新型微泡沫鉆井液在大慶“三低”油藏中的應用

王亮

中國石油大慶鉆探工程公司鉆井三公司 （黑龍江 大慶 163413）

大慶“三低”油藏具有低壓、低滲、低豐度及黏土含量高的地質特點。平均坍塌壓力系數在0.7左右，平均儲層壓力系數0.98左右，滲透率為(0.01～250)×10-3μm2，平均孔隙度為15%，平均黏土礦物含量為16%。低壓和低豐度使油藏精細評價難度加大，而且較低的地層壓力使鉆井液濾液和有害固相在壓差作用下更易進入儲層，較低的滲透率和較高的膨脹性黏土礦物含量，使儲層易發(fā)生黏土膨脹、分散、運移而產生水鎖、水敏損害[1-3]，且鉆井過程中易發(fā)生鉆井液漏失。為開發(fā)好“三低”油藏，常采用欠平衡鉆井方式鉆井，欠平衡油基鉆井液高成本、高污染；欠平衡霧化、泡沫鉆井液成本高，易發(fā)生井下復雜；欠平衡玻璃微珠鉆井液成本也居高不下，且玻璃微珠不易回收，而微泡沫鉆井液又存在發(fā)泡能力差、半衰期短等技術難題[1-3]。因此，以合成的兩種發(fā)泡劑為基礎，最終形成一套適合大慶“三低”油藏的新型微泡沫鉆井液技術。

1 實驗部分

1.1 試劑及儀器

主要試劑：含胺基化合物（工業(yè)品）、去離子水、烷基酰胺（工業(yè)品）、氫氧化鈉（分析純）、表面活性劑等。

主要儀器：高溫高壓反應釜、高溫滾子爐、六速旋轉黏度計、堵漏評價模擬裝置、量筒、秒表等。

1.2 實驗方法

1.2.1 實驗原料及合成工藝

將一定的胺基化合物加入到微型高溫高壓反應釜中，并添加去離子水稀釋至制定濃度。稱取一定量的含有長鏈的烷基酰胺單體，與NaOH配制成1:1的混合溶液。緩慢將反應釜溫度升高至50～60℃，在開動攪拌槳的情況下，將混合溶液通過加料裝置緩慢加到反應釜中。加料完畢后，繼續(xù)反應2～3 h，即可得到乳白色的表面活性劑QF-1。通過改變單體濃度和反應工藝可合成出表面活性劑QF-2。

1.2.2 發(fā)泡劑性能評價

在室內采用半衰期法對合成的兩種發(fā)泡劑和其他種發(fā)泡劑進行對比。實驗過程如下：將0.25%的發(fā)泡劑加入到100 mL自來水中，在10 000 r/min條件下高速攪拌5 min，然后將攪拌杯中的泡沫液轉移到帶刻度的量筒中測量發(fā)泡體積、出液時間（第一滴液體析出時間）和半衰期（從泡沫液中分離出50 mL液體時間）。

2 結果與討論

2.1 發(fā)泡劑性能評價

依據1.2.2實驗方法，對合成的表面活性劑QF-1、QF-2進行發(fā)泡性能評價，實驗結果如表1所示。由表1可知，與其他種類發(fā)泡劑相比，合成的發(fā)泡劑QF-1和QF-2具有較強的發(fā)泡能力，出液時間較長，且半衰期長，因此選擇QF-1和QF-2作為該體系的發(fā)泡劑。

表1 不同發(fā)泡劑的發(fā)泡性能對比

綜合考慮發(fā)泡劑的發(fā)泡性能、成本等因素，將合成的QF-1和QF-2兩種發(fā)泡劑進行復配使用，對發(fā)泡量和半衰期進行測量，實驗結果如表2所示。從表2可以得知，將兩種發(fā)泡劑按照各自50%的比例復配比較合理，所生成泡沫細密均勻，發(fā)泡體積、出液時間和半衰期均有增加，而且體系較穩(wěn)定，所以選擇發(fā)泡劑的復配比例：50%QF-1+50%QF-2。由于合成的兩種發(fā)泡劑含有的親水親油基團數量平衡，首先具有較強的發(fā)泡能力；其次由于液膜具有一定的黏彈性和強度，這在形成泡沫承壓能力強，不易破裂；形成氣泡的粒徑范圍多在20～100 μm，形成的微泡沫外觀為圓形，由較厚的液膜包裹空氣內核，氣泡均獨立懸浮在基液中，由于液膜厚度較大，所以穩(wěn)定性較好[4-6]。在地下鉆井過程中，形成的微泡沫具有更強的承壓能力和抗污染能力，不會因為泡沫破裂而增加發(fā)泡劑和穩(wěn)泡劑的加量。

表2 發(fā)泡劑復配性能數據表

2.2 微泡沫鉆井液體系研究與性能評價

2.2.1 穩(wěn)泡劑優(yōu)選

在室內評價了生物聚合物XC、聚陰離子纖維素PAC-LV、羧甲基纖維素CMC和改性淀粉這幾種穩(wěn)泡劑的穩(wěn)泡能力，實驗結果如表3所示。從表3可知，PAC-LV和XC具有較強的泡沫穩(wěn)定能力，同時與發(fā)泡劑具有較好的協(xié)同作用，可以實現(xiàn)對半衰期的控制，實現(xiàn)微泡沫鉆井工藝，所以選用PAC-LV和XC作為穩(wěn)泡劑。

表3 穩(wěn)泡劑穩(wěn)泡性能數據表

XC、PAC-LV同屬于增黏性穩(wěn)泡劑，XC能抗溫至80℃，PAC-LV能抗溫至160℃，為了獲得更好的穩(wěn)泡效果，所以將XC和PAC-LV進行復配使用，復配后的發(fā)泡效果如表4所示。從表4可知，復配的穩(wěn)泡劑中70%XC和30%PAC-LV組合，穩(wěn)泡效果最好，泡沫均勻細小，其他復配組合穩(wěn)泡效果較差。這是因為單一穩(wěn)泡劑在泡沫表面形成的水化膜厚度較低，容易破裂，將兩種穩(wěn)泡劑復配使用，能使泡沫在較高溫度環(huán)境條件下具有一定的厚度，提高高溫高壓條件下的穩(wěn)定性[7-10]。因此穩(wěn)泡劑復配比例70%XC+30%PAC-LV。

表4 穩(wěn)泡劑復配結果

2.2.2 微泡沫鉆井液配方

在優(yōu)選出兩種發(fā)泡劑和兩種穩(wěn)泡劑的基礎上，通過室內配伍性研究和對配方優(yōu)化，形成微泡沫鉆井液配方如下：4%膨潤土漿+0.2%～0.3%PAC-HV+0.1%～0.2%包被抑制劑+1.0%～1.5%降濾失劑+0.02%～0.04%QF-1+0.02%～0.04%QF-2+0.01%～0.03%XC+0.005%～0.01%PAC-LV。

2.2.3 微泡沫鉆井液性能評價

按照該配方在室內配制了微泡沫鉆井液，對其泡沫穩(wěn)定性、抑制性、抗溫性和抗污染等相關性能進行了評價。

2.2.3.1 常規(guī)性能評價

對微泡沫體系的常規(guī)性能的測量在一定程度上可以評價微泡沫鉆井液體系的宏觀性能，判斷體系的穩(wěn)定性，實驗結果見表5和表6。如表5所示，在測量體系密度時，同時在容器的上部、中部、下部3個位置進行了泡沫密度測試，結果基本相同，說明微泡沫體系是均勻體系，密度小于1 g/cm3，且隨著攪拌時間的增加，體系密度有小幅度降低。所測的4組數據中，半衰期時間都大于47 h，說明微泡沫體系很穩(wěn)定。如表6所示，常溫下鉆井液的黏度和性能良好。

表5 微泡沫鉆井液常規(guī)發(fā)泡性能

表6 微泡沫鉆井液常溫下的性能

2.2.3.2 抑制性評價

選用大慶淺層泥頁巖巖屑，在80℃條件下進行線型膨脹實驗和滾動回收實驗，對微泡沫鉆井液體系的抑制性進行評價。實驗結果顯示，該體系線型膨脹率為0.81%（清水膨脹率3.21%），滾動回收率為93.26%（清水回收率為27.83%），說明該體系在防止泥頁巖膨脹方面具有較好的效果。

2.2.3.3 抗污染性能評價

抗鹽、抗油和抗土侵能力直接決定著微泡沫鉆井液在鉆井過程中的性能，在室內對其抗污染性能進行了評價，實驗結果如表7和表8。由表7可知，鉆井液隨加鹽量的改變，性能無明顯變化，具有很強的抗鹽能力。由表8可知，微泡沫鉆井液在受劣土污染之后，各方面性能無明顯變化，說明抗污染能力較強，能夠滿足現(xiàn)場施工過程中地層情況變化對鉆井液的要求。

2.2.3.4 封堵性能

按照配方配制一份微泡沫鉆井液，評價其在80℃條件下對不同目數砂床的承壓封堵能力。評價實驗顯示，孔徑范圍在250～420 μm的砂床中微泡沫鉆井液承壓能力在12 MPa以上，因為微泡可在砂床孔隙中形成一層泡沫封堵層，阻止鉆井液繼續(xù)漏失。在進行孔徑范圍在250～420 μm的砂床封堵實驗時，也能形成有效的封堵層，但承壓能力降低至8 MPa。說明新型微泡沫鉆井液對不同裂縫尺寸的地層都具有較強的封堵防漏能力。

表7 微泡沫鉆井液抗鹽性實驗結果

表8 微泡沫鉆井液抗劣土污染能力評價

2.3 現(xiàn)場應用

研制的微泡沫鉆井液在大慶油田“三低”油藏區(qū)塊累計應用多口井。其中一口水平采油井F172-平1井技套下深1 198 m，在三開水平段1 200～1 970 m（垂深1 020～1 120 m）采用新型微泡沫鉆井液進行鉆井。在三開鉆井過程中鉆井液性能如表9所示。由表9可知，鉆井液密度在0.90～1.04 g/cm3，API失水在3 mL以內，固相含量和含砂量較低。該井機械鉆速比鄰井提高114%，全井無復雜事故發(fā)生。

表9 現(xiàn)場鉆井液性能數據表

3 結論

1）針對微泡沫鉆井液發(fā)泡劑的缺點，在室內研發(fā)出適用于微泡沫鉆井液的兩種發(fā)泡劑，其發(fā)泡能力和半衰期均優(yōu)于同類產品，復配使用后效果更佳。

2）以合成的兩種發(fā)泡劑為主，通過優(yōu)選穩(wěn)泡劑，研發(fā)出一套新型微泡沫鉆井液，密度在0.9～1.02 g/cm3，滾動回收率大于90%，能有效封堵孔徑范圍在250～420 μm的砂床，并能抗3%鹽侵和20%土侵。

3）現(xiàn)場試驗表明，微泡沫鉆井液具有良好的井壁穩(wěn)定能力和儲層保護效果。