高性能硬胶泡沫钻井液体系的研究及应用.pdf

第 2 5卷 第 4期 2 0 0 8年 7月 钻 井 液 与 完 井 液 DRI LLI NG F LUI D 8 L CoMPLE T1 0N FLUI D Vo1 ．2 4 NO ． 4 J u l y 2 0 0 8 文章编号 1 0 0 1 5 6 2 0 2 0 0 8 0 4 0 0 2 0 0 3 高性能硬胶泡沫钻井液体 系的研究及应用 黄文红 刘玮 杨 吉祥 1 ． 西部钻探 克拉 玛依钻 井工艺研究院化验 中心 ， 新疆 克拉玛依 ； 2 ． 新疆克拉玛依市三盛公 司第一分公 司 ， 新疆克拉玛依 摘要 硬胶泡沫钻井液不仅具备普通泡沫钻 井液 能提高机 械钻速 、 及 时发现 油气层 的特 点， 还具 有较 强的携 岩能力和抗污染能力。针对欠平衡钻井可能遇到 的高温 、 高浓度盐水地 层和原油污染 问题 ， 优选 出了性能较好 的 2 种增黏剂和稳泡剂， 运用 自主研发 的高效发 泡剂 TS B研 制 出了高 性能硬胶泡 沫钻 井液。室 内实验评 价 了其抗 温 、 抗盐和抗油污染性能。该钻井液在 B J 7 1 6 8和 白2 2井进行 了应用。现场应用 结果表 明， 硬胶 泡沫钻 井液的发泡量 大 、 稳定 时间长 、 抗污染能力强 ， 很 好地 满足 了携岩及井壁稳定 的要求。 关键词 硬胶泡沫钻 井液 钻 井液 配方 钻 井液性能 欠平衡 钻井 现场应用 中图分类号 TE 2 5 4 ． 3 文献标识码 A 随着泡沫欠平衡钻井技术的推广应用 ， 泡沫欠 平衡钻井将面临高温、 含盐地层和原油污染问题 ， 这 些因素将影响泡沫钻井液的起泡性能和稳定性 。运 用 自主研发的高效发泡剂 TS B进行 了硬胶泡沫钻 井液的研究 ， 评价了其抗温 、 抗盐 、 抗油污染性能， 用 其在 2口井实施 了欠平衡钻井。应用效 果表 明， 该 钻井液泡沫性能好， 携岩能力强 ， 提高了机械钻速。 1 室 内实验 1 ． 1 实验配方 以抗温 、 抗盐污染性能为评价指标 ， 自制了高效 发泡 剂 TS B， 并 优选 出 了 2种增 黏剂 和 2种稳 泡剂 ， 用它们 配制 的泡 沫钻 井液 配方 如下 。 1 2 膨润土0 ． 3 增黏剂一 10 ． 5 稳泡 剂一 1 3 T S B 2 2 膨润 土 0 ． 5 增黏 剂一 20 ． 5 稳 泡 剂一 2 2 T S B 3 1 膨 润 土 0 ． 3 增 黏 剂一 1 0 ． 5 稳 泡 剂一 2 2 T S B 4 1 膨润土0 ． 5 增黏剂一 2 0 ． 5 ％稳泡 剂一 1 3 T S B 1 ． 2 泡沫钻井液性能评价 1 ． 2 ． 1 常温 、 8 0℃ 下起 泡性 能 比较 根据地质设计要求 ， 泡沫钻井液的泡沫半衰期 为 2 ～3 h 、 起泡体积大 于 5 0 0 mL即可满足泡沫钻 井的施工要求。比较了不同泡沫在常温 、 8 0℃下的 起 泡性 能 ， 结 果 如表 1 所示 。从 表 1 可 以看 出 ， 随温 度升高， 泡沫起泡体 积略有增大 ， 而半衰期 有所降 低。这是因为在一定温度范围内， 随着温度的升高， 分子间距增大 ， 表面活性剂分子动能增加， 易摆脱水 的束缚逃逸到水面 ， 表面吸附量增 加 ， 表 面张力下 降 ， 发泡能力增 强_ l ； 同时温度较高时 ， 液膜 的水分 蒸发加快 ， 排液速 度加快 ， 因此生成 的泡 沫容易破 灭 ， 而且温度升高时分子运动加剧 ， 导致分子间的作 用力减弱 ， 水化程度降低 ， 且表面活性剂分子排列不 紧密， 则溶液黏度降低， 排液速率加快 ， 泡沫稳定性 下降。尽管如此 ， 当温度为 8 0℃时， 泡沫半衰期仍 能满足施工要求 ， 具有一定的抗温性能。 表 1 不 同泡 沫在 常温 、 8 0℃下的起泡性能 比较 1 ． 2 ． 2 抗水 污 染能 力 增黏剂可 以通过提高泡沫溶液 的黏度 ， 减缓泡 沫 的排液速率从而提高泡沫的稳定性 。 n ．A2 o ％水 第一作 者简 介 黄 文红， 工程 师， 1 9 7 2年生， 现在从事 油田化学专业工作。地址 新疆克 拉玛依 市鸿雁路 8 O 钻 井工艺研 究院化验 中心 ； 邮政编码 8 3 4 0 0 0 ； E - ma i l l e n a y e e 1 2 6 ． c o m。 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 5卷 第 4期 黄 文红等 高性能硬 胶 泡 沫钻 井液体 系的研 究及 应 用 2 1 以后 ， 1 、 2 、 3 和 4 配方的起泡体积分别为 7 8 0 、 7 2 0 、 8 9 0和 8 3 0 mL， 出 液 时 间 分 别 为 3 0 、 3 0 、 3 0和 3 5 mi n ， 半衰 期分 别 为 2 0 5 、 1 4 4 、 9 2和 1 3 5 mi n 。可 以看出， 加入 2 0 水 以后只是泡沫的半衰期略有下 降 ， 因此 泡沫 基 液 有一 定 的抗 水 污 染能 力 。这 是 因 为少量水的侵入 ， 对增黏剂的浓度影响不大 ， 溶液仍 然具有 较高 的黏 度并 保持 相对 稳定 性 。但如 果有 大 量的水侵入就会降低溶液黏度， 从而影 响泡沫 的稳 定性 。 1 ． 2 ． 3抗钻屑 污 染能 力 钻屑侵入泡沫钻井液 中后， 能起一定的稳泡作 用 ， 但会 降低 泡沫 的起 泡能 力。向在 8 0| C下加 热 3 h的泡 沫钻 井 液 中 加 入 5 钻 屑 ， 实验 结 果 见 表 2 。 由表 2可知 ， 泡沫 钻 井液具 有一 定抗 钻 屑污染 能力 。 表 2 泡沫钻 井液的抗钻屑污染实验结果 1 ． 2 ． 4抗 盐水污 染 能力 在 1 0 0 mL泡 沫液 中加 入 3 ． 4 g Na C 1 ， 实 验 结 果见表 3 。与 表 1中不 加盐 的配 方 相 比， 盐 对 1 和 4 。 配方 泡沫 钻井 液 的起 泡能 力 和 半 衰期 影 响 较 小 ， 说 明它们具 有较 强 的抗盐 污染 能力 。 表 3 泡沫钻井液的抗盐水污染实验结果 配方 N a c l 起泡 体积 出液时间 半衰期 g m L m l n m l n 1 3 ． 4 7 60 6 0 2 40 2 3 ． 4 77 O 5 O 1 3O 3 3 ． 4 7 00 4 5 1 4O 4 3 ．4 83 0 5 0 1 60 盐对 泡 沫稳定 性 的影 响主要 与稳 定剂 的分 子结 构 和其 分 子 中 所 含 的基 团有 关 。稳 泡 剂 一 1是 一 种多羟基聚合物 ， 其羟基能与水分子结合形成 空间 网状结 构 ， 增 加泡 沫 薄 膜 的 机 械稳 定 性 ； 另外 ， 增 黏 剂 分子 中 的 羧 基 与 稳 泡 剂一 1分 子 中 的 羟 基 通 过 氢 键和范德华力作用形成更 为稳定的空间网络结构 ， 一 方 面使溶 液黏 度得 到 了较 大 的提 高 ， 降 低 了 液膜 的排液速度 ， 另一方面使泡沫薄膜的机 械强度得到 了提 高 。因此 1 和 4 配 方表 现 出较好 的抗 盐性 。 1 ． 2 ． 5 抗原 油污 染能 力 泡沫在遇到原油后其质量会大大降低 ， 这是因 为原 油 接触泡 沫 后乳 化 成 小 油 珠 ， 在 外 力 和 界 面 张 力 的驱 动下 进入 泡 沫结 构 内 ， 以 不 同形 式 在 不 同程 度 上影 响和 破坏 泡沫 的完 整性 。在 泡 沫钻井 液 中加 入 5 9 ／ 6 原 油 ， 实 验 结 果 见 表 4 。对 比表 1数 据 可 看 出， 被原油污染后起泡体积和半衰期都有所下降。 表 4 泡 沫 钻 井 液 的 抗 原 油 污 染 实 验 结 果 配方 原油 起泡体积 出液时间 半衰期 m I m i n mi n 62 O 45 O 6 1 O 5 9 O 3 O 25 1 5 2 2 1 O O 1 3 O 6 O 75 2 现 场 应 用 2 ． 1 配方设计及配制工艺 在现场配备 2个 4 0 m。的胶液罐 ， 各配有 1个 长杆 泵 、 2台搅 拌 机 和 1个 6 m 的泡 沫 胶 液 罐 ， 配 有 2个搅 拌器 并与 其 中一个 胶 液罐连 接 。在地 面挖 1个 1 0 0 0 m 的 泡沫 钻 井液 回收坑 ， 坑 内备 1台 电 潜 泵 ， 有 胶皮 管连 至其 中一 个胶 液罐 。 在 现 场根 据 井 深 、 空 气压 缩 机 排 量 以及 钻 屑 携 带情况 ， 通过室内实验监测泡沫 的起泡体积和半衰 期 ， 适 时调整 泡 沫 配 方 以保 证 施 工 顺 利 进 行 。通 过 改变发泡剂和增黏剂加量来调整发泡体积 ， 改变稳 泡剂加 量来 调整 泡 沫稳定 时 间 ] 。 2 ． 2 现场应用情况 2． 2 ． 1 B J 71 6 8井 B J 7 1 6 8井 是新 疆 油 田公 司 部 署 在 七 西 区 的一 口采 油井 。该 井 设 计 井 深 为 1 7 7 0 m， 在 三 开 井 段 实施 泡沫 欠平衡 钻 井工 艺技 术 。该井 目的层 为石炭 系 ， 属于 中低孔 、 特 低渗 储集 层 ， 构造 裂缝 较发 育 ， 油 藏类型为不规则裂缝一 孔隙双重介质油藏 。 1 替浆作业 井段 6 7 9 ～1 6 0 3 m 。该井分三 段替浆。第一 和二段用 空气替 浆 ， 气体排 量 为 5 0 m ／ mi n ， 替浆最高立管压力 为 7 ． 8 MP a ， 第三段使 用 泡沫替 浆 ， 最高 立管 压力 为 1 2 ． 2 MP a 。考虑 立 管 压力有超过增压器额定压力的趋势， 现场根据压力 变化 情况 调整 注入 参数 ， 同时调整 泡沫 钻井 液配 方 ， 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 2 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 0 8年 7月 使立 管压 力稳定 在 3 ． 4 MP a ， 排 屑 口返 出连续 泡 沫 。 2 泡 沫钻进 1 6 0 3 ～ 1 8 3 8 m 。正 常 钻进 时 ， 钻 压为 2 0 ～6 0 k N， 转盘转速为 6 0 ～7 0 r ／ rai n ， 气 量为 5 0 m3 ／ rai n ， 液量 为 2 0 0 L ／ rai n 。排 液 口返 出连 续 ， 立 管压力 为 3 ． 5 MP a ， 扭矩 为 1 5 ～2 0 k N m， 泡沫 半 衰 期 为 2 ～3 h ， 泡沫 细密 。在 泡沫 钻进 过 程 中， 根 据 立 管 压力的变化 ， 及 时调 整泡 沫液 配 方 ， 在保 证携 岩 的 同时， 降低泡沫黏度， 使其具有较好流动性 。 3 泡沫钻井复杂情况分析 。泡沫替浆压力过高 的原 因主要 有 ① 在小 井 眼状 态 下 ， 环 空 流 道小 ， 立 管压力更多地受摩阻压 降控制 。而在摩阻压降区 ， 压降对流速较为敏感 ， 这就造成在实际替浆 中， 受设 备状况、 工艺配合的限制 ， 调整气液比到合适 的范围 内较 困难 ； ② B J 7 1 6 8井 现场 配制 的泡 沫 钻 井 液质 量 较好 ， 实际泡沫质量在 8 0 以上 。而根据泡沫质量 与黏度的关系， 在 8 0 质量条件 下， 泡沫黏度相对 达 到高 限 ， 成 为注 替压 力较 高 的另一个 影 响 因素 ； ③ 设计泡沫钻井气量为 5 0 m。 ／ rai n ， 在气量 固定 的前 提 下 ， 注入液 量 的增 加 ， 将 导 致 泡 沫 密 度增 加 ， 从 而 造成较高的井底压力。 2． 2 ． 2 白 2 2井 白 2 2井是位于准噶尔盆地西北缘八 区的一 口 区域探井 ， 设计井深为 4 5 0 0 m， 三开实施泡沫欠平 衡 钻 井工艺 技术 。该 井 目的层 为 二 叠 系 ， 属 于 中 孔 低渗的Ⅲ类较差储层 。 1 第一次钻进 。根据增压器额定工作压力、 井 筒内钻井液密度以及井深等 ， 白 2 2井分 5次完成了 气举替浆及清洗井筒作业 。自井深 3 2 6 5 m开始实 施 泡沫 钻井 。正 常 钻 进 时 ， 钻 压 为 8 0 ～ 1 7 0 k N， 转 盘转速为 6 0 r ／ rai n ， 气量为 5 0 m。 ／ rai n ， 液量为 2 0 0 L ／ rai n ， 钻 时 保 持 在 5 mi n ／ m 以 内 ， 排 屑 口返 出 连 续 。在井深 3 7 5 5 ． 2 0 m钻遇水层， 关井后套管压力 在 3 0 mi n内由 0升 至 l 1 ． 0 MP a ， 开井 泄压 ， 3 0 mi n 出口喷出 1 3 0 m。地 层水 ， 估 算 日产 水超过 1 0 0 0 m 。 ，因此暂停泡沫钻进 ， 采用水基 钻井液进 行压井 及堵漏作业 ， 堵漏成功后挤水泥封堵水层 。 j 2 第二次钻进。挤水泥封堵水层后继续采用泡 沫钻 井工 艺 ， 从 井深 3 3 3 5 m 开 始钻 水泥 塞 ， 钻 至 井 深 3 7 5 2 m 时压 力升 至 7 ． 6 4 MP a ， 返 出 间断时 间变 长， 判断为挤水泥封堵水层失败， 排出口也开始返出 地层水， 转换 为钻井液压井， 结束泡沫钻进。钻水泥 塞时 ， 返 出泡沫 连续 ， 水 泥 石 碎 屑返 出顺 利 ， 但 在 后 期泡 沫变 得细 软 ， 经 检 测 泡 沫起 泡 体 积 为 8 0 0 mL ， 半衰期为 5 0 rai n 。其可能是 因为地层水 和水泥石 的污染 ， 使 泡沫 钻 井 液性 能发 生 改 变 。现场 通 过 及 时调整泡沫配方 ， 使泡沫保持了较强的携岩能力及 稳定 性 。 2 ． 3 应用效果 1 使用泡沫钻井液的过程 中， 井眼清洁 ， 接单 根顺 利 ， 没有 出现 下放 不到 底 的情况 ， 说 明泡 沫钻井 液 携岩 能力 强 ， 能 有效 抵抗 钻 屑污染 ， 无 钻屑沉 积 。 2 B J 7 1 6 8 井泡 沫钻 井 的平 均 机械 钻速 为5 m／ h ， 是 邻井 白 0 1 4井 对应 井 段 平均 机 械 钻 速 的 2 ． 7倍 ； 白 2 2井泡 沫钻 井时 的平均 机 械钻 速 为 l 1 ． 7 0 m／ h ， 比邻井 同层 位对 比机 械钻 速提 高 了 5 ． 7倍 。 3 因地 层水 和水 泥 石 的污 染 ， 在 白 2 2井钻水 泥 塞 时 ， 硬胶 泡沫 钻井 液性 能受 到影 响 ， 但 调 整后配 方 仍具有较强的携带能力 ， 能够满足现场施工要求 。 4 在 泡沫 钻进过 程 中 ， 通 过控 制泡 沫 质量 ， 实现 了降低井筒压力， 评价与发现和保护油气藏的目的。 3 结 论 及 4A , 识 1 ．室 内研 究 确定 的泡 沫 钻 井 液 配 方 满 足 了 现 场施工的要求 ， 除由于钻柱内的结垢物、 挤水泥时稠 物 堵塞缩 小 了单 流 阀 的流 通 通 道 ， 造 成 钻进 过程 立 管压力过高外 ， 在正常钻进过程 中井眼清洁， 返出正 常 ， 说明泡沫基液配方完全合理 。 2 ．通过调整气液 比、 泡沫钻井液黏度、 质量 等 措施， 能有效保证泡沫钻进过程 中立管及井 口返 出 的连续与正常， 实现对 目标层位 的正确评价与发 现 及 保护 油气 藏 的 目的。 3 ．B J 7 1 6 8和 白 2 2井 泡 沫 钻 井 实 践 证 明 ， 泡 沫 作为一种优 良的循环介质 ， 在某些情况下 ， 具有空气 钻 井 尚不具 备 的优 势 。建议 在 今 后 的 工 程 设 计 中 ， 只要地层适合， 应考虑泡沫钻井方案， 将其作为解决 工程复杂的必要手段 ， 降低实施空气钻井 的风险。 参 考 文 献 [ 1 ] 赵 国 玺． 表 面活 性剂 作 用 原理． 中 国轻 工业 出版 社 ， 2 0 03． 1 E 2 ] 董朝霞 ， 吴肇亮 ， 林梅钦 ， 等． 盐浓度对交联聚合 物线 团 形 态 的 影 响 ． 油 田化 学 ， 2 0 0 2 1 8 0 8 4 [ 3 ] 王其伟 ， 周 国华 ， 李向 良， 等． 泡沫 稳定性 改进 剂研 究． 大庆石油地质与开发 ， 2 0 0 3 ， 2 2 3 8 0 8 4 E 4 ] 李丽红 ， 杨万 成 ， 李 玉泉． 欠平衡 泡沫 钻井 液技术 在窿 l 4井 的应用． 钻井 液与完井液 ， 2 0 0 6 ， 2 3 3 8 - 1 1 收稿 日期 2 o o 8 - o 2 2 0 ； HG F 一0 8 4 W2 ； 编辑 汪桂娟 维普资讯 学兔兔 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