泡沫钻井技术在出水地层中的应用

周长虹 邓 虎 段 敏 许期聪 邓 柯 肖 洲

1.中国石油川庆钻探工程公司钻采工艺技术研究院 2.中国石油川庆钻探工程公司川西钻探公司

泡沫钻井技术自20世纪50年代开始用于钻井作业。泡沫是一种特殊的气体型流体，由水、压缩气体、发泡剂及其他化学剂组成，因其具有密度低的特点，在低压易漏地层具有显著治漏提速和储层保护效果［1－13］，国内已初步形成了一套稳定泡沫钻井工艺技术，如伊朗TBK气田裂缝、溶洞发育，常规钻井液钻井漏失严重，钻井周期长，在TBK－2井、TBK－3井采用空气泡沫钻井成功治理井漏［6］；准噶尔盆地的乌夏区块风城组岩性胶结致密，研磨性强，平均机械钻速不足1m／h，在风南8井的二叠系风城组3 629.0～4 257.07m井段实施泡沫钻井，机械钻速比常规方式提高4.8倍，并减少了钻头用量，提高了钻井时效，创造了国内陆地泡沫钻进的最深记录［12］；大牛地气田二叠系下石盒子组盒1段气层具有低孔隙度、低地层压力、特低渗透率、高基块毛细管力、强非均质性的特点，常规直井和水平井几乎不能实现自然建产，在DP14井、DP19井和DP22井应用氮气泡沫钻水平段，取得了良好的油气显示，且均实现了随钻点火［13］。但是，地层出水造成岩屑黏结成团、返出不畅成为气体钻井技术的主要障碍之一，川渝地区有超过20井次的井因地层出水而提前结束，未能有效发挥气体钻井技术提速潜力。前期试验的泡沫钻井在工艺技术和基液配方优化等方面还存在不足，为此，从泡沫的极限携水能力、钻井参数优化、泡沫基液配方研究以及现场工艺等方面开展试验，并在四川地区龙岗、元坝等构造开展泡沫钻井提速现场应用8井次，进尺3 826.24 m，平均钻速5.02m／h，有效地提高了机械钻速、延长了气体钻井进尺、治理了井漏复杂。

1 泡沫钻井介质携水能力

泡沫是以气体为泡沫流体，以气体为分散相、液体为连续相的特殊流体，质量好的泡沫流体（一般气相占75%～80%），黏度较高，具有良好的悬浮能力。泡沫流体在井筒中向上运移时，液滴（地层水）被气泡托着，并且气泡之间的相互作用夹持着液滴（地层水），只有当液滴下面的气泡被挤出一条通道或是变形的时候，液滴才会下沉，一般情况下液滴的重量是不足以使气泡变形的。如果有足够的气泡存在，液滴便不会发生运动，也不至于沉降。当然，泡沫携带水的同时也将岩屑一起携带出来。

从理论上讲，只要流体向上的绝对速度大于0，则可排液，大量的国外资料表明，泡沫在环空中的上返速度在0.5～1.0m／s就可以保证钻井工作的正常进行［14］；还有研究者认为良好泡沫流体携岩能力是常规钻井液的7～8倍，甚至10倍，携水能力更好，要求泡沫质量稳定、良好［4，15－16］。笔者认为泡沫携水能力的强弱与很多因素有关系，如井眼尺寸、井深、注气量、注液量、基液浓度、机械钻速以及井底温度等。在优化气液比的基础上，根据川渝地区地质特征，以稳定泡沫流体钻井计算分析方法为基础，对不同井深、不同井眼尺寸条件下泡沫的极限携水能力进行了计算［15］，得到的结果已在现场泡沫钻井作业中应用（图1）。

图1 不同井眼、井深条件下泡沫携水能力图

2 泡沫钻井参数优化设计

合理的参数优化设计是泡沫钻井顺利实施的重要保障，基于泡沫钻井理论，泡沫钻井设计参数的原则是泡沫最低返速不低于0.51m／s，环空岩屑浓度小于4%，注入压力满足设备能力需要，井底泡沫质量大于0.55［4、16］。就不同井深、不同井眼尺寸条件下泡沫钻井进行了参数优化。据此首先对 311.2mm井眼段泡沫钻井参数进行了优化，计算参数为钻头井深3 000 m、井口压力为0.1MPa、地表温度25℃、岩屑颗粒直径2.54mm，最高机械钻速15m／h，结果见图2、3。

图2 岩屑返速与注入气量的关系曲线图

图3 岩屑浓度随注气量变化图

从图2可见，泡沫的返速为0.51m／s时，注气量为55m3／min，此时井筒最高岩屑浓度仅为1.276%（图3），其值远小于临界安全浓度4%。同时，根据图3的关系曲线得知，当注气量超过85m3／min后，随注气量的增加，岩屑浓度降低幅度不大。因此，在该井眼条件下，设计泡沫钻井注入气量合理范围为55～85 m3／min，现场根据井下实际需要配置合理气量。

当注入气量为55～85m3／min时，注入压力小于3MPa，满足设备能力需求（图4）。按照设计参数计算，井底最低气相含量为74%（图5），其值大于0.55，泡沫性能稳定。因此，根据计算合理注气量为55～85 m3／min，对应液相为6.17～8L／s。

图4 注入压力随注气量变化图

图5 泡沫质量随井深的变化曲线图

根据上述模拟方法，优化设计出不同井深、井段的泡沫钻井参数（表1）。

表1 不同井眼不同井段泡沫钻井参数优化设计表

3 泡沫钻井基液配方

泡沫钻井基液性能是关系泡沫钻井成败的关键所在，泡沫质量和半衰期则是衡量泡沫性能最重要的因素，泡沫质量是指泡沫中的气体体积占总流体体积的体积分数。要形成稳定泡沫，其泡沫质量必须大于0.55，对半衰期而言，太长会影响消泡，太短则影响携屑，因此不同的井段和地质特性所使用的泡沫配方不同。为此，通过室内实验，最终形成了满足不同条件的泡沫基液配方（注：配方中SPS、QP－2、COA－30为起泡剂，CMC为稳定剂，YZ－1为抑制剂）。

3.1 井壁稳定性好的出水或漏失地层

优选配方：清水＋0.5%～1.0%SPS（QP－2或COA－30）

基本性能：泡沫质量大于等于0.85；半衰期为4.83～12.0min

3.2 井壁稳定性差的出水或漏失地层

优选配方：清水＋0.5%～1.0%QP－2（SPS或COA－30）＋0.2%CMC＋7%YZ－1。

基本性能：泡沫质量大于等于0.82；半衰期为6 min；回收率97%；膨胀降低率42%。

3.3 出油地层

优选配方：清水＋0.5%～1.0%COA－30（或 QP－2）＋0.2%CMC＋7%YZ－1。

基本性能：泡沫质量大于等于0.83；半衰期达到8.4min；回收率97%；抗油能力20%。

4 泡沫钻井现场工艺

4.1 泡沫基液半衰期的确定

泡沫基液半衰期是将起泡剂（稳泡剂）与100mL水混合生成的泡沫自然析出50mL水所用的时间，它是满足泡沫携砂最重要的参数之一。半衰期太短会出现泡沫还未返达地面时出现破泡，导致井眼携砂不畅，发生井下复杂；半衰期太长会出现泡沫返出后长时间无法破泡，影响泡沫回收利用，同时沉砂池小造成泡沫外溢污染环境的问题。为此，以泡沫钻井优化设计参数为基础，对不同井深、不同井眼尺寸泡沫循环1周所需时间进行了模拟计算［15］，其结果见图6。

图6 泡沫随井深变化循环1周所需时间图版

根据计算结果制作了泡沫随井深变化的循环时间图版，利用该图版可方便地确定不同条件下泡沫半衰期，从而指导现场稳定剂（CMC）加量的调节。

4.2 泡沫钻井实施方式的选择

当前，由于稳定泡沫回收工艺实施条件苛刻、难度大，泡沫钻井基本都采用一次性使用工艺，基于现场沉砂池条件和地层出水量大小综合考虑，有两种实施方式可供选择，一是间断泡沫钻井，另外一种是连续泡沫钻井方式。

4.2.1 间断泡沫钻井

间断泡沫钻井是当地层出水后（或出油、井漏）先采用干气体钻井钻进1根或多根单根，然后注入基液循环带砂的钻井方式，其优点是基液用量少、占用沉沙池体积相对较小等；但实施条件较为苛刻，首先是干气体钻井时绝大部分砂粒能被带出而不是完全被黏附在井壁上，以确保井眼畅通；其次是地层出水量不能大于泡沫钻井携水能力范围，即保证井底泡沫质量大于0.55；此外，还必须准确把握间断注入基液的时机。前期已开展间断注液方式实施泡沫钻井的现场试验，取得了一定的效果，但由于试验较少，认识上还存在诸多的局限，还需进一步扩大实验范围。

4.2.2 连续注基液泡沫钻井

连续泡沫钻井是采用气液同注的施工方式，其实施条件是地层出水量不大于泡沫钻井携水能力的要求，同时现场沉砂池的容积还必须满足连续泡沫钻井的需求，其与岩屑产出量、基液注入量、地层水产出量以及返出基液泡沫有关，计算公式为：

式中V总为所需沉砂池最小体积，m3；D为井眼直径，m；H 为钻井井段长度，m；vl为基液注入速率，m3／min；t循为泡沫循环1周所需时间，min；t消为返出泡沫消泡时间，min；vf为地层产水速率，m3／min；t为钻井时间，min；Γ为泡沫质量。

4.3 工艺流程

以空气作为工作对象，用压缩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，在立管处基液与空气混合，在钻具内形成泡沫，泡沫通过钻头时对钻头进行冷却，并在环空携带岩屑经过井口三通，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（图7）。

4.4 泡沫钻井施工要点

1）及时用潜水泵将沉淀池中清洁的泡沫液回收至雾化泵中，以便雾化泵正常供液。

2）注意观察出口返出的泡沫质量和监测雾化泵基液罐中的基液性能，及时补充发泡剂，保持基液中的发泡剂浓度，以确保泡沫钻进效果。

3）接单根时，首先应上提本单根，再下划至底，保持循环3～5min后，上提方钻杆，停止雾化泵注液，保持空气循环2～3min，停气，待立压降至0后，开始接单根。单根接好后，按要求的排量供气供液，出口正常后即可恢复钻进。

4）中途进行单点测斜，起下钻，和终止泡沫钻井前等，应先进行正常的携砂洗井，再停止雾化泵注液，增开空压机，以大排量空气将井筒内的泡沫液吹出，尽量减少井内残余液体与水敏性泥页岩的接触时间，以保持井壁稳定。

5 泡沫钻井现场应用

龙岗构造富含浅层水，气体钻井在该区多口井进行钻进时因地层出水而被迫结束，且上部地层蓬莱镇组采用钻井液钻进存在不同程度的井漏，如龙岗001－11井在 444.5mm井眼的60～211.42m井段井漏失返，造成损耗4d时间，龙岗001－8－1井在井段50～370 m井段最大漏速达67.2m3／h，共损耗钻井液1 112.5m3。鉴于此，基于前期研究论证，在龙岗001－11井、001－18井、001－22井以及010－U3井 444.5mm井眼段试验泡沫钻井技术并获得成功（表2、图8），均顺利钻达固井井深，总进尺1 803.74m，平均机械钻速5.82m／h，是相同条件下钻井液机械钻速的1.82倍，平均钻井周期由原来钻井液钻进时的10d降低到4d，同比节约6d。

图7 泡沫钻井地面流程图

元坝区块导管（ 660.4mm或 609.6mm井眼）钻井液钻速慢、井漏，钻井周期长，其中元坝2井在导管采用 609.6mm钻头从井深22m钻至204.3m平均机械钻速1.7m／h，在元坝16井、272井、225井 660.4mm井眼采用泡沫钻井顺利钻达固井井深，平均机械钻速4.14m／h，同比提高1.43倍，钻井周期同比缩短6d以上。通过该技术的应用，很好地治理了漏失含水层段，提高了机械钻速，缩短了钻井周期。

表2 龙岗构造、元坝区块泡沫钻井应用情况表

图8 泡沫、钻井液钻进钻速、周期对比图

6 结论及建议

1）通过计算确定了不同条件下泡沫钻井的极限携水能力，优化了泡沫钻井参数，研制了满足不同钻井条件下的泡沫基液配方，形成了泡沫钻井现场工艺。

2）泡沫钻井在龙岗、元坝区块的试验应用表明，该技术能有效地治理地层出水，井漏复杂，提速效果显著，平均钻速是相同条件下钻井液钻进的1.82倍，钻井周期同比缩短6d，为气体钻井处理含水层提供了一条有效途径。

3）当前泡沫钻井循环利用效果不理想，占用沉沙池体积大，可循环利用效果差，可循环泡沫钻井技术进行是其发展的一个重要方向。

4）对出油层段泡沫钻井的应用还有待现场试验。

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