川东北地区泡沫钻井井壁稳定技术.pdf

第 2 8卷 第 1 期 2 0 1 1 年1月 钻井液与完井液 DRI LLI NG FLUI D COM PLETI ON FLUI D V0 1 ． 2 8 NO ．1 J a n ．2 01 1 文章编号 1 0 0 1 - 5 6 2 0 2 0 1 1 0 1 - 0 0 0 5 ． 0 3 川东北地 区泡沫钻井井壁稳定技术 王俊涛， 杨景利 胜利石油管理局钻井 一 艺研究 院 ，山东东营 摘要在 分析 川东北地 区上部 陆相地 层井壁 失稳原 因的基础上 ，提 出 了提高 空气可循环泡沫钻 井液 井壁 稳定 能力的 3种技 术，即选用 自行研制的两性 离子表面 活性剂 AC 一 2作为发泡剂 ，当其 浓度 为 0 ． 5 ％ 以上即可满足 气体 泡沫钻 井携液要求 ； 增加析液能力 ，经过析 液的泡沫可将 6 0 ％～ 7 0 ％ 的多余液相分离 ； 选用 自主研发 的井壁稳定 剂 Y J B 一 1 ，提高泡沫基液的抑制性。通过 7口井的现场应用，在提高井壁稳定方面取得了比较理想的效果，为空 气泡沫 钻井技术在川 I 东北地 区应 用提 供 了广 阔前景 。解 决 了川东北 陆相地 层钻 遇水层后的钻进 问题和 井壁 稳定 问 题 ，缩短 了钻 井周期 ，降低 了综合成本。 关键词 泡沫钻井液 ； 井眼稳定 ； 发泡 剂 ； 携液 ； 泡沫析液 ； 抑制剂 中图分类号 T E 2 5 4 ． 3 文献标 识码 A 空气钻井在川东北地 区的陆相地层广泛应用 ， 提 高了机械钻速，但在钻遇含水量较大的地层 时， 由于钻屑吸水导致返出闲难 ， 井筒 内容易形成泥环 ， 钻具扭矩增大，使空气钻井无法继续进行 。为解决 这一难题 ，技术人员研究出了空气可循环泡沫钻井 液技术。2 0 0 7年以前 ，在川 I 东北地区上部陆相地层 实施了该项技术，但经常遇到井壁坍塌等事故 ，限 制 了空气钻井技术的进一步应用。空气可循环泡沫 钻井液因具有密度低 、流变性好 、能反复泵送 、循 环使用 、不需额外添加设备 、经济等特点而获得较 为广泛的应用 [ 1 - 3 ] ，但是在泡沫钻井过程 中，泡沫 流体不能在井壁形成泥饼 ，同时泡沫流体所形成 的 压力又不能平衡地层 的坍塌压力 ，因此在钻井过程 中就要特别地重视井壁稳定问题 l 4 ] 。 1 井壁失稳 原 因分 析 1 地质 冈素 嘲。川 I 东北地 区陆相地层 以泥岩 为主 ，其次是砂岩 。对于泥岩而言，一般局部含有 大量硅质成分 ，其致密 、硬度高 、研磨性很强 、具 有一定 的水敏性 ，但水化程度大都较差。从岩石矿 物成分分析 ，陆相地层 以伊利石为主 ，大约可 以占 7 0 ％～8 0 ％，其次是绿泥石。陆相地层 中黏土矿物 的绝对含量较低 ， 一般不高于 2 0 ％。在黏土矿物中， 伊利石的水化膨胀性仅次于蒙脱石 ， 但分散性较弱， 而绿泥石在高温下的膨胀能力甚至可以达到蒙脱石 的水平 。这表明 ，无论客观环境如何，黏土矿物的 水化效应仍是以泥岩为主的陆相地层井壁失稳的主 要原 因。 2力学因素。川 I 东北地区强烈 的地质构造运 动形成的复杂的高地应力及大地层倾角 ，造成径向 应力失衡引起井壁的不稳定。由于地层应力造成的 井壁失稳一般很难通过提高井壁稳定 的常规方法来 防止，目前 比较有效 的措施包括水泥浆同井 、下技 术套管等方法。 3化学 因素。川东北地 区由于强烈的地质构 造运动所产生的强挤压作用而造成泥 、页岩失去大 部分水分 ，岩石较为干燥 ，从而具有很高的扩散吸 附能力。钻井液 中的水和矿物离子与黏土矿物进行 离子交换并沿径向扩散到泥 、页岩地层 中，从而在 泥 、页岩中产生了膨胀应力 ，使井筒周围的页岩失 去应力平衡 ，从而发生缩径或者井塌。另外 ，泥、 页岩 的层理 与裂隙发育也是化学性井塌 的主要原 因 ，它影 响井 塌 的严重 程度 。 第一作者简 介 王俊涛 ，1 9 7 8年 生，现在 主要从事钻井液相关领域 的技 术研 究工作。地址 山东省东营 市东 营区北 一 路 8 2 7号 油田化学研究所 ； 邮政编码 2 5 7 0 0 0； 电话 0 5 4 6 8 5 0 1 2 9 3； E ma i l ma s t e r l 5 2 8 1 2 6 ． c o m。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 钻 井 液 与 完 井 液 2 01 1年1月 2 预 防井壁失稳 的技术对策 2 ． 1 提高泡沫携水能力 可循环泡沫 中表面活性剂的发泡效率是 该项技 术 的关键 因素，只有使用发泡效率较高的泡沫时， 才能高效地携水 。两性离子表面活性剂具有较强的 抗盐 、抗钙 、耐温等优点 【 6 ] ，因此应选择两性离子 表面活性剂作为发泡剂。室内研制出了一种两性离 子表面活性剂作为可循环泡沫钻井液中使用的发泡 剂 AC 一 2 ，用泡沫携水能力试验装置测定 了不同 浓度下发泡剂的携水能力 ，试验装置示意图如图 1 所示 。 图 1 泡沫携水能力试验装置示意 罔 表 1 不同 AC 一 2 加量条件下泡沫携水能力实验结果 注 携水能 力指在 一定 气体 流量 条件下 ，气 体将 5 0 0 mL上述实验配制 的 0 ． 5 ％ 溶液携带 出容器所消耗的时间。 通 过 上述 实 验发 现 ，两 性 离 子表 面 活性 剂 A C 一 2具有 良好的发泡效率 ， 发泡稳定 ， 携水能力强 ， 且携水能力随泡沫剂加量的增大而增强 ，发泡剂浓 度在 0 ． 5 ％ 以上即可满足气体泡沫钻井携液要求。 2 ． 2 减少人井泡沫液 相含量 室 内研究发现，从微观角度看 ，空气泡沫的干 泡沫和湿泡沫状态有较大的差异 ，其携水能力也有 不同。图 2显示 了干 、湿泡沫的微观结构。在现场 施] _ 中发泡剂在气流作用下形成气泡，受表面作用 力影响，泡沫表面会携带一部分 “ 过剩”的液体， 这部分液体会随气流进入井筒造成液相在井底堆积 而导致井壁失稳 ，同时 “ 过剩”的液体会加速泡沫 的破裂，从而影响发泡剂的发泡效率。受蒸馏过程 原理启发 ， 技术人员在雾泵与井 口间增加一个装置 ， 让 “ 过剩 ”的液体在该装置中分离，从而得到 “ 干 泡沫” 。该装置的结构示意图如图 3所示。 隧 -● a 干泡沫 b 湿泡沫 图 2 f、湿泡沫 的微观结构 液相出口 罔 3 泡沫钻井析液装置示意 图 口 经过处理的泡沫将大量多余 的液相分流，得到 含水相对少的干泡沫，现场应用证明泡沫形成后， 在快速析液区可析出 6 0 ％～7 0 ％ 的液体 ，从而形成 干泡 ， 经过预析液的泡沫既能保留泡沫的携岩能力 ， 又能增加泡沫携带液相的能力，有效降低液相对井 壁的浸泡，从而提高井壁稳定性 。 2 ． 3 提 高泡沫基液抑制性“ l 对于化学性井壁失稳 ，在泡沫钻井过程中应用 配伍性较好的井壁稳定剂是 目前 比较可行的办法。 针对川东北地质特点 自主研 发了一种井壁稳定剂 Y J B ． 1 ，利用 N P 一 0 1 页岩膨胀仪 ，利用川东北陆相 地层岩石粉末 ，按页岩膨胀测试程序对 Y J B 一 1 进行 了相对膨胀率测试实验，结果见表 2 。使用普光地 区上部地层的岩屑，在 1 3 0。 C 下老化 1 6 h 后进行回 收率实验，评价泡沫基液的抑制性 ，结果见表 2 。 从表 2可知 ，Y J B ． 1的抑制效果较好 ，其加量 在 0 ． 5 ％时即体现 出较好 的抑制性 ，且相对膨胀率 ． 一 ． 一 、 ． 0 0 M ， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 8卷 第 1 期 王俊涛等 川东北地 区泡沫钻井井壁稳定技 术 7 随 YJ B ． 1 浓度的提高而降低。从经济和防塌效果考 虑，选用 YJ B ． 1 作为该地区的井壁稳定剂 ，加量为 0 ． 5 ％～ 1 ． 5 ％。岩 屑 回收率 实 验结 果表 明 ，Y J B l 具 有较好的抑制性 ，岩屑回收率高。同时经现场实际 应用证明，YJ B 一 1 具有较好 的抑制性 ，与发泡剂具 有较好的配伍性 ，并适合川 I 东北地区陆相地层。 表 2 井壁稳定剂 Y J B 一 1 的抑制性实验结果 3 现 场应 用 2 0 0 7年以来 ，应用空气泡沫钻井技术成功地解 决 了川东北地 区上部地层空气钻井钻遇水层后 的井 壁稳定 问题 ，通过调整合适 的充气量解决 了大井眼 的携岩问题 ，提高了上部地层 的钻_井速度 ，缩短了 钻井周期 ，降低了综合成本 ，见表 3 。 表 3 泡沫钻 井在川东北地 区的应用情况统计表 截 至 目前 ，在川 I 东北地 区进行 了 7口井 的施 工 ，创 出了泡沫施工井段最长 河飞 2 0 3井 ，进尺 1 3 4 8 ． 5 1 T 1 、钻遇层位最多 大湾 1 0 1 井先后钻遇 下沙溪庙组 、干佛崖组 、 自流井组 和须家河组 、 使用泡沫时问最长 最长达 1 7 d且井壁稳定 、单 井平均机械钻速最高 、泡沫钻穿地层层序最多、日 进尺最高等多项指标。 气体泡沫钻井 的成功应用 ，解决了上部地层 出 水给气体钻井造成 的难题 ，扩大了气体钻井 的使用 范围，较好地解决了泡沫钻井井壁失稳问题 ，同时 增加 了气体钻井的适应性 ，降低了钻井成本 ] 。 4 结 论 1 ． 两性离子表面活性剂 AC ． 2发泡效率大，携 岩、 携水能力强 ， 可用作空气泡沫钻井的泡沫发生剂。 2 ． 析液能够实现泡沫中 6 0 ％～7 0 ％多余液相的 分离 ，得到含水相对少的泡沫，增加泡沫携带液相 的能力 ，降低液相对井壁的浸泡 ，有利于提高井壁 的稳 定性 。 3 ． 自主研发的井壁保护剂 Y J B 一 1 具有较好的抑 制性 ，与川 I 东北地区上部陆相地层具有较好 的配伍 性 ，适合用作 该地区泡沫钻井 的井壁稳定剂。 4 ． 现场应用 7口井 ，解决 了川东北陆相地层钻 遇水层后的钻进问题和井壁稳定 问题 ，缩短 了钻井 周期 ，降低了综合成本。 参 考 文 献 [ 1 ] 张坤 ，秦宗 伦，田岚 ，等 ． 可循环泡沫钻 井液 的再认识 【 J 】 ． 钻采工艺 ，2 0 0 4 ，2 7 4 3 2 3 5 ． [ 2 】 朱宽亮，吴晓红，宫丽，等 南堡油田馆陶组玄武岩井 壁稳定技术 的研究 『 J l l 钻井液与完井液 ． 2 0 1 0 ，2 7 2 1 0 11 ． [ 3 ] 王 富华 ，魏振禄 ，亢连礼 ，等 ． 一种新型钻井 防漏堵漏 剂 的研 究 与应用 ． 钻 井液 与 完井液 ． 2 0 0 6 ，2 3 3 11 1 4． [ 4 1 赖晓睛，申瑞臣，李克华，等 ． 稳定泡沫钻井流体抑 制性 研究 f J ] ． 长江大 学学报 自科 版 ，2 0 0 6 ，3 1 25 28 ． [ 5 1 蔡利 山， 苗锡庆 ， 李应有 ， 等 ． 川东北地 陆相地层井眼 失稳原因分析 l J J ． 石油钻探技术 ，2 0 0 8 ，3 6 6 3 9 4 3 ． [ 6 1 马涛 ，王俊涛 ，缪庆林 ，等 ． 耐盐型表面活性剂在 油田 中的应用 [ J J ． 日用化学品科 学 ，2 0 0 6 1 2 2 5 2 7 ． [ 7 1 杨景利 ，薛玉志 ，张斌 ，等 ． 分 1 井大井眼空气可循环 泡沫钻井液技术 【 J ] ． 钻井液 与完井液 ，2 0 0 7 ，2 4 S O 8 6 8 8． [ 8 1 文 田 ． 川 东北 泡 沫 钻 井 获 得成 功 [ J ] _ 石 油钻 采 工 艺 ， 2 0 0 7， 2 9 3 2 8 ． 收稿 日期2 0 1 0 0 5 1 6 ；HG F - 1 0 0 6 N2 ；编辑王小娜 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m