文23 枯竭砂巖型儲氣庫微泡鉆井液技術(shù)

劉自廣

（中石化中原石油工程有限公司鉆井二公司，河南 濮陽 475001）

0 引言

中原文23 儲氣庫是國家“十三五”重點建設(shè)工程，設(shè)計總庫容量104 億m3，一期工程設(shè)計庫容量84 億 m3，是我國中東部地區(qū)最大的儲氣庫［1-3］，在改善華北地區(qū)大氣環(huán)境質(zhì)量、能源使用結(jié)構(gòu)和提高人民生活水平等方面具有重大意義［4-6］。文23 儲氣庫是利用已經(jīng)枯竭的文 23 氣田［7］，氣田經(jīng)過 30 多年的開采，地層壓力虧空嚴重，壓力系數(shù)在0.1～0.6 g/cm3，且動態(tài)變化大。鉆井過程中極易發(fā)生嚴重漏失，影響鉆井速度和污染目的層，嚴重影響儲氣庫建設(shè)質(zhì)量［1，8］。針對上述難題，開發(fā)了微泡鉆井液體系與工藝技術(shù)，密度0.85～1.00 g/cm3，防漏堵漏效果好。在文23 儲氣庫66 口井應(yīng)用，漏失發(fā)生率13.6%，單井實際注氣量較設(shè)計提高30.4%。解決了文23 儲氣庫鉆井井漏和儲層保護的技術(shù)難題，為儲氣庫的安全、高效建設(shè)提供了技術(shù)支撐。

1 地質(zhì)特征及鉆井液技術(shù)難點

文23 氣田地質(zhì)分層與巖性見表1，目的層為沙四段，埋深2760～3120 m，為層狀砂巖干氣藏，經(jīng)過30 多年的開發(fā)，目前處于壓力枯竭狀態(tài)，主力地層壓力 3～4 MPa，壓力系數(shù) 0.10～0.60 左右，溫度在115～120 ℃。儲層之上為沙一段、沙三段地層，埋深在2200～2800 m 之間，以膏鹽層、膏鹽層夾泥頁巖層為主，鹽層厚度200～500 m。東營組至井口地層，壓實程度低，成巖性差，為松散的砂巖。且每口井平均鉆遇3～5 個斷層。文23 儲氣庫地質(zhì)情況復(fù)雜，其超低壓枯竭儲層對鉆井液技術(shù)提出了更高的要求。具體表現(xiàn)如下。

表1 文23 氣田地質(zhì)分層及巖性情況Table 1 Formation and lithology for Wen-23 gas field

（1）地層漏失問題。文23 氣田經(jīng)過多年開采，產(chǎn)層氣體枯竭，地層虧空、孔隙度大、滲透率高、承壓能力低，施工中易發(fā)生虧空性井漏，嚴重時失返。鹽層頂部斷層較多，且上部為疏松地層及砂礫巖地層，孔隙度大、膠結(jié)性差，易發(fā)生滲透性或失返性漏失［9-10］。其次是誘導(dǎo)性漏失問題，文23 氣田地層本身較為脆弱，當下鉆速度過快、開泵過猛會造成井漏；在下技術(shù)套管、開泵循環(huán)時，因技術(shù)套管與環(huán)空間隙窄也易造成井漏。

（2）儲層污染問題。儲層超低的地層壓力導(dǎo)致鉆井過程中鉆井液、完井液等極易侵入地層，造成油氣藏污染、井壁失穩(wěn)，進而引起單井注入量降低［11-13］。

（3）溫度影響。文23 儲氣庫井底溫度較高，溫度會對鉆井液性能產(chǎn)生一定的影響。

2 低壓地層微泡鉆井液技術(shù)

中原油田文23 儲氣庫目的層地層壓力系數(shù)0.1～0.3，鉆井過程中井漏風(fēng)險大，為此通過實驗確定了低壓地層微泡鉆井液的基礎(chǔ)配方，并對其主要性能進行了分析與評價，驗證了微泡鉆井液技術(shù)的可行性。

2.1 微泡鉆井液基礎(chǔ)配方研究

研發(fā)了陰離子型粘彈性表面活性劑、泡沫增強劑，配合穩(wěn)泡劑、降濾失劑等其它處理劑，利用正交實驗優(yōu)化出了微泡鉆井液配方，形成了抗溫120 ℃、抗壓縮、抗污染、高穩(wěn)定性和低儲層污染的環(huán)保型微泡鉆井液體系。經(jīng)過實驗，該體系具有良好的承壓堵漏性能及儲層保護性能。

2.1.1 發(fā)泡劑研發(fā)

微泡鉆井液技術(shù)的核心處理劑是發(fā)泡劑、泡沫增強劑和穩(wěn)泡劑，這些核心處理劑對微泡鉆井液的性能具有重要意義［14］。

通過分析微泡鉆井液特點，發(fā)現(xiàn)形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的粘彈性表面活性劑與普通線性結(jié)構(gòu)的表面活性劑相比更有利于提高微泡密封性，從而可以提高微泡鉆井液的觸變性。通過實驗合成了陰離子粘彈性表面活性劑VES-1，該表面活性劑隨著濃度的增加，其粘彈性能增強；隨著剪切速率增加，其粘度呈下降趨勢。對合成的表面活性劑VES-1 泡沫性能進行評價表明，隨著表面活性劑用量的增加，其發(fā)泡性能和泡沫半衰期均明顯提高，表面活性劑VES-1用量應(yīng)控制在0.4%～1.2%。實驗結(jié)果見圖1。

圖1 表面活性劑VES-1 用量對泡沫性能影響Fig.1 Effect of addition amount of VES-1 surfactant on foam properties

2.1.2 泡沫增強劑研發(fā)

為了增加微泡壁厚和強度，提高微泡在高溫高壓條件下的穩(wěn)定性和抗壓縮性能，進一步改善微泡鉆井液防漏性能，實驗研發(fā)了泡沫增強劑FSA-1。通過不同泡沫增強劑加量對泡沫抗壓縮性能的影響試驗，結(jié)果表明，加入0.1%泡沫增強劑FSA-1 后，泡沫抗壓縮性能明顯提高，與未加入泡沫增強劑相比，在30 MPa 壓力下體系密度差達到0.03 g/cm3。這主要是由于泡沫增強劑FSA-1 分子量適中，同時自身具有表面活性，易于與表面活性劑VES-1 協(xié)同作用，并在微泡壁表面聚集。由于泡沫增強劑分子中含有大量水化基團，可以增加微泡壁的水化膜厚度和強度，提高對內(nèi)部空氣核的密封性，從而提高泡沫的抗壓縮性能。同時，通過實驗可看出，當泡沫增強劑用量為0.3%時，泡沫抗壓縮性可提高25%（約0.04 g/cm3），繼續(xù)增加其用量泡沫抗壓縮性能變化不大。因此，泡沫增強劑合適的用量宜選擇0.3%～0.7%。

2.1.3 穩(wěn)泡劑優(yōu)選

為提高泡沫的穩(wěn)定性，延長其半衰期。室內(nèi)優(yōu)選不同類型穩(wěn)泡劑并對其進行性能評價。

2.1.3.1 穩(wěn)泡劑類型選擇

不同類型穩(wěn)泡劑對表面活性劑VES-1 的影響試驗表明（見表2），不同類型的穩(wěn)泡劑與表面活性劑VES-1 均有較好的配伍性，加入穩(wěn)泡劑后，泡沫穩(wěn)定性增強，半衰期均有不同程度延長。當穩(wěn)泡劑使用XC 時，雖然溶液發(fā)泡體積較小，但穩(wěn)泡效果最佳。其機理是XC 是在含有根莖類淀粉或谷物淀粉的營養(yǎng)液中發(fā)酵而生成的一種線性高分子多糖化合物，其分子量可達106以上，分子量高導(dǎo)致起泡體積相對較低，其分子內(nèi)部氫鍵的存在可使XC 分子形成空間立體結(jié)構(gòu)，而空間立體結(jié)構(gòu)與線性結(jié)構(gòu)相比更有利于泡沫的穩(wěn)定。

表2 不同穩(wěn)泡劑對泡沫穩(wěn)定性影響Table 2 Effect of different foam stabilizers on foam stability

2.1.3.2 穩(wěn)泡劑用量確定

實驗研究了XC 加量對表面活性劑VES-1 的影響。實驗表明，當XC 用量較低時，溶液發(fā)泡性能較強，但泡沫穩(wěn)定性相對較低，當XC 用量在0.5%以上時，泡沫半衰期達到24 h 以上，表現(xiàn)出良好的穩(wěn)泡性能。

在上述研究的基礎(chǔ)上，形成了微泡鉆井液體系：3%～5% 膨潤土漿+0.5%～1% 起泡劑+0.2%～0.4%XC+1.5%～2.5% 降濾失劑+0.5%～2% 抑制 劑 +1%～2% 膠 束 促 進 劑 +0.1%～0.3% 殺菌劑。

2.2 微泡鉆井液性能評價

針對三開超低壓儲層堵漏及降低儲層傷害的工程需求［15-16］，需要對確定的微泡鉆井液體系的承堵性能、儲層保護性能進行實驗評價，此外，由于井底溫度較高及泡沫的特殊性，需要考察溫度對微泡鉆井液的影響。

2.2.1 承壓封堵性能評價

微泡鉆井液可起到很好的防漏堵漏作用，其主要原因就在于微泡能夠在不同漏失地層改變自身尺寸。因此，需要對微泡鉆井液承壓封堵性能進行系統(tǒng)評價。

2.2.1.1 砂床目數(shù)的影響

不同目數(shù)的砂床具有不同的孔隙尺寸，從而對微泡鉆井液的承壓封堵性能產(chǎn)生影響。實驗中，配制了密度0.80 g/cm3微泡鉆井液，在80 ℃下利用不同目數(shù)的砂子模擬不同孔隙大小的漏失地層，通過砂床目數(shù)對微泡鉆井液封堵性能進行實驗，試驗結(jié)果如圖2 所示。結(jié)果表明，當砂床目數(shù)在60～90 目和90～120 目時，微泡鉆井液的承壓封堵能力可達10 MPa 以上，并且砂床目數(shù)越高，微泡鉆井液用較少的擠注量，承壓即可達10MPa 以上。而當砂床目數(shù)在40～60 目時，微泡鉆井液的最大承壓能力僅為3 MPa。這是由于砂床目數(shù)越大，形成的孔隙尺寸越小，更有利于微泡鉆井液中的微泡對這些孔隙的封堵；而砂床目數(shù)越小，形成的孔隙尺寸越大，微泡粒徑與其尺寸不相匹配，難以形成有效的封堵層，造成砂床被擊穿。實驗后泡沫鉆井液如圖3 所示。

圖2 砂床目數(shù)對鉆井液封堵性能的影響Fig.2 Effect of the sand bed mesh on the plugging performance of drilling fluid

圖3 實驗后的泡沫鉆井液Fig.3 Foam drilling fluid after experiment

2.2.1.2 溫度的影響

升高溫度會引起微泡體積膨脹，進而對微泡鉆井液的承壓封堵能力產(chǎn)生影響。實驗評價了50、80、120 ℃溫度下微泡鉆井液在60～90 目砂床的承壓封堵性能。實驗表明，在50 ℃條件下，微泡鉆井液以較小的擠注量其承壓能力即可達到10 MPa，且隨著溫度的升高，所需要注入量減小。

2.2.1.3 性能對比

為了客觀評價以表面活性劑VES-1 配制的微泡鉆井液承壓封堵性能，將其與前期優(yōu)選表面活性劑配制的微泡鉆井液進行了性能對比。以VES-1為發(fā)泡劑配制的微泡鉆井液僅需325 mL 承壓即可達到10 MPa 以上，表面活性劑DC 則需要435 mL，而OP-10 配制的微泡鉆井液承壓最高僅2.1 MPa。實驗表明，VES-1 為粘彈性表面活性劑配制的微泡鉆井液具有高觸變性，更有利于封堵微裂縫。

2.2.2 儲層保護特性評價

取文 109 井巖心（2818～2823 m 井段，含泥砂巖），對微泡鉆井液和常規(guī)水基鉆井液體系的儲層保護性能進行評價。實驗采用巖心流動實驗儀、巖心真空飽和裝置等對鉆井液體系的巖心滲透率恢復(fù)值進行測定，實驗結(jié)果表明，微泡鉆井液巖心滲透率恢復(fù)值達87.9%，而常規(guī)水基鉆井液巖心滲透率恢復(fù)值僅為71.5%，表明微泡鉆井液對儲層的污染程度較小，具有良好的儲層保護性能。

2.2.3 抗溫特性評價

為了評價微泡鉆井液的抗溫性能，開展了0.8～1.5 g/cm3不同密度鉆井液在120 ℃條件下實驗。實驗表明，老化16 h 后，不同密度的微泡鉆井液均表現(xiàn)出良好的抗溫性能，高溫老化前后密度差＜0.1 g/cm3。同時微泡鉆井液密度較小時，老化前后密度差相對較大；而微泡鉆井液密度較大時，老化前后密度差相對較小。隨著老化時間的延長，微泡鉆井液粘度和切力逐漸降低，密度逐漸升高，當老化時間達32 h 時，體系密度已有較大升幅。這主要是由于微泡鉆井液中的穩(wěn)泡劑抗溫性能不足，經(jīng)長時間老化后發(fā)生降解，喪失了處理劑的功能，無法保持微泡的穩(wěn)定，導(dǎo)致體系消泡。

為了保證微泡鉆井液在長時間老化條件下仍能保持較好微泡穩(wěn)定性，將穩(wěn)泡劑XC、降濾失劑LVCMC 配制成膠液，維護鉆井液。微泡鉆井液經(jīng)維護后，微泡穩(wěn)定性顯著增加，經(jīng)72 h 老化后與老化前相比密度差僅為0.04 g/cm3，流變性能也趨于穩(wěn)定，能夠滿足現(xiàn)場需求。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

低密度微泡鉆井液體系先后在中原文23 儲氣庫應(yīng)用66 口井，表現(xiàn)出良好的防漏效果，為中原文23 儲氣庫建設(shè)提供了有力的技術(shù)支撐。

3.1 防漏效果良好

在66 口井三開儲層段全部使用密度0.92～1.30 g/cm3微泡鉆井液，其中57 口井未發(fā)生漏失，9口井鉆進過程中發(fā)生漏失，發(fā)生率僅13.6%，體系表現(xiàn)出良好的防漏效果。對于孔隙度較大的地層可以使用隨鉆封堵材料+微泡鉆井液進行防漏。

例如，文23 儲2-11 井預(yù)測地層壓力系數(shù)0.10～1.0，施工過程中易發(fā)生漏失。三開鉆進前頂替井筒內(nèi)密度1.50 g/cm3二開飽和鹽水鉆井液時發(fā)生部分混漿，微泡鉆井液基漿密度達1.10 g/cm3以上，現(xiàn)場在儲層（施工井段2805～3077 m）采用密度1.0 ～1.03 g/cm3微泡鉆井液體系鉆進。在鉆至2977 m 時發(fā)生失返性漏失，靜止堵漏10 h 后鉆進，可建立循環(huán)但仍有漏失，在體系中加入2.5%隨鉆封堵材料，后續(xù)施工無漏失，順利完鉆。

3.2 抑制性較好

微泡鉆井液具有較好的抑制性，施工期間井壁穩(wěn)定，未發(fā)生因井壁失穩(wěn)造成的坍塌、掉塊現(xiàn)象，井眼規(guī)則。應(yīng)用井三開平均井徑擴大率＜5%。

如儲3-5 井三開施工井段2780～3120 m 鉆井液密度1.1 ～1.15 g/cm3，等停時間較長，施工時間達到9.85 d，期間井壁穩(wěn)定，未發(fā)生井壁掉塊等現(xiàn)象，三開平均井徑擴大率3.2%。

3.3 儲層保護性能好

由于微泡鉆井液中微泡優(yōu)先進入漏層，可有效減少鉆井液漏失，后期測井數(shù)據(jù)表明鉆井液侵入深度0.8～1.6 m。同時，進入地層的微泡隨時間延長可以自行消泡，有利于保護儲層。目前已注氣的22口井單井平均吸氣速率50 萬m3/d，超過注氣預(yù)測值（15 萬～20 萬 m3/d）的1.5～2 倍，注氣效果遠超預(yù)期，充分證明微泡鉆井液具有良好的儲層保護能力。

4 結(jié)論與建議

（1）通過文23 儲氣庫微泡鉆井液技術(shù)攻關(guān)，形成了適合枯竭砂巖型氣藏的微泡鉆井液技術(shù)，有效地解決了枯竭砂巖型儲氣庫建設(shè)過程中的鉆井液技術(shù)難題，大大提高了儲氣能力。

（2）低密度微泡鉆井液體系在文23 儲氣庫三開使用66 口井，其中57 口井未發(fā)生漏失，9 口井在鉆進過程中發(fā)生漏失（通過靜止堵漏、添加隨鉆封堵材料可有效封堵），漏失發(fā)生率13.6%，表現(xiàn)出良好的防漏效果。

（3）通過自主研發(fā)的微泡鉆井液體系核心處理劑，形成的抗溫120 ℃低密度微泡鉆井液體系，對高滲透低壓儲層具有良好的承壓封堵能力、較好的抑制性，能夠有效降低儲層污染。

（4）由于微泡自身粒徑大小的限制，對于大尺寸裂縫及較大孔隙的地層，微泡鉆井液有其性能極限，可通過適量添加隨鉆封堵材料增加其堵漏能力。