井技術的主要障礙之一，川渝地區(qū)有超過20井次的井因地層出水而提前結束，未能有效發(fā)揮氣體鉆井技術提速潛力。前期試驗的泡沫鉆井在工藝技術和基液配方優(yōu)化等方面還存在不足，為此，從泡沫的極限攜水能力、鉆井參數優(yōu)化、泡沫基液配方研究以及現(xiàn)場工藝等方面開展試驗，并在四川地區(qū)龍崗、元壩等構造開展泡沫鉆井提速現(xiàn)場應用8井次，進尺3 826.24 m，平均鉆速5.02m／h，有效地提高了機械鉆速、延長了氣體鉆井進尺、治理了井漏復雜。

1 泡沫鉆井介質攜水能力

泡沫是以氣體為泡沫流體，以氣體為分散相、液體為連續(xù)相的特殊流體，質量好的泡沫流體（一般氣相占75%～80%），黏度較高，具有良好的懸浮能力。泡沫流體在井筒中向上運移時，液滴（地層水）被氣泡托著，并且氣泡之間的相互作用夾持著液滴（地層水），只有當液滴下面的氣泡被擠出一條通道或是變形的時候，液滴才會下沉，一般情況下液滴的重量是不足以使氣泡變形的。如果有足夠的氣泡存在，液滴便不會發(fā)生運動，也不至于沉降。當然，泡沫攜帶水的同時也將巖屑一起攜帶出來。

從理論上講，只要流體向上的絕對速度大于0，則可排液，大量的國外資料表明，泡沫在環(huán)空中的上返速度在0.5～1.0m／s就可以保證鉆井工作的正常進行［14］；還有研究者認為良好泡沫流體攜巖能力是常規(guī)鉆井液的7～8倍，甚至10倍，攜水能力更好，要求泡沫質量穩(wěn)定、良好［4，15－16］。筆者認為泡沫攜水能力的強弱與很多因素有關系，如井眼尺寸、井深、注氣量、注液量、基液濃度、機械鉆速以及井底溫度等。在優(yōu)化氣液比的基礎上，根據川渝地區(qū)地質特征，以穩(wěn)定泡沫流體鉆井計算分析方法為基礎，對不同井深、不同井眼尺寸條件下泡沫的極限攜水能力進行了計算［15］，得到的結果已在現(xiàn)場泡沫鉆井作業(yè)中應用（圖1）。

圖1 不同井眼、井深條件下泡沫攜水能力圖

2 泡沫鉆井參數優(yōu)化設計

合理的參數優(yōu)化設計是泡沫鉆井順利實施的重要保障，基于泡沫鉆井理論，泡沫鉆井設計參數的原則是泡沫最低返速不低于0.51m／s，環(huán)空巖屑濃度小于4%，注入壓力滿足設備能力需要，井底泡沫質量大于0.55［4、16］。就不同井深、不同井眼尺寸條件下泡沫鉆井進行了參數優(yōu)化。據此首先對 311.2mm井眼段泡沫鉆井參數進行了優(yōu)化，計算參數為鉆頭井深3 000 m、井口壓力為0.1MPa、地表溫度25℃、巖屑顆粒直徑2.54mm，最高機械鉆速15m／h，結果見圖2、3。

圖2 巖屑返速與注入氣量的關系曲線圖

圖3 巖屑濃度隨注氣量變化圖

從圖2可見，泡沫的返速為0.51m／s時，注氣量為55m3／min，此時井筒最高巖屑濃度僅為1.276%（圖3），其值遠小于臨界安全濃度4%。同時，根據圖3的關系曲線得知，當注氣量超過85m3／min后，隨注氣量的增加，巖屑濃度降低幅度不大。因此，在該井眼條件下，設計泡沫鉆井注入氣量合理范圍為55～85 m3／min，現(xiàn)場根據井下實際需要配置合理氣量。

當注入氣量為55～85m3／min時，注入壓力小于3MPa，滿足設備能力需求（圖4）。按照設計參數計算，井底最低氣相含量為74%（圖5），其值大于0.55，泡沫性能穩(wěn)定。因此，根據計算合理注氣量為55～85 m3／min，對應液相為6.17～8L／s。

圖4 注入壓力隨注氣量變化圖

圖5 泡沫質量隨井深的變化曲線圖

根據上述模擬方法，優(yōu)化設計出不同井深、井段的泡沫鉆井參數（表1）。

表1 不同井眼不同井段泡沫鉆井參數優(yōu)化設計表

3 泡沫鉆井基液配方

泡沫鉆井基液性能是關系泡沫鉆井成敗的關鍵所在，泡沫質量和半衰期則是衡量泡沫性能最重要的因素，泡沫質量是指泡沫中的氣體體積占總流體體積的體積分數。要形成穩(wěn)定泡沫，其泡沫質量必須大于0.55，對半衰期而言，太長會影響消泡，太短則影響攜屑，因此不同的井段和地質特性所使用的泡沫配方不同。為此，通過室內實驗，最終形成了滿足不同條件的泡沫基液配方（注：配方中SPS、QP－2、COA－30為起泡劑，CMC為穩(wěn)定劑，YZ－1為抑制劑）。

3.1 井壁穩(wěn)定性好的出水或漏失地層

優(yōu)選配方：清水＋0.5%～1.0%SPS（QP－2或COA－30）

基本性能：泡沫質量大于等于0.85；半衰期為4.83～12.0min

3.2 井壁穩(wěn)定性差的出水或漏失地層

優(yōu)選配方：清水＋0.5%～1.0%QP－2（SPS或COA－30）＋0.2%CMC＋7%YZ－1。

基本性能：泡沫質量大于等于0.82；半衰期為6 min；回收率97%；膨脹降低率42%。

3.3 出油地層

優(yōu)選配方：清水＋0.5%～1.0%COA－30（或 QP－2）＋0.2%CMC＋7%YZ－1。

基本性能：泡沫質量大于等于0.83；半衰期達到8.4min；回收率97%；抗油能力20%。

4 泡沫鉆井現(xiàn)場工藝

4.1 泡沫基液半衰期的確定

泡沫基液半衰期是將起泡劑（穩(wěn)泡劑）與100mL水混合生成的泡沫自然析出50mL水所用的時間，它是滿足泡沫攜砂最重要的參數之一。半衰期太短會出現(xiàn)泡沫還未返達地面時出現(xiàn)破泡，導致井眼攜砂不暢，發(fā)生井下復雜；半衰期太長會出現(xiàn)泡沫返出后長時間無法破泡，影響泡沫回收利用，同時沉砂池小造成泡沫外溢污染環(huán)境的問題。為此，以泡沫鉆井優(yōu)化設計參數為基礎，對不同井深、不同井眼尺寸泡沫循環(huán)1周所需時間進行了模擬計算［15］，其結果見圖6。

圖6 泡沫隨井深變化循環(huán)1周所需時間圖版

根據計算結果制作了泡沫隨井深變化的循環(huán)時間圖版，利用該圖版可方便地確定不同條件下泡沫半衰期，從而指導現(xiàn)場穩(wěn)定劑（CMC）加量的調節(jié)。

4.2 泡沫鉆井實施方式的選擇

當前，由于穩(wěn)定泡沫回收工藝實施條件苛刻、難度大，泡沫鉆井基本都采用一次性使用工藝，基于現(xiàn)場沉砂池條件和地層出水量大小綜合考慮，有兩種實施方式可供選擇，一是間斷泡沫鉆井，另外一種是連續(xù)泡沫鉆井方式。

4.2.1 間斷泡沫鉆井

間斷泡沫鉆井是當地層出水后（或出油、井漏）先采用干氣體鉆井鉆進1根或多根單根，然后注入基液循環(huán)帶砂的鉆井方式，其優(yōu)點是基液用量少、占用沉沙池體積相對較小等；但實施條件較為苛刻，首先是干氣體鉆井時絕大部分砂粒能被帶出而不是完全被黏附在井壁上，以確保井眼暢通；其次是地層出水量不能大于泡沫鉆井攜水能力范圍，即保證井底泡沫質量大于0.55；此外，還必須準確把握間斷注入基液的時機。前期已開展間斷注液方式實施泡沫鉆井的現(xiàn)場試驗，取得了一定的效果，但由于試驗較少，認識上還存在諸多的局限，還需進一步擴大實驗范圍。

4.2.2 連續(xù)注基液泡沫鉆井

連續(xù)泡沫鉆井是采用氣液同注的施工方式，其實施條件是地層出水量不大于泡沫鉆井攜水能力的要求，同時現(xiàn)場沉砂池的容積還必須滿足連續(xù)泡沫鉆井的需求，其與巖屑產出量、基液注入量、地層水產出量以及返出基液泡沫有關，計算公式為：

式中V總為所需沉砂池最小體積，m3；D為井眼直徑，m；H 為鉆井井段長度，m；vl為基液注入速率，m3／min；t循為泡沫循環(huán)1周所需時間，min；t消為返出泡沫消泡時間，min；vf為地層產水速率，m3／min；t為鉆井時間，min；Γ為泡沫質量。

4.3 工藝流程

以空氣作為工作對象，用壓縮機對空氣先進行初級加壓，然后經過增壓機增壓將高壓氣體通過立管三通進入鉆具。使用泥漿泵泵入泡沫基液，在立管處基液與空氣混合，在鉆具內形成泡沫，泡沫通過鉆頭時對鉆頭進行冷卻，并在環(huán)空攜帶巖屑經過井口三通，泡沫和鉆屑進入排砂管線，最后到破泡池，泡沫自然破泡后基液回收到上水池進行再利用（圖7）。

4.4 泡沫鉆井施工要點

1）及時用潛水泵將沉淀池中清潔的泡沫液回收至霧化泵中，以便霧化泵正常供液。

2）注意觀察出口返出的泡沫質量和監(jiān)測霧化泵基液罐中的基液性能，及時補充發(fā)泡劑，保持基液中的發(fā)泡劑濃度，以確保泡沫鉆進效果。

3）接單根時，首先應上提本單根，再下劃至底，保持循環(huán)3～5min后，上提方鉆桿，停止霧化泵注液，保持空氣循環(huán)2～3min，停氣，待立壓降至0后，開始接單根。單根接好后，按要求的排量供氣供液，出口正常后即可恢復鉆進。

4）中途進行單點測斜，起下鉆，和終止泡沫鉆井前等，應先進行正常的攜砂洗井，再停止霧化泵注液，增開空壓機，以大排量空氣將井筒內的泡沫液吹出，盡量減少井內殘余液體與水敏性泥頁巖的接觸時間，以保持井壁穩(wěn)定。

5 泡沫鉆井現(xiàn)場應用

龍崗構造富含淺層水，氣體鉆井在該區(qū)多口井進行鉆進時因地層出水而被迫結束，且上部地層蓬萊鎮(zhèn)組采用鉆井液鉆進存在不同程度的井漏，如龍崗001－11井在 444.5mm井眼的60～211.42m井段井漏失返，造成損耗4d時間，龍崗001－8－1井在井段50～370 m井段最大漏速達67.2m3／h，共損耗鉆井液1 112.5m3。鑒于此，基于前期研究論證，在龍崗001－11井、001－18井、001－22井以及010－U3井 444.5mm井眼段試驗泡沫鉆井技術并獲得成功（表2、圖8），均順利鉆達固井井深，總進尺1 803.74m，平均機械鉆速5.82m／h，是相同條件下鉆井液機械鉆速的1.82倍，平均鉆井周期由原來鉆井液鉆進時的10d降低到4d，同比節(jié)約6d。

圖7 泡沫鉆井地面流程圖

元壩區(qū)塊導管（ 660.4mm或 609.6mm井眼）鉆井液鉆速慢、井漏，鉆井周期長，其中元壩2井在導管采用 609.6mm鉆頭從井深22m鉆至204.3m平均機械鉆速1.7m／h，在元壩16井、272井、225井 660.4mm井眼采用泡沫鉆井順利鉆達固井井深，平均機械鉆速4.14m／h，同比提高1.43倍，鉆井周期同比縮短6d以上。通過該技術的應用，很好地治理了漏失含水層段，提高了機械鉆速，縮短了鉆井周期。

表2 龍崗構造、元壩區(qū)塊泡沫鉆井應用情況表

圖8 泡沫、鉆井液鉆進鉆速、周期對比圖

6 結論及建議

1）通過計算確定了不同條件下泡沫鉆井的極限攜水能力，優(yōu)化了泡沫鉆井參數，研制了滿足不同鉆井條件下的泡沫基液配方，形成了泡沫鉆井現(xiàn)場工藝。

2）泡沫鉆井在龍崗、元壩區(qū)塊的試驗應用表明，該技術能有效地治理地層出水，井漏復雜，提速效果顯著，平均鉆速是相同條件下鉆井液鉆進的1.82倍，鉆井周期同比縮短6d，為氣體鉆井處理含水層提供了一條有效途徑。

3）當前泡沫鉆井循環(huán)利用效果不理想，占用沉沙池體積大，可循環(huán)利用效果差，可循環(huán)泡沫鉆井技術進行是其發(fā)展的一個重要方向。

4）對出油層段泡沫鉆井的應用還有待現(xiàn)場試驗。

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