三塘湖油田微泡沫防漏钻井液技术研究与应用

房炎伟　杨佳伟　马玉梁　王显国　赵志强

中国石油集团西部钻探工程有限公司



三塘湖油田微泡沫防漏钻井液技术研究与应用

房炎伟杨佳伟马玉梁王显国赵志强

中国石油集团西部钻探工程有限公司

为减少低压地层的井漏问题，室内将优选出的高效起泡剂与稳泡剂、抑制剂、降失水剂、井壁稳定剂等进行配伍，形成了微泡沫钻井液。在微观结构研究中,微泡沫显示了独特的多层膜结构特征，膜强度高，微泡沫在钻井液中分布均匀，可以有效降低钻井液的密度。室内对微泡沫钻井液性能的研究表明，微泡沫钻井液密度低，可以适应高温高压的地层条件，抑制性强，可较大幅度地提高油气层保护效果。在三塘湖油田的应用表明，微泡沫钻井液适用于封堵低压漏失地层，且现场配制简单、易于转化、维护方便，钻井液性能稳定，能够满足钻井工艺的要求，泥浆泵上水正常，应用井段钻井液密度降低到0.95 g/cm3以下，防止了井漏情况发生，减轻了油气层污染，保证了钻井工作的顺利进行。

钻井液微泡沫油层保护防漏

三塘湖油田储层埋藏深度浅，油藏非均质性强，为中低孔低渗、裂缝-孔隙型储层，平均油藏压力系数0.71，属异常低压系统[1-2]。在低压地层钻进过程中，经常发生钻井液严重漏失和压差卡钻，使用普通钻井液体系，产生的过平衡压力是发生漏失和压差卡钻的主要原因[3]。漏失的钻井液进入储层可能会堵塞油气通道，降低油气采收率，也可能破坏井壁的稳定性。若应用充气钻井液或欠平衡钻井技术，可以降低漏失地层的压差，但需要配置价格极其昂贵的设备。因此，通过优选高效起泡剂，并结合三塘湖油田的地质特点，优选钻井液配方，形成了一种适合三塘湖油田的微泡钻井液。该钻井液以水为连续相，表面活性剂、聚合物处理剂通过物理、化学作用自然形成粒径为15～150 μm、壁厚为3～10 μm的类似气囊的微观结构[4]，分散在连续相中形成稳定的气液体系。在现场应用，不需添加注气设备即可实现密度低于1.0 g/cm3，其微泡沫膜强度高，对低压地层封堵作用强，可以有效控制井漏，降低钻井成本。

1　实验部分

1.1实验材料和仪器

实验采用的主要试剂有：起泡剂(F、A21、SJ-6、F871)，抑制剂YFKN，降失水剂MV-CMC，增黏剂(XC、PAC)，井壁稳定剂(SMP-Ⅱ、FT-1)，均为工业级试剂。

主要实验仪器有：Ross-Miles发泡仪、偏光显微镜、SHM-01型钻井液高温高压密度特性模拟试验装置、辊子加热炉、NP-3型智能页岩膨胀仪、高温高压动态损害试验仪、高温高压滤失仪。

1.2起泡剂性能研究

采用倾注法在Ross-Miles发泡仪中对起泡剂进行起泡性能研究[1-2,5]，起泡液为0.4%(w)的水溶液，实验温度为50 ℃，实验结果见表1和表2。实验结果表明，起泡剂A21具有较高的起泡高度，半衰期长，在地层温度下老化和受盐污染的条件下，仍能保持较高的起泡高度，半衰期下降幅度较低。

表1 起泡剂性能评价Table1 Performanceevaluationoffoamagent起泡剂起泡高度/mm半衰期/minF205125A21235139SJ-6210132F871314136

表2 起泡剂地层温度下抗盐实验Table2 Saltresistpropertiesoffoamagentunderformationtemperature起泡剂100℃老化8h后w(盐水)=3.5%起泡高度/mm半衰期/min起泡高度/mm半衰期/minF18287196119A2118895219113SJ-61658119794F87121964232108

1.3微泡沫钻井液的基本性能

室内研究中将起泡剂与稳泡剂、抑制剂、流型调节剂、降滤失剂和井壁稳定剂等调配成微泡沫钻井液。

配方：4%(w)膨润土+0.3%(w)YFKN+1%(w)MV-CMC+0.2%(w)XC+0.1%(w)PAC+2%(w)SMP-Ⅱ+2%(w)FT-1+0.2%(w)A21+0.5%(w)其他材料。

用高速变频无极调速搅拌机以10 000 r/min的速度搅拌20 min，配制成含气泡囊结构的微泡沫钻井液，测定其密度为0.85 g/cm3、塑性黏度为28 mPa·s、动切力为15 Pa、初/终切力为3 Pa/6 Pa、API滤失量为4.2 mL/30min。

1.4微泡沫的微观结构研究

微泡沫钻井液中微气泡的微观结构由气核及外部包裹的多层膜(主要由增黏水层和表面活性剂层构成)组成[4]，使用偏光显微镜放大160倍，其结构如图1所示，微泡沫的直径在10～100 μm左右，微泡沫的液膜厚度与气泡直径相当，泡与泡之间呈分散排列。

微泡沫结构的中心是气核[4]，由内向外依次是增黏水层、表面活性剂层以及处于过渡面间的三层膜结构组成。增黏水层由聚合物水溶液形成，其局部浓度远远高于体相；表面活性剂层由聚合物高分子和表面活性剂组成，浓度从膜外侧向体相逐渐降低，层间的三层膜结构主要使增黏水层、表面活性剂层保持稳定，维持界面张力，从而保持气泡的稳定性。

1.5微泡沫钻井液性能评价

(1) 抗温抗压能力强。微泡沫具有良好的抗温抗压能力和强剪切稀释性能。一般认为，钻井液中的微泡沫在高压下将会消失[6]。室内研究证明，微泡沫在20 MPa、120 ℃条件下仍然存在[4]。采用SHM-01型钻井液高温高压密度特性模拟实验装置对微泡沫钻井液的密度特性研究的结果如图2所示。

微泡沫比气泡结构要复杂得多，在高温高压环境下，钻井液中含有的空气本应该都能溶解在水中，使得钻井液密度接近基液密度[6]，但在微泡沫钻井液中观察不到这种现象。微泡沫钻井液在压力增加至20 MPa时，钻井液的密度仅有微小增加，其原因可能是气泡内的气体在受热膨胀和高压压缩的双重作用下，使得其气泡大小变化不大。同时，由于微气泡液膜的高强度，气泡不易发生聚合变大，抑制了空气进入水外相中，使得体系密度变化不大。

(2) 抑制能力强。为测定微泡沫钻井液对页岩的抑制能力，室内选取三塘湖盆地易水化膨胀的齐古组岩心，利用辊子加热炉进行岩心滚动回收实验，结果如表3所列(岩心在80 ℃下热滚16 h)。实验结果表明，微泡沫钻井液具有更高的滚动回收率。

在页岩膨胀试验中，微泡沫钻井液的页岩膨胀率均低于聚磺钻井液，在浸泡400 min后,微泡沫钻井液的页岩膨胀率低于聚磺钻井液3.5%(见图3)。

表3 岩心滚动回收率实验Table3 Experimentresultsofshalerollrecoveryratio体系滚动前质量/g回收质量/g回收率/%聚磺5042.685.2微泡沫5045.590.1

岩心滚动回收实验和页岩膨胀实验说明，微泡沫钻井液的抑制性强于聚磺钻井液，其原因可能是微泡沫在岩心表层孔喉处堆积，降低了钻井液的侵入深度，且微泡沫液膜的聚合物浓度远高于体相，可能在岩心外层形成了高浓度的聚合物层，提高了抑制效果。

(3) 油层保护效果好。微泡沫对油气层渗流通道的封堵具有自匹配特性[4]，微泡沫的流动速率大于水溶液速率，在进入油气层通道时，体积大的微泡囊进入通道最深，在窄孔喉处被挤压变形，由于贾敏效应产生的附加阻力分解了液柱压力[7-8]，实际作用于最前方气囊的压力很小，液相中的其他微泡沫在压差作用下在通道内非均一堆积，呈“躺金字塔”状[7-8]。微泡沫能够根据储层油气储渗空间的大小和产状，自行调节结构或形状，最大限度地占据储层储渗空间或在井壁内侧形成黏膜层，其封堵不同尺寸渗流通道的自匹配特性，对油气层有较好的保护效果。

微泡沫钻井液对油层的保护效果以岩心渗透率实验和砂床滤失实验进行评价。岩心渗透率实验采用高温高压动态损害试验仪(见表4)。选取三塘湖油田探井马17井西山窑组岩心进行污染实验。实验条件：压差3.5 MPa、温度60 ℃、剪切速率150 s-1、时间4 h。

表4 岩心渗透率实验Table4 Experimentresultsofshalepenetrationratio编号K∝①/10-3μm2K1②/10-3μm2K2③/10-3μm2K恢④/%168.9224.6321.0985.63280.1230.1626.4187.58 注:①K∝为空气渗透率;②K1为污染前油相渗透率;③K2为污染后油相渗透率;④K恢为油相渗透率的恢复率。

在岩心渗透率实验中，微泡沫钻井液侵入岩心不足2 cm，两组岩心的岩心渗透率恢复值都在85%以上。说明微泡沫钻井液对储层伤害小，微泡沫在侵入岩心的过程中被拉伸变形，贾敏效应使得阻力增加[7-8]，对油气层形成封堵。

表5 砂床滤失实验Table5 Experimentresultsofsandbed压力/MPa砂床滤失量/mL砂床进入深度/cm微泡沫聚磺微泡沫聚磺1006.07.32008.09.2300.79.512.0401.510.012.0503.210.512.0

砂床滤失实验采用高温高压滤失仪[9]，把高温高压滤失实验的滤纸换成砂层，使用经清水洗净后烘干的砂子(粒径为0.45～0.9 mm)，砂床铺砂厚度为12 cm；按测试API滤失量的方法，加压测试滤失量和滤液进入砂床的深度，实验温度45 ℃。

砂床滤失实验可直观地反映钻井液对储层的保护效果。由表5可知，当压力增至5 MPa，微泡沫钻井液砂床滤失量仍为0，滤液进入砂床深度10.5 cm，说明微泡钻井液具有较强的封堵作用。

2　现场应用

三塘湖油田西山窑组储层属于异常低压油藏[1-2]，油藏埋深1 326～1 738 m，地层压力系数0.58～0.89，平均0.71；储层特性属于低孔、低渗，孔隙结构很差，以细喉和细孔为主，容易造成水锁[1]；岩性以灰色泥岩为主，夹泥质粉砂岩、砂砾岩。

三塘湖油田注水井采用低密度钻井液开发，二开上部采用聚合物钻井液体系，储层段至完井采用微泡沫钻井液，目的是保护油气层，提高注水开发效果。

2.1现场施工工艺

在现场进行钻井液体系转化前，利用四级固控设备清除钻井液中的有害固相，减少对微泡沫的影响。按配方要求，先加入其他各种钻井液处理剂，调整好钻井液性能；然后在钻进至储层100 m开始，按每循环周100 kg用量均匀加入起泡剂,将钻井液密度降低至0.95 g/cm3左右。

2.2钻井液性能指标及效果

微泡沫钻井液在三塘湖油田注水井应用了8口井(见表6)，测量取样点在钻井液出口管线部位。

在现场应用的8口井中，应用段钻井液密度较稳定且降低至0.95 g/cm3以下，施工过程中水龙带运行正常，泵压较稳定；黏度、屈服值、API滤失指标波动范围不大，基本符合实验室测试数据。说明在现场应用中，钻井液性能较稳定，易于维护。8口井中应用微泡沫井段的平均井径扩大率与全井相比有较大程度减

表6 微泡沫应用井性能指标及效果Table6 Performancesandeffectsofmicro-foamapplicationwell井号密度/(g·cm-3)黏度/sAPI滤失量/mL屈服值/Pa湖63-100.92～0.9578～854.011～12湖65-100.91～0.9472～874.010～13湖81-20.92～0.9571～774.010～11湖83-20.93～0.9572～844.012～15马36-170.93～0.9574～824.012～14马38-190.92～0.9570～784.011～13马42-190.93～0.9572～814.012～14马44-190.93～0.9575～834.012～15平均井径扩大率/%全井应用段测井成功率/%钻井复杂9.215.45100无12.336.73100无6.542.32100无5.910.66100无6.641.34100无8.233.35100无8.668.17100无7.152.48100无

小，测井成功率均达100%，说明微泡沫钻井液具有较强的抑制性，钻井液应用性能与地层的匹配性较强，因而抑制了地层的水化膨胀与井壁的剥落坍塌。

在现场应用的井段均未有井漏等复杂情况发生，原因可能是微泡沫钻井液与油气层之间的压差小，钻井液柱对井底的压力较低，因此显著降低了井漏发生率，低密度的钻井液也有利于减小“压持效应”[10]，有利于提高钻速。

3　结 论

(1) 由于微泡沫的多层膜结构具有较高的稳定性，气泡不易发生破裂和互相聚合导致相分离。在模拟井下温度压力的环境下，钻井液可以保持低密度且较稳定。

(2) 微泡沫钻井液具有较强的抑制性，与聚磺钻井液相比，岩心滚动回收率和抑制页岩膨胀率均较好。

(3) 微泡沫钻井液的岩心渗透率恢复值达到了85%以上，砂床滤失量低于聚磺钻井液，具有较好的油层保护效果。

(4) 现场应用中，微泡沫钻井液密度降低至0.95 g/cm3以下，性能稳定，应用井段平均井径扩大率有较大幅度降低，体现了抑制性强的特点，井漏等复杂情况发生率降低到零，达到了良好的应用效果。

[1] 雍富华, 贾彪, 夏庭波, 等． 可循环微泡沫钻井液技术研究[J]． 吐哈油气， 2004， 9(4)： 349-353．

[2] 刘登峰， 郭建春， 张荣志， 等． 可循环微泡沫钻井液在吐哈油田马703井的应用[J]． 钻井液与完井液， 2005， 27(6)： 34-36．

[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， 2004, 21(3)： 44-52.

[4] 郑立会， 曹园， 韩子轩. 含绒囊结构的新型低密度钻井液[J]． 石油学报， 2010， 31(5)： 490-493．

[5] 程启华． 钻井液用高效起泡剂ZQP的评价[J]． 石油与天然气化工， 2006， 35(1)： 79-80．

[6] 隋跃华， 成效华， 孙强， 等． 可循环微泡沫钻井液体系研究与应用[J]． 钻井液与完井液， 1999, 16(5)： 15-20.

[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， 2005， 25(5)： 47-49．

[8] 赵福， 王平全， 李旭． 微泡沫钻井液Aphron最新进展[J]． 钻采工艺， 2008, 1(1)： 123-124．

[9] 周玉霞， 李小军， 吴振宇． BH油田储层保护技术现场应用效果评价研究[J]． 石油与天然气化工， 2013， 42(6)： 619-623．

[10] 孙金声， 杨宇平， 安树明， 等． 提高机械钻速的钻井液理论与技术研究[J]． 钻井液与完井液， 2009, 26(3)： 1-7．

Research and application of leak prevetion micro-foam drilling fluid in Santanghu oilfield

Fang Yanwei， Yang Jiawei， Ma Yuliang， Wang Xianguo， Zhao Zhiqiang

(CNPCXibuDrillingEngineeringCompanyLimited，Shanshan838200，China)

To solve the problem of well leakage in low pressure reserve, a circulative micro-foam drilling fluid was developed by combining high effective foam agent with foam stabilizer, inhibitor, filtrate reducer and borehole stabilizer. The unique multilayer film structure of micro-foam is made up of one nucleus and two layers and three layers film, and the micro-foam has a high film strength and can be uniformly dispersed in drilling fluid, which can efficiently reduce the density of drilling fluid. The performance evaluation indoors shows that the density of drilling fluid is low, and it is fit for HTHP formation, the rejection capability of drilling fluid is strong, which can effectively enhance reserve protection effect. The applications in Santanghu oilfield demonstrate that the micro-foam drilling fluid is suitable for plugging the low-pressure circulation-lost zones. The drilling fluid is easy to prepare, transform and maintain in field application. The property of drilling fluid is stable, which can meet the requirement of drilling process, and the mud pump works as normal. The drilling fluid density is less than 0.95 g/cm3, which prevents the well leakage and reduces the reserve pollution. It is approved that the micro-foam drilling fluid is helpful for drilling safety and quality.

drilling fluid, micro-foam, reserve protection, leak prevention

房炎伟(1977-),硕士研究生,工程师,2006年毕业于中国石油大学(华东)应用化学专业,现就职于中国石油集团西部钻探工程有限公司钻井工程技术研究院,从事油田化学研究与应用工作。E-mail:fyfy2000@sina.com

TE242

A

10.3969/j.issn.1007-3426.2016.04.011

2015-12-01；编辑：冯学军