無固相低密度微泡壓井液在低壓天然氣井中的應(yīng)用

韓燕平，許吉瑞，王善聰，李方慶，胡之力

（1.眾通（北京）能源技術(shù)有限公司，北京100102；2.中國石油青海油田分公司天然氣開發(fā)公司，青海格爾木816000；3.中國石油吉林油田分公司新立采油廠，吉林松原138000）

無固相低密度微泡壓井液在低壓天然氣井中的應(yīng)用

韓燕平1，許吉瑞2，王善聰2，李方慶3，胡之力1

（1.眾通（北京）能源技術(shù)有限公司，北京100102；2.中國石油青海油田分公司天然氣開發(fā)公司，青海格爾木816000；3.中國石油吉林油田分公司新立采油廠，吉林松原138000）

在低壓天然氣井壓井作業(yè)中，利用無固相低密度微泡壓井液的獨特性能，密度可控制在0.70～1.2 g/cm3，微泡穩(wěn)定時間72 h以上，可在地層實現(xiàn)自匹配封堵，不影響地層潤濕性，對地層無損害。對低壓天然氣井壓井作業(yè)時，可在現(xiàn)場配液，在青海油田澀b-s低壓氣井施工過程中，無固相微泡壓井液密度保持在0.8～0.9 g/cm3，完成了井下沖砂、打撈落物等施工過程，施工歷時4天，現(xiàn)場施工中通過動態(tài)調(diào)整，性能穩(wěn)定，不漏失，較好地完成施工。

無固相；低密度；微泡；穩(wěn)定時間；配液

天然氣井修井作業(yè)過程中，通常用壓井液注入井筒，從而保證安全作業(yè)的要求。常用的壓井液由于不同程度地向地層中漏失，地層黏土礦物膨脹等問題，是天然氣井的主要污染源之一。尤其對于低壓氣井，壓井液向地層中漏失現(xiàn)象更為嚴(yán)重。對于低壓天然氣井修井等壓井作業(yè)，無固相低密度微泡壓井液具有合適的密度、不漏失、對地層無污染、性能穩(wěn)定等特點。

1 無固相低密度微泡壓井液基本性能

無固相低密度微泡壓井液技術(shù)是在研究泡沫鉆井液和微泡鉆井液的基礎(chǔ)上，加入獨特的發(fā)泡、穩(wěn)泡材料而制得的。從而實現(xiàn)在作業(yè)過程中減少工作液漏失，達到保護儲層的目的。

1.1 無固相低密度微泡壓井液的微觀結(jié)構(gòu)

無固相低密度微泡壓井液，是在連續(xù)相（水或鹽水）中加入表面活性劑、聚合物處理劑，通過物理、化學(xué)作用自然形成粒徑15～150 μm（以60～70 μm居多）、壁厚3～10 μm，內(nèi)部似氣囊，外部黏附絨毛的微泡，分散在連續(xù)相中形成較穩(wěn)定的氣—液體系。由于肉眼可以觀察到的最小點為50 μm。因此，微泡肉眼只能看到一部分，而泡沫可以看到絕大多數(shù)。其微觀結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 微泡沫顯微鏡下照片F(xiàn)ig.1The pictures under micro foam microscope

微泡沫由一核、二層、三膜組成。即氣核、氣液表面張力降低膜、高黏水層、高黏水層固定膜、水溶性改善膜、聚合物高分子和表面活性劑濃度過渡層。

1.2 無固相低密度微泡沫壓井液作用機理

1.2.1 微泡各組分及作用

微泡由五種組分組成：①pH調(diào)節(jié)劑;②氣囊層膜劑;③氣囊黏附劑;④氣核引發(fā)劑;⑤氣膜穩(wěn)定劑。其中②、③可大大增加液相黏度，降低液體的濾失量；④在一定pH值的條件下產(chǎn)生氣體，從而形成氣核；⑤主要為表面活性劑，利于形成穩(wěn)定的氣囊。

1.2.2 微泡的性質(zhì)和在地層中的作用

根據(jù)作業(yè)井的地層壓力系數(shù)，確定無固相低密度微泡壓井液密度。通過配液時攪拌的剪切力、攪拌時間和氣核引發(fā)劑加量的調(diào)整，達到設(shè)計密度。密度范圍可控制在0.75～1.2 g/cm3。

微泡在地層中有自匹配封堵作用，不向地層漏失[1]。在地層中，如果遇到大于微泡直徑的地層滲流通道，如裂縫或溶洞，微泡流動速率大于水溶液流動速率，在通道粗糙處膨脹，堆積成橫放圓錐狀，分解了液柱壓力，流體無法進一步進入地層。同時，流動速度降低，黏度增大，實現(xiàn)地層封堵。如遇與微泡直徑相當(dāng)?shù)穆┦ǖ溃粗懈呖诐B地層，微泡向低壓區(qū)流動，靠近漏失通道的微泡被“吸”進地層，產(chǎn)生賈敏效應(yīng)，增加漏失阻力，實現(xiàn)地層封堵。如遇小于微泡直徑的漏失通道地層，即低孔低滲地層，微泡壓井液在進入漏失通道時，低剪切速率下的高黏度特性，使得高分子聚合物在井壁形成薄黏膜，阻止壓井液進入地層。

微泡沫地層產(chǎn)量恢復(fù)機理：微泡在親水界面和親油界面均有良好的潤濕性，在巖石表面不發(fā)生潤濕反轉(zhuǎn)，不會黏附于親水的巖石表面而減少地下流體通道。地下流體可以穿過微泡間隙，微泡與地層巖石非永久性的接觸，有利于地下流體的產(chǎn)出，不產(chǎn)生氣阻，受溫度、壓力、細(xì)菌等影響，微泡體系中的聚合物會逐漸降解。因此，微泡壓井產(chǎn)量恢復(fù)迅速。

2 無固相低密度微泡壓井液室內(nèi)試驗

2.1 試驗儀器和藥品

GJS-B12K型高速變頻攪拌機（青島海通達專用儀器有限公司），YMS數(shù)顯式液體密度計（青島海通達專用儀器有限公司），ZNN-D6型六速旋轉(zhuǎn)黏度儀（青島海通達專用儀器有限公司），SD3三聯(lián)中壓濾失儀（青島海通達專用儀器有限公司）等。

NaOH、無水Na2CO3（天津光復(fù)科技發(fā)展有限公司，分析純），氣囊黏附劑、氣囊層膜劑、氣核引發(fā)劑、氣膜穩(wěn)定劑等均為自制。

實驗用水：自來水。

2.2 試驗方法[2-3]

1）量取一定量的自來水。

2）依次加入設(shè)計量的氫氧化鈉、碳酸鈉、氣囊黏附劑、氣囊層膜劑、氣核引發(fā)劑、氣膜穩(wěn)定劑，用GJS-B12K型高速變頻攪拌機,轉(zhuǎn)數(shù)在8 000 r/min時，邊攪拌邊配液，其中氣囊黏附劑、氣囊層膜劑等高黏度物質(zhì)攪拌不少于20 min，以使其充分水化。

3）分別用YMS型液體密度計、ZNN-D6型旋轉(zhuǎn)黏度計、SD3三聯(lián)中壓濾失儀測定微泡體系的密度、流變參數(shù)和濾失量。

4）記錄微泡穩(wěn)定時間。穩(wěn)定時間是指：將配制完成的漿液倒入100 mL玻璃量筒，開始計時。量筒底部觀察到已無微泡，形成的連續(xù)相厚度超過1 cm，則表明體系已消泡，計時終止。計時開始到計時終止的時間為無固相低密度微泡體系穩(wěn)定時間。

2.3 無固相低密度微泡壓井液基本配比（表1）

表1 無固相低密度微泡壓井液基本配比Table 1Basic composition of solid free low density micro foam kill fluid

2.4 試驗結(jié)果

當(dāng)設(shè)計微泡壓井液密度在0.8 g/cm3時，各組分濃度分別為：氫氧化鈉0.05%，碳酸鈉0.08%，氣囊層膜劑1.2%，氣囊黏附劑1.2%[4]，氣核引發(fā)劑1.2%，氣膜穩(wěn)定劑0.06%，氣膜穩(wěn)定劑0.4%。試驗結(jié)果為：密度為0.79 g/cm3，該配比配制出的微泡壓井液，穩(wěn)定性74 h，無虛泡、無分層，表明無固相低密度微泡能夠滿足完井作業(yè)平衡地層壓力和時間要求，其性能見表2。

從表2中可以看出：無固相低密度微泡壓井液在表觀黏度滿足工程要求的前提下，動塑比均在1.0 Pa/mPa·s以上，流性指數(shù)均在0.35以上。

3 無固相微泡壓井液現(xiàn)場應(yīng)用

在青海澀北氣田澀b-s井進行現(xiàn)場試驗。

該井基本情況：完鉆井深1 334.0 m；人工井底1 318.80 m；射開二個小層，射孔井段1 237.8～1 259.0 m，射開厚度10.50 m；該井于2010年4月18日投產(chǎn)。生產(chǎn)情況：該井出水、出砂，2012年5月因場站檢修關(guān)井6個月,關(guān)井前日產(chǎn)氣1.878 0×104m3。2012年11月開井時發(fā)現(xiàn)該井停產(chǎn)。井口放噴出砂、出水嚴(yán)重。2012年12月15日探得砂面位置1 238 m，砂柱高度96 m，計算砂面上升速度為26 m/a，產(chǎn)層砂埋。

措施目的：該井流壓測試時加重桿、壓力計和部分鋼絲掉入井底，需進行打撈作業(yè)；根據(jù)探砂面數(shù)據(jù)，已經(jīng)砂埋產(chǎn)層，需要恢復(fù)氣井產(chǎn)能。

該井壓力系數(shù)0.73，壓井液密度附加值不小于規(guī)定值（氣井為0.07～0.15 g/cm3，3.00～5.00 MPa）。為保護氣層和施工安全，采用無固相低密度微泡壓井液。設(shè)計壓井液的密度為0.88 g/cm3，表觀黏度80±5 s，API濾失量≤10 mL/30 min，低剪切高黏度，提高封堵能力，該井設(shè)計用量80 cm3。根據(jù)實驗室內(nèi)配方，無固相微泡壓井液基本配方為：0.1%氫氧化鈉+0.15%碳酸鈉+1%～2%氣囊層膜劑+1%～2%氣囊黏附劑+ 1%黏土穩(wěn)定劑+0.1%～0.2%氣核引發(fā)劑+0.5%～0.8%氣膜穩(wěn)定劑。為保證施工過程中的密度變化以實施動態(tài)調(diào)整，備有消泡劑，以對微泡壓井液的密度進行調(diào)整。

配液方式：在壓井液罐中加入所需淡水，按設(shè)計要求將配液設(shè)備連接好，連接方式：撬裝泵（QZB50-13撬裝泵）（出口）→加料漏斗（射流器）→壓井液儲液箱40 m3→撬裝泵（入口）。使用加料漏斗按配方順序依次加入各種處理劑，加料完畢后，繼續(xù)開動加料漏斗使修井液在壓井液罐與加料漏斗間循環(huán)2 h至處理劑完全溶解，并達到設(shè)計密度要求。配液完成后，液體密度0.88 g/cm3，馬氏漏斗黏度為77 s。

于9月3日開始施工，在施工過程中通過在井筒循環(huán)，密度穩(wěn)定。在壓井液壓井、脫氣排液、換封井器、探砂面過程中，壓井液密度始終保持在0.88～0.90 g/cm3，壓井液罐無液面下降現(xiàn)象。

探得砂面為1 257.79 m，開始沖砂，當(dāng)沖砂至第二根管時，由于流速過快，密度降至0.70 g/cm3，壓井液罐液面上升，上部氣泡明顯。為此，對無固相低密度微泡壓井液密度進行動態(tài)調(diào)整，向壓井液罐加入50kg消泡劑后，密度升至0.91 g/cm3。用密度0.91 g/cm3低密度微泡沫壓井液30.00 m3正循環(huán)沖砂至人工井底1 318.80 m，井段1 257.79～1 318.80 m，進尺61.01 m，泵壓0～4.00 MPa，排量350～450 L/min，出口返出地層砂1.10 m3，至沖砂完成，密度無變化。

表2 無固相低密度微泡壓井液基本性能Table 2Basic performance of solid free low density micro foam kill fluid

用密度0.91 g/cm3微泡壓井液正循環(huán)洗井，使進出口液性能一致。9月5日對井下落物進行打撈，9月6日將井下落物（壓力計和加重桿）全部撈出。

9月7日通井、下生產(chǎn)管柱，9月8日，放噴完井，圓滿地完成施工任務(wù)。開井后日產(chǎn)氣1.665 0×104m3，目前日產(chǎn)量仍在1.434 0×104m3。

4 結(jié)論

1）無固相低密度微泡壓液由于其獨特的結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)密度可調(diào)，密度可控制在0.70～1.2 g/cm3，穩(wěn)定時間可達72小時以上。

2）對地層有自匹配封堵的作用，不向地層漏失。

3）該體系不影響地層巖石的潤濕性，對地層無損害，使低壓氣井迅速實現(xiàn)返排。

4）通過對低壓天然氣井壓井試驗，液體性能穩(wěn)定，不向地層中漏失，可實現(xiàn)順利返排。

5）施工過程中，對無固相微泡壓井液的密度可進行實時動態(tài)調(diào)整，以滿足壓井過程中的需要。

[1]鄭力會，左鋒，王珊，等.國內(nèi)可循環(huán)泡沫類鉆井液應(yīng)用現(xiàn)狀[J].石油鉆采工藝，2010，32（1）：10-16.

[2]鄔國棟，王玉斌，鐘志英，等.GCP-2型低傷害氣井壓井液的評價[J].斷塊油氣藏，2010，17（3）：376-378.

[3]李八一，席鳳林，雍富華，等.低密度微泡沫壓井液的研究與應(yīng)用[J].鉆井液與完井液，2006，24（4）：39-40.

[4]張斌，魏繁榮，陳剛，等.一種低密度壓井液的配方優(yōu)化[J].石油化工應(yīng)用，2010，29（1）：28-30.

（編輯：尹淑容）

Application of solid free low density micro foam kill fluid in low pressure gas wells

Han Yanping1,Xu Jirui2,Wang Shancong2,Li Fangqing3and Hu Zhili1
(1.Zonton(Beijing)Energy Technology Co.,Ltd,Beijing 100102,China;2.Natural Gas Development Company of Qinghai oilfield,PetroChina, Golmud,Qinghai 816000,China;3.Xinli Oil Production Plant,Jilin Oilfield Company,PetroChina,Songyuan,Jilin 138000,China)

Because of the unique features of solid free low density micro foam kill fluid,when its density is controlled within 0.70～1.2 g/cm3,and the stabilization time of micro foam reaches 72 h during the kill operation of low pressure natural gas well,automatic matching block can be realized in the formation,which neither affect stratum wettability nor harm stratum.The research of kill oper?ation of low pressure natural gas well shows that liquid formulation equipment of this system is so simple that liquid formulation work can be done in field.During the operation of b-s low pressure natural gas well in Qinghai oilfield,the density of solid free mi?cro foam kill fluid was controlled within 0.8～0.9 g/cm3while completing downhole sand washing and junk fishing in 4 days.The construction completed well with stable performance and nonleakage through dynamic adjustment.

solid free,low density,micro foam,stable time,liquid formulation

TE358

A

2014-07-07。

韓燕平（1973—），男，高級工程師，主要從事油田增產(chǎn)技術(shù)服務(wù)。