微泡沫钻井液技术.pdf

2 0 0 9年 1 O月 第 2 8卷第 5期 大庆石油地质与开发 Pe t r o l e u m Ge o l o g y a n d Oi l fie l d De v e l o pme n t i n Da q i n g 0e t ．．2 0 0 9 Vo l _ 2 8 No ． 5 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ J ． I S S N ． 1 0 0 0 ． 3 7 5 4 ． 2 0 0 9 ． 0 5 ． 0 3 4 微 泡 沫 钻 井 液 技 术 李国庆 王洪军 刘聚廷 李庆会 韩 昌 朱红岩 1 ．大庆油 田有限责任公司钻探工程公司钻井五公 司 ，黑龙江 大庆1 6 3 4 1 2 2 ．大庆油 田有限责任公司井下作业分公司 ，黑龙江 大庆 1 6 3 4 5 8 摘要 微泡 沫钻 井液在储 层保护 、钻井提速和提 高固井质 量方 面 比常规 水基钻 井液有 更大 的优势 ，适 合大 庆外 围 “ 二 三 低”油田和海塔盆地。室内对发泡剂、稳泡剂进行 了筛选，优选了高效复合发泡剂、稳定剂和增黏剂， 将现用钻井液体系转化为微泡沫钻井液体系，并对其抑制性、抗温、抗污染 抗黏土 、抗钙、抗煤油j能力、 油层保护效果 模拟岩心动态污染试验以及微泡沫钻井液防漏、油气层保护、提速机理和微泡沫钻井液流变 特性进行了研究 ，建立了微泡沫钻井液的具体流变模型。现场应用表明该体系配制简单、维护方便、易于转化， 钻井液性能能够满足钻井工艺的要求 ，保证安全快速优质钻井，减轻油气层污染，提高单井产能。 关键词 微泡沫钻井液 ；室 内试验 ；油层保护 ；防漏 ；提速 中图分类号T E 2 4 2 ． 9 文献标识码A 文章编号 1 0 0 0 3 7 5 4 2 0 0 9 0 5 0 2 0 3 - 0 5 APHRoN DRI LLI NG FLUI D TECHNoLoGY L I G u o ． q i n g ，WA N G H o n g - j u n ，L I U J u ． t i n g 。 ，L I Q i n g h u i ，H A N C h a n g ，Z H U H o n g ． y a n 1 ．N o ． 5 D r i l l i n g C o m p a n y o f D a q i n g D r i l l i n gE x p l o r a t i o n E n g i n e e r i n g C o r p o r a t i o n ，D a q i n g O i lfie l d Co mpa n y Lt d．， Da q i n g 1 63 41 2，Ch i n a； 2 ． Do wn h o l e O pe r a t i o n Co mp an y， D a q i n g O i lfie l d C o m p a n y L t d ． ，D a q i n g 1 6 3 4 5 8 ，C h i n a Abs t r a c t Ap h r o n d r i l l i n g flu i d h a s s u p e r i o r i t y i n r e s pe c t s o f p r o t e c t i n g r e s e r v o i r， i n c r e a s i n g d r i l l i n g s pe e d a n d i mpr o v i n g we l l c e me n t q u a l i t y，wh i c h i s n o t r e p l a c e a b l e b y c u r r e n t d r i l l i n g flu i d， a n d i s s u i t a b l e t o t he s p e c i a l d r i l l i n g i n t h e “l o w po r o s i t y，l o w p e r me a bi l i t y a n d l o w p r o d uc t i o n” r e s e r v o i r s a n d Ha i t a Ba s i n i n Da q i n g ． L a b s c r e e n i n g f o r f o a mi n g a g e n t a n d s t a b i l i z i n g a g e nt wa s i mp l e me n t e d，a n d t h e p r e f e r a b l e hi g h- e f f e c t i v e c o mp o s i t e foa mi ng a g e n t ，s t a b i l i z i n g a g e n t a n d v i s e o s i f y i n g a g e n t we r e s e l e c t e d t o ma k e t h e t r a ns f o r ma t i o n f r o m c u r r e nt d r i l l i n g flu i d s y s t e m t o a p h r o n d r i l l i n g fl ui d s y s t e m． S i mu l t a n e o us l y，t h e r e s e a r c h o n a ph r o n d r i l l i n g flu i d wa s ma d e i n r e s p e c t s o f r e j e c t i o n c a p a b i l i t y ， a n t i p o l l u t i o n a n t i c l a y ， a n t i c a l c i u m，a n t i k e r o s e n e c a p a b i l i t y ， r e s e r v o i r p r o t e c t i o n e f f e c t s b y s i m u l a t e d d y n a m i c c o r e p o l l u t i o n t e s t ， a s w e l l a s t h e l e a k r e s i s t a n c e ， h y d r o c a r b o n r e s e r v o i r p r o t e c t i o n，s p e e d i n c r e a s i ng me c h a n i s m a n d r he o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c s ，a nd u l t i ma t e l y a d e t a i l e d r he o l o g i c a l mo d e l for a p hr o n d r i l l i n g flu i d wa s e s t a b l i s h e d．T he fie l d a p p l i c a t i o n i n d i c a t e s t h a t t h e a ph r o n d r i l l i n g flu i d s y s t e m i s e a s y for p r e p e r a t i o n，ma i n t e n a n c e a n d t r a n s f o r ma t i o n，a n d t h e d r i l l i n g flu i d c a n s a t i s f y t h e t e c h n o l o g i c a l r e q u i r e me n t s，e n s u r e t h e we l l d r i l l i n g t o b e s a f e，r a p i d a n d h i g h q u a l i t y，r e d u c e t h e r e s e r v o i r p o l l u t i o n a n d i n c r e a s e t h e s i n g l e we l l 收稿 日期 2 0 0 9 - 0 5 1 8 基金项 目大庆油田4 0 0 0 X 1 0 t 持续稳产配套研究子课题 0 8 1 2 0 1 1 资助。 作者简介 李国庆 ，男 ，1 9 5 9年生，高级工程师，博士，从事钻井技术管理研究。 Em a i l j x l i g q p e t r o c h i n a ． c o rn ． e l l 2 0 4 大庆石油地质与开发 2 0 0 9年 p r o d u c t i v i t y． Ke y wo r ds a p h r o n d r i l l i n g f l u i d；l a b o r a t o r y t e s t i n g；r e s e r v o i r p r o t e c t i o n； l e a k r e s i s t a n c e； s p e e d i nc r e a s i n g 微泡沫钻井液是一种新型 的、可循环使用 的、 成本较低 的低密度钻井液 体系 ，主要优 点是密度 低、屏蔽效果好 、携岩能力强 、润滑性好 ，主要适 用于衰 竭油 藏 、低 压 储 层 和裂 缝 发育 地层 的钻 井_ 1 。微泡沫钻井液在大庆外 围 “ 三低” 油 田和 海塔地区的应用，达到了有效保护储层 、大幅度提 高机械钻速和提高固井质量的 目的。 1室 内研究 1 ． 1发 泡剂 、稳 泡剂优 选 1 ． 1 ． 1微 泡沫钻 井液 对发 泡剂 的要 求 三相微泡沫钻井液体系对表面活性剂的性能有 严格的要求 。要求发泡剂有较高的起泡能力 ，生成 的泡沫必须非常t D t d , 均匀且稳定性较好 ，同时要有 较好的抗盐 、抗钙、抗油污染能力 ，并与现用钻井 液体系有 良好的相容性 。 1 ． 1 ． 2发 泡 剂的评 价 选择国内外常用 的 1 0种发泡剂 ，采用半衰期 法进行评价 ，综合考虑成本及现场发泡的难易程度 和半衰期 ，选择非离子型表面活性剂 A B S和阴离 子型表面活性 剂 S D S作 为转换体 系的复合发泡剂 表 1 。 表 1 发泡剂复配评价 Ta bl e 1 Appr a i s e O i l t he c o m b i na t i on o f f o a m i ng a g e nt 1 ． 1 ． 3稳 泡剂 的选择 选取常用 的 4种稳泡 剂进行实验 ，评价 体系 为 水 0 ． 3 ％稳泡剂 0 ． 3 ％发泡剂。从试验结果 可知半衰期 由高到低 的顺 序是 X CH V C MC P A C 1 4 1 K P A M 表 2 。 表 2 稳泡剂加 量实验 Ta b l e 2 T h e e x p e r i m e n t o f i n c r e a s i n g d o s a g e o f f o a m s t a b i l i z e r 1 ． 2配 方评 价 1 ． 2 ． 1微 泡沫钻 井液基 本性 能 微泡沫钻井液体系配方为 4 ％ ～ 5 ％基浆 0 ． 3 ％N a 2 C O 3 0 ． 2 ％ ～0 ． 3 ％F A 一 3 6 80 ． 5 ％ NH 一 N P AN0 ． 5 ％ S AKH 0 ． 5 ％ S P NH 0 ． 1 ％J N- A 表 3 。抑制性、抗污染评价见表 4 。 十0 ． 5 ％ 发 泡 剂 0 ． 2 ％ X C0 ． 3 ％ 高 黏 C MC 1 ． 2 ． 2油层保护效果评价 表 3 微泡沫钻井液基本性 能指标 Ta b l e 3 Ba s i c p e r f o r m a n c e i n d e x o f a p h r o n d r i l l i n g fl u i d 漓目 2微泡 沫的微观形态评价 液具有很好的油层保护效果 。岩心原始渗透率为 。、 川 。 9 3 ． 41 0 ～ m ，岩心经微泡沫钻井液污染后 ，切 2 ． 1微泡沫的直径分布 割 1 ． 0 c m后测得的岩心渗透率为 8 4 ． 91 0 ～ m ， 微泡粒径为 3 0 8 5 m的微气泡约 占7 4 ％ ； 粒 恢复值大于 9 0 ％。 径大于 1 0 0 m和小于 1 0 m的微气泡仅 占7 ． 6 ％， 第 2 8卷第 5期 李 国庆等 微 泡沫钻井 液技 术 2 0 5 表 4 微 泡钻 井液抑制性、抗污染指标评价 T a b l e 4 T h e i n d e x a p p r a i s e o n r e j e c t i o n c a p a b i l i t y a n d a n t i - p o l l u t i o n c a p a b i l i t y o f a p h r o n d r i l l i n g flu i d 且气泡平均直径为 6 3 m，说明绝大部分气泡直径 为 1 O～1 0 0 m，气泡半径分布窄，体系较均匀。 2 ． 2微泡沫的形态 微 泡沫微 观 评价 是 通 过光 学 显 微 镜 观察 泡 沫的大小 、分 布 及其 均 匀性 来 判 断泡 沫 是 否充 分发 泡 、体 系 是 否稳 定 以及 泡 沫 随时 问 的变 化 关 系。 在 目镜为 1 0倍情况下 ，搅拌了 2 0 rai n后密度 为 0 ． 5 2 g ／ m L的样品在 5 0倍 图 1 a 和 1 0倍 图 1 b 的物镜下微泡沫的形态。 b 图1光学 显微镜下 的微 泡沫形 态 Fi g．1 T he m or ph ol og y of a ph ro n un de r op ti cal mi cr os co pe 可以看到 ，微泡沫的形状为圆形 ，内部为空气 核，外面包有一层液膜 ，按 S e b b a的理论 ，该外壳 是 由内外 2层表面活性剂膜夹增黏水层组成 ，由于 外壳的半径一般可达微泡沫总半径的一半 ，所 以使 得整个泡沫的稳定性非常好 ，不易破灭 。 2 ． 3微泡沫的稳定性 导致微气泡破坏的主要原因是重力排液 ，即液 体 因自身重 力而下降 ，使 液膜变薄 从气 泡顶部 开始 ，液 膜 变 薄 至 一 定程 度 ，导 致 泡 沫 破 裂。 图 2 显微镜照片给出了微泡沫在 5 ra i n和 1 5 rai n后 形态 的变化过程。 a 5 m i n 后的微泡沫 b 1 5 m i n 后的微泡沫 图2微泡 沫静置一 段时 间后形态的变化 Fi g． 2 Mo r phOl Ogi ca l c ha ngi ng of a ph ro n a ft e r a hol di ng t i me 3微 泡沫钻 井液堵漏、油层保护机理 微泡沫钻井液的形成原理主要是利用表面活性 剂产生表面张力 ，以便在微泡形成时能够囊括住微 泡 ，建立起多层泡沫壁结构 ，并且产生界面张力 ， 从而使微泡彼此之间产生一个具有井下桥堵能力的 网络。不仅能够实现钻井液密度的还原 ，而且还能 阻止或延缓钻井液漏进地层 ，避免钻井液的流失以 及对地层 的污染 ，从而能够建立起一个真正的非侵 入的 、近平衡的微环境。 3 ． 1较低 的静液柱压力和 当量循环密度 微泡沫钻井液的低密度减小了井底静压力是其 2 0 6 大庆石油地质与开发 2 0 0 9正 防漏堵漏和油气层保护的基本原理之一 。根据多相 流流体力学知识可知 ，微泡沫体系比纯粹的固液钻 井液体系流动阻力小 ，降低 了钻井液循环系统的压 力损耗 ，尤其是环空压耗的降低 ，使得当量循环密 度降低。 3 ． 2微气泡附加阻力的作用 当微泡沫球体在压差作用下向多孔介质细小裂 缝 内流动时 ，因其不 与岩石发生润湿和变形 的原 因，弯曲界面收缩压产生附加阻力 ，如图 3所示。 图3微泡沫球体流入孔隙及微裂缝时的附加阻力 Fig ． 3 Th e ad di ti o nal res i st a nce wh en a p hro n s p he re fl o wi n g i nt o p o re o r mi cr o fr a ct ur e 附加阻力具有叠加性 ，叠加起的总阻力相当于 漏层承压能力的提高值 ，体现 出堵漏 的能力 △ p 2 1 ／ r i 一 1 ／ r 1 式 1 中 △ p 。 i 为叠加起 的总阻力 ，P a ；r i 和 r 。 分 别为微泡沫小头半径 和大头半径， m； 为表 面 张 力 ，mN ／ m。 3 ． 3微气泡 内部压力作用 当微泡沫钻井液循环到井底时，微泡内包裹的 空气被压缩。随外部压力和温度的增加 ，微泡体积 减小 ，微泡 内部的压力增加 。一旦钻头钻遇衰竭地 层 ，微泡被迫通过低压地层 的孔洞。在那里 ，储存 在微泡 中的一部分能量被释放 ，微泡开始膨胀 ，直 到在气泡 内外壁的压力达到平衡 。 随着被增能的微泡挤入地层孔洞 ，外部 的拉普 拉斯力急剧增加 ，从而引起微泡 的聚集和低剪切速 率黏度 L S R V的增加，由此产生的微环境形成 一 种无 固相的桥 图 4 。 3 ． 4微泡沫钻井液体 系高黏度特性的影响 微泡沫钻井液体系的表观黏度比该钻井液中任 何一种组分的表观黏度高得多，这是由于泡沫流动 时产生界面变形吸收能量，并相互黏滞 ，造成流动 阻力增加的缘故。在渗漏地层狭窄 的孑 L 隙通道 内， 图4微泡 的堵漏 、架桥机理 Fi g． 4 T he s ea l i n g a n d bri d gi ng mec h a ni s ms of a p hr on 微泡沫钻井液体 系表观黏度 随剪切速率降低而增 加，剪切速率越低，增加幅度越大。也就是说微泡 沫在井底一旦遇到低压或裂隙地层 ，剪切速率即会 急速下降 ，但是它的黏度则会很快增加 ，这就是微 泡沫钻井液低剪黏度 L S R V特性 。这一特性加 剧了泡沫的吸附聚集 ，使堵漏效果增强。 3 ． 5微泡堵漏效果评价 模拟渗漏试验是在 Q D． 1型堵漏装置上进行 的 图 5 ，用不同粒径的砂子统一体积制成了 3种规 格的渗漏砂床 。为进行渗漏量对比分析 ，同时进行 了清水 、膨润土钻井液和不同密度的微泡沫钻井液 的对 比测试 。模 拟渗漏试 验压差为 0 ． 6 9 MP a ，测 试结果见表 5 。 图5 Q D一1 型堵漏装置 Fi g ．5 T es ti n g i ns t a11 ati o n QD 一1 fo r b rid gi n g ma te ri al 从测试结果可看出，微泡沫钻井液在渗漏地层 有显著的减少漏失和消除漏失的作用。同一渗漏条 件 渗漏通道相同、渗漏压差相同 ，密度越小， 泡沫越丰富，渗漏量越小。同样的渗漏通道 ，增大 渗漏压差 ，微泡沫钻井液仅增大瞬时渗漏量 ，渗漏 时间反而缩短 ，渗漏很快停止。这说明，微泡沫的 第 2 8卷第 5期 李国庆等微泡沫钻井液技术 2 0 7 表 5 0 ． 6 9 MP a不同钻井液在模拟渗漏砂床 中漏速 mL ／ s Ta b l e 5 Th e p e r c o l a t i o n r a t e o f d i f f e r e n t d r i l l i n g flu i d s i n s i m ul a t e d pe r c o l a t i ng s and be d u nde r 0 ． 69 M Pa 独特性质在堵漏过程中起到了关键作用 。 4微泡钻井液提速机理 4 ． 1降低井底岩屑压持效应 微泡沫钻井 液 比水基 钻井液可降低密度 1 5 ％ 左右，井底压差减小 ，钻屑能及时返出 ，减少 了钻 头的重复切削。 4 ． 2循环压力低 微泡沫钻井液 比纯粹 的固液钻井液体系流动阻 力小 ，降低 了钻井液循环系统 的压力损耗 ，尤其是 环空压耗的降低 ，充分发挥了水动力的作用 。 4 ． 3改变 了钻头、钻具和岩石表面性质 由于发泡剂为表面活性剂 ，它能在钻头 、钻具 和岩石表面吸附 ，形成润滑油膜 ，起到清洁钻头 、 防止钻具泥包的作用。 4 ． 4卓越的携岩能力 可循环微泡沫具有较高的低剪黏度 ，使悬浮和 携岩能力显著增强。它 比纯粹的固液钻井液体系流 动阻力小 ，降低了钻井液循环系统 的压力损耗 ，尤 其是环空压耗的降低。 5现场应用效果 2 0 0 6 --2 0 0 8年先后在 徐家 围子 、五 站、齐 家 北、古龙北 、塔木察格 、他拉 哈 6个 区块 4 O口井 进行了微泡沫钻井液现场 试验 ，钻井 液使用密度 0 ． 9 3～1 ． 1 7 g ／ c m ，比常规水基钻井液降低 1 0 ％以 上 ，平 均 机 械 钻 速 提 高 3 2 ． 4 2 ％ ，固 井 优 质 率 8 9 ． 5 ％，电测一 次成功率 1 0 0 ％ ，已投产 的古 7 2 - 3 4 ． 斜 6 6井 日产油 2 ． 5 2 t ，相对 同平台未应用该技 术施工的古 7 2 3 2 一 斜 6 4井 日产油 1 ． 4 8 t ，单井 日增 油 1 ． 0 4 t ，充分说 明微泡沫钻井液对油气层具有 良 好 的保护作用 。 6结 论 1 发泡剂发泡能力强 ，泡沫细 ，稳定性好 。 稳泡剂对微泡稳定性好 ，半衰期长。 2 现场应用表 明，微泡沫钻井 液具有密 度 低 、悬浮携带能力强 、油层保护效果好 、成本低 、 维护处理简单等优点。 3 微泡沫钻井液用于 “ 三低”油 田的开发 ， 能够提高单井产量 ，开发常规钻井液体系难以动用 的储量。 4 微泡沫钻井 液可 以提 高机械钻速 、提高 固井质量 ，为钻井获得良好 的综合效益。 参考文献 [ 1 ]梁大川 ，蒲晓林 ，赵利 ，等 ．三相微泡沫钻井液体 系研究与现 场应用 [ J ] ．钻采工艺 ，2 0 0 4，2 7 3 8 3 - 8 5 ． [ 2 ]周辉 ，王宝田 ，江智 君 ．提高 可循环泡沫钻井液保护油气层效 果研究 [ J ] ．钻井液 与完井液 ，2 0 0 2 ，1 9 6 2 0 - 2 1 ． [ 3 ]汪桂娟 ，丁玉兴 ，陈乐亮 ，等 ．具有特殊结构 的微泡沫钻井液 技术综述 [ J ] ．钻井液与完井液 ，2 0 0 4，2 1 3 4 4 5 2 ． [ 4]张业 中，张振华 ．可循环微泡沫钻井液体系的研究与性 能评价 [ J ] ．江汉石油学院学报 ，2 0 0 4 ，2 6 2 1 0 3 - 1 0 4 ． [ 5 ]李晓明 ，蒲晓林 ．可循环微泡沫钻井液研究 【 J ] ．西南石 油学 院学报 ，2 0 0 2 ，2 4 6 5 3 - 5 6 ． 【 6 ]张金 山，王卫 国，张斌 ，等 ．可循 环微泡沫钻井液技术研究与 应用 [ J ] ．石油钻探技术 ，2 0 0 5，3 3 1 3 5 - 3 8 ． [ 7 ]蒲晓林 ，李霜 ，李艳梅 ，等 ． 水基微 泡沫钻井液 防漏堵漏原理 研究 [ J ] ．天然气工业， 2 0 0 5， 2 5 5 4 7 4 9 ． 编辑宋铁 星