三塘湖油田储层埋藏深度浅，油藏非均质性强，为中低孔低渗、裂缝-孔隙型储层，平均油藏压力系数0.71，属异常低压系统[1-2]。在低压地层钻进过程中，经常发生钻井液严重漏失和压差卡钻，使用普通钻井液体系，产生的过平衡压力是发生漏失和压差卡钻的主要原因[3]。漏失的钻井液进入储层可能会堵塞油气通道，降低油气采收率，也可能破坏井壁的稳定性。若应用充气钻井液或欠平衡钻井技术，可以降低漏失地层的压差，但需要配置价格极其昂贵的设备。因此，通过优选高效起泡剂，并结合三塘湖油田的地质特点，优选钻井液配方，形成了一种适合三塘湖油田的微泡钻井液。该钻井液以水为连续相，表面活性剂、聚合物处理剂通过物理、化学作用自然形成粒径为15~150 μm、壁厚为3~10 μm的类似气囊的微观结构[4]，分散在连续相中形成稳定的气液体系。在现场应用，不需添加注气设备即可实现密度低于1.0 g/cm3，其微泡沫膜强度高，对低压地层封堵作用强，可以有效控制井漏，降低钻井成本。
实验采用的主要试剂有：起泡剂(F、A21、SJ-6、F871)，抑制剂YFKN，降失水剂MV-CMC，增黏剂(XC、PAC)，井壁稳定剂(SMP-Ⅱ、FT-1)，均为工业级试剂。
主要实验仪器有：Ross-Miles发泡仪、偏光显微镜、SHM-01型钻井液高温高压密度特性模拟试验装置、辊子加热炉、NP-3型智能页岩膨胀仪、高温高压动态损害试验仪、高温高压滤失仪。
采用倾注法在Ross-Miles发泡仪中对起泡剂进行起泡性能研究[1-2, 5]，起泡液为0.4%(w)的水溶液，实验温度为50 ℃，实验结果见表 1和表 2。实验结果表明，起泡剂A21具有较高的起泡高度，半衰期长，在地层温度下老化和受盐污染的条件下，仍能保持较高的起泡高度，半衰期下降幅度较低。
室内研究中将起泡剂与稳泡剂、抑制剂、流型调节剂、降滤失剂和井壁稳定剂等调配成微泡沫钻井液。
配方：4%(w)膨润土+0.3%(w)YFKN+1%(w)MV-CMC+0.2%(w)XC+0.1%(w)PAC+2%(w)SMP-Ⅱ+2%(w)FT-1+0.2%(w)A21+0.5%(w)其他材料。
用高速变频无极调速搅拌机以10 000 r/min的速度搅拌20 min，配制成含气泡囊结构的微泡沫钻井液，测定其密度为0.85 g/cm3、塑性黏度为28 mPa·s、动切力为15 Pa、初/终切力为3 Pa/6 Pa、API滤失量为4.2 mL/30min。
微泡沫钻井液中微气泡的微观结构由气核及外部包裹的多层膜(主要由增黏水层和表面活性剂层构成)组成[4]，使用偏光显微镜放大160倍，其结构如图 1所示，微泡沫的直径在10~100 μm左右，微泡沫的液膜厚度与气泡直径相当，泡与泡之间呈分散排列。
微泡沫结构的中心是气核[4]，由内向外依次是增黏水层、表面活性剂层以及处于过渡面间的三层膜结构组成。增黏水层由聚合物水溶液形成，其局部浓度远远高于体相；表面活性剂层由聚合物高分子和表面活性剂组成，浓度从膜外侧向体相逐渐降低，层间的三层膜结构主要使增黏水层、表面活性剂层保持稳定，维持界面张力，从而保持气泡的稳定性。
(1) 抗温抗压能力强。微泡沫具有良好的抗温抗压能力和强剪切稀释性能。一般认为，钻井液中的微泡沫在高压下将会消失[6]。室内研究证明，微泡沫在20 MPa、120 ℃条件下仍然存在[4]。采用SHM-01型钻井液高温高压密度特性模拟实验装置对微泡沫钻井液的密度特性研究的结果如图 2所示。
微泡沫比气泡结构要复杂得多，在高温高压环境下，钻井液中含有的空气本应该都能溶解在水中，使得钻井液密度接近基液密度[6]，但在微泡沫钻井液中观察不到这种现象。微泡沫钻井液在压力增加至20 MPa时，钻井液的密度仅有微小增加，其原因可能是气泡内的气体在受热膨胀和高压压缩的双重作用下，使得其气泡大小变化不大。同时，由于微气泡液膜的高强度，气泡不易发生聚合变大，抑制了空气进入水外相中，使得体系密度变化不大。
(2) 抑制能力强。为测定微泡沫钻井液对页岩的抑制能力，室内选取三塘湖盆地易水化膨胀的齐古组岩心，利用辊子加热炉进行岩心滚动回收实验，结果如表 3所列(岩心在80 ℃下热滚16 h)。实验结果表明，微泡沫钻井液具有更高的滚动回收率。
在页岩膨胀试验中，微泡沫钻井液的页岩膨胀率均低于聚磺钻井液，在浸泡400 min后, 微泡沫钻井液的页岩膨胀率低于聚磺钻井液3.5%(见图 3)。
岩心滚动回收实验和页岩膨胀实验说明，微泡沫钻井液的抑制性强于聚磺钻井液，其原因可能是微泡沫在岩心表层孔喉处堆积，降低了钻井液的侵入深度，且微泡沫液膜的聚合物浓度远高于体相，可能在岩心外层形成了高浓度的聚合物层，提高了抑制效果。
(3) 油层保护效果好。微泡沫对油气层渗流通道的封堵具有自匹配特性[4]，微泡沫的流动速率大于水溶液速率，在进入油气层通道时，体积大的微泡囊进入通道最深，在窄孔喉处被挤压变形，由于贾敏效应产生的附加阻力分解了液柱压力[7-8]，实际作用于最前方气囊的压力很小，液相中的其他微泡沫在压差作用下在通道内非均一堆积，呈“躺金字塔”状[7-8]。微泡沫能够根据储层油气储渗空间的大小和产状，自行调节结构或形状，最大限度地占据储层储渗空间或在井壁内侧形成黏膜层，其封堵不同尺寸渗流通道的自匹配特性，对油气层有较好的保护效果。
微泡沫钻井液对油层的保护效果以岩心渗透率实验和砂床滤失实验进行评价。岩心渗透率实验采用高温高压动态损害试验仪(见表 4)。选取三塘湖油田探井马17井西山窑组岩心进行污染实验。实验条件：压差3.5 MPa、温度60 ℃、剪切速率150 s-1、时间4 h。
在岩心渗透率实验中，微泡沫钻井液侵入岩心不足2 cm，两组岩心的岩心渗透率恢复值都在85%以上。说明微泡沫钻井液对储层伤害小，微泡沫在侵入岩心的过程中被拉伸变形，贾敏效应使得阻力增加[7-8]，对油气层形成封堵。
砂床滤失实验采用高温高压滤失仪[9]，把高温高压滤失实验的滤纸换成砂层，使用经清水洗净后烘干的砂子(粒径为0.45~0.9 mm)，砂床铺砂厚度为12 cm；按测试API滤失量的方法，加压测试滤失量和滤液进入砂床的深度，实验温度45 ℃。
砂床滤失实验可直观地反映钻井液对储层的保护效果。由表 5可知，当压力增至5 MPa，微泡沫钻井液砂床滤失量仍为0，滤液进入砂床深度10.5 cm，说明微泡钻井液具有较强的封堵作用。
三塘湖油田西山窑组储层属于异常低压油藏[1-2]，油藏埋深1 326~1 738 m，地层压力系数0.58~0.89，平均0.71；储层特性属于低孔、低渗，孔隙结构很差，以细喉和细孔为主，容易造成水锁[1]；岩性以灰色泥岩为主，夹泥质粉砂岩、砂砾岩。
三塘湖油田注水井采用低密度钻井液开发，二开上部采用聚合物钻井液体系，储层段至完井采用微泡沫钻井液，目的是保护油气层，提高注水开发效果。
在现场进行钻井液体系转化前，利用四级固控设备清除钻井液中的有害固相，减少对微泡沫的影响。按配方要求，先加入其他各种钻井液处理剂，调整好钻井液性能；然后在钻进至储层100 m开始，按每循环周100 kg用量均匀加入起泡剂, 将钻井液密度降低至0.95 g/cm3左右。
微泡沫钻井液在三塘湖油田注水井应用了8口井(见表 6)，测量取样点在钻井液出口管线部位。
在现场应用的8口井中，应用段钻井液密度较稳定且降低至0.95 g/cm3以下，施工过程中水龙带运行正常，泵压较稳定；黏度、屈服值、API滤失指标波动范围不大，基本符合实验室测试数据。说明在现场应用中，钻井液性能较稳定，易于维护。8口井中应用微泡沫井段的平均井径扩大率与全井相比有较大程度减小，测井成功率均达100%，说明微泡沫钻井液具有较强的抑制性，钻井液应用性能与地层的匹配性较强，因而抑制了地层的水化膨胀与井壁的剥落坍塌。
在现场应用的井段均未有井漏等复杂情况发生，原因可能是微泡沫钻井液与油气层之间的压差小，钻井液柱对井底的压力较低，因此显著降低了井漏发生率，低密度的钻井液也有利于减小“压持效应”[10]，有利于提高钻速。
(1) 由于微泡沫的多层膜结构具有较高的稳定性，气泡不易发生破裂和互相聚合导致相分离。在模拟井下温度压力的环境下，钻井液可以保持低密度且较稳定。
(2) 微泡沫钻井液具有较强的抑制性，与聚磺钻井液相比，岩心滚动回收率和抑制页岩膨胀率均较好。
(3) 微泡沫钻井液的岩心渗透率恢复值达到了85%以上，砂床滤失量低于聚磺钻井液，具有较好的油层保护效果。
(4) 现场应用中，微泡沫钻井液密度降低至0.95 g/cm3以下，性能稳定，应用井段平均井径扩大率有较大幅度降低，体现了抑制性强的特点，井漏等复杂情况发生率降低到零，达到了良好的应用效果。
2016, Vol. 45 Issue (4): 51-54, 58
2016, Vol. 45 Issue (4): 51-54, 58