可循环微泡钻井液研究及其在乍得潜山地层的应用

罗淮东， 石李保， 左京杰， 史凯娇， 宋举业

（1.中国石油天然气股份有限公司海外勘探开发分公司乍得项目部，北京100007；2.中国石油勘探开发研究院，北京100083；3.中国石油集团长城钻探工程有限公司钻井液公司，北京100101）

可循环微泡钻井液研究及其在乍得潜山地层的应用

罗淮东1， 石李保2， 左京杰3， 史凯娇3， 宋举业3

（1.中国石油天然气股份有限公司海外勘探开发分公司乍得项目部，北京100007；2.中国石油勘探开发研究院，北京100083；3.中国石油集团长城钻探工程有限公司钻井液公司，北京100101）

乍得潜山地层微裂缝发育丰富，地层压力系数在1以下，采用常规钻井液体系往往导致地层发生恶性漏失，针对该技术难题，提出采用可循环微泡钻井液钻潜山储层。合成出一种可用于可循环微泡钻井液的发泡能力强同时具有稳泡能力的发泡剂GWFOM-LS，在120、150 ℃时0.5%GWFOM-LS的发泡体积分别为720 mL和400 mL以上，其抗温能力达到130 ℃，抗盐能力达10%，抗钙能力达0.5%。基于该发泡剂优选出密度范围在0.70～0.96 g/cm3的可循环微泡钻井液体系。该体系在乍得Baobab C1-13井裂缝发育的潜山油层进行了应用。现场应用表明，该发泡剂配制的可循环微泡钻井液性能稳定，而且具有较好的携岩性能和储层保护性能，利于井下工具信号传导，解决了钻井过程中潜山地层恶性漏失问题，为今后潜山储层开发奠定了技术基础。

微泡钻井液；防漏堵漏；发泡剂；乍得

乍得潜山地层属于风化壳地层，裂缝发育丰富，并且呈平行排列分布，多孔隙的地质特征，地层压力系数低，容易出现严重漏失、坍塌等井下复杂问题[1]。以往乍得区块使用常规钻井液钻进的 Baobab C2-2、Baobab C1-16 和 Baobab C1-12 连续3口井在潜山段发生严重漏失，以致井口完全失返，3口井潜山段漏失量分别高达887、3 199和3 230 m3，导致无法正常录井，岩屑无法带出井眼，下钻遇阻等事故。针对使用常规钻井液出现的问题，合成出发泡能力强并有稳泡能力的微泡发泡剂GWFOM-LS，并优选出一种性能好的可循环微泡钻井液，以解决乍得潜山地层低压井漏及油气层损害的技术难题。

1 微泡发泡剂合成及性能评价

同普通泡沫钻井液相比，可循环微泡钻井液对发泡剂的要求更为严格，要求其起泡能力强，而起泡率不需太高，泡沫非常细小均匀且稳定性好[2]。为此室内改性合成出发泡能力强，同时具有稳泡性能的发泡剂GWFOM-LS[2]。

1.1 GWFOM-LS合成工艺

微泡发泡剂GWFOM-LS合成工艺：将聚醚叔胺放入带有搅拌装置的高温高压反应釜中，在搅拌下升温至80～100 ℃，稳定1.5～3 h后，加入定量的磺酸盐搅拌10～15 min，继续升温至120～150 ℃后加入催化剂A，充分搅拌使其反应2～5 h，停止加热，冷却到 50～70 ℃后用 20%NaOH水溶液中和pH值至7.0～7.5，即可得到成品。

1.2 GWFOM-LS的发泡能力和稳定性能

在100 mL淡水中分别加入不同加量的发泡剂，室温下高速搅拌（10 000 r/min）1 min 后，测其性能，结果见表1。

表1 GWFOM-LS加量对发泡与稳定性的影响

由表1可知，随着GWFOM-LS加量的增加，溶液的发泡量增加，当GWFOM-LS加量为0.5%后，发泡量变化不大，趋于平稳。故实验选用GWFOM-LS加量为0.5%。

1.3 GWFOM-LS的抗盐钙污染性能

分别在淡水、4%NaCl及0.5%CaCl2水溶液中加入0.5%的GWFOM-LS配制溶液，取100 mL高速搅拌（10 000 r/min）1 min 后，测试结果见表2。由表2可以看出，GWFOM-LS在盐水、CaCl2水溶液中发泡量与在淡水中发泡量相差不多，说明GWFOM-LS具有较好的抗盐、抗钙能力，在被污染的情况下具有较强的发泡能力及良好的稳定性。

表2 微泡发泡剂GWFOM-LS的抗盐、抗钙能力

1.4 GWFOM-LS与其他发泡剂性能对比

在100 mL淡水中分别加入0.5%的发泡剂GWFOM-LS和Foam-2，在不同温度下测量发泡量与半衰期，结果见图1。

图1 GWFOM-LS与发泡剂Foam-2的抗温性能对比

由图1可知，当温度升高到120 ℃时，GWFOM-LS的发泡体积为720 mL，而Foam-2的发泡体积已降到150 mL，温度为150 ℃时，发泡剂GWFOM-LS的发泡体积仍达到400 mL以上。由此可知，自主合成的发泡剂GWFOM-LS具有良好的抗温能力。

2 可循环微泡钻井液体系性能评价

经过大量室内实验，利用自主合成的GWFOM-LS作为发泡剂，优选稳泡剂、增黏剂及降滤失剂，优选出可循环微泡钻井液体系，配方如下。

（3%～5%）膨润土+（0.2%～0.3%）纯碱+（0.2%～0.5%）XC+（0.1%～0.2%）烧碱 +（0.5%～0.8%）PAC-LV+（0.3%～0.5%）GWFOM-LS

为模拟现场实际的使用工况，测定钻井液性能时采用低速（转速 2 800 r/min）搅拌 10 min 后进行，结果见表3。由表3可知，室内研制的可循环微泡钻井液具有良好的流变性及滤失性能。

表3 可循环微泡钻井液在常温下的性能

2.1 微观形态与气泡粒径分析

使用ALPHAPHOT-2型生物显微镜，对微泡钻井液和普通泡沫钻井液进行了显微分析及粒径分析，见图2、图3。

图2 可循环微泡钻井液粒径分布图

图3 微泡与普通泡沫微观结构对比分析

由图2可知，粒径范围在25～85 μm的微泡含量为78.2%，平均直径为69.3 μm，绝大部分的气泡尺寸在10～100 μm范围内，表明研制的可循环微泡钻井液达到了技术要求，可通过固控系统循环使用。

由图3可以看出，微泡钻井液可产生一种由多层黏膜包裹着的“Aphrons”[3-5]所组成的“微泡”，即非聚集、可循环使用的均匀刚性气核体系。Aphrons 具有独特的结构和尺寸, 典型的Aphrons直径在10～100 μm之间，使用筛网式页岩振荡器或流线型清洁器也不会被清除。同时由于分散性好、彼此之间为点接触，在水力涡流器或高速离心的条件下也能保持原状。微泡体系中泡沫群体以单个悬浮方式存在于体系中，气泡膜之间连接处不存在Plateau边界，成大小不等的圆球体，而普通泡沫大都成六边形，气泡膜之间存在Plateau边界。

2.2 抗压性能

配制密度为0.73 g/cm3的微泡钻井液，利用高温高压钻井液PVT测试仪对钻井液进行不同压力下密度的测定，实验结果见图4。由图4可知，压力增加初期，微泡钻井液的密度从0.73 g/cm3骤然升至0.825 g/cm3，然后随着压力的增加，钻井液密度呈平稳趋势，变化较小，当压力增加到21 MPa时，钻井液的密度仍保持在0.82～0.84 g/cm3之间，说明微泡钻井液具有良好的抗压能力。

图4 可循环微泡钻井液密度随压力变化图

2.3 抗温性能

对研制的可循环微泡钻井液进行抗温性能评价，分别在 80、100、120、130 ℃老化 16 h后进行性能测试，结果见表4。由表4可知，配制的微泡钻井液经过不同温度老化后，钻井液性能变化较小，抗温可达到130 ℃。

表4 可循环微泡钻井液抗温性能评价

2.4 抗污染性能

对可循环微泡钻井液进行抗污染性能评价，在钻井液中分别加入10%盐水、10%劣质土及0.5%Ca2+后进行性能测试，实验结果见表5。由表5可知，配制的微泡钻井液在受到盐、Ca2+及劣质土的污染后，仍具有较好的流变性与降滤失性，抗Ca2+可达到0.5%。

表5 可循环微泡钻井液抗污染性能评价

2.5 抗油性能

对可循环微泡钻井液进行抗油性能评价，选用0#柴油作为污染相，考察不同加量的柴油对微泡钻井液性能的影响，见表6。

表6 可循环微泡钻井液抗油性评价

由表6可知，柴油对微泡钻井液的流变性及滤失性影响较小，随着柴油加量的增加，微泡钻井液性能变化不大，同时半衰期呈上升趋势，说明柴油对微泡钻井液的稳定性影响较小，钻井液具有良好的抗油性。

2.6 堵漏作用

2.6.1 堵漏机理

微泡钻井液在低剪切速率的流动过程中产生很大的阻力，减小原始流体流到地层的量。微泡聚集体能够进一步减小滤失量，是有效控制滤失的一个机理之一。在压差作用下，流体流动时微泡易出现在流体的前缘。在地层内部单个微泡个体桥塞孔喉，微泡聚集体桥堵大的裂缝。这样堵住漏失层，在井筒压力和地层之间建立平衡。若流体性质或井筒压力能够支撑单个微泡或聚集微泡封堵体，那么封堵体将具有整体性和稳定性[5]。

低密度、低液柱压力是微泡钻井液防漏机理之一，依靠低液柱压力形成欠平衡钻进， 可以防止压裂脆弱岩石和闭合裂隙张开，起到防漏作用[6]。微泡钻井液的微泡具有较强的变形能力，可以随着井内压力变化而产生收缩与膨胀，减轻激动压力，减弱激动压力对地层裂隙的进一步扩张，防止漏失的发生[7-9]。

2.6.2 堵漏能力评价

选用人造岩心，利用岩心动态损害污染实验仪，通过岩心流动实验评价钻井液的防漏堵漏效果，实验结果显示，由岩心流动实验得到的微泡钻井液的渗透率（16.5 mD）均远低于标准盐水的渗透率（161.3 mD），说明微泡钻井液具有良好的防漏堵漏作用，有利于钻进过程中井壁的稳定。

3 现场应用

3.1 转化及维护工艺

Baobab C1-13 井 是 位 于 乍 得 Bongor盆 地Baobab区块一口潜山三开油井。井深为1 510 m，二开套管下深1 214.5 m。三开井段为潜山油层裂缝发育丰富，前期钻至该井段时，极易发生失返性漏失。为克服井下漏失，使用可循环微泡钻井液。三开潜山井段钻进施工，配制密度为1.02 g/cm3的基浆并加入发泡剂GWFOM-LS循环，将钻井液调至入口密度为 0.82 g/cm3，出口密度为 0.77 g/cm3，黏度为120 s左右；钻至井深1 269 m因气测值偏高，加入少量HFX-101调整钻井液密度至0.86 g/cm3，钻进至井深 1 341 m 前无漏失。在井深 1 341 m 出现井漏迹象，漏速为4～5 m3/h，此时向循环罐中加入GWFOM-LS降低钻井液密度，漏速逐步下降，将钻井液调至入口密度为0.72 g/cm3，出口密度为0.69 g/cm3时，黏度为 129 s，漏速降为约 1 m3/h ；继续钻进至井深1 510 m完钻，此时钻井液密度升至 0.88 g/cm3，黏度降至 38 s。

可循环微泡钻井液在Baobab C1-13井潜山油层钻进过程中的性能见表7。由表7可知，施工过程中该可循环微泡钻井液性能良好，整个潜山段钻井施工和岩屑返出正常，录井监测及取样正常，解决了该地区潜山段恶性漏失带来的安全生产和地质资料录取问题。

表7 Baobab C1-13井微泡钻井液性能

3.2 应用效果

3.2.1 井径对比

图 5 为 Baobab C1-13 井 与 邻 井 Baobab C1-2三开井径曲线图。由图5可知，Baobab C1-13井使用微泡钻井液进行作业，在钻进过程中三开平均井径为228.7 mm，平均井径扩大率为6.27%。Baobab C1-2井使用常规水基钻井液进行作业，在钻进过程中三开平均井径为235.5 mm，平均井径扩大率为9.2%。通过以上三开潜山段井径曲线和扩大率对比表明，采用研制的微泡沫钻井液较好控制了潜山段井漏问题。

图5 Baobab C1-13井与邻井Baobab C1-2三开井径曲线图

3.2.2 钻井顺利，无漏失

可循环微泡钻井液在Baobab C1-13井潜山油层的应用取得了以下效果。①微泡钻井液携岩能力强，在潜山段钻进、起下钻正常，未发生岩屑沉积造成的起下钻阻卡、下钻不到底等现象，为取芯等作业提供了安全保障；②微泡钻井液性能稳定，滤失量小于5 mL；③良好的防漏堵漏作用，在Baobab C1-13井潜山严重漏失段钻进过程中，通过调整钻井液中泡沫量调整密度，从而减少了井漏情况的发生。

4 结论

1.室内合成的GWFOM-LS，抗温能力达到130 ℃，抗盐达10%，抗钙达0.5%，与其他发泡剂相比，该发泡剂具有较强发泡能力且泡沫稳定。

2.研制的微泡钻井液密度在0.70～0.98 g/cm3范围内可调，体系稳定性良好，抗污染、抗温和抗油性能较强，在钻井过程中具有良好的防漏堵漏作用。

3.微泡钻井液在乍得潜山层Baobab C1-13井现场应用表明，该技术解决了乍得潜山层严重井漏的问题。在钻进过程中，钻井液对井眼清洁效率较高，水马力发挥较好，提高机械钻速，振动筛处不跑钻井液，各项参数满足现场使用的技术要求。

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Recyclable Micro Foam Drilling Fluid: Its Study and Application in Burial Hill Structure in Chad

LUO Huaidong1, SHI Libao2, ZUO Jingjie3, SHI Kaijiao3, SONG Juye3
(1. Chad Project of CNODC, Beijing 100007;2. PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration and Development,Beijing 100083;3. The Drilling Fluid Branch of CNPC Greatwall Drilling Company, Beijing 100101)

The burial hill structure in Chad has micro fractures that are quite developed and the formation pressure coef fi cient is generally less than 1.0. Using conventional drilling fl uids, severe mud losses are inevitable. To avoid mud loss, recyclable micro foam drilling fl uid has been adopted in burial hill drilling. This drilling fl uid was fi rst developed in laboratory with a high performance foaming agent GWFOM-LS, which also was also a foam stabilizer. GWFOM-LS is resistant to high temperature (130 ℃), high salinity(10% NaCl) and high calcium (5 000 mg/L). The micro foam drilling fl uid developed has density adjustable between 0.70 g/cm3and 0.96 g/cm3, and has been used successfully on the well Baobab C1-13 in Chad. The recyclable micro foam drilling fl uid showed stable properties in fi eld applications, good cuttings carrying capacity and reservoir protecting performance, satisfying the needs for safe drilling operation. Electric signal transmission through the foam was satisfactory, and severe mud losses in burial hill drilling were resolved. All these successes have laid a solid foundation for burial hill reservoir development.

Micro foam drilling fl uid; Mud loss prevention and control; Foaming agent; Chad

罗淮东，石李保，左京杰，等.可循环微泡钻井液研究及其在乍得潜山地层的应用[J].钻井液与完井液，2017，34（5）：8-13.

LUO Huaidong, SHI Libao, ZUO Jingjie, et al.Recyclable micro foam drilling fluid： its study and application in burial hill structure in Chad[J].Drilling Fluid & Completion Fluid，2017，34（5）：8-13.

TE254.3

A

1001-5620（2017）05-0008-06

10.3969/j.issn.1001-5620.2017.05.002

国家重大专项“深井超深井优质钻井液与固井完井技术研究”（2016ZX05020-004）。

罗淮东，高级工程师，1971年生，毕业于石油大学（华东）石油工程专业，现在从事钻井液技术研究工作。电话13717707172；E-mail：luohuaidong@cnpcic.com。

2017-4-5；HGF=1704F6；编辑 付玥颖）