可循环微泡沫钻井液的防塌机理及应用研究.pdf

第 2 7卷 第 4期 2 0 1 0年7月 钻井液与完井液 DRI LLI NG FLUI D C0M PLETI ON FLUI D Vl0 1 ． 27 NO． 4 J u l y 2 01 0 文章编号 1 0 0 1 。 5 6 2 0 2 0 1 0 0 4 0 0 0 7 0 3 可循环微泡沫钻 井液的防塌机理及应用研究 徐加放 ， 邱正松 ， 何群 1 ． 中国石油大学 华东 石油T程学院，山东青岛 ； 2 ． 长城钻探物资公司，天津 摘 要微 泡沫钻井 液是 有效解决 井漏 的钻 井液体 系之一 ，但其 稳定井壁 的效果有待验 证，并成为 了是否选择 微泡沫钻井液施工的关键 因素之一。总结提出了微泡沫钻井液稳定井壁的7种作用机理，实验对比研究了常规水 基钻井液与微泡沫钻井液的稳定井壁效果。结果表明，微泡沫钻井液的井壁稳定能力较常规水基钻井液更强，为 现场 施工选择微 泡沫钻 井液提供 了理论 基础和 实验依据 。成功 的现场 试验表 明，微 泡沫钻 井液不仅可 以有效 防止 井壁坍塌、井漏等复杂事故，还可提高钻井速度、保护油气层、节约钻井成本。 关键 词徽泡沫钻 井液 ；防塌 ； 井眼稳定 ；防止地层损 害 中图分类号 T E 2 5 4 - 3 文献标 识码 A 中国绝大多数油 田存在低压裂缝发育地层 ，存 在如网状 、垂直 、单斜和水平等多种裂缝 ，裂缝主 要发育在砂泥岩互层 和纯泥岩等大段不稳定强水敏 性泥岩 。部分地层压力系数低 ，用过平衡压力钻进 极易产生诱导性裂缝 ，引起井漏 【 1 ] 。另外 ，随着油 田的开采开发 ，油藏压力越来越低 ，使用常规钻井 液往往会造成油气储层 的严重损害。微泡沫钻井液 的研究 和应用部分解决 了上述问题 ，但在使用微泡 沫钻井液时井 眼液柱压力较低 ，能否为井壁提供足 够的有效支撑并防止井壁坍塌 ，有时会成为是否选 择微泡沫钻井液 的关键 [ 2 ] 。总结提 出了微泡沫钻井 液稳定井壁的作用机理 ，实验对 比研究 了微泡沫钻 井液与水基钻井液防止井壁坍塌 的效果 ，为现场施 工选择微泡沫钻井液提供 了理论基础和实验依据 。 1 微泡沫钻井液防塌机理 1 阻缓压力传递机理。微 泡沫钻井液 中的泡 沫可以阻缓钻井液液柱压力向地层传递 ，从而减缓 泥页岩内部孔隙压力的增加 [3 - 7 ] 。 2贾敏 J a mi n n效应 。微 泡沫在 向地 层渗 透的过程中 ，在孔 隙喉道处被捕集 ，由于贾敏效应 的叠加作用而大大增加 了泡沫钻井液 向地层流动的 阻力 ，防止钻井液继续 向地层渗透／ 漏失 ，减少了地 层泥页岩水化作用。 3低滤失量 机理。一般情况下 ，微泡沫钻井 液的滤失量较普通水基钻井液更低 ，可以减小滤液 对井壁的浸泡作用 ，从而降低泥页岩的水化效应。 4吸附成膜 机理 。微泡沫钻井液 中含有大量 起泡剂和稳泡剂 ，绝大多数起泡剂和稳泡剂都是具 有强 吸附基团的表面活性物质 ，可以在地层表面吸 附成膜 ，且吸附基团往往为亲水基团 ，朝向钻井液 的一端为憎水端 ，防止 了泥页岩与钻井液的进一步 接触 ，抑制了泥页岩的水化。 5 低表面张力机理 。大量表面活性剂在液 固 界面浓集降低了水和泥页岩的界面张力，降低了泥 页岩的表面能 ，抑制了泥页岩的表面水化。 6活度平衡机理。泡沫钻井液 自由液相 的活 度可 以控制在较低范 围内， 低于地层孔隙流体活度 ， 从而使流体向井眼流动 [3 ,6 1 。 7负压脱水机理 。微泡沫钻井液 密度低 ，液 基金项 目 山东省 自然科学基金 Y2 0 0 6 F 6 6 、中石油重点科技攻关项 目 0 5 B 2 0 3 0 1 0 0 、中海油重点科技攻关项 目 J S KF 2 0 0 7 Y J 0 0 1 0 o 第一作者简介 徐加放，副教授，博士，1 9 7 3年生。地址 山东省青岛经济技术开发 区长江西路 6 6号中国石油大学 华 东 石油工程学院 ；邮政编码 2 6 6 5 5 5；电话 l 3 9 5 3 2 l 0 9 4 0 ／ 0 5 3 2 8 6 9 8 l 1 9 0； E ma i l x j i a f a n g u p c ． e d u ．c n 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 1 0年 _ j碍 柱压力小于地层孔 隙压力 ，地层流体 向井 眼流动 ， 从而使地层泥页岩脱水 ，去水化。 2 实验 验 证 2 ． 1 压力传递实验 钻井液滤液和压力 向地层的传递造成钻井液对 井壁有效支撑应力的降低 ，是泥页岩井壁产生水化 失稳的首要 因素 ] 。利用 S H M 泥页岩水化力学耦 合模拟实验装置 ， 对所选岩样进行 了压力传递实验 ， 根据式 1 计算不同钻井流体在泥页岩中的渗透率。 1 L ‘ 庀 三一 嘉斋 ㈩ △ 式中 为流体黏度 ，m P a S ； 为流体静态压缩率 ， 4 ． 5 X 1 0 a t m。 。 ； 为下游管路体积 该S HM仪约为 1 2 ． 5 7 c m ； ， 为岩样长度 ，c m； A为岩样横截面积 ， c m ；△f 为时间差 ，S ； P m 为上游流体压力 ，P a ； P。 为孔 隙压力 ，P a ； 尸 『 n 、 为岩样下端 时刻压力 ，P a 。 其实验过程为 用地层水饱和岩样 ，恢复岩样原始 地层 含水 状态 ； 进行地层水／ 岩样地 层水 作用下的 压力传递实验 ，测定泥页岩的渗透率 ； 配制微泡沫 钻井液 ，然后进行压力传递实验 。测得地层水 、水 基钻井液 1 和微泡沫钻井液 2 的渗透率分别为 8 ． 91 0 ～、5 ． 6 2 1 0 和 3 ． 3 6 1 0 p m 。可以看出， 微泡沫钻井液具有较好 的阻缓压力传递作用 ，能使 泥页岩渗透率明显下降。钻井液配方如下。 1 4 ％膨 润土浆 0 ． 3 ％KP AM 3 ％S D 2 0 2 3 ％ S D． 1 0 2 1 ％ S D． 20 3 2 0 --2 ％ J 澎润土浆 0 ． 9 ％Z NJ 0 ． 4 ％S DP ． 1 0 ．5 ％S DP - 2 2 ． 2 可视砂床 滤失实验 用水基钻井液和微泡沫钻井液进行可视砂床滤 失实验 ，结果见表 1 。结果表明 ，微泡沫钻井液阻 止钻井液 向地层侵入的能力很强，泡沫在贾敏效应 作用下，可明显降低钻井液的侵入量和侵入速度。 表 1 砂层滤失实验结果 砂粒粒径为 0 ．2 8 ～ 0 ． 4 5 mm 2 ． 3 水活度实验 由于泥 页岩渗透率极 低 ，可 阻止部分离子通 过而起到半透膜作用。因此 ，在一定条件下 ，可以 通过调整钻井液类型和钻井液水活度改善半透膜效 率，使化学渗透压部分抵消水力压差引起的压力传 递和滤液侵入作用 [ 4 - 7 ,9 ] ，甚至使地层水流 向井 眼内 部 ，促进井壁稳定 ，即水活度差诱导的 “ 化学反渗 透” 。利用 No v a s i n a活度仪 瑞士生产 测得地层水 、 水基钻井液和微泡沫钻井液的水活度分别为 0 ． 9 8 5 、 0 ． 9 4 3和 0 ． 8 5 7 。实验结果表明 ，微泡沫钻井液具有 比常规钻井液更低的活度 ，根据活度平衡原理 ，其 可以诱导地层流体向井眼流动，提高井壁稳定性 。 2 ． 4膨胀 、分 散实验 实验对 比了某油 田易坍 塌地层岩心分别在水 、 水基钻井液和微泡沫钻井液中的膨胀和分散实验 ， 结果如表 2所示。实验结果表明 ，微泡沫钻井液具 有更好的防止泥页岩膨胀和分散的性能。 表 2 膨胀、分 散实验结果 试液 线性膨胀率 h ／ ％ 线性膨胀率 ／ ％ 回收率／ ％ 2 ． 5 微泡沫钻井液井底有效压力 随着井深增加，压力增大，微泡沫钻井液中的空 气会迅速被压缩，使其密度不断升高，但不会高于 常规钻井液，且由于上部井段微泡沫钻井液的低密度 使井底有效应力远低于常规钻井液。利用 ML T泡沫 钻井液密度特性模拟实验装置研究了微泡沫钻井液 的密度随温度、压力的变化，结果见图 I 。编制了微 泡沫钻井液密度与井眼压力预测和计算软件 ， 见图 2 。 p／ MP a 图 1 微泡沫钻井液密度随温度 、压力 的变化 初始密度为 0 ．7 g ／ c m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 7卷 第 4期 徐加放等 可循环微泡沫钻井液的防塌机理及应用研 究 9 图 2 微泡沫钻井液密度 与压 力计 算程序 3 现 场 应 用 微泡沫钻井液在 中国的成功应用实例较多 ，比 较典型的有吉林油 田的海砣子地区和中海油天津分 公司的绥中地区。 吉林 油 田是 典型 的低压 裂缝发 育油 田，下部 地层裂缝分布井段较长 ，普遍裂缝发育 。该油 田在 勘探开发过程 中施工难度大 ，造成部分井被迫提前 完钻 ，无法钻达 目的层 ，损失 巨大 ，严重阻碍 了吉 林 油 田勘探 开发进度 ，制 约 了吉林 油 田的产能建 设 。例 如 ，海 2 3井从 井深 1 4 6 1 m开 始井漏 ，钻 至井深 1 6 7 7 ． 0 7 m 由于井漏严重被迫提前完钻 ，共 漏失 7 8 0 m 钻井液 ； 海 2 8井漏失 2 1 0 3 6 0 m 钻井 液 ， 堵漏失败被迫提前完钻。微泡沫钻井液在 哈 3 4 5 、海 3 1 、海 3 2 、任 8 7 5等多 口井进行了现场施 工 ，结果表 明， 微泡沫钻井液不仅成功防止 了井漏 ， 保护 了油气层 ，而且井壁坍塌和井下事故复杂明显 少 于常规水 基钻井液。以海 3 1 井 为例 ，该井使用 微泡沫钻井液钻至井深 1 5 7 1 m时 ，井 口钻井液密 度为 0 ． 9 0 g ／ c m ，黏度为 9 0 ～ 1 3 0 S ，发生失返性钻 井液漏失 ，从井 口反灌 钻井液 1 0 mi n后井 口见 钻 井液返出，停泵井 口液面下降 ，第 2次灌钻井液 3 mi n后有钻井液返出，停泵后钻井液液面下降减缓 。 第 3次反灌钻井液 1 mi n后返 出。用 4号罐配制桥 堵钻井液 ，加 1 ． 5 t 桥塞和 1 ． 0 t 迪塞尔 ，采用 边钻 边堵 的方法钻进 ，此次漏失 8 0 m 钻井液 ，泵压为 2 ～4 MP a ， 边钻边发生渗漏 ， 漏速约为 5 ～ 1 0 m。 ／ h 。 同时补加桥塞 、迪塞尔堵漏剂进行堵漏与防漏 。在 井深 1 7 0 7 m处渗漏现象消失 ，此时钻井液密度为 0 ． 9 1 g ／ c m ，黏度为 1 2 0 S 。完钻起钻前 电测处理钻 井液 ， 加消泡剂消泡 ， 提高钻井液密度为 1 ． 0 8 ～ 1 ． 1 0 g ／ c m ，黏度为 7 0 ～8 0 S ，滤失量 为 4 ． 5 mL 。起 钻 正常 ，没有发生井壁坍塌问题 ，电测一次成功。 渤 海湾地 区 的潜 山构造带 多数属 于风化壳 地 层 ，地层裂缝发育较好 、多孔隙，且压力系数较低。 用 常规 的钻井 液钻井 容易 出现漏 失等井下 复杂问 题 ，一旦发生漏失将会造成钻井液成本 的大幅增加 和储层伤害，并且海洋钻井成本高 、平台面积有限、 后勤供应不及时 ，一旦发生严重井漏 ，后果相当严 重。微泡沫钻井液在 S Z 3 6 1 S 一 1 井 的成功应用 ，不 仅解决了井漏 、井壁不稳定等问题 ，而且钻井速度 也有较大程度提高，大大节约了钻井的综合成本。 4 结 论 1 ． 总结 提 出了微泡沫钻井液稳定井壁的 7 种作 用机 理 。 2 ． 实验对 比研究了常规水基钻井液与微泡沫钻 井液的稳定井壁效果 ，结果表 明，微泡沫钻井液的 井壁稳定能力较常规水基钻井液更强 。为现场施工 选择微泡沫钻井液提供了理论基础和实验依据 。 3 ． 现场试验结果表 明，微泡沫钻井液不仅可以 有效防止井壁坍塌 、井漏等复杂事故 ，还可提高钻 井速度 ，保护油气层 ，节约钻井成本 。 参 考 文 献 [ 1 ] 王在 明，邱正 松 ，徐 加 放 ，等 ． 复合堵 漏平 衡 区域 及 其在新型堵漏仪 中的应用 【 J ] ． 石油学报 ，2 0 0 7 ，2 8 1 1 4 3 1 45． [ 2 】 杨 振杰 ． 井 壁失 稳机 理和几 种新 型防塌 泥浆 的 防塌机 理文献综述 [ J ] ． 油田化学，1 9 9 9 ，1 6 2 1 7 9 1 8 4 ． [ 3 ] 邱正松 ，徐加放，吕开河，等 ． “ 多元协同”稳定井壁 新理论 [ J ] ． 石油学报 ，2 0 0 7 ，2 8 2 1 1 7 - 1 1 9 ． [ 4 ] C h e n e v e r t M E ． C h e mi c a l s h r i n k a g e p r o p e r t i e s o f o i l fi e l d c e me n t s [ R ] ． S P E 1 6 6 5 4 ， 1 9 9 1 3 7 4 3 ． [ 5 ] 徐加放 ，邱正松，吕开河 ． 泥页岩水化 一 力学耦合模拟 实验装置与压力传递实验新技术 石油学报 ，2 0 0 5 ， 2 6 6 1 1 5 - 1 1 8 ． [ 6 ] 徐加放 ，邱正松 ． 泥页岩水化 一 力学耦合模拟实验装置 的研制 [ J ] ． 中国石油大学学报 自然科学版 ，2 0 0 6 ， 3 0 3 6 3 6 6 ． [ 7 】 徐加放 ，邱正松，秦涛，等 ． 泥页岩压力传递特性的实 验研究 f J ] ． 石油钻探技术 ，2 0 0 4 ， 3 2 1 2 3 ． 2 5 ． f 收稿 日2 0 1 0 - 0 2 - 0 4 ；I NDF 1 0 0 3 W4 ；编辑 汪桂娟 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m