氣體鉆井抗油防塌穩(wěn)定泡沫的研制

摘 要

摘要：針對目前所使用的充氣泡沫體系抑制性和抗油性不強等缺點，從泡沫基液出發(fā)，開展了氣體鉆井抗油防塌穩(wěn)定泡沫的研究。通過對起泡劑、穩(wěn)定劑、抑制劑的評價和篩選，優(yōu)選出了抗油
摘要：針對目前所使用的充氣泡沫體系抑制性和抗油性不強等缺點，從泡沫基液出發(fā)，開展了氣體鉆井抗油防塌穩(wěn)定泡沫的研究。通過對起泡劑、穩(wěn)定劑、抑制劑的評價和篩選，優(yōu)選出了抗油性能強、抑制效果好、穩(wěn)定周期可調(diào)范圍寬的各種處理劑，并采用正交實驗方法完成了配方優(yōu)化實驗，形成了以非離子表面活性劑QP-1為發(fā)泡劑、KCl為抑制劑、CMC為穩(wěn)定劑的抗油防塌泡沫體系。綜合性能評價表明：該體系抑制性強，滾動回收率高達(dá)97%、抗油能力達(dá)到15%、鉆屑容量極限為10%以上，并且無毒。該體系的成功研制為進一步拓寬氣體鉆井應(yīng)用范圍、提高機械鉆速創(chuàng)造了條件，同時對環(huán)境不會造成污染。
關(guān)鍵詞：深井；超深井；泡沫；正交實驗；氣體鉆井；機械鉆速；環(huán)境保護
    目前，地層出油是阻礙氣體鉆井實施的一大難題，由于原油的黏度高，氣體鉆井鉆遇地層出油后巖屑粘結(jié)成團的幾率大，如果處理方法不恰當(dāng)，會導(dǎo)致井眼凈化不良、環(huán)空堵塞或卡鉆等井下復(fù)雜情況的發(fā)生。據(jù)四川油氣田氣體鉆井統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，有38%左右的井在實施氣體鉆井期間均因地層出油而被迫轉(zhuǎn)換成常規(guī)鉆井液鉆井，地層出油大幅度地縮短了氣體鉆井進尺，影響了全井提速效果。鑒于此，為了提高機械鉆速、擴大氣體鉆井應(yīng)用范圍、加快勘探開發(fā)進程，開展了氣體鉆井抗油防塌穩(wěn)定泡沫的室內(nèi)研制。
1 抗油防塌泡沫的配方研制
1.1 抗油發(fā)泡劑的優(yōu)選
    發(fā)泡劑的主要成分是表面活性劑。通常用的表面活性劑主要有陰離子、陽離子、兩性離子及非離子4種類型。陰離子表面活性劑發(fā)泡率高，但對硬水敏感，抗污染能力差；陽離子表面活性劑不怕硬水和酸性環(huán)境，但價格昂貴；兩性離子一甜菜堿類表面活性劑，具有陰離子及陽離子表面活性劑的特點；非離子表面活性劑既不怕硬水也不受pH值的限制，但發(fā)泡率相對較低[1～2]。針對發(fā)泡劑的特點及實用性，筆者選擇了6種發(fā)泡劑運用Waring Blender法采用泡沫評價程序進行實驗優(yōu)選，包括：陰離子發(fā)泡劑(QP-2、QP-3)、兩性離子發(fā)泡劑(QP-4、QP-6)以及非離子發(fā)泡劑(QP-1、QP-5)，實驗結(jié)果見圖1。
 

    實驗分別考察了不同種類起泡劑在清水、鹽水、煤油以及鹽水和煤油的共同作用下的泡沫質(zhì)量。結(jié)果表明非離子表面活性劑QP-1的效果最佳，鹽、油對其泡沫質(zhì)量的影響小，其值均在0.75以上，故實驗優(yōu)選QP-1作為抗油防塌泡沫體系的發(fā)泡劑。
1.2 穩(wěn)定劑的優(yōu)選
    在充氣泡沫鉆井中，要保證良好的攜巖能力，除具有較高的泡沫質(zhì)量外，還必須具備良好的穩(wěn)定性能。一般而言，提高泡沫穩(wěn)定性的方法是向泡沫基液中添加高分子聚合物，高分子聚合物的加入增加了液膜的表面黏度，從而使泡沫的穩(wěn)定性增加[3]。筆者根據(jù)聚合物分子的結(jié)構(gòu)和特點，優(yōu)選了5種聚合物進行實驗(XC、FA367、CMC、PAC-H、XY-27)。實驗分別向QP-1的泡沫基液中加入0.3%的聚合物分子來考察發(fā)泡率和半衰期(見圖2、表1)。
 

表1 泡沫基液品質(zhì)表
泡沫質(zhì)量
半衰期(min)
發(fā)泡率(%)
0.8235
8.4200
566.7000
根據(jù)實驗結(jié)果，穩(wěn)定劑CMC的加入對發(fā)泡率的影響較小，且具有良好的穩(wěn)定能力；XC和PAC-H的加入雖然提高了半衰期，但發(fā)泡率較低；FA367和XY-27的穩(wěn)定能力差。實驗最終優(yōu)選CMC作為體系的穩(wěn)定劑。
1.3 抑制劑的優(yōu)選
    在泡沫鉆井中泡沫流體所形成的液柱壓力平衡不了地層壓力，一般情況下，泡沫密度為0.1～0.2g/cm3，液柱靜壓力只有水的2%～5%。因此，不能從安全密度窗口出發(fā)來考慮泥頁巖井壁穩(wěn)定性，目前解決這一問題的辦法主要在泡沫流體中加入抑制劑來抑制泥頁巖水化膨脹，保持良好的井壁穩(wěn)定性[4]。抑制劑一般為聚合物和離子型，筆者優(yōu)選KCl作為體系抑制劑。
    以優(yōu)選的處理劑為基礎(chǔ)，采用正交實驗方法進行了泡沫體系優(yōu)配實驗，結(jié)果配方為：0.67%QP-1+0.2%CMC+7.0%KCl。
2 抗油防塌泡沫體系的綜合性能評價
2.1 體系抑制能力評價
    為全方位考察體系抑制性能，作了滾動回收率、頁巖膨脹和基液巖樣浸泡實驗。
2.1.1滾動回收率實驗(實驗條件：熱滾80℃，16h)
    由表2可知，通過對比蒸餾水和泡沫基液體滾動回收率百分?jǐn)?shù)可知，泡沫體系的滾動回收率高達(dá)97%，比蒸餾水回收率高37%，證明該體系具有很強的抑制性。
表2 滾動回收率實驗表
編號
基液類型
取樣量(g)
回收量(g)
回收率(%)
1號
150mL淡水+0.67%QP-1+0.2%CNC+7.0%KCl
32
31.09
97
2號
蒸餾水
32
19.22
60
2.1.2 頁巖膨脹實驗
    采用標(biāo)準(zhǔn)鈣質(zhì)土做頁巖膨脹實驗(表3)。
表3 頁巖膨脹實驗表
編號
基液類型
膨脹高度(mm)
膨脹降低率(%)
1號
150mL淡水+0.67%QP-1+0.2%CNC+7.0%KCl
8.79
37
2號
蒸餾水
14.00
/
從表3可知，相比蒸餾水而言，泡沫體系的膨脹降低率為37%，進一步證實了其具有良好的抑制性能。
2.1.3巖樣浸泡實驗
    實驗分別在泡沫基液及清水條件下，將巖樣浸泡其中(表4)，考察其穩(wěn)定時間(即巖樣開始水化分散的時間)，根據(jù)時間的長短來考察體系的抑制性能。
表4 巖樣浸泡實驗表
編號
基液類型
分散時間
1號
150mL淡水+0.67%QP-1+0.2%CNC+7.0%KCl
10d不分散
2號
清水
0.5d
實驗表明：在清水中浸泡，巖樣0.5d便分散開來，浸泡時間越長，分散越嚴(yán)重；而在泡沫基液中浸泡10d后仍然不分散，保持完好。這充分證明泡沫基液具有較強的抑制性能。
2.2 抗原油污染
    測試原油在不同加量時對泡沫性能的影響，以考察泡沫基液的抗油能力(表5)。
表5 泡沫體系抗油性能實驗表
泡沫體系
原油加量(%)
發(fā)泡量(mL)
半衰期(min)
泡沫質(zhì)量
發(fā)泡率(%)
150mL淡水+0.67%QP-1+0.2%CNC+7.0%KCl
0
850
8.42
0.8235
566.7
5.0
780
8.70
0.8077
520.0
10.0
650
10.33
0.7392
433.3
15.0
640
16.00
0.7656
426.7
20.0
570
18.58
0.7368
380.0
30.0
520
20.20
0.7115
346.7
40.0
440
19.43
0.6591
293.3
由分析結(jié)果可見，該泡沫體系具有很強的抗油性能，抗原油能力可達(dá)15%(以泡沫質(zhì)量0.75為標(biāo)準(zhǔn)[5～6])。
2.3 抗溫性能實驗
    在實際泡沫鉆井中，泡沫質(zhì)量、穩(wěn)定性受井下溫度等條件的影響，為此，進行了泡沫抗溫實驗。實驗分別是在20℃、40℃、60℃、80℃、100℃的條件下進行的。實驗結(jié)果見表6。
表6 泡沫體系抗溫性能實驗表
泡沫體系
實驗溫度(℃)
發(fā)泡量(mL)
半衰期(min)
泡沫質(zhì)量
發(fā)泡率(%)
150mL淡水+0.67%QP-1+0.2%CNC+7.0%KCl
20
850
8.42
0.8235
566.7
40
910
6.42
0.8352
606.7
60
950
5.00
0.8421
633.3
80
1000
4.17
0.8500
666.7
100
1000
3.33
0.8500
666.7
從實驗結(jié)果來看，泡沫質(zhì)量隨溫度的上升而增加，表明該體系具有較強的抗溫能力；半衰期雖有所降低，在實際應(yīng)用中可通過調(diào)節(jié)穩(wěn)定劑的加量，以滿足現(xiàn)場鉆井的需求。
2.4 抗巖屑污染實驗
由于使用泡沫鉆井，鉆井速度較快，產(chǎn)屑率較高，鉆屑量大。因此，要求所建立的體系必須具有較強的抗鉆屑污染能力，即有較高的鉆屑容量限，鉆屑的侵入對泡沫的性能不會造成太大的影響。為此開展了體系抗鉆屑污染評價實驗，實驗所用鉆屑為沙溪廟組地層段氣體鉆井巖屑。試驗結(jié)果見表7。
表7 泡沫體系抗巖屑污染實驗表
泡沫體系
巖屑加量(%)
發(fā)泡量(mL)
半衰期(min)
泡沫質(zhì)量
發(fā)泡率(%)
150mL淡水+0.67%QP-1+0.2%CNC+7.0%KCl
0
850
8.42
0.8235
566.7
1
780
8.75
0.8077
520.0
3
750
8.75
0.8000
500.0
5
740
8.70
0.7973
493.3
7
740
8.83
0.7973
493.3
10
740
9.00
0.7973
493.3
    由表7數(shù)據(jù)可看出，該體系鉆屑容量限高，超過10%，滿足了現(xiàn)場鉆井作業(yè)的需求。
2.5 地層出油條件下鉆進綜合實驗
    根據(jù)鉆井實際，對油和巖屑共同作用下的泡沫性能進行了實驗研究。實驗固定巖屑加量為5%，通過改變原油的比例來綜合考察泡沫的性能。由分析可看出，泡沫在原油和巖屑的共同作用下，泡沫質(zhì)量無較大的變化，在巖屑含量5%，原油加量為10%的情況下，泡沫質(zhì)量為0.7826，完全能滿足鉆井的需求。理論計算表明，在充氣泡沫基液中注入量為8L/s時，該體系可滿足地層產(chǎn)油3m3/h條件下鉆進的需求。
3 結(jié)論
    1) 抗油防塌穩(wěn)定泡沫的成功研制，解決了目前氣體鉆井鉆遇地層出油的難題，為進一步拓展氣體鉆井應(yīng)用范圍和提高機械鉆速創(chuàng)造了條件。該體系具有較強的抑制性，回收率達(dá)97%，可有效地抑制泥頁巖水化分散、膨脹，保持穩(wěn)定井壁。泡沫基液抗油能力強，可達(dá)15%。
    2) 防塌抗油泡沫具有較強的抗溫性能，鉆屑容量限超過10%，并且所優(yōu)選處理劑均無毒，對環(huán)境不會造成污染，值得推廣應(yīng)用。
參考文獻
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(本文作者：周長虹 黃寧生 許期聰 蒲剛 蔣斌 李剛 呂濤 川慶鉆探工程有限公司鉆采工藝技術(shù)研究院)