超低密度钻井液技术在大庆油田易漏复杂层的应用

李晓波

中国石油大庆钻探工程公司 钻井三公司（黑龙江 大庆 163000）

井漏、井涌和井喷等事故给钻井施工带来了巨大安全隐患，也造成了较大的经济损失，特别是在经过多年开采的老区油田，这种现象更为普遍。大庆油田已经走过了60年的勘探开发历程，在高产稳产期之后进入到压力枯竭、产能极低、特高含水率的后期开发阶段。大庆油田的南二、三区在经过二次、三次加密开发之后，再加上长期注水、注聚采油，地层压力系统变得极其复杂，最低地层压力系数远远小于1.0，不仅层间压力差异大，同层压力也极不稳定。在钻井施工过程中，极易发生井漏、井涌，甚至是漏喷同层的复杂事故，对钻井液密度窗口要求极高，最低密度要求小于0.8 g/cm3，既要能够满足防漏需要，特殊情况下又能将钻井液密度提高至1.15 g/cm3，满足压稳地层的需要，将井筒压力控制在安全范围之内。因此，研究了一套超低密度钻井液，有效降低了南二、三区的井漏、井涌等复杂事故，有效保证了该区块石油资源的高效开发，产生了良好的经济效益和社会效益。

1 低密度钻井液技术

1.1 玻璃微珠低密度钻井液技术

为了满足特殊复杂层欠平衡钻井需要，大庆油田先后研究过低密度油包水和低密度水包油钻井液技术，这两种钻井液的密度只能低至0.90 g/cm3，只能应用于普通低压力地层钻井。对于南二、三区这样的复杂区块，只有密度更低的钻井液才能满足钻井需求。

大庆油田2007 年研发出一套以空心玻璃微珠（HGS）作为密度减轻剂的低密度水基钻井液。空心玻璃微珠作为钻井液的核心添加剂，最主要的作用就是降低钻井液密度，由耐热碱石灰硼硅酸盐玻璃制成，其粒径分布范围较广，大都在10～90 μm；在承受较高的压力下不易破碎；抗温性极好，只有在高于600 ℃的环境中才会发生塑性形变；自身密度在0.32～0.60 g/cm3；同时，中空玻璃微珠具有良好的储层保护效果。通过改变HGS加量，能够有效调整钻井液的密度，在钻井液中玻璃微珠的极限加量为40%，此时钻井液密度能降低至0.85～0.87 g/cm3[1-2]。

玻璃微珠钻井液虽然密度较低，但也无法直接应用到大庆油田南二、三区，主要存在以下2方面原因：①玻璃微珠低密度钻井液最低密度只能降至0.85 g/cm3，与南二、三区需求的小于0.8 g/cm3的最低钻井液密度还存在一定差距；②从玻璃微珠低密度钻井液现场应用实例可知，当玻璃微珠达到40%的极限加量时，由于钻头与地层、钻具与井壁以及钻头水眼的挤压、研磨作用，玻璃微珠会发生破碎和损耗，破碎率超过40%，总损耗量超过60%，这样既会引起钻井液密度升高，还会对钻井液流变性产生负面影响。如果继续维持钻井液的低密度，只有加大玻璃微珠加量，势必会增加钻井液成本。

1.2 微泡沫钻井液技术

在玻璃微珠低密度钻井液之后，为了满足一些区块欠平衡钻井需求，又研发了微泡沫钻井液技术。这种钻井液技术是将具有发泡能力的表面活性剂添加到钻井液中，通过产生的泡沫降低钻井液密度。为了获得良好的发泡效果，保持较稳定的泡沫，往往要向钻井液中添加具有稳泡能力的表面活性剂。这种低密度微泡沫钻井液的密度范围在0.86～1.10 g/cm3，也无法直接应用于南二、三区，不能满足安全钻井对低密度的需求；同时，仅靠添加大量发泡剂来降低钻井液密度，需要更高标准的设备来匹配发泡工艺，还会增加发泡剂和稳泡剂的成本[3]。

2 超低密度钻井液技术研究

结合玻璃微珠钻井液和微泡沫钻井液的特点，为了研究一套密度小于0.8 g/cm3的超低密度钻井液，确定了研究思路：先通过控制中空玻璃微珠的加量，将水基钻井液密度降至0.9 g/cm3左右；然后在玻璃微珠低密度钻井液基础上，再添加发泡剂和稳泡剂，进一步将钻井液密度降至0.8 g/cm3以下，以满足超低密度钻井液需求。

2.1 玻璃微珠低密度钻井液性能

2.1.1 玻璃微珠优选

空心玻璃微珠的选择必须遵行以下几个原则：①玻璃微珠粒径必须合理。粒径越大越容易破碎，损耗率也越高，粒径太小会因为加工工艺的繁琐而导致成本增加；②玻璃微珠壁厚适中。太薄容易破碎，太厚会导致玻璃微珠自身密度的增加；③玻璃微珠在钻井液中具有良好的分散度[4]。

根据以上原则，如图1和图2所示，优选出平均粒径在40 μm、壁厚在1～2 μm 的空心玻璃微珠，经过室内评价实验，这种空心玻璃微珠在承受14～74 MPa 的压力下，破碎率小于5%，且在钻井液中具有良好的分散度，不会产生团聚、絮凝的情况。

图1 玻璃微珠微观结构图

图2 玻璃微珠在钻井液中的分散微观图

2.1.2 玻璃微珠加量确定

在淡水基浆（配方：4%膨润土浆+1%～1.5%抑制剂+0.1%～0.2%包被剂+1.0%～1.5%降滤失剂）基础上，加入不同量的玻璃微珠，测量玻璃微珠对钻井液密度和流变性的影响规律，实验结果如图3和图4所示。由图3可知，随着玻璃微珠加量增加，钻井液密度总体呈下降趋势，在质量分数达到40%时，钻井液密度最低，为0.85 g/cm3；由图4可知，钻井液塑性黏度和动切力随着玻璃微珠加量增加，总体呈上升趋势，在质量分数小于25%，塑性黏度和动切力增加缓慢，对钻井液性能影响较小，但超过25%时，塑性黏度和动切力快速增加，对钻井液性能影响较大。

因此，综合考虑玻璃微珠损耗率、钻井液流变性和综合成本等因素，确定玻璃微珠质量分数为25%，此时钻井液密度为0.92 g/cm3。

图3 玻璃微珠对钻井液密度影响曲线图

图4 玻璃微珠对钻井液流变性影响曲线图

2.2 超低密度钻井液性能

在玻璃微珠低密度钻井液基础上，通过加入自主合成的发泡剂和稳泡剂，再进一步降低钻井液密度至所需要的范围。

2.2.1 发泡剂合成及性能评价

发泡剂是微泡沫钻井液技术的关键处理剂，形成的泡沫的质量直接决定着钻井液性能是否稳定。目前微泡沫钻井液常用的发泡剂由于单体选择和合成工艺的不同，产品的亲油亲水能力相差很大，最终发泡能力、泡沫质量（发泡体积、半衰期和抗污染能力等）差异也较大。因此，选用烷基酰胺、胺基和羧酸等亲水单体合成出能够满足要求的发泡剂[5]。该反应为水溶液聚合反应：将胺基化合物与二级去离子水配制成一定浓度的溶液，置于搪瓷反应釜中，将温度升高至60 ℃；再缓慢加入烷基酰胺单体与氢氧化钠配制成的混合溶液；混合溶液加完后继续反应3～4 h，可得到乳白色表面活性剂CF。

采用常用的半衰期泡沫质量评价法对合成的发泡剂CF的质量进行了评价，并和常用的发泡剂进行了对比分析。该方法是将一定的发泡剂加入到水中，通过高速搅拌产生泡沫，测量产生泡沫的体积；并静止观察，记录开始析出液体的时间（出液时间）和半衰期（析出一半量液体的时间），实验结果见表1。由表1可知，自主合成的发泡剂CF，发泡体积和发泡能力都高于其他几种表面活性剂，且出液时间和半衰期都更长，说明其产生的泡沫性能稳定，质量较高，能满足泡沫钻井液发泡需求。

表1 不同发泡剂性能对比

2.2.2 稳泡剂合成及性能评价

在井下高温高压和水眼剪切作用下，泡沫极易发生破裂而引起钻井液密度升高。为了进一步提高泡沫稳定性，常常在泡沫钻井液中添加一种具有稳泡作用的表面活性剂，以提高泡沫稳定性。目前常用的稳泡剂大都为生物聚合物类、聚合纤维素类和改性大分子类，单一使用某一种稳泡剂，效果较差，复合使用又存在成本高、加料和维护工艺复杂等问题。因此，综合考虑稳泡能力、成本和维护工艺等因素，采用乳液聚合方式，以丙烯酸和酰胺类化合物合成出一种低黏度的中分子量聚合物钻井液体系用稳泡剂SF。

对合成的稳泡剂的稳泡能力与其他几种稳泡剂进行了对比，实验结果见表2。由表2可知，合成的稳泡剂稳泡能力较好，与发泡剂具有较好的协同作用，可以延长半衰期。

表2 稳泡剂性能评价

2.2.3 超低密度钻井液配方研究及性能评价

在淡水基钻井液配方基础上，通过添加25%的空心玻璃微珠（HGS）使钻井液密度降低至0.92 g/cm3，然后通过室内配方研究和正交试验，确定了发泡剂和稳泡剂的加量，将钻井液密度降至0.78 g/cm3。超低密度钻井液配方为：4%膨润土浆+1%～1.5%抑制剂+0.1%～0.2%包被剂+1.0%～1.5%降滤失剂+25%HGS+0.02%～0.04%发泡剂CF+0.01%～0.03%稳泡剂SF。并对其相关性能进行了评价。

1）常规性能评价。对淡水基浆、玻璃微珠低密度钻井液和超低密度钻井液的流变性，以及超低密度钻井液的泡沫稳定性进行评价，实验结果见表3和表4。由表3 可知，与淡水基浆相比，玻璃微珠低密度钻井液和超低密度钻井液流变性变化较小，说明在现场施工时不会因为玻璃微珠和发泡剂的加入而发生性能突变；由表4可知，超低密度钻井液密度随着搅拌时间增加会略有降低，泡沫体上、中、下部密度几乎不变，且半衰期时间都大于45 h，说明泡沫体系均匀稳定，能满足现场施工需求。

表3 常温下微泡沫钻井液性能

表4 微泡沫钻井液常规发泡性能

2）抗污染性能。在钻井过程中，钻井液性能会受到地层中的油相、岩屑等污染而变化，所以对超低密度钻井液的抗污染能力评价也很关键[6]。由表5 可知，随着柴油加量增加，钻井液性能变化不明显，具有较强的抗油污染能力，能抗15%柴油污染；由表6可知，钻井液在受劣土污染之后，泡沫体积和黏度变化不明显，说明抗劣土污染能力较强，能够满足现场不同地层钻井要求。

3）堵漏性能。在80 ℃条件下，采用砂床承压封堵实验对超低密度钻井液的堵漏承压能力进行评价。实验结果显示，在0.425～0.850 mm（20～40 目）和0.250～0.425 mm（40～60 目）砂床封堵实验中，承压能力由常规钻井液体系的5.2 MPa 和6.1 MPa 分别提高至7.5 MPa 和8.0 MPa，表明空心玻璃微珠和微气泡在砂床孔隙中形成了有效封堵层，使承压能力大幅度提高，说明超低密度钻井液对不裂缝性地层都具有较强的防漏堵漏能力。

表5 超低密度钻井液抗油污染实验结果

表6 微泡沫钻井液抗劣土污染能力评价

3 现场应用

研制的超低密度钻井液在大庆油田南二、三区N252-1 井进行了应用。该井三开井段为1 100～1 670 m，预测井底压力系数小于1.0，存在易漏风险，所以采用超低密度钻井液进行钻井。

三开作业前，将淡水基浆性能调整至合理范围，通过加料漏斗缓慢加入25%钻井液体积的玻璃微珠，持续搅拌2 h 以上；当玻璃微珠分散均匀、钻井液密度稳定之后，按照比例先后加入发泡剂和稳泡剂，经过搅拌桨剪切后，形成超低密度钻井液，经测量钻井液密度为0.8 g/cm3，能够满足三开井段欠平衡钻井需求。在钻井过程中，要根据钻井液密度和泡沫体积的变化情况，按比例随时补充玻璃微珠、发泡剂、稳泡剂或消泡剂，并保持搅拌桨正常运转。

在整个三开过程中，钻井液性能见表7，超低密度钻井液性能稳定，密度始终维持在0.80 g/cm3左右，API 失水在3 mL以内，而且井底岩屑返出顺利，没有发生钻井液漏失、井涌和井喷等复杂事故。机械钻速比同区块邻井提高96%，钻井周期也同比缩短12 d以上。

表7 现场钻井液性能数据

4 结论及建议

1）针对大庆油田南二、三区地层的复杂特点，通过选用空心玻璃微珠和合成发泡剂、稳泡剂，研制出一套超低密度钻井液，密度最低能降至0.78 g/cm3，发泡稳泡能力强，对0.25～0.85 mm（20～60 目）砂床的承压能力在7.5 MPa 以上，并具有良好的抗污染能力。

2）现场应用表明，该超低密度钻井液技术能有效控制井筒压力，使井漏和井涌风险降低，能提高钻井速度，缩短钻井周期，对老区油田复杂区块井控安全和钻井安全提供技术支撑，具有良好的推广应用前景。