——用于解决气—液钻井转换初期的井壁失稳问题

摘　要：气体钻井结束后，在替入钻井液初期，钻井液中的水相会大量快速地进入地层，引起地层中的黏土矿物吸水膨胀而导致井壁失稳或形成厚滤饼，造成起下钻遇阻复杂，解决井眼通畅问题需要花费更多的处理时间。为此，提出了气体介质转换成钻井液介质的钻井初期有效控制井壁失稳新的技术思路——成膜防塌技术。在实验室内研制了一种由高分子有机物和无机物组成的混合液体，称之为“成膜液”，并进行了人造岩心浸泡、泥球浸泡、防清水渗透的室内实验，分别对比考察了岩样的分散、岩心表面成膜及其防水膜的渗水性能。实验结果表明：该成膜液能在短时间(10～30s)内在实验岩心上形成一层光滑致密的防水渗膜，能有效阻止钻井液中的水相进入实验岩心的内部，起到了防止黏土水化分散、稳定井壁和有效防止厚泥饼形成的作用。最后分别推荐了气体钻井和雾化钻井的成膜液现场应用浓度范围及其操作性强的防渗膜“涂抹”工艺方法。

关键词：气体钻井  钻井液  气液转换  成膜防塌技术  井壁稳定  防水渗膜  前置液  成膜液

An experimental study of a diaphragm anti-sloughing drilling fluid and its application process：A solution to wellbore instability in early-stage gas-liquid displacement

Abstract：After the gas drilling is completed，free water in drilling fluid will flow into the formation rapidly in a large volume after the drilling fluid is pumped downhole．This will cause clay materials to swell，which leads to wellbore instability or the formation of thick mud cakes．Consequently，this will result in complex slacking off，which takes more time to make borehole unobstructed．Therefore，a diaphragm anti-sloughing drilling fluid technology was proposed as a new methodology to effectively control wellbore instability when the drilling fluid is pumped downhole after the gas drilling．A fluid mixture，a so-called film-forming agent，composed of macromolecular organics and inorganics，was developed and such indoor experiments were conducted as artificial core soaking，mud ball soaking and anti water permeability test to investigate and analyze the dispersion of core samples and the permeability of core surface diaphragm and waterproof diaphragm．The experimental results showed that this film-forming agent could quickly form a smooth and strong waterproof film on the surface of laboratory cores within 10 to 30 seconds to effectively prevent free water in the drilling fluid from flowing into the core internal，thus to prevent clay dispersion，borehole instability，and the formation of thick mud cakes．Finally，the field application concentration range of this film forming agent and the“smearing”technique of water-proof diaphragm were also recommended respectively for gas drilling and mist drilling．

Keywords：gas drilling，drilling fluid，gas-liquid replacement，diaphragm anti-sloughing drilling fluid technology，wellbore stability，waterproof diaphragm，pad fluid，foam forming agent

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5.0MPa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300～400kg／m³为最优加量。

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。

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。

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)。

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。

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6～8m。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。

参考文献

[1]邓虎，杨令瑞，陈丽萍，等．气体钻井井壁稳定性分析[J]．天然气工业，2007，27(2)：49-51．

DENG Hu，YANG Lingrui，CHEN Liping，et al．Analysis on well-bore stability during gas drilling[J]．Natural Gas Industry，2007，27(2)：49-51．

[2]蒋祖军，张杰，孟英峰，等．气体钻井井壁稳定性评价方法分析[J]．天然气工业，2007，27(11)：68-70．

JIANG Zujun，ZHANG Jie，MENG Yingfeng，et al．Analysis on the methods used to evaluate the wellbore stability of gas drilling[J]．Natural Gas Industry，2007，27(11)：68-70．

[3]钟英，崔茂荣，梁毅，等．空气钻井中气液合理转换时机和井壁失稳原因及对策[J]．内蒙古石油化工，2008，34(20)：146-148．

ZHONG Ying，CUI Maorong，LIANG Yi，et al．The reasonable transference time of gas-liouid and causes of well bore instability and strategy in air drilling[J]．Inner Mongolia Petrochemical Industry，2008，34(20)：146-148．

[4]苗锡庆，张进双，苏长明，等．气体钻井转换钻井液井壁稳定技术[J]．石油钻探技术，2008，36(3)：29-32．

MIAO Xiqing，ZHANG Jinshuang，SU Changming，et al．Enhancing welibore stability by gas-liquid drilling fluids replacement in gas drilling[J]．Petroleum Drilling Techniques，2008，36(3)：29-32．

[5]许期聪，魏武，叶林祥，等．气体钻井快速转换为常规钻井的钻井液技术[J]．天然气工业，2009，29(5)：75-77．

XU Qicong，WEI Wu，YE Linxiang，et al．Converting gas drilling to conventional drilling within short time[J]．Natural Gas Industry，2009，29(5)：75-77．

[6]孙长健，张仁德，漆林，等．气体钻井转换钻井液保持井壁稳定技术[J]．钻采工艺，2010，33(2)：15-16．

SUN Changjian，ZHANG Rende，QI Lin，et al．Enhancing wellbore stability technique while mud system transformation in gas drilling[J]．Drilling&Production Technology，2010，33(2)：15-16．

[7]张坤，伍贤柱，李家龙，等．“三低”水基钻井液防塌技术在四川超深井中的应用[J]．天然气工业，2008，28(1)：79-81．

ZHANG Kun，WU Xianzhu，LI Jialong，et al．Application of anti soughing technique by“three low indexes”water base drilling fluid in ultradeep well of Sichuan Basin[J]．Natural Gas Industry，2008，28(1)：79-81．

[8]孙金声，汪世国，张毅，等．水基钻井液成膜技术研究[J]．钻井液与完井液，2003，20(6)：6-10．

SUN Jinsheng，WANG Shiguo，ZHANG Yi，et al．Study on membrane generating technology of water-based drilling fluids[J]．Drilling Fluid＆Completion Fluid，2003，20(6)：

  6-10．

[9]白小东，蒲晓林．水基钻井液成膜技术研究进展[J]．天然气工业，2006，26(8)：75-77．

BAI Xiaodong，PU Xiaolin．Evolution of membrane forming technology of water-based mud[J]．Natural Gas Industry，2006，26(8)：75-77．

[10]鄢捷年．钻井液工艺学[M]．东营：石油大学出版社，2001．

YAN Jienian．Drilling fluid technology[M]．Dongying：Petroleum University Press，2001．

[11]MODY F K，TARE U A，TAN C P，et al．Development of novel membrane efficient water based drilling fluids through fundamental understanding of osmotic membrane generation in shales[C]//paper 77447-MS presented at the SPE Annual Technical Conference and Exhibition，29 September 2 October 2002，San Antonio，Texas，USA．New York：SPE，2002．

[12]WANG Lan，MA Guangchang，LIU Bin，et al．Probe on anti-sloughing film-forming drilling fluid technology to be used when drilling medium changed to drilling fluid during gas drilling[C]//paper l55681 presented at the SPE Asia Pacific Drilling Technology Conference，9-11 July 2012，Tianjin，China．New York：SPE，2012．

[13]孟英峰，严俊涛，沈华，等．华北NDl区块气体钻井地层适应性评价[J]．天然气工业，2013，33(5)：86-91．

MENG Yingfeng，YAN Juntao，SHEN Hua，et al．Assessment of formation adaptability in gas drilling in Block NDl，North China[J]．Natural Gas Industry，2013，33(5)：86-91．

本文作者：王兰  吴琦　段敏

作者单位：油气田应用化学四川省重点实验室

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