防塌霧化鉆井技術(shù)

蘇雪霞，孫 舉，徐 芳，鄭志軍，宋亞靜

1.中原石油工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，2.中原石油工程公司管具工程處：河南濮陽 457001

氣體鉆井技術(shù)作為提速提效措施在川東北發(fā)揮了重要作用，但地層出水后井壁失穩(wěn)及泥包卡鉆等復雜問題成為推廣氣體鉆井的瓶頸[1-8]。霧化鉆井是解決上述問題、保持氣體鉆井優(yōu)勢的技術(shù)措施，但存在適用地層出水量較低，井壁穩(wěn)定時間短等難題[9-12]。為此，提出了防塌霧化液體系構(gòu)建方法，通過研制優(yōu)選關(guān)鍵處理劑，采用經(jīng)濟適用的陰離子型和非離子型表面活性劑作為霧化劑，形成了具有強抑制、強吸附、強包被性能的防塌霧化液體系，并在川東北地區(qū)進行了現(xiàn)場應用，井壁穩(wěn)定時間提高至11 d，循環(huán)利用率達92%，最大出水量達55 m3/h，保持了氣體鉆井鉆遇出水地層的提速優(yōu)勢，為川東北地區(qū)提速提效提供了技術(shù)保障。

1 防塌霧化液體系的構(gòu)建

井壁穩(wěn)定是延長霧化鉆井安全作業(yè)時間的關(guān)鍵。與常規(guī)鉆井液鉆井相比霧化鉆井井壁穩(wěn)定的難點主要是在欠平衡狀態(tài)下防塌技術(shù)措施受到限制：防塌技術(shù)中基本的平衡地層坍塌壓力技術(shù)無法實施；阻止濾液侵入地層的封堵微裂縫技術(shù)無法實施；鉆井過程中在井壁上形成致密保護層的難度大。因此，霧化鉆井液體系構(gòu)建與普通鉆井液相比具有獨特性，這也是霧化鉆井液體系構(gòu)建與應用的關(guān)鍵性難題。結(jié)合川東北各復雜區(qū)塊霧化鉆井的需要，提出了可滿足川東北地區(qū)施工需要的霧化液構(gòu)建方法與原則：

1)按照鉆井液體系構(gòu)建的一般原則，即滿足鉆井施工“安全、優(yōu)質(zhì)、高效”要求，結(jié)合川東北地區(qū)地層特點及氣體霧化鉆井施工經(jīng)驗，遵循鉆井液體系構(gòu)建的“優(yōu)先原則”，即首先考慮可安全施工的原則。

2)防塌技術(shù)要求。針對應用區(qū)塊不同井段地層的地質(zhì)特性，研究引入了強吸附、強包被成膜等防塌技術(shù)，通過具有不同防塌機理處理劑的協(xié)同作用，進一步提高霧化流體對不同地層的防塌能力。

3)防泥包技術(shù)要求。利用表面活性劑的滲透、分散作用和小分子陽離子聚合物的抑制泥質(zhì)鉆屑水化分散作用，降低泥質(zhì)鉆屑/粉的黏性，有效防止鉆屑堆積，提高霧化流體的洗井效率。

4)清除井下泥環(huán)技術(shù)要求。優(yōu)選出具有較強滲透、分散作用的表面活性劑，通過研究表面活性劑和防塌劑的配伍性，完善清除井下泥環(huán)技術(shù)。

5)攜水技術(shù)要求。利用表面活性劑降低界面張力分散液相，利用霧化穩(wěn)定劑防止水滴聚集，提高高壓氣體的攜水效率。

6)霧化液循環(huán)使用技術(shù)要求。利用高相對分子質(zhì)量聚合物的強絮凝作用在排砂過程中對循環(huán)液進行絮凝處理，使霧化液中懸浮泥砂快速沉降，達到循環(huán)使用目的。

2 關(guān)鍵處理劑和表面活性劑的優(yōu)選

2.1 兩性離子井壁穩(wěn)定劑

鑒于常規(guī)井壁穩(wěn)定劑難以滿足防塌霧化液體系的需求，遵循霧化液體系構(gòu)建原則，采用分子設計原理，通過優(yōu)化合成工藝及配方，研制了適用于霧化鉆井井壁穩(wěn)定需求的中等相對分子質(zhì)量兩性離子聚合物井壁穩(wěn)定劑WPZY-1。用IR200傅里葉變換紅外光譜儀對WPZY-1進行了紅外光譜分析，結(jié)果見圖1。WPZY-1是含酰胺基、酰胺羰基、長鏈烷基和陽離子銨基等基團的聚合物，分子鏈上陽離子銨基提高了其在泥頁巖上的強吸附能力，其分子中一定比例的水化基及吸附基使其與霧化鉆井液流體具有良好的配伍性。

圖1 WPZY-1的紅外光譜圖

為考察WPZY-1抑制泥頁巖分散能力，采用馬12井上部地層的巖屑，進行頁巖滾動回收率試驗，為了進一步考察和對比WPZY-1抑制泥頁巖分散和長期穩(wěn)定井壁的能力，將一次回收試驗后的巖屑在清水中進行48 h滾動回收試驗，結(jié)果見表1。WPZY-1具有較強的抑制泥頁巖分散能力，當用量為0.1%時，一次回收率達95.0%以上，而巖心在清水中90 ℃/2 h一次回收率僅13.7%。經(jīng)0.5%WPZY-1溶液處理的巖屑，在清水中滾動試驗48 h時相對回收率達99.3%，進一步驗證所合成的WPZY-1具有良好的防塌性能，即在井眼中的防塌劑被無限稀釋時，吸附在井壁表面的處理劑仍可在較長時間內(nèi)保持井壁的相對穩(wěn)定。

表1 WPZY-1頁巖回收實驗結(jié)果

注：實驗用頁巖為馬12井1 200～1 600 m處巖心，R1為一次回收率，R2為二次回收率，R′為相對回收率；下同。

2.2 兩性離子包被絮凝劑

針對霧化液循環(huán)使用的技術(shù)需求，遵循霧化鉆井流體體系構(gòu)建原則，采用分子設計原理，通過優(yōu)化合成工藝及配方，研制了適用于防塌霧化液的高相對分子質(zhì)量兩性離子包被絮凝劑PDAM，并對其進行了防塌及絮凝性能評價，

2.2.1頁巖回收率實驗結(jié)果

為了考察合成的高相對分子質(zhì)量兩性離子疏水聚合物PDAM的防塌能力，使用天然泥巖巖心進行了不同用量聚合物水溶液的頁巖滾動回收率實驗，結(jié)果見表2。PDAM用量為0.01%時，一次回收率達97%以上，2 h相對回收率達93%，而現(xiàn)場用同類聚合物防塌劑的相對回收率為82.5%。使用天然砂泥巖巖心進行頁巖滾動回收率實驗，結(jié)果相同。較高的相對回收率表明，合成的PDAM在頁巖表面的吸附能力強，在較小加量下，能大幅提高頁巖的回收率，說明PDAM具有較強的抑制能力，能有效控制泥頁巖水化分散。

表2 PDAM頁巖回收率實驗

注：實驗用頁巖為馬12井2 816～2 830 m處巖心。

2.2.2絮凝性能

對高相對分子質(zhì)量兩性離子疏水聚合物PDAM的絮凝能力進行絮凝實驗。在100 mL具塞量筒中加入80 mL去離子水或聚合物溶液，加入2 g鈣膨潤土，補加去離子水或聚合物溶液至100 mL，以30次/min(一倒一正為一次)的頻率搖動5 min，靜止計時，記錄1，3，5 min析出清液的高度，結(jié)果見表3。PDAM具有良好的絮凝能力，聚合物加量為0.03%時5 min清液析出量為90.7 mL，清液析出量大，絮體沉降快。

表3 PDAM加量對絮凝性能的影響

取絮凝實驗中經(jīng)不同用量PDAM處理后析出的上部清液，用721分光光度計測定其透光率，結(jié)果見圖2。經(jīng)聚合物PDAM處理的含泥污水在自然條件下沉降分層后，上部液體清澈透明，泥砂含量低。

圖2 PDAM的絮凝性能

2.3 表面活性劑

表面活性劑的合理使用在霧化鉆井中至關(guān)重要，其作用主要表現(xiàn)在：1)通過其降低水的表面張力作用使地層出水在高速氣流作用下易分散，同時避免已分散的水大量聚集，便于氣流有效攜帶；2)利用其吸附作用吸附在泥質(zhì)鉆屑的表面，降低泥質(zhì)鉆屑的黏性，避免泥質(zhì)鉆屑相互黏連，達到防止鉆具泥包的作用；3)利用其滲透和分散作用，在鉆具發(fā)生泥包和井下形成泥環(huán)時滲透進泥團中并吸附在泥質(zhì)顆粒的表面，降低泥團的黏接強度，使之在高速氣流擾動下分散，達到清除泥包、泥環(huán)的目的。根據(jù)發(fā)泡試驗和與霧化鉆井用關(guān)鍵處理劑的配伍性試驗優(yōu)選出非離子表面活性劑(烷基酚聚氧乙烯醚)和陰離子型表面活性劑(十二烷基硫酸鈉和十二烷基苯磺酸鈉)為霧化鉆井用表面活性劑。

2.4 防塌霧化液體系配方與性能

根據(jù)上述構(gòu)建方法，通過研發(fā)的關(guān)鍵處理劑，經(jīng)室內(nèi)試驗對配方進行優(yōu)化，形成霧化鉆井基液體系配方：(0.05%～0.10%) PDAM+(0.3%～0.7%) WPZY-1+(0.01%～0.05%)陰離子表面活性劑+(0～0.1%)非離子表面活性劑。

為了考察霧化基液的防塌能力，利用天然泥巖巖心和普光區(qū)塊上部地層鉆屑進行滾動回收率試驗，結(jié)果見表4和表5。霧化基液具有很強的抑制防塌能力，對天然泥巖巖心的一次回收率達98.5%，一次滾動回收試驗的巖心在清水中繼續(xù)進行二次滾動回收試驗，48 h相對回收率達96.7%，72 h相對回收率仍保持在64.9%；霧化基液對天然砂巖巖心的一次回收率達98.8%，48 h相對回收率達95.4%，96 h的相對回收率仍保持在57.3%。

表4 泥巖巖心回收率試驗結(jié)果%

表5 砂巖巖心回收率試驗結(jié)果%

在霧化基液中加入不同量的清水，用天然泥巖巖心進行滾動回收實驗，考察霧化基液被稀釋后的抑制防塌能力，結(jié)果見表6。霧化基液在被清水稀釋10倍后，仍可有效控制鉆屑的水化分散；較高的相對回收率說明，霧化基液中防塌劑在井壁上吸附能力強，在地層出水量大和環(huán)空氣/液流體中防塌劑含量大幅降低的情況下仍能保持井壁穩(wěn)定。按現(xiàn)場霧化基液排量2.4～3.6 m3/h，可保證地層出水量在24～36 m3/h時的安全鉆井。

表6 清水稀釋試驗結(jié)果%

3 現(xiàn)場應用

川東北地區(qū)上部地層復雜、穩(wěn)定性差、遇水后穩(wěn)定時間短，應用室內(nèi)形成的防塌霧化液，有效預防霧化鉆井過程中井壁坍塌掉塊，延長井眼在霧化狀態(tài)下的穩(wěn)定時間，大灣404-2H井提高至11 d；大灣403-2H泥巖段長、出水量低，井眼環(huán)空中水砂比小，排砂口返出液呈黏稠泥漿狀，鉆具泥包的趨勢增加，由于霧化基液有效抑制泥質(zhì)鉆屑的水化、聚集、抱團，鉆進中井眼清潔，起出的鉆具無泥包現(xiàn)象，結(jié)果見圖3。P102-1井和元陸17井一開出水量較大，最大出水量達55 m3/h，平均出水量為35 m3/h，排砂口返出液連續(xù)噴出，未見間斷柱塞狀涌水現(xiàn)象，表明霧化鉆井過程中，地層水與霧化空氣流混合較均勻，霧化劑有效降低井眼內(nèi)液體的聚集程度，提高了攜水效率，保持空氣鉆井的技術(shù)優(yōu)勢。

圖3 現(xiàn)場鉆具泥包情況

4 結(jié)論

1)通過研制霧化鉆井用兩性離子井壁穩(wěn)定劑WPZY-1及兩性離子包被絮凝劑PDAM，形成了適用于川東北地區(qū)的兩性離子防塌霧化液體系，該防塌霧化液體系具有強抑制、強吸附、強包被性能。

2)在川東北地區(qū)應用了防塌霧化液，井壁穩(wěn)定時間由3～5 d提高至11 d的，霧化循環(huán)利用率達92%，適用地層出水量達55 m3/h，保持氣體鉆井鉆遇出水地層的提速優(yōu)勢，為川東北地區(qū)提速提效提供了技術(shù)保障。

AnAnti-CollapseMistDrillingTechnology

SU Xuexia1, SUN Ju1, XU Fang2, ZHENG Zhijun1, SONG Yajing1

1.DrillingEngineeringTechnologyResearchInstituteofSinopecZhongyuanPetroleumEngineeringCo.Ltd.,Puyang,Henan457001; 2.FittingsEngineeringDepartmentofSinopecZhongyuanPetroleumEngineeringCo.Ltd.,Puyang,Henan457001

AbstractIn consideration of the technical problems of short time of borehole wall stability, and low water production in relevant formation, etc., the method and the principles for establishing an anti-collapse misting solution system were suggested, and non-ionic surfactant and anionic surfactant were chosen as the misting agent accordingly. The formulation of the anti-collapse misting solution system was identified by studying key treatment agents. The primary recovery rate reached 98.8% when this anti-collapse misting solution was used in the core of natural Sandstone with the 48 h relative recovery rate being 95.4%, and the 16 h relative recovery rate remained at 91.2% after the anti-collapse misting solution diluted with clean water for 10 times was used. The application of this anti-collapse misting solution has shown that the anti-collapse agent in the misting base solution can be adsorbed onto the borehole wall firmly and that the borehole wall can remain stable in the case of large formation water production and substantial reduction of anti-collapse agent in the gas/liquid in annular space. This system has been used in the field of drilling in northeastern Sichuan Province. The time period in which borehole wall remained stable was increased from 3-5 d to 11 d with the recycling percent of the system being 92% and the maximum water production being 55 m3/h without any coating of mud on drilling tool, etc.

Key wordsanti-collapse misting solution; performance; borehole wall stability; northeastern Sichuan Province; drilling technology