成膜防塌液的室内研究及其应用工艺——用于解决气—液钻井转换初期的井壁失稳问题

王 兰 吴 琦 段 敏

1.油气田应用化学四川省重点实验室 2.中国石油川庆钻探工程公司钻采工程技术研究院3.中国石油川庆钻探工程公司川西钻探工程公司

与传统钻井液钻井相比，气体钻井具有提高钻井速度、保护油气层、降低钻井综合成本等优势，在国内外已越来越广泛地应用。气体钻井结束后，循环介质要由气体转换为钻井液。由于气体钻井时，流体柱压力极低，井眼周围地层岩石应力得到充分释放，形成更多的应力释放缝；加之空气锤的应用，加剧了井壁上裂缝的形成。与钻井液钻井相比，由于气体钻井的井壁上没有滤饼存在，气体钻井转换成钻井液钻井时，钻井液中的水相会快速润湿干燥的井壁，并沿气体钻井形成的裂缝或天然孔缝进入到地层深部，引起地层中的黏土矿物吸水膨胀导致井壁失稳或厚滤饼的形成，造成起下钻遇阻复杂。无论是井壁失稳还是厚滤饼的存在，都需要花费更多的时间来解决井眼通畅问题，在一定程度上影响了气体钻井的总体效果。目前，在气体钻井转换成钻井液钻井的过程中采用润湿反转防塌技术或替入低失水、强抑制、强封堵钻井液等，在一定程度上减少了钻井液中的水相进入地层，对稳定井壁起到了较好的作用［1－7］。实验研究的成膜防塌技术，是利用成膜液预先在井壁上形成一层致密的防水渗膜，有效阻止钻井液中的自由水进入地层，防止水化膨胀引起的井壁失稳和厚滤饼的形成［8－12］。

1 成膜防塌室内实验

1.1 实验方法

1）人造岩心浸泡实验：用钻井膨润土粉在5.0 MPa压制5min制成人造岩心，分别在不同浓度的成膜液中（80℃）进行浸泡成膜，将没有成膜的原始岩心和成膜后的岩心分别在蒸馏水中浸泡，对比分散情况。

2）泥球浸泡实验：分别用淡水、浓度100kg／m3的KCl盐水和雾化基液分别做成泥球在成膜液中（80℃）进行浸泡实验，对比分析成膜情况。

3）防清水渗透实验：用水基钻井液在中压滤失仪上压制成渗透性滤饼2块（模拟渗透性地层），一块用成膜液浸泡形成防水渗膜后用清水进行防水渗透实验，另一块直接用清水进行防水渗透实验，对比其清水渗透量。

1.2 实验结果与讨论

1.2.1 不同浓度的成膜液的成膜情况

将人造岩心放入不同浓度的成膜液中（80℃）浸泡10s，取出后干燥，观察成膜情况。不同浓度成膜液中防渗膜的形成情况见表1。

实验表明：当成膜液浓度达200kg／m3后，岩心在成膜液中浸泡10s就能在表面形成防渗膜（图1）。因此，从成膜效果和成本考虑，成膜液浓度300～400 kg／m3为最优加量。

表1 不同浓度成膜液的成膜情况表（80℃）

图1 干燥后的岩心成膜照片

1.2.2 不同浸泡时间的成膜情况

将人造岩心放入浓度为300kg／m3的成膜液中（80℃）浸泡5s、10s、10min和1h，分别取出后干燥，观察成膜情况，不同浸泡时间成膜液的成膜情况如图2。

图2 不同浸泡时间的成膜照片（80℃）

实验表明：在浓度为300kg／m3的成膜液中，岩心成膜与时间关系不密切。浸泡5s、10s、10min和1h后，岩心上形成的防水渗膜差别不明显。

1.2.3 防水渗膜的清水溶解性实验

将原始岩心与成膜后的岩心分别放入清水中浸泡24h，原始岩心由于水化分散明显（图3），有防水渗膜后的岩心由于有致密的防水渗膜保护，未出现水化分散现象（图4），说明所形成的防水渗隔膜不能被清水溶解。

图3 清水浸泡的原始岩心分散照片

图4 清水浸泡的成膜岩心照片

1.2.4 泥球浸泡实验

模拟井下情况，用湿泥球（淡水泥球、100kg／m3盐水泥球、雾化基液泥球）在300kg／m3成膜液中（80℃）浸泡，泥球表面在很短时间内形成一层防水渗膜。浸泡24h，均未见明显开裂现象（图5）。

图5 不同泥球浸泡实验图（80℃）

1.2.5 防清水渗透实验

用水基钻井液压制成渗透性滤饼进行清水渗透性实验，评价防水渗膜防自由水渗透的效果。实验结果见表2。

表2 隔离膜降滤失实验结果表

实验表明：防水渗膜能够降低50%以上清水渗透量，即能有效阻止水相进入地层，具有较好的防水渗效果。

2 成膜防塌技术的现场应用工艺

2.1 气体钻井的成膜现场应用工艺

当气体钻井需要转换为钻井液钻井时，可采用2种工艺方法在井壁上“涂抹”防水渗膜。①配制浓度为300～400kg／m3的一定量的成膜液作为前置液，后跟注高性能钻井液。这就在钻井液接触气体钻井裸露的井壁前，预先在井壁上“涂抹”了1层防水渗膜。②在气体钻井结束后，将浓度为300～400kg／m3成膜液作为雾化基液，通过雾化泵和气体增压机注入井下，预先在井壁上“涂抹”1层防水渗膜，随后再替入钻井液。

上述2种工艺方法我们认为都有效，并且现场容易实现。

2.2 雾化钻井的成膜现场应用工艺

对于地层出水的井，当实施雾化钻井时，同相有2种工艺方法在井壁上“涂抹”防水渗膜。①在雾化基液中加入300～400kg／m3的成膜液。因此，在整个雾化钻井中，井壁上就被连续不间断地“涂抹”上防水渗膜，防止雾化钻井过程中井壁失稳。②如果考虑成本的可接受性，在雾化钻井过程中，也可采用在井壁上间断“涂抹”防水渗膜的工艺方式，即：将配制好的浓度为300～400kg／m3的成膜液储存于独立的罐中存放。正常钻井时，每钻进100～150m注入6～8m3成膜液；每次短程起下或起钻时，注入6～8m3成膜液。成膜液注入排量推荐为2～8L／s。

3 结论与建议

1）针对气体钻井后替入钻井液进行介质转换初期井壁失稳的原因［1，3，13］，提出了解决井壁失稳的技术新思路——成膜防塌技术，即在井壁上形成一层致密的防水渗膜，有效阻止钻井液中的水相进入地层，起到稳定井壁的作用。

2）实验表明研制的成膜液在人造岩心表面能快速成膜，具有较好的防清水渗透效果。

3）成膜液既可作为气体钻井后转换钻井液钻井时的前置液，也可作为雾化钻井中的雾化基液。

4）推荐成膜液的浓度为300～400kg／m3。

5）针对气体钻井和地层出水后的雾化钻井，推荐了现场可操作性强的防渗膜“涂抹”工艺方法。

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