可循環(huán)微泡鉆井液研究及其在乍得潛山地層的應(yīng)用

羅淮東， 石李保， 左京杰， 史凱嬌， 宋舉業(yè)

（1.中國石油天然氣股份有限公司海外勘探開發(fā)分公司乍得項目部，北京100007；2.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京100083；3.中國石油集團(tuán)長城鉆探工程有限公司鉆井液公司，北京100101）

可循環(huán)微泡鉆井液研究及其在乍得潛山地層的應(yīng)用

羅淮東1， 石李保2， 左京杰3， 史凱嬌3， 宋舉業(yè)3

（1.中國石油天然氣股份有限公司海外勘探開發(fā)分公司乍得項目部，北京100007；2.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京100083；3.中國石油集團(tuán)長城鉆探工程有限公司鉆井液公司，北京100101）

乍得潛山地層微裂縫發(fā)育豐富，地層壓力系數(shù)在1以下，采用常規(guī)鉆井液體系往往導(dǎo)致地層發(fā)生惡性漏失，針對該技術(shù)難題，提出采用可循環(huán)微泡鉆井液鉆潛山儲層。合成出一種可用于可循環(huán)微泡鉆井液的發(fā)泡能力強(qiáng)同時具有穩(wěn)泡能力的發(fā)泡劑GWFOM-LS，在120、150 ℃時0.5%GWFOM-LS的發(fā)泡體積分別為720 mL和400 mL以上，其抗溫能力達(dá)到130 ℃，抗鹽能力達(dá)10%，抗鈣能力達(dá)0.5%?；谠摪l(fā)泡劑優(yōu)選出密度范圍在0.70～0.96 g/cm3的可循環(huán)微泡鉆井液體系。該體系在乍得Baobab C1-13井裂縫發(fā)育的潛山油層進(jìn)行了應(yīng)用?，F(xiàn)場應(yīng)用表明，該發(fā)泡劑配制的可循環(huán)微泡鉆井液性能穩(wěn)定，而且具有較好的攜巖性能和儲層保護(hù)性能，利于井下工具信號傳導(dǎo)，解決了鉆井過程中潛山地層惡性漏失問題，為今后潛山儲層開發(fā)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

微泡鉆井液；防漏堵漏；發(fā)泡劑；乍得

乍得潛山地層屬于風(fēng)化殼地層，裂縫發(fā)育豐富，并且呈平行排列分布，多孔隙的地質(zhì)特征，地層壓力系數(shù)低，容易出現(xiàn)嚴(yán)重漏失、坍塌等井下復(fù)雜問題[1]。以往乍得區(qū)塊使用常規(guī)鉆井液鉆進(jìn)的 Baobab C2-2、Baobab C1-16 和 Baobab C1-12 連續(xù)3口井在潛山段發(fā)生嚴(yán)重漏失，以致井口完全失返，3口井潛山段漏失量分別高達(dá)887、3 199和3 230 m3，導(dǎo)致無法正常錄井，巖屑無法帶出井眼，下鉆遇阻等事故。針對使用常規(guī)鉆井液出現(xiàn)的問題，合成出發(fā)泡能力強(qiáng)并有穩(wěn)泡能力的微泡發(fā)泡劑GWFOM-LS，并優(yōu)選出一種性能好的可循環(huán)微泡鉆井液，以解決乍得潛山地層低壓井漏及油氣層損害的技術(shù)難題。

1 微泡發(fā)泡劑合成及性能評價

同普通泡沫鉆井液相比，可循環(huán)微泡鉆井液對發(fā)泡劑的要求更為嚴(yán)格，要求其起泡能力強(qiáng)，而起泡率不需太高，泡沫非常細(xì)小均勻且穩(wěn)定性好[2]。為此室內(nèi)改性合成出發(fā)泡能力強(qiáng)，同時具有穩(wěn)泡性能的發(fā)泡劑GWFOM-LS[2]。

1.1 GWFOM-LS合成工藝

微泡發(fā)泡劑GWFOM-LS合成工藝：將聚醚叔胺放入帶有攪拌裝置的高溫高壓反應(yīng)釜中，在攪拌下升溫至80～100 ℃，穩(wěn)定1.5～3 h后，加入定量的磺酸鹽攪拌10～15 min，繼續(xù)升溫至120～150 ℃后加入催化劑A，充分?jǐn)嚢枋蛊浞磻?yīng)2～5 h，停止加熱，冷卻到 50～70 ℃后用 20%NaOH水溶液中和pH值至7.0～7.5，即可得到成品。

1.2 GWFOM-LS的發(fā)泡能力和穩(wěn)定性能

在100 mL淡水中分別加入不同加量的發(fā)泡劑，室溫下高速攪拌（10 000 r/min）1 min 后，測其性能，結(jié)果見表1。

表1 GWFOM-LS加量對發(fā)泡與穩(wěn)定性的影響

由表1可知，隨著GWFOM-LS加量的增加，溶液的發(fā)泡量增加，當(dāng)GWFOM-LS加量為0.5%后，發(fā)泡量變化不大，趨于平穩(wěn)。故實驗選用GWFOM-LS加量為0.5%。

1.3 GWFOM-LS的抗鹽鈣污染性能

分別在淡水、4%NaCl及0.5%CaCl2水溶液中加入0.5%的GWFOM-LS配制溶液，取100 mL高速攪拌（10 000 r/min）1 min 后，測試結(jié)果見表2。由表2可以看出，GWFOM-LS在鹽水、CaCl2水溶液中發(fā)泡量與在淡水中發(fā)泡量相差不多，說明GWFOM-LS具有較好的抗鹽、抗鈣能力，在被污染的情況下具有較強(qiáng)的發(fā)泡能力及良好的穩(wěn)定性。

表2 微泡發(fā)泡劑GWFOM-LS的抗鹽、抗鈣能力

1.4 GWFOM-LS與其他發(fā)泡劑性能對比

在100 mL淡水中分別加入0.5%的發(fā)泡劑GWFOM-LS和Foam-2，在不同溫度下測量發(fā)泡量與半衰期，結(jié)果見圖1。

圖1 GWFOM-LS與發(fā)泡劑Foam-2的抗溫性能對比

由圖1可知，當(dāng)溫度升高到120 ℃時，GWFOM-LS的發(fā)泡體積為720 mL，而Foam-2的發(fā)泡體積已降到150 mL，溫度為150 ℃時，發(fā)泡劑GWFOM-LS的發(fā)泡體積仍達(dá)到400 mL以上。由此可知，自主合成的發(fā)泡劑GWFOM-LS具有良好的抗溫能力。

2 可循環(huán)微泡鉆井液體系性能評價

經(jīng)過大量室內(nèi)實驗，利用自主合成的GWFOM-LS作為發(fā)泡劑，優(yōu)選穩(wěn)泡劑、增黏劑及降濾失劑，優(yōu)選出可循環(huán)微泡鉆井液體系，配方如下。

（3%～5%）膨潤土+（0.2%～0.3%）純堿+（0.2%～0.5%）XC+（0.1%～0.2%）燒堿 +（0.5%～0.8%）PAC-LV+（0.3%～0.5%）GWFOM-LS

為模擬現(xiàn)場實際的使用工況，測定鉆井液性能時采用低速（轉(zhuǎn)速 2 800 r/min）攪拌 10 min 后進(jìn)行，結(jié)果見表3。由表3可知，室內(nèi)研制的可循環(huán)微泡鉆井液具有良好的流變性及濾失性能。

表3 可循環(huán)微泡鉆井液在常溫下的性能

2.1 微觀形態(tài)與氣泡粒徑分析

使用ALPHAPHOT-2型生物顯微鏡，對微泡鉆井液和普通泡沫鉆井液進(jìn)行了顯微分析及粒徑分析，見圖2、圖3。

圖2 可循環(huán)微泡鉆井液粒徑分布圖

圖3 微泡與普通泡沫微觀結(jié)構(gòu)對比分析

由圖2可知，粒徑范圍在25～85 μm的微泡含量為78.2%，平均直徑為69.3 μm，絕大部分的氣泡尺寸在10～100 μm范圍內(nèi)，表明研制的可循環(huán)微泡鉆井液達(dá)到了技術(shù)要求，可通過固控系統(tǒng)循環(huán)使用。

由圖3可以看出，微泡鉆井液可產(chǎn)生一種由多層黏膜包裹著的“Aphrons”[3-5]所組成的“微泡”，即非聚集、可循環(huán)使用的均勻剛性氣核體系。Aphrons 具有獨特的結(jié)構(gòu)和尺寸, 典型的Aphrons直徑在10～100 μm之間，使用篩網(wǎng)式頁巖振蕩器或流線型清潔器也不會被清除。同時由于分散性好、彼此之間為點接觸，在水力渦流器或高速離心的條件下也能保持原狀。微泡體系中泡沫群體以單個懸浮方式存在于體系中，氣泡膜之間連接處不存在Plateau邊界，成大小不等的圓球體，而普通泡沫大都成六邊形，氣泡膜之間存在Plateau邊界。

2.2 抗壓性能

配制密度為0.73 g/cm3的微泡鉆井液，利用高溫高壓鉆井液PVT測試儀對鉆井液進(jìn)行不同壓力下密度的測定，實驗結(jié)果見圖4。由圖4可知，壓力增加初期，微泡鉆井液的密度從0.73 g/cm3驟然升至0.825 g/cm3，然后隨著壓力的增加，鉆井液密度呈平穩(wěn)趨勢，變化較小，當(dāng)壓力增加到21 MPa時，鉆井液的密度仍保持在0.82～0.84 g/cm3之間，說明微泡鉆井液具有良好的抗壓能力。

圖4 可循環(huán)微泡鉆井液密度隨壓力變化圖

2.3 抗溫性能

對研制的可循環(huán)微泡鉆井液進(jìn)行抗溫性能評價，分別在 80、100、120、130 ℃老化 16 h后進(jìn)行性能測試，結(jié)果見表4。由表4可知，配制的微泡鉆井液經(jīng)過不同溫度老化后，鉆井液性能變化較小，抗溫可達(dá)到130 ℃。

表4 可循環(huán)微泡鉆井液抗溫性能評價

2.4 抗污染性能

對可循環(huán)微泡鉆井液進(jìn)行抗污染性能評價，在鉆井液中分別加入10%鹽水、10%劣質(zhì)土及0.5%Ca2+后進(jìn)行性能測試，實驗結(jié)果見表5。由表5可知，配制的微泡鉆井液在受到鹽、Ca2+及劣質(zhì)土的污染后，仍具有較好的流變性與降濾失性，抗Ca2+可達(dá)到0.5%。

表5 可循環(huán)微泡鉆井液抗污染性能評價

2.5 抗油性能

對可循環(huán)微泡鉆井液進(jìn)行抗油性能評價，選用0#柴油作為污染相，考察不同加量的柴油對微泡鉆井液性能的影響，見表6。

表6 可循環(huán)微泡鉆井液抗油性評價

由表6可知，柴油對微泡鉆井液的流變性及濾失性影響較小，隨著柴油加量的增加，微泡鉆井液性能變化不大，同時半衰期呈上升趨勢，說明柴油對微泡鉆井液的穩(wěn)定性影響較小，鉆井液具有良好的抗油性。

2.6 堵漏作用

2.6.1 堵漏機(jī)理

微泡鉆井液在低剪切速率的流動過程中產(chǎn)生很大的阻力，減小原始流體流到地層的量。微泡聚集體能夠進(jìn)一步減小濾失量，是有效控制濾失的一個機(jī)理之一。在壓差作用下，流體流動時微泡易出現(xiàn)在流體的前緣。在地層內(nèi)部單個微泡個體橋塞孔喉，微泡聚集體橋堵大的裂縫。這樣堵住漏失層，在井筒壓力和地層之間建立平衡。若流體性質(zhì)或井筒壓力能夠支撐單個微泡或聚集微泡封堵體，那么封堵體將具有整體性和穩(wěn)定性[5]。

低密度、低液柱壓力是微泡鉆井液防漏機(jī)理之一，依靠低液柱壓力形成欠平衡鉆進(jìn)， 可以防止壓裂脆弱巖石和閉合裂隙張開，起到防漏作用[6]。微泡鉆井液的微泡具有較強(qiáng)的變形能力，可以隨著井內(nèi)壓力變化而產(chǎn)生收縮與膨脹，減輕激動壓力，減弱激動壓力對地層裂隙的進(jìn)一步擴(kuò)張，防止漏失的發(fā)生[7-9]。

2.6.2 堵漏能力評價

選用人造巖心，利用巖心動態(tài)損害污染實驗儀，通過巖心流動實驗評價鉆井液的防漏堵漏效果，實驗結(jié)果顯示，由巖心流動實驗得到的微泡鉆井液的滲透率（16.5 mD）均遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)鹽水的滲透率（161.3 mD），說明微泡鉆井液具有良好的防漏堵漏作用，有利于鉆進(jìn)過程中井壁的穩(wěn)定。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 轉(zhuǎn)化及維護(hù)工藝

Baobab C1-13 井 是 位 于 乍 得 Bongor盆 地Baobab區(qū)塊一口潛山三開油井。井深為1 510 m，二開套管下深1 214.5 m。三開井段為潛山油層裂縫發(fā)育豐富，前期鉆至該井段時，極易發(fā)生失返性漏失。為克服井下漏失，使用可循環(huán)微泡鉆井液。三開潛山井段鉆進(jìn)施工，配制密度為1.02 g/cm3的基漿并加入發(fā)泡劑GWFOM-LS循環(huán)，將鉆井液調(diào)至入口密度為 0.82 g/cm3，出口密度為 0.77 g/cm3，黏度為120 s左右；鉆至井深1 269 m因氣測值偏高，加入少量HFX-101調(diào)整鉆井液密度至0.86 g/cm3，鉆進(jìn)至井深 1 341 m 前無漏失。在井深 1 341 m 出現(xiàn)井漏跡象，漏速為4～5 m3/h，此時向循環(huán)罐中加入GWFOM-LS降低鉆井液密度，漏速逐步下降，將鉆井液調(diào)至入口密度為0.72 g/cm3，出口密度為0.69 g/cm3時，黏度為 129 s，漏速降為約 1 m3/h ；繼續(xù)鉆進(jìn)至井深1 510 m完鉆，此時鉆井液密度升至 0.88 g/cm3，黏度降至 38 s。

可循環(huán)微泡鉆井液在Baobab C1-13井潛山油層鉆進(jìn)過程中的性能見表7。由表7可知，施工過程中該可循環(huán)微泡鉆井液性能良好，整個潛山段鉆井施工和巖屑返出正常，錄井監(jiān)測及取樣正常，解決了該地區(qū)潛山段惡性漏失帶來的安全生產(chǎn)和地質(zhì)資料錄取問題。

表7 Baobab C1-13井微泡鉆井液性能

3.2 應(yīng)用效果

3.2.1 井徑對比

圖 5 為 Baobab C1-13 井 與 鄰 井 Baobab C1-2三開井徑曲線圖。由圖5可知，Baobab C1-13井使用微泡鉆井液進(jìn)行作業(yè)，在鉆進(jìn)過程中三開平均井徑為228.7 mm，平均井徑擴(kuò)大率為6.27%。Baobab C1-2井使用常規(guī)水基鉆井液進(jìn)行作業(yè)，在鉆進(jìn)過程中三開平均井徑為235.5 mm，平均井徑擴(kuò)大率為9.2%。通過以上三開潛山段井徑曲線和擴(kuò)大率對比表明，采用研制的微泡沫鉆井液較好控制了潛山段井漏問題。

圖5 Baobab C1-13井與鄰井Baobab C1-2三開井徑曲線圖

3.2.2 鉆井順利，無漏失

可循環(huán)微泡鉆井液在Baobab C1-13井潛山油層的應(yīng)用取得了以下效果。①微泡鉆井液攜巖能力強(qiáng)，在潛山段鉆進(jìn)、起下鉆正常，未發(fā)生巖屑沉積造成的起下鉆阻卡、下鉆不到底等現(xiàn)象，為取芯等作業(yè)提供了安全保障；②微泡鉆井液性能穩(wěn)定，濾失量小于5 mL；③良好的防漏堵漏作用，在Baobab C1-13井潛山嚴(yán)重漏失段鉆進(jìn)過程中，通過調(diào)整鉆井液中泡沫量調(diào)整密度，從而減少了井漏情況的發(fā)生。

4 結(jié)論

1.室內(nèi)合成的GWFOM-LS，抗溫能力達(dá)到130 ℃，抗鹽達(dá)10%，抗鈣達(dá)0.5%，與其他發(fā)泡劑相比，該發(fā)泡劑具有較強(qiáng)發(fā)泡能力且泡沫穩(wěn)定。

2.研制的微泡鉆井液密度在0.70～0.98 g/cm3范圍內(nèi)可調(diào)，體系穩(wěn)定性良好，抗污染、抗溫和抗油性能較強(qiáng)，在鉆井過程中具有良好的防漏堵漏作用。

3.微泡鉆井液在乍得潛山層Baobab C1-13井現(xiàn)場應(yīng)用表明，該技術(shù)解決了乍得潛山層嚴(yán)重井漏的問題。在鉆進(jìn)過程中，鉆井液對井眼清潔效率較高，水馬力發(fā)揮較好，提高機(jī)械鉆速，振動篩處不跑鉆井液，各項參數(shù)滿足現(xiàn)場使用的技術(shù)要求。

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Recyclable Micro Foam Drilling Fluid: Its Study and Application in Burial Hill Structure in Chad

LUO Huaidong1, SHI Libao2, ZUO Jingjie3, SHI Kaijiao3, SONG Juye3
(1. Chad Project of CNODC, Beijing 100007;2. PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration and Development,Beijing 100083;3. The Drilling Fluid Branch of CNPC Greatwall Drilling Company, Beijing 100101)

The burial hill structure in Chad has micro fractures that are quite developed and the formation pressure coef fi cient is generally less than 1.0. Using conventional drilling fl uids, severe mud losses are inevitable. To avoid mud loss, recyclable micro foam drilling fl uid has been adopted in burial hill drilling. This drilling fl uid was fi rst developed in laboratory with a high performance foaming agent GWFOM-LS, which also was also a foam stabilizer. GWFOM-LS is resistant to high temperature (130 ℃), high salinity(10% NaCl) and high calcium (5 000 mg/L). The micro foam drilling fl uid developed has density adjustable between 0.70 g/cm3and 0.96 g/cm3, and has been used successfully on the well Baobab C1-13 in Chad. The recyclable micro foam drilling fl uid showed stable properties in fi eld applications, good cuttings carrying capacity and reservoir protecting performance, satisfying the needs for safe drilling operation. Electric signal transmission through the foam was satisfactory, and severe mud losses in burial hill drilling were resolved. All these successes have laid a solid foundation for burial hill reservoir development.

Micro foam drilling fl uid; Mud loss prevention and control; Foaming agent; Chad

羅淮東，石李保，左京杰，等.可循環(huán)微泡鉆井液研究及其在乍得潛山地層的應(yīng)用[J].鉆井液與完井液，2017，34（5）：8-13.

LUO Huaidong, SHI Libao, ZUO Jingjie, et al.Recyclable micro foam drilling fluid： its study and application in burial hill structure in Chad[J].Drilling Fluid & Completion Fluid，2017，34（5）：8-13.

TE254.3

A

1001-5620（2017）05-0008-06

10.3969/j.issn.1001-5620.2017.05.002

國家重大專項“深井超深井優(yōu)質(zhì)鉆井液與固井完井技術(shù)研究”（2016ZX05020-004）。

羅淮東，高級工程師，1971年生，畢業(yè)于石油大學(xué)（華東）石油工程專業(yè)，現(xiàn)在從事鉆井液技術(shù)研究工作。電話13717707172；E-mail：luohuaidong@cnpcic.com。

2017-4-5；HGF=1704F6；編輯 付玥穎）