孙胜利

[摘 要]川东北地区上部地层砂岩泥岩互层频繁，硬度大，研磨性强，可钻性差，采用常规钻井液方式的机械钻速较低。由于上部地层含水量大，从而使空气钻井方法应用受到限制。针对该地区上部大井眼施工速度慢、地层出水、井漏等问题，通过室内研究优选出在该地区使用的各种处理剂，通过运用泡沫钻井技术成功的解决了大井眼地层钻速慢、易漏等问题，大大缩短了钻井周期。

[关键词]川东北 泡沫钻井 周期

中图分类号：TE242.6 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）20-0279-02

引言

中石化西南油气分公司YB27-2井位于四川省苍溪县浙水乡红旗村1组，是四川盆地川东北巴中低缓构造元坝区块长兴组④号礁带布置的一口大斜度井，设计井深6917米，钻井中不可预见的因素较多，特别是该井上部地层不稳定，可能存在易漏、易塌、易出水，易斜等复杂情况，如果用钻井液钻井，主要存在机械钻速低、严重井漏等复杂情况等问题。如果使用气体钻井，主要存在地层出水的问题，为解决以上问题引入泡沫钻井技术。

1 泡沫钻井技术

泡沫是以液体为连续相、气体为分散相的均匀网状系统，是一种密度低、粘滞性好、可压缩的非牛顿流体，泡沫密度可调范围大、携岩性能好且结构相对稳定，是一种优良的低密度钻井流体。泡沫钻井就是在压缩空气中注入一定量的泡沫剂溶液，使介质在循环中产生大量的稳定泡沫，发挥稀释、减阻、增浮、降压和润滑的多种作用，提高钻井效能。其基液一般是由水、烧碱、发泡剂和稳泡剂按一定比例配制而成，气体一般选择空气。泡沫在压力较高情况下性能稳定，不易破坏，并具有密度低、失水量小、黏度高、携岩效果好等特点，所以广泛地用于低压、易漏失地层的钻井。

泡沫钻井与常规钻井液钻井相比具有如下特点：① 提高机械钻速。压差对钻速的影响极大，而泡沫的密度低，井内液柱压力达到最低值，使井底形成一个较大的负压，钻头在负压下使岩石旋转爆裂、破碎，从而最大限度地提高地层的可钻性。②用泡沫钻开地层，井壁不易坍塌。泡沫钻井由于失水极少，减少了井壁水敏坍塌的可能性。③延长钻头使用寿命。在井底钻头处，泡沫返速比常规钻井液快得多，且由于井底呈负压状态，钻屑几乎没有压持效应，从而延长了钻头牙齿的使用寿命。

2 YB27-2井泡沫钻井技术

2.1 YB27-2井上部地层概况

YB27-2井井眼为660.4 mm，属于特大井眼，环空间距大，携砂困难，上部地层以砂岩、泥岩、砂泥岩互层为主，地层含多个水层，统计资料显示：邻井YB27井在钻井过程中掉块严重，发生井漏8次，YB102井使用密度为1.07g/cm3的钻井液钻至剑门关组（井深20.5-22.8m处）发生两次井漏，共漏失钻井液13.5m3，上部陆相地层研磨性强，地层可钻性极差（可钻性级值5～8），钻头磨损厉害，岩性多变，机械钻速偏低，陆相地层大井眼井段采用常规钻井液钻井的机械钻速一般不超过1 m/h。因此确保井底清洁、解决地层出水、抑制井壁坍塌、提高机械钻速是该段地层钻进的技术关键。

2.2 泡沫钻井液配方

泡沫钻井液是泡沫钻井的关键技术之一，泡沫化学剂包括发泡剂、稳泡剂、泥岩抑制剂、缓蚀剂、消泡剂等，泡沫化学剂的选择应确保泡沫具有高的发泡能力和合适的半衰期，根据实际需要还应同时满足抗油、抗盐、抗温、抗腐蚀以及防止地层坍塌的能力。

YB27-2井井眼大，地层出水量大，因此泡沫要满足以下要求：① 较大的发泡体积。在井眼容积一定时，泡沫分散度越高，泡沫体积越大，泡沫液注入量越小，泡沫材料耗量越少，钻屑在井眼内滞留的时间越短，井眼越容易被清洁② 泡沫稳定性强，能在长时间的循环和高温条件下性能稳定。③抗污染能力强，与地层流体及入井液配伍性好，化学剂性能稳定。

2.2.1 发泡剂的优选

发泡剂是常用的一种表面活性剂，它的分子结构由非极性的亲油基团和极性的亲水油成为既有亲水性又有亲油型的“双亲”结构基团所构成，泡沫钻井液主要具有堵漏基层保护的作用，所以要求发泡剂有较高的起泡能力，其生成的泡沫必须具备非常良好的均匀细密性及稳定性，还要具备较良好的抗污染能力。介于上述要求，为了保证发泡剂的优选，在室内实验室进行试验，取当地淡水、盐水和不同的发泡剂进行试验，分别加入同百分含量的发泡剂，然后用高速搅拌机进行搅拌，记录泡沫的体积和半衰期。

试验结果如下：

根据试验结果选择发泡剂AOS，AOS属于离子型发泡剂，发泡量大，离子型发泡剂形成的双层吸附膜之间具有排斥力，阻碍了液膜变薄，使水不易排出，延长了泡沫寿命其半衰期长，泡沫稳定性好，抗盐能力强。

2.2.2稳泡剂的选择

泡沫型钻井液的稳定性除受发泡剂的影响外，还受到稳泡剂的影响，泡沫的稳定性与液膜的强度密不可分，而液膜的强度取决于液膜的表面粘度，表面粘度大，则液膜不易受到外力作用而破裂，同时将减缓液膜的排液速度、气体透过液膜的扩散速度和泡沫上移速度，增加了微泡沫的稳定性。

针对元坝地区地层特点和室内试验结果，最终选用高分子聚合物聚丙烯酰胺作为稳泡剂，可有效提高液相粘度、降低液相流动性、减缓泡沫排液并且还可在井壁表面发生多点吸附、形成吸附膜，可减缓流体渗入地层、抑制粘土分散膨胀有利于稳定井壁的稳定。

针对稳泡剂加量问题进行室内试验，其加量与泡沫性能结果如下：

从图中可以看出发泡量随着稳泡剂的加入逐渐降低，稳泡剂加量0.2%以后趋于平稳，半衰期随着稳泡剂加量逐渐增加，当稳泡剂加量0.2%以后逐渐趋于平稳，因此稳泡剂加量选择0.2%附近。

2.2.3 井壁稳定剂的选择

为防止泥页岩因吸水膨胀垮塌，增强泡沫钻井液的抑制性，解决井壁失稳的问题，我们选用能在井壁周围形成憎水保护膜的YJB-1，使用川东北上部地层的岩屑，在130度下滚动老化16小时，进行回收率试验，通过岩屑热滚回收率试验研究现场岩心与不同浓度的YJB-1之间的关系。

试验结果如下：

从图中可以看出，YJB-1加量达到0.5%以后，岩屑回收率达到变化也趋于平缓，故确定其加量为0.5%左右，其回收率为95%

根据以上试验情况和现场实际制定配方为：0.1%AOS+0.2%PAM+0.5%YJB-1抑制剂+辅助剂

3 YB27-2井现场应用效果

3.1 工艺流程及钻进参数

以空气为工作对象，用空压机对空气先进行初级加压，然后经过增压机增压将高压气体通过立管三通进入钻具，使用泥浆泵泵入泡沫基液，在立管处泵入基液开始与空气混合，在钻具内形成泡沫，泡沫通过钻头时对钻头进行冷却，并在环空完成携带岩屑的任务，再通过井口的环形防喷器的侧出口，泡沫和钻屑进入排砂管线，最后到破泡池，泡沫自然破泡后基液回收到上水池进行再利用。

YB27-2井泡沫钻井的钻头选用26ST525CG 钻头不装喷嘴。钻具组合如下：Φ660.4mm26ST525CG钻头*0.63m+730*830双母浮阀*0.40m+Φ279.4mm钻铤*17.82m+831*730接头*0.48m+Φ228.6mm钻铤*25.7m+731*630接头*0.48m+631*410接头*0.47m+411*520接头*0.48m+Φ139.7m钻杆

现场钻进参数：气量为150m3/min，钻压10-20t，转速为50-60rpm，立压2.0-3.0MPa，注液量4-8L/S。

3.2 现场性能优化措施

在现场施工中发现，在钻速较快时，携岩效果会变差，产生较多井底沉砂，对于大量出水地层，携水效率较低，排砂管出口会出现液滴流淌。在泥岩井段泥岩水化抑制能力的强弱对泡沫钻井过程中的井壁稳定尤为重要若不能及时将地层水携带出地面，会导致地层不稳定；在非泥岩段，泡沫体积膨胀非常快，很快充满排砂池，甚至溢出，很容易造成周边环境的污染 。在实际钻进中，结合现场使用泡沫性能、钻遇地层等资料，逐渐调整了各种泡沫材料的加量及加料频率，达到了较好的效果。

首先保持稳泡剂加量为0.2% 和井壁稳定剂加量0.5% 不变，将发泡剂加量从 0.08% 增至 0.14%，分别测定泡沫液发泡量、半衰期、抑制性。在排砂管出口处取样 1.5 L，将泡沫冲洗干净，砂样过孔径为0.30mm的筛，收集筛余砂样、烘干、称量，得到砂样筛余干重，对比分析，以此获得发泡剂最佳加量。保持该加量及井壁稳定剂加量为 0.5% 不变，改变稳泡剂加量，得到稳泡剂最佳加量。同理，获得井壁稳定剂最佳加量，现场实验结果见表 1。

由表 1 数据可知，当发泡剂加量增加时，发泡量和半衰期均有所增加，当加量由0.12%增加至 0.14% 时，发泡量比增加了 28mL，但半衰期比0.12%时减小1.5分钟，因此确定现场最佳加量为 0.12%。

当稳泡剂加量增加时，发泡量逐渐减少，表明稳泡剂能够压缩泡沫体积，减小泡沫表面能，使之更加密实，泡沫更加稳定，从砂样筛余质量也可看出，稳泡剂也能提高体系的抑制性，这主要是利用大分子聚合物进入体系时大量吸水的特点，提高泡沫干度，减少地层出水产生的影响，当其加量从 0.20% 增至 0.25% 时，各项指标变化趋于平缓，考虑到使用成本及该加量已经能满足携岩需要，确定其最佳加量为 0.2%。

对于井壁稳定剂，其对发泡量和半衰期无较大影响，却可以有效提高体系抑制性，根据实验结果，确定其最佳加量为 0.6%。因此确定了现场钻进泥岩段时的泡沫钻井液配方为 ：0.1% 发泡剂 +0.2% 稳泡剂 +0.6%YJB-1。

3.3 优化效果

调整前 ：在一口井的易水化泥岩段钻进时，返出泡沫液变为浑浊状，排砂管中，砂粒碰撞管壁声音较小，排砂管出口处出现液滴流淌，这些均表明泡沫材料浓度偏低，井中存水没有及时携出，大的泥岩块已经水化分散成细粒状。

调整后 ：发现这种情况后，根据现场试验结果，迅速调整了泡沫体系性能，在经过 2 个循环周后，浑浊泡沫液逐渐发白，表明水化程度大大减轻 ；同时，砂粒碰撞管壁声音呈逐渐变大，排砂管出口处滴水现象消失。

4 泡沫钻井与常规钻井效果对比

泡沫钻井与常规钻井液钻井在大井眼钻井中相比，满足了大井眼的携砂要求，提高了机械钻速，通过合理控制泡沫钻井液体系中起泡剂的用量，使该体系具有较强的切力，返出的岩屑满足了大井眼岩屑携带要求及地质资料的录取要求。泡沫钻井液能够有效地预防了井漏，现场使用的泡沫钻井液体系与常规钻井液相比密度大大降低，很大程度上避免漏失发生的可能性，而该区块邻井相同地层在使用常规钻井液进行钻井过程中经常发生裂缝性恶性漏失。

YB27-2井和YB 27-1H井均使用泡沫钻井技术，其速度显优于YB 27井常规钻井液钻井，YB27-2井使用泡沫钻井技术安全顺利钻至井深506m，钻井进尺480米，平均机械钻速3.25m/h，比常规钻井节约26天，大大缩短了钻井周期。

YB27-2井及邻井效果对比表

结论

1）空气泡沫钻井工艺技术能够解决在地层不坍塌、地层出水量小和地层无天然气的井漏井段的正常钻井问题，并且保证了井下安全，钻井速度快，节省了钻井综合成本。

2）通过室内研究得到适应川东北地层得到泡沫钻井液配方，其具有半衰期长、抑制性强、性能稳定等优点。

3）根据实际施工情况合理调整配方，得到泡沫钻井液各处理剂最佳加量，通过对性能的优化，使得易水化泥岩段的携岩效果和抑制性得到明显改善。

4）泡沫钻井为提高钻井速度提供了有效的技术手段，降低了钻井成本，比钻井液钻井提高机械钻速4至5倍。

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