微泡鉆井液室內研究及性能評價

謝建宇，周亞賢，耿曉慧，盧國林，劉光成，郝繼雙

(中原石油勘探局鉆井工程技術研究院，河南濮陽 457001)

微泡鉆井液是國外一種成熟的新型低密度鉆井液體系，由美國MI鉆井液公司和Acti－Systems公司共同研制［1］。目前，該體系已在北海、委內瑞拉西北部和墨西哥灣等地區老油田低壓地層的數百口井進行了成功試驗，結果表明在易漏失和易發生壓差卡鉆的低壓層和多壓力層系地層中，微泡鉆井液是最佳體系。微泡鉆井液通過特殊處理劑產生多層膜包裹的微泡，典型的微泡直徑在25～200 μm間，微泡內部是一個球形空氣核。微泡強度高、氣體通透性差，使微泡能承受井底壓力。微泡鉆井液具有密度低，可重復使用，不受MWD和鉆井液馬達等井下工具的影響，現場不用添加注入氣體的設備(壓縮機及生產和注入氣體的設備等)，能有效防止低壓破碎、高滲透率砂巖及裂縫性漏失地層漏失、保護油氣層、降低鉆井成本等優勢［2－4］。國內部分石油企業也開展了這方面的技術研究工作，并取得了一定的成果［5－7］。筆者從微泡體系形成與穩定理論出發，通過對起泡劑和穩泡劑的優選，在室內確定了抗溫135℃的微泡鉆井液配方，并對其進行了性能評價。

1 實驗

1.1 試劑與儀器

黃原膠XC，工業品，中軒生化有限公司;低黏羧甲基纖維素鈉鹽Lv－CMC，高黏羧甲基纖維素鈉鹽Hv－CMC，丙烯酸/丙烯酰胺共聚物80A51，均為工業品，濮陽誠信鉆采助劑有限公司;聚陰離子纖維素LV－PAC，工業品，山東得順源石油科技有限公司;丙烯酰胺、環氧氯丙烷和二甲胺反應物與丙烯磺酸鈉、丙烯酸鉀共聚物CPS－2000，自制;丙烯酰胺和2－甲基－2－丙烯酰胺基丙磺酸共聚物PAMS601，自制;起泡劑Foam－1，由甜菜堿型兩性離子主表面活性劑和非離子型輔助表面活性劑組成，自制;十二烷基磺酸鈉AS、辛基酚聚氧乙烯醚OP－10、十二烷基苯磺酸鈉ABS、十二烷基二甲基氧化胺OB－2、椰油酰胺丙基甜菜堿CAB－35，均為工業品，臨沂蘭山區綠森化工有限公司;泡沫增強劑FSA－2，小分子胺類化合物，工業品，萬豐鉆采助劑有限公司;聚胺抑制劑，工業品，撫順石油化工研究院;CaCl2，NaCl，均為分析純，天津市富宇精細化工有限公司。

高速攪拌機、表面張力儀、高溫滾子爐、六速旋轉黏度計，青島海通達儀器有限公司;CL－Ⅱ型PVT流體測試儀，荊州創聯石油科技發展有限公司;透反射金相顯微鏡，上海光學儀器一廠。

1.2 評價方法

1)泡沫半衰期測定方法

在100 mL水中加入一定量起泡劑或穩泡劑，在104r/min下，攪拌1 min，將泡沫漿加入量筒中，記錄泡沫體積，并記錄泡沫體系析出50 mL發泡基液所用時間，作為泡沫半衰期。

2)微泡粒徑分布測定方法

將微泡鉆井液樣品均勻鋪在載玻片上，光學顯微鏡照相后，用專業圖像分析軟件測量300～500個微泡的粒徑，微泡粒徑分布計算公式如下:

式中，Fi表示第i區間中微泡個數Ni占全部區間總微泡個數N0的百分數;區間依據微泡粒徑范圍劃分，如40～60 μm為一個區間。

3)頁巖回收率測試方法

取2.0～3.8 mm頁巖在(105±3)℃下烘至恒重，稱取10 g頁巖(G0)放入待測微泡鉆井液中，于135℃下滾動16 h，用孔徑0.42 mm篩回收巖心，在(105±3)℃下烘至恒重，測定回收巖心質量(G1);再將其放入清水中于120℃下滾動2 h，用孔徑0.42 mm篩回收巖心，于105±3℃下烘至恒重，稱取回收巖心質量(G2)，頁巖回收率計算公式:

2 微泡鉆井液配方的確定

2.1 起泡劑

起泡劑加量0.4%，對不同種類起泡劑的起泡體積、半衰期和表面張力進行考察，結果見表1和圖1。

表1 不同起泡劑對泡沫性能的影響

圖1 不同起泡劑表面張力隨加量的變化曲線

從表1和圖1看出，Foam－1作為起泡劑體系，發泡能力強，半衰期長，有利于泡沫穩定;在相同加量下，Foam－1起泡劑表面張力最小，有利于起泡。因此，選擇Foam－1作為微泡鉆井液的起泡劑，加量以0.5% ～1.0%為宜。

2.2 穩泡劑

穩泡劑在微泡鉆井液中能顯著提高液相黏度，延長液膜排液時間，減弱微泡間碰撞沖擊力，防止微泡破裂，增強微泡穩定性。Foam－1加量0.4%，穩泡劑加量0.3%，考察不同穩泡劑對起泡體積和半衰期的影響，結果見表2。

表2 不同穩泡劑對泡沫性能的影響

從表2看出，XC在發泡時由于基液黏度大造成起泡體積較小，但其半衰期遠大于其他穩泡劑，穩泡效果最優。因此，選擇XC作為微泡鉆井液的穩泡劑。固定其他條件，考察穩泡劑XC加量對泡沫性能的影響，結果見表3。

表3 XC加量對泡沫性能影響

從表3看出，隨著XC加量增加，起泡體積降低，半衰期增加。綜合考慮，XC加量以0.3% ～0.8%為宜。

綜上所述，確定了微泡鉆井液體系最佳配方:(3.0% ～ 5.0%)膨潤土 +(0.5% ～ 1.0%)Foam－1+(0.3% ～ 0.8%)XC+(0.1% ～0.5%)泡沫增強劑 FSA －2+(0.3% ～0.8%)Lv－CMC+(0.1% ～0.3%)聚胺抑制劑。

3 微泡鉆井液性能評價

3.1 抗溫性能

按照最佳配方配制微泡鉆井液，在不同溫度下老化16 h后測定鉆井液性能，結果見表4。微泡鉆井液經高溫老化后體系表觀黏度、動切力有一定程度下降，但鉆井液密度在高溫老化前后差別不大，表現出良好的抗溫性能，能夠滿足現場需求。

表4 微泡鉆井液的抗溫性能

3.2 抗污染性能

為滿足現場需要，微泡鉆井液經污染后在135℃下老化16 h，對其抗污染能力進行考察，結果見表5。微泡鉆井液分別經巖屑粉、水泥石粉、NaCl和CaCl2污染及高溫35℃老化后，泡沫狀態仍較好，說明微泡鉆井液具有較強的抗污染性能。

表5 微泡鉆井液的抗污染性能

3.3 抑制性能

在微泡鉆井液中加入部分頁巖，考察微泡鉆井液對頁巖的抑制和防塌性能，結果見表6。頁巖在清水中回收率僅為2.7%，而微泡鉆井液抑制性能明顯提高，一次頁巖回收率達90.1%，相對回收率達96.2%，可滿足現場要求。

表6 微泡鉆井液的抑制性

3.4 密度特性

微泡具有的特殊結構使其與普通泡沫相比具有良好的抗壓縮性能，這對微泡鉆井液密度具有重要的影響。因此，利用CL－Ⅱ型流體PVT測試儀在高壓條件下對微泡鉆井液密度進行了考察。

3.4.1 抗壓縮性能

1)溫度和壓力的影響

微泡中空氣隨著溫度升高會發生氣體膨脹，會對微泡鉆井液的抗壓縮性能產生影響。實驗中，配制密度為0.868 g/cm3微泡鉆井液，不同溫度下考察微泡鉆井液密度隨壓力的變化，結果見圖2。

圖2 不同溫度下微泡鉆井液密度隨壓力的變化曲線

從圖2看出，微泡鉆井液密度隨著壓力增加而升高。這主要是由于微泡內空氣具有可壓縮性，隨著壓力增加，微泡內空氣體積減小，造成鉆井液密度升高。同時，壓力小于3 MPa時，鉆井液密度上升較快;而隨著壓力進一步升高，鉆井液密度上升趨勢趨于平緩。此外，隨著溫度升高，微泡鉆井液可壓縮性降低。這主要是由于微泡中空氣隨著溫度升高發生體積膨脹，而此作用力部分抵消壓力對微泡內空氣的影響，導致微泡鉆井液可壓縮性能降低。

2)鉆井液密度的影響

在高壓條件下，微泡鉆井液密度的不同，也使體系的抗壓縮性能產生差異。在80℃下，考察不同密度的微泡鉆井液密度隨壓力的變化曲線，結果見圖3。

圖3 微泡鉆井液的密度隨壓力的變化曲線

從圖3看出，密度較低的微泡鉆井液可壓縮性較強，密度較高的微泡鉆井液可壓縮性較差。這主要是由于不同密度的微泡鉆井液空氣含量不同，密度較低的微泡鉆井液空氣含量高，從而造成不同密度微泡鉆井液抗壓縮能力的差異。

3.4.2 密度還原性能

密度還原性能是微泡鉆井液一個重要的特征［8］。利用PVT測試儀考察微泡鉆井液密度隨壓力的變化曲線，結果見圖4。

圖4 微泡鉆井液密度隨壓力的變化曲線

從圖4看出，在加壓過程中，微泡鉆井液密度逐漸升高;而在減壓過程中，微泡鉆井液的密度又幾乎恢復至未加壓前的。這主要是由于微泡的特殊結構使其能承受短時間內重復的加壓和減壓。在加壓過程中，微泡可被適度壓縮;而隨著壓力下降，微泡又逐漸恢復至原來的尺寸，使微泡鉆井液表現出良好的密度還原特性。

3.5 承壓封堵性能

微泡鉆井液能在不同漏失地層改變尺寸，具有一定的防漏堵漏作用。配制密度0.800 g/cm3微泡鉆井液，在80℃下利用不同目數的砂床模擬不同孔隙的漏失地層，考察砂床目數對微泡鉆井液封堵性能的影響，結果見圖5。

圖5 砂床目數對微泡鉆井液封堵性能的影響

從圖5可看出，當砂床目數為20～40目和40～60目時，微泡鉆井液的承壓封堵能力可達20 MPa以上;而當砂床目數在10～20目時，微泡鉆井液的最大承壓能力僅為3 MPa。這主要是由于砂床目數越大，形成的孔隙尺寸越小，有利于微泡鉆井液中微泡對此孔隙的封堵。

4 微泡鉆井液的微觀表征

利用顯微鏡對配制的微泡鉆井液中泡沫的微觀形態進行觀測，并對微泡粒徑分布進行統計，結果見圖6和圖7。微泡鉆井液中微泡呈不連續單個球體分布的狀態，相互間沒有黏連，微泡粒徑主要分布在50～200 μm間。

圖6 顯微鏡下微泡鉆井液形態

圖7 微泡鉆井液粒徑分布曲線

5 結論

1)通過起泡劑和穩泡劑的優選，確成了抗溫135℃微泡鉆井液配方。

2)制備的微泡鉆井液具有較強的抗溫、抗污染性能及抑制頁巖水化分散效果，同時體系抗壓縮能力強，并具有良好的密度還原特性，在20～40目砂床中，微泡鉆井液承壓封堵能力達20 MPa以上，表現出良好的承壓封堵性能。

3)利用顯微鏡對微泡進行了微觀表征，微泡鉆井液中微泡粒徑主要分布在50～200 μm間。

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