劉自廣

（中石化中原石油工程有限公司鉆井二公司，河南 濮陽 475001）

0 引言

中原文23 儲氣庫是國家“十三五”重點建設工程，設計總庫容量104 億m3，一期工程設計庫容量84 億 m3，是我國中東部地區(qū)最大的儲氣庫［1-3］，在改善華北地區(qū)大氣環(huán)境質量、能源使用結構和提高人民生活水平等方面具有重大意義［4-6］。文23 儲氣庫是利用已經(jīng)枯竭的文 23 氣田［7］，氣田經(jīng)過 30 多年的開采，地層壓力虧空嚴重，壓力系數(shù)在0.1～0.6 g/cm3，且動態(tài)變化大。鉆井過程中極易發(fā)生嚴重漏失，影響鉆井速度和污染目的層，嚴重影響儲氣庫建設質量［1，8］。針對上述難題，開發(fā)了微泡鉆井液體系與工藝技術，密度0.85～1.00 g/cm3，防漏堵漏效果好。在文23 儲氣庫66 口井應用，漏失發(fā)生率13.6%，單井實際注氣量較設計提高30.4%。解決了文23 儲氣庫鉆井井漏和儲層保護的技術難題，為儲氣庫的安全、高效建設提供了技術支撐。

1 地質特征及鉆井液技術難點

文23 氣田地質分層與巖性見表1，目的層為沙四段，埋深2760～3120 m，為層狀砂巖干氣藏，經(jīng)過30 多年的開發(fā)，目前處于壓力枯竭狀態(tài)，主力地層壓力 3～4 MPa，壓力系數(shù) 0.10～0.60 左右，溫度在115～120 ℃。儲層之上為沙一段、沙三段地層，埋深在2200～2800 m 之間，以膏鹽層、膏鹽層夾泥頁巖層為主，鹽層厚度200～500 m。東營組至井口地層，壓實程度低，成巖性差，為松散的砂巖。且每口井平均鉆遇3～5 個斷層。文23 儲氣庫地質情況復雜，其超低壓枯竭儲層對鉆井液技術提出了更高的要求。具體表現(xiàn)如下。

表1 文23 氣田地質分層及巖性情況Table 1 Formation and lithology for Wen-23 gas field

（1）地層漏失問題。文23 氣田經(jīng)過多年開采，產(chǎn)層氣體枯竭，地層虧空、孔隙度大、滲透率高、承壓能力低，施工中易發(fā)生虧空性井漏，嚴重時失返。鹽層頂部斷層較多，且上部為疏松地層及砂礫巖地層，孔隙度大、膠結性差，易發(fā)生滲透性或失返性漏失［9-10］。其次是誘導性漏失問題，文23 氣田地層本身較為脆弱，當下鉆速度過快、開泵過猛會造成井漏；在下技術套管、開泵循環(huán)時，因技術套管與環(huán)空間隙窄也易造成井漏。

（2）儲層污染問題。儲層超低的地層壓力導致鉆井過程中鉆井液、完井液等極易侵入地層，造成油氣藏污染、井壁失穩(wěn)，進而引起單井注入量降低［11-13］。

（3）溫度影響。文23 儲氣庫井底溫度較高，溫度會對鉆井液性能產(chǎn)生一定的影響。

2 低壓地層微泡鉆井液技術

中原油田文23 儲氣庫目的層地層壓力系數(shù)0.1～0.3，鉆井過程中井漏風險大，為此通過實驗確定了低壓地層微泡鉆井液的基礎配方，并對其主要性能進行了分析與評價，驗證了微泡鉆井液技術的可行性。

2.1 微泡鉆井液基礎配方研究

研發(fā)了陰離子型粘彈性表面活性劑、泡沫增強劑，配合穩(wěn)泡劑、降濾失劑等其它處理劑，利用正交實驗優(yōu)化出了微泡鉆井液配方，形成了抗溫120 ℃、抗壓縮、抗污染、高穩(wěn)定性和低儲層污染的環(huán)保型微泡鉆井液體系。經(jīng)過實驗，該體系具有良好的承壓堵漏性能及儲層保護性能。

2.1.1 發(fā)泡劑研發(fā)

微泡鉆井液技術的核心處理劑是發(fā)泡劑、泡沫增強劑和穩(wěn)泡劑，這些核心處理劑對微泡鉆井液的性能具有重要意義［14］。

通過分析微泡鉆井液特點，發(fā)現(xiàn)形成空間網(wǎng)狀結構的粘彈性表面活性劑與普通線性結構的表面活性劑相比更有利于提高微泡密封性，從而可以提高微泡鉆井液的觸變性。通過實驗合成了陰離子粘彈性表面活性劑VES-1，該表面活性劑隨著濃度的增加，其粘彈性能增強；隨著剪切速率增加，其粘度呈下降趨勢。對合成的表面活性劑VES-1 泡沫性能進行評價表明，隨著表面活性劑用量的增加，其發(fā)泡性能和泡沫半衰期均明顯提高，表面活性劑VES-1用量應控制在0.4%～1.2%。實驗結果見圖1。

圖1 表面活性劑VES-1 用量對泡沫性能影響Fig.1 Effect of addition amount of VES-1 surfactant on foam properties

2.1.2 泡沫增強劑研發(fā)

為了增加微泡壁厚和強度，提高微泡在高溫高壓條件下的穩(wěn)定性和抗壓縮性能，進一步改善微泡鉆井液防漏性能，實驗研發(fā)了泡沫增強劑FSA-1。通過不同泡沫增強劑加量對泡沫抗壓縮性能的影響試驗，結果表明，加入0.1%泡沫增強劑FSA-1 后，泡沫抗壓縮性能明顯提高，與未加入泡沫增強劑相比，在30 MPa 壓力下體系密度差達到0.03 g/cm3。這主要是由于泡沫增強劑FSA-1 分子量適中，同時自身具有表面活性，易于與表面活性劑VES-1 協(xié)同作用，并在微泡壁表面聚集。由于泡沫增強劑分子中含有大量水化基團，可以增加微泡壁的水化膜厚度和強度，提高對內(nèi)部空氣核的密封性，從而提高泡沫的抗壓縮性能。同時，通過實驗可看出，當泡沫增強劑用量為0.3%時，泡沫抗壓縮性可提高25%（約0.04 g/cm3），繼續(xù)增加其用量泡沫抗壓縮性能變化不大。因此，泡沫增強劑合適的用量宜選擇0.3%～0.7%。

2.1.3 穩(wěn)泡劑優(yōu)選

為提高泡沫的穩(wěn)定性，延長其半衰期。室內(nèi)優(yōu)選不同類型穩(wěn)泡劑并對其進行性能評價。

2.1.3.1 穩(wěn)泡劑類型選擇

不同類型穩(wěn)泡劑對表面活性劑VES-1 的影響試驗表明（見表2），不同類型的穩(wěn)泡劑與表面活性劑VES-1 均有較好的配伍性，加入穩(wěn)泡劑后，泡沫穩(wěn)定性增強，半衰期均有不同程度延長。當穩(wěn)泡劑使用XC 時，雖然溶液發(fā)泡體積較小，但穩(wěn)泡效果最佳。其機理是XC 是在含有根莖類淀粉或谷物淀粉的營養(yǎng)液中發(fā)酵而生成的一種線性高分子多糖化合物，其分子量可達106以上，分子量高導致起泡體積相對較低，其分子內(nèi)部氫鍵的存在可使XC 分子形成空間立體結構，而空間立體結構與線性結構相比更有利于泡沫的穩(wěn)定。

表2 不同穩(wěn)泡劑對泡沫穩(wěn)定性影響Table 2 Effect of different foam stabilizers on foam stability

2.1.3.2 穩(wěn)泡劑用量確定

實驗研究了XC 加量對表面活性劑VES-1 的影響。實驗表明，當XC 用量較低時，溶液發(fā)泡性能較強，但泡沫穩(wěn)定性相對較低，當XC 用量在0.5%以上時，泡沫半衰期達到24 h 以上，表現(xiàn)出良好的穩(wěn)泡性能。

在上述研究的基礎上，形成了微泡鉆井液體系：3%～5% 膨潤土漿+0.5%～1% 起泡劑+0.2%～0.4%XC+1.5%～2.5% 降濾失劑+0.5%～2% 抑制 劑 +1%～2% 膠 束 促 進 劑 +0.1%～0.3% 殺菌劑。

2.2 微泡鉆井液性能評價

針對三開超低壓儲層堵漏及降低儲層傷害的工程需求［15-16］，需要對確定的微泡鉆井液體系的承堵性能、儲層保護性能進行實驗評價，此外，由于井底溫度較高及泡沫的特殊性，需要考察溫度對微泡鉆井液的影響。

2.2.1 承壓封堵性能評價

微泡鉆井液可起到很好的防漏堵漏作用，其主要原因就在于微泡能夠在不同漏失地層改變自身尺寸。因此，需要對微泡鉆井液承壓封堵性能進行系統(tǒng)評價。

2.2.1.1 砂床目數(shù)的影響

不同目數(shù)的砂床具有不同的孔隙尺寸，從而對微泡鉆井液的承壓封堵性能產(chǎn)生影響。實驗中，配制了密度0.80 g/cm3微泡鉆井液，在80 ℃下利用不同目數(shù)的砂子模擬不同孔隙大小的漏失地層，通過砂床目數(shù)對微泡鉆井液封堵性能進行實驗，試驗結果如圖2 所示。結果表明，當砂床目數(shù)在60～90 目和90～120 目時，微泡鉆井液的承壓封堵能力可達10 MPa 以上，并且砂床目數(shù)越高，微泡鉆井液用較少的擠注量，承壓即可達10MPa 以上。而當砂床目數(shù)在40～60 目時，微泡鉆井液的最大承壓能力僅為3 MPa。這是由于砂床目數(shù)越大，形成的孔隙尺寸越小，更有利于微泡鉆井液中的微泡對這些孔隙的封堵；而砂床目數(shù)越小，形成的孔隙尺寸越大，微泡粒徑與其尺寸不相匹配，難以形成有效的封堵層，造成砂床被擊穿。實驗后泡沫鉆井液如圖3 所示。

圖2 砂床目數(shù)對鉆井液封堵性能的影響Fig.2 Effect of the sand bed mesh on the plugging performance of drilling fluid

圖3 實驗后的泡沫鉆井液Fig.3 Foam drilling fluid after experiment

2.2.1.2 溫度的影響

升高溫度會引起微泡體積膨脹，進而對微泡鉆井液的承壓封堵能力產(chǎn)生影響。實驗評價了50、80、120 ℃溫度下微泡鉆井液在60～90 目砂床的承壓封堵性能。實驗表明，在50 ℃條件下，微泡鉆井液以較小的擠注量其承壓能力即可達到10 MPa，且隨著溫度的升高，所需要注入量減小。

2.2.1.3 性能對比

為了客觀評價以表面活性劑VES-1 配制的微泡鉆井液承壓封堵性能，將其與前期優(yōu)選表面活性劑配制的微泡鉆井液進行了性能對比。以VES-1為發(fā)泡劑配制的微泡鉆井液僅需325 mL 承壓即可達到10 MPa 以上，表面活性劑DC 則需要435 mL，而OP-10 配制的微泡鉆井液承壓最高僅2.1 MPa。實驗表明，VES-1 為粘彈性表面活性劑配制的微泡鉆井液具有高觸變性，更有利于封堵微裂縫。

2.2.2 儲層保護特性評價

取文 109 井巖心（2818～2823 m 井段，含泥砂巖），對微泡鉆井液和常規(guī)水基鉆井液體系的儲層保護性能進行評價。實驗采用巖心流動實驗儀、巖心真空飽和裝置等對鉆井液體系的巖心滲透率恢復值進行測定，實驗結果表明，微泡鉆井液巖心滲透率恢復值達87.9%，而常規(guī)水基鉆井液巖心滲透率恢復值僅為71.5%，表明微泡鉆井液對儲層的污染程度較小，具有良好的儲層保護性能。

2.2.3 抗溫特性評價

為了評價微泡鉆井液的抗溫性能，開展了0.8～1.5 g/cm3不同密度鉆井液在120 ℃條件下實驗。實驗表明，老化16 h 后，不同密度的微泡鉆井液均表現(xiàn)出良好的抗溫性能，高溫老化前后密度差＜0.1 g/cm3。同時微泡鉆井液密度較小時，老化前后密度差相對較大；而微泡鉆井液密度較大時，老化前后密度差相對較小。隨著老化時間的延長，微泡鉆井液粘度和切力逐漸降低，密度逐漸升高，當老化時間達32 h 時，體系密度已有較大升幅。這主要是由于微泡鉆井液中的穩(wěn)泡劑抗溫性能不足，經(jīng)長時間老化后發(fā)生降解，喪失了處理劑的功能，無法保持微泡的穩(wěn)定，導致體系消泡。

為了保證微泡鉆井液在長時間老化條件下仍能保持較好微泡穩(wěn)定性，將穩(wěn)泡劑XC、降濾失劑LVCMC 配制成膠液，維護鉆井液。微泡鉆井液經(jīng)維護后，微泡穩(wěn)定性顯著增加，經(jīng)72 h 老化后與老化前相比密度差僅為0.04 g/cm3，流變性能也趨于穩(wěn)定，能夠滿足現(xiàn)場需求。

3 現(xiàn)場應用

低密度微泡鉆井液體系先后在中原文23 儲氣庫應用66 口井，表現(xiàn)出良好的防漏效果，為中原文23 儲氣庫建設提供了有力的技術支撐。

3.1 防漏效果良好

在66 口井三開儲層段全部使用密度0.92～1.30 g/cm3微泡鉆井液，其中57 口井未發(fā)生漏失，9口井鉆進過程中發(fā)生漏失，發(fā)生率僅13.6%，體系表現(xiàn)出良好的防漏效果。對于孔隙度較大的地層可以使用隨鉆封堵材料+微泡鉆井液進行防漏。

例如，文23 儲2-11 井預測地層壓力系數(shù)0.10～1.0，施工過程中易發(fā)生漏失。三開鉆進前頂替井筒內(nèi)密度1.50 g/cm3二開飽和鹽水鉆井液時發(fā)生部分混漿，微泡鉆井液基漿密度達1.10 g/cm3以上，現(xiàn)場在儲層（施工井段2805～3077 m）采用密度1.0 ～1.03 g/cm3微泡鉆井液體系鉆進。在鉆至2977 m 時發(fā)生失返性漏失，靜止堵漏10 h 后鉆進，可建立循環(huán)但仍有漏失，在體系中加入2.5%隨鉆封堵材料，后續(xù)施工無漏失，順利完鉆。

3.2 抑制性較好

微泡鉆井液具有較好的抑制性，施工期間井壁穩(wěn)定，未發(fā)生因井壁失穩(wěn)造成的坍塌、掉塊現(xiàn)象，井眼規(guī)則。應用井三開平均井徑擴大率＜5%。

如儲3-5 井三開施工井段2780～3120 m 鉆井液密度1.1 ～1.15 g/cm3，等停時間較長，施工時間達到9.85 d，期間井壁穩(wěn)定，未發(fā)生井壁掉塊等現(xiàn)象，三開平均井徑擴大率3.2%。

3.3 儲層保護性能好

由于微泡鉆井液中微泡優(yōu)先進入漏層，可有效減少鉆井液漏失，后期測井數(shù)據(jù)表明鉆井液侵入深度0.8～1.6 m。同時，進入地層的微泡隨時間延長可以自行消泡，有利于保護儲層。目前已注氣的22口井單井平均吸氣速率50 萬m3/d，超過注氣預測值（15 萬～20 萬 m3/d）的1.5～2 倍，注氣效果遠超預期，充分證明微泡鉆井液具有良好的儲層保護能力。

4 結論與建議

（1）通過文23 儲氣庫微泡鉆井液技術攻關，形成了適合枯竭砂巖型氣藏的微泡鉆井液技術，有效地解決了枯竭砂巖型儲氣庫建設過程中的鉆井液技術難題，大大提高了儲氣能力。

（2）低密度微泡鉆井液體系在文23 儲氣庫三開使用66 口井，其中57 口井未發(fā)生漏失，9 口井在鉆進過程中發(fā)生漏失（通過靜止堵漏、添加隨鉆封堵材料可有效封堵），漏失發(fā)生率13.6%，表現(xiàn)出良好的防漏效果。

（3）通過自主研發(fā)的微泡鉆井液體系核心處理劑，形成的抗溫120 ℃低密度微泡鉆井液體系，對高滲透低壓儲層具有良好的承壓封堵能力、較好的抑制性，能夠有效降低儲層污染。

（4）由于微泡自身粒徑大小的限制，對于大尺寸裂縫及較大孔隙的地層，微泡鉆井液有其性能極限，可通過適量添加隨鉆封堵材料增加其堵漏能力。