充气泡沫钻井液在元坝地区陆相地层的应用.pdf
第 3 8卷 第 1期 2 1 0年 7月 石 油 钻 探 技 术 P E F i t I EUM DRI I I 1 NG TECHNI QUE S VO1 .3 8 NO. 4 J “t l 1 . , 2 0 1 0 四川地 区钻 井提 速提 效 专题 d o i 1 0 . 3 9 6 9 / j . i s s n . 1 0 0 1 0 8 9 0 . 2 0 1 0 . 0 4 . 0 1 2 充气 泡沫钻 井液在 元坝地 区陆相地层 的应 用 王文 刚 王 萍 杨景利。 1 .中国石油化工股份有限公司 油 田勘探开发事业部 , 北京1 0 0 7 2 8 ; 2 .中国石化胜利石油管理局 钻井工艺研究院 , 山东 东营2 5 7 0 1 7 摘要 针对川 东北元坝地 区地层硬度大 、 研磨性强、 可钻性差、 用常规钻 井液机械钻速较慢 、 采用 气体钻 井常因 地层 出水无法顺利 实施的情况 , 优选 出了适合 该类地层钻进 的充 气泡沫钻井液 。室内性 能评价试验表 明, 优选 出的 充气 泡 沫 钻 井 液可 以携 带 出地 层 水 和 岩屑 、 抑 制岩 屑 水 化 分 散 。优 选 出的 充 气 泡 沫 钻 井 液 在 元 坝 地 区 4口 并的 上部 可钻性极差的砂泥岩地层进行 了应用 , 结果表明 , 优选 出的充气泡沫钻 井液解 决 了气体钻井钻遇 出水地层无 法实施 、 井壁稳定及大尺寸井眼携岩的问题, 提 高了钻井速度 , 缩短 了钻井周期 , 可以满足元坝地 区陆相地层快速钻进的需要 。 关键 词 泡 沫钻 井 液 ;陆相 地 层 ;发 泡 剂 ;元 坝 地 区 ;元 坝 2 2井 ;元 坝 1 2 3井 中 图 分 类 号 TE2 4 2 . 9 文 献标 识 码 B 文 章 编 号 1 O 。 卜0 8 9 0 2 0 1 O 0 4 0 0 4 5 0 4 App l i c a t i o n o f Ae r a t e d Dr i l l i n g Fl u i d i n Te r r e s t r i a l Fo r m a t i o n i n Yu a nb a Bl o c k W a ng W e ng a n g W a ng Pi n g Ya n g Ji ng l i 1 .De p a r t me n t o f Oi l f i e l d Exp l o r a t i o n Pr o d u c t i o n, S i n o p e c , Be i j i n g, 1 0 0 7 2 8, Ch i n a; 2 .Dr i l l i n g Te c hno l o gy Re s e a r c h I ns t i t ut e, Sh e n gl i Oi l Admi n i s t r at i o n, Si no pe c , Do n gy i ng, S ha n do n g, 2 5 7 0 1 7, Ch i n a Abs t r a c t The f or ma t i o n i n Yu a nba bl oc k i n no r t he a s t e r n S i c hu a n i S ha r d wi t h s t r o ng a b r a s i vi t y a nd p o o r r o c k d r i l l a bi l i t y, a nd c a u s e s s l ow pe ne t r a t i on r a t e us i ng t r a d i t i o na l dr i l l i n g.Ga s dr i l l i n g i s d i f f i c ul t t o u s e du e t o f o r ma t i o n wa t e r p r od uc t i o n. The r e f o r e, a e r a t e d d r i l l i ng f l u i d s u i t e d f or t hi s f o r ma t i o n wa s o pt i m i z e d . The e x pe r i m e n t a l s t u dy s ho ws t ha t t he s e l e c t e d a e r a t e d d r i l l i ng f l u i d c a n t r a n s p o r t f o r ma t i o n wa t e r a nd c u t t i n gs o ut of t he we l l , a nd p r e v e nt t h e s h al e c u t t i n g f r o m h yd r a t i ng a n d s we l 1 . The a pp l i c a t i on o f a e r a t e d d r i l l i n g f l u i d t e c hn ol o gy i n 4 we l l s i n f o r m a t i ons wi t h po or d r i l l ab i l i t y s h ow t ha t i t c a n s ol ve t he p r o b l e m s of f or ma t i o n wa t e r p r o du c t i o n, we l l bo r e s t a bi l i t y a nd c ut t i ng s t r a n s p o r t i n 1 a r ge h ol e s i z e . Th e dr i l l i n g s pe e d wa s i n c r e a s e d an d dr i l l i n g c y c l e wa s r e d uc e d. A1 l t h e s e i n di c a t e t ha t a e r a t e d d r i l l i n g f l u i d t e c hn ol o g y c a n s a t i s f y t he d r i l l i ng r e q ui r e me n t f or u pp e r f or ma t i o n o f Y u a nb a a r e a . Ke y wo r d s f o a m d r i l l i n g f l u i d; t e r r e s t r i a 1 f o r m a t i o n; f o a me r ; Yu a n b a Ar e a ; W e l l Yu a n b a 一2 2; W e l 1 Yu a n ba 一 1 2 3 川东 北元 坝 地 区 上部 地 层 砂 泥 岩 互 层 频 繁 , 硬 度大 , 研 磨性 强 , 可 钻性 差 , 采 用 常 规 钻井 液 钻 井方 式机 械钻 速较 慢 , 而采 用 气体 钻井 常 因地层 出水 , 导 致气 体 钻井 无 法 顺 利 实施 _ 1 ] 。中 国石 化 在元 坝 地 区开展 钻井 提速 以来 , 针 对新 井身 结 构 、 上 部 大尺 寸 井 眼钻 速慢 及地 层 出水 问题 , 优 选 了适 合 该 地 区 上 部地 层 钻进 的充 气 泡 沫 钻井 液 配 方 , 并 在 元 坝 地 区 多 口井 的上 部地 层进 行 了应 用 。 l 充气 泡沫钻 井液配方优选 1 . 1发泡 剂 的优选 1 . 1 . 1 发 泡剂分 子 结构 对 泡沫稳 定性 的影 响 采 用泡 沫 衰 减 法 考 察 泡 沫 稳 定 性 , 所 用 试 验 装 置 如 图 1 所 示 。 图 2为 不 同 发 泡 剂 的 泡 沫 衰 减 曲线 。 从 图 2可 以看 出 , 离子 型 发 泡 剂 AOS和 S DBS 的泡 沫稳 定性 最好 , 其 泡沫 衰减 曲线 有一 近似 平 台 , 离 子 型发 泡剂 的泡 沫半 衰期 要 明显 长于 非离子 型发 泡剂 。这 是 因为离 子 型发泡 剂形 成 的双 层吸 附膜 之 间有排 斥 力 , 阻碍 了液 膜 变 薄 , 使 水 不 易 排 出 , 延 长 了泡 沫 的寿命 。 收 稿 日期 2 O 1 O O 6 0 2 ; 改 回 日期 2 0 1 一 6 一 l 9 作 者 简 介 王 文 刚 1 } 7 2 , 男 . 贵 州 开 阳人 . 1l 【 9 0年 毕 业 于重 庆石油学校钻井_T - 程专业 , 2 O 0 6年取得西南石油 大学石油工程 专业 本科 学历 。 业 务主管 , 工程 师. 主要从事现场技术管理z - 作 。 联 系方 式 0 1 0 5 9 9 6 0 l l 4 , wy c r h w g l 0 0 8 1 2 6 . } 1 1 1 石 油 钻 探 技 术 l 6 O 1 4 0 1 2 0 盲 1 0 0 8 O 6 0 图l 气流法考察泡沫稳定性试验装置 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 t / min 图2 不同发泡剂 的泡沫衰减曲线 1 . 1 . 2 温度对 泡沫稳 定性 的影 响 图 3为温度 对 AO S 。 泡 沫稳定性 的影 响 曲线 。 从 图 3可看 出 , 泡沫 稳定性 随 温度升 高而下 降 。 图3 温度对AOS 泡沫稳定性 的影响 泡沫衰减 曲线。从图 4可以看出, 泡沫稳定性随发 泡剂 质量 分数 的增大先 增强 后减 弱 。从 微观角度 来 讲 , 当液膜 受到 微扰变 形时 , 表面 张力会 表现 出一 定 的“ 修 复” 作 用 。表 面 吸附分子 自低 表面 张力 区域 迁 移至 高表 面张力 区域 , 并 带 动邻 近薄 层 液体 一 起 迁 移 , 使液 膜修 复 。同 时溶 液 中的发 泡 剂分 子 向表 面 扩 散 和吸附 的过程 中 , 也 可 以使 液 膜 的表 面 张 力 复 原 , 但是并 不 能恢复液 膜 的厚度 , 因为这 一过程 没有 溶液 迁移 , 因此 , 依 靠这 一 过 程恢 复 的液膜 , 强 度 和 弹性较差 , 稳定性也较差。发泡剂质量分数小时 , 液 膜的修复主要依靠第一个过程 , 因此形成 的泡沫其 稳 定性 较好 , 当发 泡 剂 的质 量 分 数 增 大 , 超 过 一 定 值 时 , 发 泡剂 分 子 的 扩 散 和 吸 附 速 率加 快 , 第 二 个 过 程 开始 起 主 要 作 用 , 此 时 泡 沫 的稳 定 性 反 而 不 好。另一方面, 发泡剂质量分数增大 , 液膜 中吸附 的发泡剂分子多 , 泡沫 的稳定性得 以提高 , 但 当发 泡剂 的质 量 分 数 超 过 某 一 值 后 , 液 膜 表 面 吸 附 已 近饱 和 , 增 加 的发 泡 剂 分 子 形 成 胶 束 , 对 泡 沫稳 定 性 的贡献 已经很 小 。 图4 不同质量分数AOS 的泡沫衰减曲线 1 . 2泡 沫的携 液与 析液啪 气体 与发 泡 剂 溶 液混 合形 成 泡 沫 的初期 , 泡 沫 液膜携带有较大量的液体, 此时的泡沫为湿泡沫 , 液 膜 中的水 除发 泡 剂 极 性 头 附近 的 结 合水 和 捕 获水 外 , 还含 有大量 自由水 , 在 重 力 及 膜压 的驱 动下 , 自 由水 从 泡沫液 膜 中析 出 , 该 过 程 称为 析 液 。液膜 中 的 自由水彻 底 析 出后 , 泡 沫液 膜 成 为几 十纳米 厚 的 平 面膜 , 此 时的泡 沫为 干泡 沫 。 1 . 1 . 3 发 泡剂质 量分数对 泡 沫稳 定性 的影 响 1 2 . 1 析 液对 泡沫携 液能 力的影 响 图 4为不 同质 量分数 AOS 在 5 5℃温度 下 的 采用 模拟 泡沫钻 井循 环装 置 见 图 5 考 察 泡沫 第 3 8巷 第 l期 王 文 刚等 充 气泡 沫钻 井 液 在 元 坝 地 区 陆相 地 层 的应 用 预 析液对 泡 沫 携 水 的 影 响 。在 模 拟 井 筒 中加 水 前 后 , 通入 未析 液泡 沫 和预 析液 泡 沫时 , 测量 模拟 井 筒 出口处 5 mi n泡沫质量和 2 5 mi n井筒积液体积, 结 果 见表 1 。 图5 模拟泡沫钻井循环装置 从表 1可 以看 出 , 当未 析 液泡 沫 通 人 模 拟井 筒 中时在井 筒底 部 产 生 大 量 积 液 , 而 在 携 水试 验 中 不 能使 预先 加 入 的 1 0 0 mI 水 减 少 , 反 而 使 其 增 加 。 相 反 , 当析 液 的泡 沫 通人模 拟 井筒 中后 , 仅 有少 量 析 液 , 在 携 水 试 验 中 能 够 在 2 0 mi n内将 预 先 加 入 的 1 0 0 mL水 完全 携 出 。将井 底 出水 携 出井外 , 是充 气 泡 沫钻井液 的重 要 功能 之一 。未 析液 泡 沫 和 析液 泡 沫 的携 水试 验 证 明 , 新 鲜 泡 沫在 人 井 过 程 中发 生 析 液 , 不 仅不能将 井 底 的液 体携 出 , 反 而使 井 底 积液 量 增 加 ; 而析液泡 沫则能够 快速有效 地将 井筒 中的水携 出 , 因此人井 泡沫具有较 高干度 是非常必 要 的。 1 . 2 . 2 气速 对 泡沫析 液 和携 液过 程 的影 响 在模 拟 试 验 中还发 现 , 不 同注 气 速 度 对试 验 结 果 有 很大 影 响 。在 气 泡 通 过 液 柱 形 成 泡 沫 时 , 泡 沫 干度 随气 速增 加 而减 小 , 同时 , 单位 时 间 内通过 析液 装置 的析 液 量 增 大 , 充 满 1 0 0 0 mL 模 拟 井 筒 时 间 减小 。 由于泡 沫 是 通 过 自由 扩散 形 成 的 , 因此 在 高气 速 下基 液用 量必 然增 大 , 同时 , 机 械夹 带 的量也 大 大 增 加 。 由于 泡沫 体 运 动 速 度 骤然 降低 , 大 量 自由水 析 出 。因此 未析 液 的 泡 沫 在 通 入井 筒 中后 , 不 但 不 能 及 时将井 筒 的液 体携 出 , 反而 会增 加积 液 , 造 成严 重 后果 。 采用 1 0 0 mL析 液 装 置 进 行 预 析 液 , 然 后 利 用 模 拟 泡沫 钻井 循 环装 置 测 定 携 带 液 体 出井 的 能力 , 结 果 表 明 , 经 过预 析 液 的 泡 沫通 入 井 筒 中能 够 很 快 将 井 下 的积 液携 出 。从 携 液 的角 度 来 讲 , 低 气 速 条 件 下 , 泡 沫很 难将 模拟 井筒 内的水顺 利携 出 , 因此 需 要 较 高 的泡 沫流 动 速 度 。 而在 高 气 速 条 件 下 , 形 成 泡沫 的干度 较低 。因此 泡 沫人 井 前 进 行 预 析 液 , 是 充气 泡 沫钻 井工 艺 中的关 键步 骤 。 1 . 3井壁稳 定保 护 剂研 制 在 泡 沫 流体 或 气 体 钻井 过 程 中 , 特 别 是钻 遇 泥 页岩时 , 时常发生井壁失稳垮塌 , 使钻井 出现复杂情 况 。井 壁失 稳 的重 点 是 泥 页 岩地 层 , 而 泥 页岩 失 稳 最 主要 的 影 响 因素 是 泡 沫 钻 井 液 抑 制 性 差 或 密 度 低 。因此研 制 了 一 种 能 在 井 壁 周 围形 成 憎 水 保 护 膜 、 防止泥 页岩 因 吸水膨 胀垮 塌 、 同时又与 泡沫 配伍 的井壁 稳定 保 护剂 Y J B 一 1 , 以提 高 泡 沫 钻 井 液 的抑 制 性 能 , 解 决井 壁失 稳 问题 。 用 NP 一 0 1页岩膨胀仪 测得 Y J B _ 1相对 于水 的膨 胀 率为 1 9 . 3 , 表 明其 具有 良好 的抑制 防塌 效果 。 用 水 、 0 . 5 YJ B一 1 、 0 . 5 泡沫 剂 0 . 5 YJ B 一 1 及 8 . 0 KC 1 的溶 液浸 泡 岩 心 , 观 察抑 制 防塌效 果 。 观察 发现 , 用 水 和 8 KC 1 溶 液 浸 泡 的岩 心 2 0 mi n 就 开 始散 裂 , 3 h坍 塌 , 而 用 0 . 5 YJ B 一 1溶 液 浸 泡 的岩 心 3 h不 裂 , 1 0 h不 塌 , 而 用 “ 0 . 5 泡 沫 剂 0 . 5 Y J B - 1泡沫 液” 浸 泡 的岩 心 1 0 h不 裂 , 2 4 h不 塌 , 说 明 Y J B 一 1具 有 较 好 的 抑 制效 果 , 同泡 沫 液 配 合使 用其 抑制 防塌效果 更 好 。 1 . 4泡 沫钻 井 液 的配方 及性 能评 价 根 据 川东 北 上 部 地 层 资料 及 地 层 出水 情 况 , 结 合处 理 剂优 选试 验 结 果 , 确 定 充 气 泡 沫 钻井 液 配 方 为 0 . 5 发 泡剂 0 . 5 %Y J B 一 1 o . 1 稳 泡 剂 其 他辅 助 剂 。 1 . 4 . 1 防塌抑 制 性 采用 2 0 0 0型线性膨胀仪测定岩心在去离子水 、 发 泡 剂溶 液和 泡 沫 钻井 液 中浸 泡 1 6 h的 线性 膨 胀 率 , 岩 心 在 去 离子 水 、 o . 5 发 泡 剂 溶 液 和泡 沫 钻井 液 中的线 性 膨胀 率 分 别 为 6 5 、 3 0 . 6 和 1 7 . 8 。 由此 可看 出 , 泡 沫 钻井 液具 有较 好 的抑制 性 , 有利 于 石 油 钻 探 技 术 井壁 稳定 。 1 . 4 . 2 岩屑 滚动 回收试 验 将川 东北 上部地 层 的岩 屑加入 到清 水 、 0 . 5 发 泡 剂溶液 、 0 . 5 Y J B 一 1溶液 、 8 . 0 KC 1 溶液 和 泡沫 钻井 液 中 , 在 1 3 0℃ 下滚 动老 化 1 6 h后 , 测 定 岩屑 回收率。岩屑在清水 、 0 . 5 发泡剂溶液、 0 . 5 Y J B 一 1 溶液 、 8 . 0 KC 1 溶 液 和泡沫 钻井液 中 的回收率 分别 为 8 1 . 1 、 9 1 . 7 、 9 3 . 8 、 9 3 . 2 和 9 7 . 1 。由此 可知 , 泡 沫钻井 液 的回收率较 单剂 的 回收率高 , 说 明 泡 沫钻井 液具有 较好 的抑制 性 。 2 现场应用 2 0 0 7 年 以来 充 气 泡 沫 钻井 液先 后 在 川 东 北 元 坝 地 区元 坝 2 2井 、 元 坝 1 2 3井 、 元 坝 1 2 4井 和元 坝 2 0 5 井 等 4口井 进 行 了应 用 , 取 得 了 良好 的应 用 效 果 , 成 功解决 了地 层 出水 、 井壁 稳定及 大井 眼 的携 岩 问题 , 提 高 了钻 井 速度 , 缩 短 了钻井 周 期 , 降低 了钻 井综合成 本 。充气泡 沫钻 井液在 川东北 上部 大段 的 砂 泥岩互 层 的成 功 应用 , 说 明充 气泡 沫 钻 井 液能 满 足 川东北 上部地 层 的施 工需要 。 2 . 1元坝 2 2井 元 坝 2 2井 是 中 国石 化南 方 勘探 开 发分 公 司在 元 坝地 区部署 的一 口预探 井 , 一 开井 段 由于地 层 出 水 , 井壁曾经 出现过坍塌 , 上部井 眼经过钻井液浸 泡 , 容 易 出现再 次 坍 塌 , 于 是转 换 为充 气 泡 沫 钻井 。 针对该 井实 际情况 , 优化 了钻进 参数 , 将 气体 排量 调 至 2 1 5 m。 / mi n, 钻 压 2 4~2 8 0 k N, 转 速 8 0 r / rai n, 同时优化 了泡 沫基 液 的配 方 , 增 大 了井 壁 稳 定剂 的 加量 , 增强了泡沫基液的抑制性 , 提高了携岩能力。 由井深 1 0 2 6 . O 0 m钻至井深 1 5 4 4 . 9 4 m仅 用时 1 d , 创造 了泡沫钻 井 日进 尺 5 1 8 . 9 4 m 的纪 录 , 平 均机 械 钻速达 4 O . 3 4 m/ h 。后 因工 程故 障 结 束充 气 泡 沫 钻 井 , 转换 为常规钻 井液 钻井 。 2 . 2元坝 1 2 3井 元 坝 1 2 3井为 四川盆 地川东 北 巴中低缓 构造 带 长兴组一 飞仙 关组 2号礁群 异 常体南 边 台缘 滩体上 的一 口评价 井 。该井 所 在 构 造 陆相 地 层埋 深 较 厚 , 侏 罗系上 统地层 以棕 紫 色 泥 岩 、 粉砂 质 泥 岩 间夹 灰 紫 色粉砂岩及 细砂 岩为 主 , 地层 稳定 性差 , 地 层压 力 相对 较低 , 承 压 能力 差 , 易 漏 、 易坍 塌 。剑 门关 组 地 层较硬, 可钻性差 , 研磨性强 , 常规钻井液钻井钻速 慢 。因此 , 该井导 管段 声 6 6 0 . 4 mm 井 眼 采用 空 气 钻井 , 但钻 至井深 4 2 m 时, 由于地层 出水 , 空气钻 井无 法继 续 , 于是 转 换 为充 气 泡 沫钻 井 。该 井 导管 充 气泡沫 钻 进井 段 4 2 ~7 1 2 m, 段 长 6 7 0 m, 纯钻 时 间 1 3 8 . 6 h , 平 均机 械 钻速 4 . 8 3 m/ h , 创 造 了 国内充 气泡沫钻井液 最大井眼 直径 6 6 0 . 4 ra m 施工纪 录。 3 结论 与建议 1 发泡 剂 的性 质 是 影 响 泡沫 稳 定 性 的 首要 因 素 , 离子 型发泡 剂泡 沫 的稳 定 性 要普 遍 高 于非 离 子 型发 泡剂 ; 泡沫 的稳 定 性 随发 泡 剂质 量 分数 的增 大 先增强 后减 弱 ; 温 度升 高泡沫稳 定性 下降 。 2 泡沫 的 于度 对 泡沫 的携水 性 能影 响很 大 , 使 用 预析 液装置 可 以增 大泡 沫 的携 水能力 。 3 充气 泡沫钻 井液具 有 良好 的携 岩携 水 能力 , 能解决气体钻井 出水后 的岩屑携带 问题 , 具有气体 钻井 的高机 械钻速 特性 , 与常规 钻井 液钻井 相 比 , 机 械钻速提高 4倍以上 , 在大尺寸井眼 的钻进 中尤其 能 体现 出其优 越性 。 4 充气 泡沫 钻 井 液 技 术在 元 坝 地 区上部 大段 砂泥 岩互层 的成 功应 用 , 说 明充 气 泡沫 钻井 液 能 满 足该 区块上 部地层 的 钻进需要 。 5 空 气钻 井 过 程 中地 层 出水 容 易造 成 井 下 复 杂 情况及 故 障 , 元坝 地 区上部地 层易 出水 , 因此建 议 元 坝地 区导 眼段直 接 采 用充 气 泡 沫 钻井 , 既 能 保证 施工 安全 , 又 可避 免 因 空气 钻 井 出 水 而导 致 的井 下 复杂 情况 出现 。 参 考 文 献 [ 1 ] 李伟廷. 元坝 1井超深井钻 井技术[ J ] . 石油钻探技术 , 2 0 0 9 , 3 7 2 9 4 - 9 9 . [ 2 ] 陈济峰 , 燕修 良, 高航献. 川东北地区气体钻井实践认识E J ] . 石 油钻探技术 , 2 0 0 9 , 3 7 4 3 9 4 2 . E 3 ] 张克勤. 元坝地 区钻井难题分析与技术对策探讨[ J ] . 石油钻探 技术 , 2 O 1 O , 3 8 3 2 7 3 1 . [ 4 ] 陈济峰 , 李根生 , 万立夫. 川东北地区钻井难点与对策E l i . 石 油 钻探技术 , 2 0 0 9 , 3 7 6 4 8 5 2 . E s ] 侯树刚 , 刘新义 , 杨玉坤. 气体钻井 技术在 川东北地 区的应用 E J ] . 石油钻探技术 , 2 0 0 8, 3 6 3 2 4 2 8 . E 6 ] 王光磊 , 侯健 , 于承朋 , 等. 元坝 1 井 钻井设计 与施 工[ J ] . 石油 钻探技术, 2 0 0 8 , 3 6 3 4 1 4 5 . [ 7 ] L e ml i c h R . A t h e o r y f o r t h e l i mi t i n g c o n d u c t i v i t y o f p o l y h e d r a l f o a m a t l o w d e n s i t y [ J ] . J o u r n a l o f C o l l o i d a n d I n t e r f a c e S c i e n c e。 1 9 7 8. 6 4 1 . 】 0 7 -1 1 0 .