微泡鉆井液室內(nèi)研究及性能評(píng)價(jià)

謝建宇，周亞賢，耿曉慧，盧國林，劉光成，郝繼雙

(中原石油勘探局鉆井工程技術(shù)研究院，河南濮陽 457001)

微泡鉆井液是國外一種成熟的新型低密度鉆井液體系，由美國MI鉆井液公司和Acti－Systems公司共同研制［1］。目前，該體系已在北海、委內(nèi)瑞拉西北部和墨西哥灣等地區(qū)老油田低壓地層的數(shù)百口井進(jìn)行了成功試驗(yàn)，結(jié)果表明在易漏失和易發(fā)生壓差卡鉆的低壓層和多壓力層系地層中，微泡鉆井液是最佳體系。微泡鉆井液通過特殊處理劑產(chǎn)生多層膜包裹的微泡，典型的微泡直徑在25～200 μm間，微泡內(nèi)部是一個(gè)球形空氣核。微泡強(qiáng)度高、氣體通透性差，使微泡能承受井底壓力。微泡鉆井液具有密度低，可重復(fù)使用，不受MWD和鉆井液馬達(dá)等井下工具的影響，現(xiàn)場不用添加注入氣體的設(shè)備(壓縮機(jī)及生產(chǎn)和注入氣體的設(shè)備等)，能有效防止低壓破碎、高滲透率砂巖及裂縫性漏失地層漏失、保護(hù)油氣層、降低鉆井成本等優(yōu)勢(shì)［2－4］。國內(nèi)部分石油企業(yè)也開展了這方面的技術(shù)研究工作，并取得了一定的成果［5－7］。筆者從微泡體系形成與穩(wěn)定理論出發(fā)，通過對(duì)起泡劑和穩(wěn)泡劑的優(yōu)選，在室內(nèi)確定了抗溫135℃的微泡鉆井液配方，并對(duì)其進(jìn)行了性能評(píng)價(jià)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試劑與儀器

黃原膠XC，工業(yè)品，中軒生化有限公司;低黏羧甲基纖維素鈉鹽Lv－CMC，高黏羧甲基纖維素鈉鹽Hv－CMC，丙烯酸/丙烯酰胺共聚物80A51，均為工業(yè)品，濮陽誠信鉆采助劑有限公司;聚陰離子纖維素LV－PAC，工業(yè)品，山東得順源石油科技有限公司;丙烯酰胺、環(huán)氧氯丙烷和二甲胺反應(yīng)物與丙烯磺酸鈉、丙烯酸鉀共聚物CPS－2000，自制;丙烯酰胺和2－甲基－2－丙烯酰胺基丙磺酸共聚物PAMS601，自制;起泡劑Foam－1，由甜菜堿型兩性離子主表面活性劑和非離子型輔助表面活性劑組成，自制;十二烷基磺酸鈉AS、辛基酚聚氧乙烯醚OP－10、十二烷基苯磺酸鈉ABS、十二烷基二甲基氧化胺OB－2、椰油酰胺丙基甜菜堿CAB－35，均為工業(yè)品，臨沂蘭山區(qū)綠森化工有限公司;泡沫增強(qiáng)劑FSA－2，小分子胺類化合物，工業(yè)品，萬豐鉆采助劑有限公司;聚胺抑制劑，工業(yè)品，撫順石油化工研究院;CaCl2，NaCl，均為分析純，天津市富宇精細(xì)化工有限公司。

高速攪拌機(jī)、表面張力儀、高溫滾子爐、六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，青島海通達(dá)儀器有限公司;CL－Ⅱ型PVT流體測試儀，荊州創(chuàng)聯(lián)石油科技發(fā)展有限公司;透反射金相顯微鏡，上海光學(xué)儀器一廠。

1.2 評(píng)價(jià)方法

1)泡沫半衰期測定方法

在100 mL水中加入一定量起泡劑或穩(wěn)泡劑，在104r/min下，攪拌1 min，將泡沫漿加入量筒中，記錄泡沫體積，并記錄泡沫體系析出50 mL發(fā)泡基液所用時(shí)間，作為泡沫半衰期。

2)微泡粒徑分布測定方法

將微泡鉆井液樣品均勻鋪在載玻片上，光學(xué)顯微鏡照相后，用專業(yè)圖像分析軟件測量300～500個(gè)微泡的粒徑，微泡粒徑分布計(jì)算公式如下:

式中，F(xiàn)i表示第i區(qū)間中微泡個(gè)數(shù)Ni占全部區(qū)間總微泡個(gè)數(shù)N0的百分?jǐn)?shù);區(qū)間依據(jù)微泡粒徑范圍劃分，如40～60 μm為一個(gè)區(qū)間。

3)頁巖回收率測試方法

取2.0～3.8 mm頁巖在(105±3)℃下烘至恒重，稱取10 g頁巖(G0)放入待測微泡鉆井液中，于135℃下滾動(dòng)16 h，用孔徑0.42 mm篩回收巖心，在(105±3)℃下烘至恒重，測定回收巖心質(zhì)量(G1);再將其放入清水中于120℃下滾動(dòng)2 h，用孔徑0.42 mm篩回收巖心，于105±3℃下烘至恒重，稱取回收巖心質(zhì)量(G2)，頁巖回收率計(jì)算公式:

2 微泡鉆井液配方的確定

2.1 起泡劑

起泡劑加量0.4%，對(duì)不同種類起泡劑的起泡體積、半衰期和表面張力進(jìn)行考察，結(jié)果見表1和圖1。

表1 不同起泡劑對(duì)泡沫性能的影響

圖1 不同起泡劑表面張力隨加量的變化曲線

從表1和圖1看出，F(xiàn)oam－1作為起泡劑體系，發(fā)泡能力強(qiáng)，半衰期長，有利于泡沫穩(wěn)定;在相同加量下，F(xiàn)oam－1起泡劑表面張力最小，有利于起泡。因此，選擇Foam－1作為微泡鉆井液的起泡劑，加量以0.5% ～1.0%為宜。

2.2 穩(wěn)泡劑

穩(wěn)泡劑在微泡鉆井液中能顯著提高液相黏度，延長液膜排液時(shí)間，減弱微泡間碰撞沖擊力，防止微泡破裂，增強(qiáng)微泡穩(wěn)定性。Foam－1加量0.4%，穩(wěn)泡劑加量0.3%，考察不同穩(wěn)泡劑對(duì)起泡體積和半衰期的影響，結(jié)果見表2。

表2 不同穩(wěn)泡劑對(duì)泡沫性能的影響

從表2看出，XC在發(fā)泡時(shí)由于基液黏度大造成起泡體積較小，但其半衰期遠(yuǎn)大于其他穩(wěn)泡劑，穩(wěn)泡效果最優(yōu)。因此，選擇XC作為微泡鉆井液的穩(wěn)泡劑。固定其他條件，考察穩(wěn)泡劑XC加量對(duì)泡沫性能的影響，結(jié)果見表3。

表3 XC加量對(duì)泡沫性能影響

從表3看出，隨著XC加量增加，起泡體積降低，半衰期增加。綜合考慮，XC加量以0.3% ～0.8%為宜。

綜上所述，確定了微泡鉆井液體系最佳配方:(3.0% ～ 5.0%)膨潤土 +(0.5% ～ 1.0%)Foam－1+(0.3% ～ 0.8%)XC+(0.1% ～0.5%)泡沫增強(qiáng)劑 FSA －2+(0.3% ～0.8%)Lv－CMC+(0.1% ～0.3%)聚胺抑制劑。

3 微泡鉆井液性能評(píng)價(jià)

3.1 抗溫性能

按照最佳配方配制微泡鉆井液，在不同溫度下老化16 h后測定鉆井液性能，結(jié)果見表4。微泡鉆井液經(jīng)高溫老化后體系表觀黏度、動(dòng)切力有一定程度下降，但鉆井液密度在高溫老化前后差別不大，表現(xiàn)出良好的抗溫性能，能夠滿足現(xiàn)場需求。

表4 微泡鉆井液的抗溫性能

3.2 抗污染性能

為滿足現(xiàn)場需要，微泡鉆井液經(jīng)污染后在135℃下老化16 h，對(duì)其抗污染能力進(jìn)行考察，結(jié)果見表5。微泡鉆井液分別經(jīng)巖屑粉、水泥石粉、NaCl和CaCl2污染及高溫35℃老化后，泡沫狀態(tài)仍較好，說明微泡鉆井液具有較強(qiáng)的抗污染性能。

表5 微泡鉆井液的抗污染性能

3.3 抑制性能

在微泡鉆井液中加入部分頁巖，考察微泡鉆井液對(duì)頁巖的抑制和防塌性能，結(jié)果見表6。頁巖在清水中回收率僅為2.7%，而微泡鉆井液抑制性能明顯提高，一次頁巖回收率達(dá)90.1%，相對(duì)回收率達(dá)96.2%，可滿足現(xiàn)場要求。

表6 微泡鉆井液的抑制性

3.4 密度特性

微泡具有的特殊結(jié)構(gòu)使其與普通泡沫相比具有良好的抗壓縮性能，這對(duì)微泡鉆井液密度具有重要的影響。因此，利用CL－Ⅱ型流體PVT測試儀在高壓條件下對(duì)微泡鉆井液密度進(jìn)行了考察。

3.4.1 抗壓縮性能

1)溫度和壓力的影響

微泡中空氣隨著溫度升高會(huì)發(fā)生氣體膨脹，會(huì)對(duì)微泡鉆井液的抗壓縮性能產(chǎn)生影響。實(shí)驗(yàn)中，配制密度為0.868 g/cm3微泡鉆井液，不同溫度下考察微泡鉆井液密度隨壓力的變化，結(jié)果見圖2。

圖2 不同溫度下微泡鉆井液密度隨壓力的變化曲線

從圖2看出，微泡鉆井液密度隨著壓力增加而升高。這主要是由于微泡內(nèi)空氣具有可壓縮性，隨著壓力增加，微泡內(nèi)空氣體積減小，造成鉆井液密度升高。同時(shí)，壓力小于3 MPa時(shí)，鉆井液密度上升較快;而隨著壓力進(jìn)一步升高，鉆井液密度上升趨勢(shì)趨于平緩。此外，隨著溫度升高，微泡鉆井液可壓縮性降低。這主要是由于微泡中空氣隨著溫度升高發(fā)生體積膨脹，而此作用力部分抵消壓力對(duì)微泡內(nèi)空氣的影響，導(dǎo)致微泡鉆井液可壓縮性能降低。

2)鉆井液密度的影響

在高壓條件下，微泡鉆井液密度的不同，也使體系的抗壓縮性能產(chǎn)生差異。在80℃下，考察不同密度的微泡鉆井液密度隨壓力的變化曲線，結(jié)果見圖3。

圖3 微泡鉆井液的密度隨壓力的變化曲線

從圖3看出，密度較低的微泡鉆井液可壓縮性較強(qiáng)，密度較高的微泡鉆井液可壓縮性較差。這主要是由于不同密度的微泡鉆井液空氣含量不同，密度較低的微泡鉆井液空氣含量高，從而造成不同密度微泡鉆井液抗壓縮能力的差異。

3.4.2 密度還原性能

密度還原性能是微泡鉆井液一個(gè)重要的特征［8］。利用PVT測試儀考察微泡鉆井液密度隨壓力的變化曲線，結(jié)果見圖4。

圖4 微泡鉆井液密度隨壓力的變化曲線

從圖4看出，在加壓過程中，微泡鉆井液密度逐漸升高;而在減壓過程中，微泡鉆井液的密度又幾乎恢復(fù)至未加壓前的。這主要是由于微泡的特殊結(jié)構(gòu)使其能承受短時(shí)間內(nèi)重復(fù)的加壓和減壓。在加壓過程中，微泡可被適度壓縮;而隨著壓力下降，微泡又逐漸恢復(fù)至原來的尺寸，使微泡鉆井液表現(xiàn)出良好的密度還原特性。

3.5 承壓封堵性能

微泡鉆井液能在不同漏失地層改變尺寸，具有一定的防漏堵漏作用。配制密度0.800 g/cm3微泡鉆井液，在80℃下利用不同目數(shù)的砂床模擬不同孔隙的漏失地層，考察砂床目數(shù)對(duì)微泡鉆井液封堵性能的影響，結(jié)果見圖5。

圖5 砂床目數(shù)對(duì)微泡鉆井液封堵性能的影響

從圖5可看出，當(dāng)砂床目數(shù)為20～40目和40～60目時(shí)，微泡鉆井液的承壓封堵能力可達(dá)20 MPa以上;而當(dāng)砂床目數(shù)在10～20目時(shí)，微泡鉆井液的最大承壓能力僅為3 MPa。這主要是由于砂床目數(shù)越大，形成的孔隙尺寸越小，有利于微泡鉆井液中微泡對(duì)此孔隙的封堵。

4 微泡鉆井液的微觀表征

利用顯微鏡對(duì)配制的微泡鉆井液中泡沫的微觀形態(tài)進(jìn)行觀測，并對(duì)微泡粒徑分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見圖6和圖7。微泡鉆井液中微泡呈不連續(xù)單個(gè)球體分布的狀態(tài)，相互間沒有黏連，微泡粒徑主要分布在50～200 μm間。

圖6 顯微鏡下微泡鉆井液形態(tài)

圖7 微泡鉆井液粒徑分布曲線

5 結(jié)論

1)通過起泡劑和穩(wěn)泡劑的優(yōu)選，確成了抗溫135℃微泡鉆井液配方。

2)制備的微泡鉆井液具有較強(qiáng)的抗溫、抗污染性能及抑制頁巖水化分散效果，同時(shí)體系抗壓縮能力強(qiáng)，并具有良好的密度還原特性，在20～40目砂床中，微泡鉆井液承壓封堵能力達(dá)20 MPa以上，表現(xiàn)出良好的承壓封堵性能。

3)利用顯微鏡對(duì)微泡進(jìn)行了微觀表征，微泡鉆井液中微泡粒徑主要分布在50～200 μm間。

［1］徐江，譚春勤，金軍斌.Aphron鉆井液體系在大牛地氣田的應(yīng)用前景［J］.內(nèi)蒙古石油化工，2009，35(11):129 －130.

［2］鄭秀華，李國慶，王軍，等.可循環(huán)微泡沫及其應(yīng)用［J］.探礦工程，2009，36(增刊1):255 －259.

［3］汪桂娟，丁玉興，陳樂亮，等.具有特殊結(jié)構(gòu)的微泡沫鉆井液技術(shù)綜述［J］.鉆井液與完井液，2004，21(3):44－52.

［4］岳前升，王璽，張順元，等.可循環(huán)微泡沫鉆井液性能研究［J］.石油天然氣學(xué)報(bào)，2011，33(9):123 －126.

［5］張振華.可循環(huán)微泡沫鉆井液研究及應(yīng)用［J］.石油學(xué)報(bào)，2004，25(6):92 －95.

［6］武學(xué)芹，李公讓，唐代緒，等.微泡鉆井液在吐哈油田雁653井的應(yīng)用［J］.特種油氣藏，2004，11(1):60 －63.

［7］張毅，胡輝，高立新，等.三相可循環(huán)微泡沫鉆井液的研究及其在彩南油田的應(yīng)用［J］.鉆井液與完井液，2004，21(1):11－14.

［8］Brookey T.Micro－ Bubbles:New aphron drill－ in fluid technique reduces formation damage in horizontal wells［J］.SPE 39589，645 －656.