成膜防塌液的室內研究及其應用工藝

摘要

——用于解決氣—液鉆井轉換初期的井壁失穩問題摘　要：氣體鉆井結束后，在替入鉆井液初期，鉆井液中的水相會大量快速地進入地層，引起地層中的黏土礦物吸水膨脹而

——用于解決氣—液鉆井轉換初期的井壁失穩問題

摘　要：氣體鉆井結束后，在替入鉆井液初期，鉆井液中的水相會大量快速地進入地層，引起地層中的黏土礦物吸水膨脹而導致井壁失穩或形成厚濾餅，造成起下鉆遇阻復雜，解決井眼通暢問題需要花費更多的處理時間。為此，提出了氣體介質轉換成鉆井液介質的鉆井初期有效控制井壁失穩新的技術思路——成膜防塌技術。在實驗室內研制了一種由高分子有機物和無機物組成的混合液體，稱之為“成膜液”，并進行了人造巖心浸泡、泥球浸泡、防清水滲透的室內實驗，分別對比考察了巖樣的分散、巖心表面成膜及其防水膜的滲水性能。實驗結果表明：該成膜液能在短時間(10～30s)內在實驗巖心上形成一層光滑致密的防水滲膜，能有效阻止鉆井液中的水相進入實驗巖心的內部，起到了防止黏土水化分散、穩定井壁和有效防止厚泥餅形成的作用。最后分別推薦了氣體鉆井和霧化鉆井的成膜液現場應用濃度范圍及其操作性強的防滲膜“涂抹”工藝方法。

關鍵詞：氣體鉆井鉆井液氣液轉換成膜防塌技術井壁穩定防水滲膜前置液成膜液

An experimental study of a diaphragm anti-sloughing drilling fluid and its application process：A solution to wellbore instability in early-stage gas-liquid displacement

Abstract：After the gas drilling is completed，free water in drilling fluid will flow into the formation rapidly in a large volume after the drilling fluid is pumped downhole．This will cause clay materials to swell，which leads to wellbore instability or the formation of thick mud cakes．Consequently，this will result in complex slacking off，which takes more time to make borehole unobstructed．Therefore，a diaphragm anti-sloughing drilling fluid technology was proposed as a new methodology to effectively control wellbore instability when the drilling fluid is pumped downhole after the gas drilling．A fluid mixture，a so-called film-forming agent，composed of macromolecular organics and inorganics，was developed and such indoor experiments were conducted as artificial core soaking，mud ball soaking and anti water permeability test to investigate and analyze the dispersion of core samples and the permeability of core surface diaphragm and waterproof diaphragm．The experimental results showed that this film-forming agent could quickly form a smooth and strong waterproof film on the surface of laboratory cores within 10 to 30 seconds to effectively prevent free water in the drilling fluid from flowing into the core internal，thus to prevent clay dispersion，borehole instability，and the formation of thick mud cakes．Finally，the field application concentration range of this film forming agent and the“smearing”technique of water-proof diaphragm were also recommended respectively for gas drilling and mist drilling．

Keywords：gas drilling，drilling fluid，gas-liquid replacement，diaphragm anti-sloughing drilling fluid technology，wellbore stability，waterproof diaphragm，pad fluid，foam forming agent

與傳統鉆井液鉆井相比，氣體鉆井具有提高鉆井速度、保護油氣層、降低鉆井綜合成本等優勢，在國內外已越來越廣泛地應用。氣體鉆井結束后，循環介質要由氣體轉換為鉆井液。由于氣體鉆井時，流體柱壓力極低，井眼周圍地層巖石應力得到充分釋放，形成更多的應力釋放縫；加之空氣錘的應用，加劇了井壁上裂縫的形成。與鉆井液鉆井相比，由于氣體鉆井的井壁上沒有濾餅存在，氣體鉆井轉換成鉆井液鉆井時，鉆井液中的水相會快速潤濕干燥的井壁，并沿氣體鉆井形成的裂縫或天然孔縫進入到地層深部，引起地層中的黏土礦物吸水膨脹導致井壁失穩或厚濾餅的形成，造成起下鉆遇阻復雜。無論是井壁失穩還是厚濾餅的存在，都需要花費更多的時間來解決井眼通暢問題，在一定程度上影響了氣體鉆井的總體效果。目前，在氣體鉆井轉換成鉆井液鉆井的過程中采用潤濕反轉防塌技術或替入低失水、強抑制、強封堵鉆井液等，在一定程度上減少了鉆井液中的水相進入地層，對穩定井壁起到了較好的作用^[1-7]。實驗研究的成膜防塌技術，是利用成膜液預先在井壁上形成一層致密的防水滲膜，有效阻止鉆井液中的自由水進入地層，防止水化膨脹引起的井壁失穩和厚濾餅的形成^[8-12]。

1　成膜防塌室內實驗

1．1　實驗方法

1)人造巖心浸泡實驗：用鉆井膨潤土粉在5.0MPa壓制5min制成人造巖心，分別在不同濃度的成膜液中(80℃)進行浸泡成膜，將沒有成膜的原始巖心和成膜后的巖心分別在蒸餾水中浸泡，對比分散情況。

2)泥球浸泡實驗：分別用淡水、濃度100kg／m³的KCl鹽水和霧化基液分別做成泥球在成膜液中(80℃)進行浸泡實驗，對比分析成膜情況。

3)防清水滲透實驗：用水基鉆井液在中壓濾失儀上壓制成滲透性濾餅2塊(模擬滲透性地層)，一塊用成膜液浸泡形成防水滲膜后用清水進行防水滲透實驗，另一塊直接用清水進行防水滲透實驗，對比其清水滲透量。

1．2　實驗結果與討論

1．2．1不同濃度的成膜液的成膜情況

將人造巖心放入不同濃度的成膜液中(80℃)浸泡10s，取出后干燥，觀察成膜情況。不同濃度成膜液中防滲膜的形成情況見表1。

實驗表明：當成膜液濃度達200kg／m³后，巖心在成膜液中浸泡10s就能在表面形成防滲膜(圖1)。因此，從成膜效果和成本考慮，成膜液濃度300～400kg／m³為最優加量。

1．2．2不同浸泡時間的成膜情況

將人造巖心放入濃度為300kg／m³的成膜液中(80℃)浸泡5s、10s、10min和1h，分別取出后干燥，觀察成膜情況，不同浸泡時間成膜液的成膜情況如圖2。

實驗表明：在濃度為300kg／m³的成膜液中，巖心成膜與時間關系不密切。浸泡5s、10s、10min和1h后，巖心上形成的防水滲膜差別不明顯。

1．2．3防水滲膜的清水溶解性實驗

將原始巖心與成膜后的巖心分別放入清水中浸泡24h，原始巖心由于水化分散明顯(圖3)，有防水滲膜后的巖心由于有致密的防水滲膜保護，未出現水化分散現象(圖4)，說明所形成的防水滲隔膜不能被清水溶解。

1．2．4泥球浸泡實驗

模擬井下情況，用濕泥球(淡水泥球、100kg／m³鹽水泥球、霧化基液泥球)在300kg／m³成膜液中(80℃)浸泡，泥球表面在很短時間內形成一層防水滲膜。浸泡24h，均未見明顯開裂現象(圖5)。

1．2．5防清水滲透實驗

用水基鉆井液壓制成滲透性濾餅進行清水滲透性實驗，評價防水滲膜防自由水滲透的效果。實驗結果見表2。

實驗表明：防水滲膜能夠降低50％以上清水滲透量，即能有效阻止水相進入地層，具有較好的防水滲效果。

2　成膜防塌技術的現場應用工藝

2．1　氣體鉆井的成膜現場應用工藝

當氣體鉆井需要轉換為鉆井液鉆井時，可采用2種工藝方法在井壁上“涂抹”防水滲膜。①配制濃度為300～400kg／m³的一定量的成膜液作為前置液，后跟注高性能鉆井液。這就在鉆井液接觸氣體鉆井裸露的井壁前，預先在井壁上“涂抹”了1層防水滲膜。②在氣體鉆井結束后，將濃度為300～400kg／m³成膜液作為霧化基液，通過霧化泵和氣體增壓機注入井下，預先在井壁上“涂抹”1層防水滲膜，隨后再替入鉆井液。

上述2種工藝方法我們認為都有效，并且現場容易實現。

2．2　霧化鉆井的成膜現場應用工藝

對于地層出水的井，當實施霧化鉆井時，同相有2種工藝方法在井壁上“涂抹”防水滲膜。①在霧化基液中加入300～400kg／m³的成膜液。因此，在整個霧化鉆井中，井壁上就被連續不間斷地“涂抹”上防水滲膜，防止霧化鉆井過程中井壁失穩。②如果考慮成本的可接受性，在霧化鉆井過程中，也可采用在井壁上間斷“涂抹”防水滲膜的工藝方式，即：將配制好的濃度為300～400kg／m³的成膜液儲存于獨立的罐中存放。正常鉆井時，每鉆進100～150m注入6～8m。成膜液；每次短程起下或起鉆時，注入6～8m³成膜液。成膜液注入排量推薦為2～8L／s。

3　結論與建議

1)針對氣體鉆井后替入鉆井液進行介質轉換初期井壁失穩的原因^[1^，3，13]，提出了解決井壁失穩的技術新思路——成膜防塌技術，即在井壁上形成一層致密的防水滲膜，有效阻止鉆井液中的水相進入地層，起到穩定井壁的作用。

2)實驗表明研制的成膜液在人造巖心表面能快速成膜，具有較好的防清水滲透效果。

3)成膜液既可作為氣體鉆井后轉換鉆井液鉆井時的前置液，也可作為霧化鉆井中的霧化基液。

4)推薦成膜液的濃度為300～400kg／m³。

5)針對氣體鉆井和地層出水后的霧化鉆井，推薦了現場可操作性強的防滲膜“涂抹”工藝方法。

參考文獻

[1]鄧虎，楊令瑞，陳麗萍，等．氣體鉆井井壁穩定性分析[J]．天然氣工業，2007，27(2)：49-51．

DENG Hu，YANG Lingrui，CHEN Liping，et al．Analysis on well-bore stability during gas drilling[J]．Natural Gas Industry，2007，27(2)：49-51．

[2]蔣祖軍，張杰，孟英峰，等．氣體鉆井井壁穩定性評價方法分析[J]．天然氣工業，2007，27(11)：68-70．

JIANG Zujun，ZHANG Jie，MENG Yingfeng，et al．Analysis on the methods used to evaluate the wellbore stability of gas drilling[J]．Natural Gas Industry，2007，27(11)：68-70．

[3]鐘英，崔茂榮，梁毅，等．空氣鉆井中氣液合理轉換時機和井壁失穩原因及對策[J]．內蒙古石油化工，2008，34(20)：146-148．

ZHONG Ying，CUI Maorong，LIANG Yi，et al．The reasonable transference time of gas-liouid and causes of well bore instability and strategy in air drilling[J]．Inner Mongolia Petrochemical Industry，2008，34(20)：146-148．

[4]苗錫慶，張進雙，蘇長明，等．氣體鉆井轉換鉆井液井壁穩定技術[J]．石油鉆探技術，2008，36(3)：29-32．

MIAO Xiqing，ZHANG Jinshuang，SU Changming，et al．Enhancing welibore stability by gas-liquid drilling fluids replacement in gas drilling[J]．Petroleum Drilling Techniques，2008，36(3)：29-32．

[5]許期聰，魏武，葉林祥，等．氣體鉆井快速轉換為常規鉆井的鉆井液技術[J]．天然氣工業，2009，29(5)：75-77．

XU Qicong，WEI Wu，YE Linxiang，et al．Converting gas drilling to conventional drilling within short time[J]．Natural Gas Industry，2009，29(5)：75-77．

[6]孫長健，張仁德，漆林，等．氣體鉆井轉換鉆井液保持井壁穩定技術[J]．鉆采工藝，2010，33(2)：15-16．

SUN Changjian，ZHANG Rende，QI Lin，et al．Enhancing wellbore stability technique while mud system transformation in gas drilling[J]．Drilling&Production Technology，2010，33(2)：15-16．

[7]張坤，伍賢柱，李家龍，等．“三低”水基鉆井液防塌技術在四川超深井中的應用[J]．天然氣工業，2008，28(1)：79-81．

ZHANG Kun，WU Xianzhu，LI Jialong，et al．Application of anti soughing technique by“three low indexes”water base drilling fluid in ultradeep well of Sichuan Basin[J]．Natural Gas Industry，2008，28(1)：79-81．

[8]孫金聲，汪世國，張毅，等．水基鉆井液成膜技術研究[J]．鉆井液與完井液，2003，20(6)：6-10．

SUN Jinsheng，WANG Shiguo，ZHANG Yi，et al．Study on membrane generating technology of water-based drilling fluids[J]．Drilling Fluid＆Completion Fluid，2003，20(6)：

6-10．

[9]白小東，蒲曉林．水基鉆井液成膜技術研究進展[J]．天然氣工業，2006，26(8)：75-77．

BAI Xiaodong，PU Xiaolin．Evolution of membrane forming technology of water-based mud[J]．Natural Gas Industry，2006，26(8)：75-77．

[10]鄢捷年．鉆井液工藝學[M]．東營：石油大學出版社，2001．

YAN Jienian．Drilling fluid technology[M]．Dongying：Petroleum University Press，2001．

[11]MODY F K，TARE U A，TAN C P，et al．Development of novel membrane efficient water based drilling fluids through fundamental understanding of osmotic membrane generation in shales[C]//paper 77447-MS presented at the SPE Annual Technical Conference and Exhibition，29 September 2 October 2002，San Antonio，Texas，USA．New York：SPE，2002．

[12]WANG Lan，MA Guangchang，LIU Bin，et al．Probe on anti-sloughing film-forming drilling fluid technology to be used when drilling medium changed to drilling fluid during gas drilling[C]//paper l55681 presented at the SPE Asia Pacific Drilling Technology Conference，9-11 July 2012，Tianjin，China．New York：SPE，2012．

[13]孟英峰，嚴俊濤，沈華，等．華北NDl區塊氣體鉆井地層適應性評價[J]．天然氣工業，2013，33(5)：86-91．

MENG Yingfeng，YAN Juntao，SHEN Hua，et al．Assessment of formation adaptability in gas drilling in Block NDl，North China[J]．Natural Gas Industry，2013，33(5)：86-91．