無黏土相可循環微泡沫鉆井液的室內研究

宋菲

（勝利油田石油工程技術研究院，山東東營257000）

無黏土相可循環微泡沫鉆井液的室內研究

宋菲

（勝利油田石油工程技術研究院，山東東營257000）

微泡沫鉆井液具有密度低、濾失量低以及攜巖能力和防漏、堵漏能力強等特點，因此對低壓、易漏地層鉆探具有獨特的優勢，但是常規微泡沫鉆井液中含有的固相（黏土相）會對儲層造成傷害，難以最大限度地保護和發現油氣層，因此研制無黏土相的微泡沫鉆井液是當前低密度鉆井液發展的方向。通過優選發泡劑、穩泡劑以及降濾失劑等關鍵處理劑研制出無黏土相可循環的微泡沫鉆井液體系。顯微鏡觀察結果顯示微氣泡的直徑在30 μm～60 μm，尺寸分布均勻。該體系密度在0.61 g/cm3～0.93 g/cm3范圍內可調，濾失量低，流變性能優異，抗NaCl污染能夠達到6%，抗油污染都能達到9%，抗溫能夠達到120℃，能夠滿足現場施工的需要，為大規模的應用奠定了理論基礎。

無黏土；微泡沫；低密度；低壓、易漏地層；防漏；堵漏

近年來，隨著世界范圍內油氣資源消耗的遞增和陸地原油開采速度的增加，海洋范圍內的油氣勘探開發已經成為新的焦點。我國海洋石油資源大部分屬于碎屑巖和古潛山碳酸鹽，勝利油田已探明儲量的90%也屬于這類地層，地層巖性為灰巖風化殼，連通性好，孔隙度高，屬于低壓、高孔隙度、高滲透率地層，使用常規鉆井技術將導致鉆井液大量漏失，嚴重污染油氣層甚至造成井的報廢［1，2］。對于該類儲層的開發，現在主要是以氣體鉆井技術、充氣及泡沫鉆井技術為主。這些技術的應用雖然解決了部分難題，但是還存在以下問題：（1）氣體鉆井多以空氣為介質來實現，一方面空氣易造成井下失火，甚至爆炸，另一方面，空氣中大量的氧氣在井內高溫條件下會對鉆具造成腐蝕；（2）充氣及泡沫鉆井液技術仍需要以固相（黏土）為基液，黏土相的存在會對儲層造成傷害，難以最大限度地保護和發現油氣層；（3）普通泡沫流體含氣量高，鉆井液柱塞泵上水效率差，返出井口的泡沫流體必須機械除氣后再加入起泡劑并重新充氣才能實現有效的循環，這樣造成鉆井液成本增高，嚴重制約了泡沫流體的廣泛使用。微泡沫鉆井液體系具有密度低、攜巖能力強、抑制性強、防漏堵漏能力強等優點，特別適合于低壓、易漏地層的鉆探［3-10］。但是常規的微泡沫鉆井液是以黏土相為基液配制而成［5-9］，體系中含有的黏土等亞微米固相顆粒會對儲層造成傷害，難以最大限度地保護和發現油氣層。不含黏土相的微泡沫鉆井液在保持微泡沫鉆井液的優點，能夠最大限度地控制固相侵入，能夠降低儲層漏失及傷害，同時該鉆井液體系可循環使用，解決了常規泡沫鉆井液返出后不能循環使用的缺陷，降低了鉆井成本，是對低密度鉆井液體系的完善，也是當前鉆井液發展的主要方向之一。

1　實驗研究方法

1.1泡沫穩定性評價

將微泡沫基液倒入高攪杯中，以2 000 r/min的轉速高速攪拌2 min后，以起泡體積表示微泡基液的起泡能力，以微泡沫體系析出一半體積液體的時間為半衰期，以泡沫析出液體的時間為排液時間。

1.2微泡沫鉆井液性能的評價

測試微泡沫鉆井液在不同攪拌速率、攪拌時間/不同溫度、不同礦化度以及加入不同煤油體積前后的流變性能、微泡沫的大小及分布以及體系的濾失量。

1.3微泡沫鉆井液體系的堵漏試驗

在靜失水儀杯中預先放入200 g不同目數范圍的砂石，將配制好的微泡沫鉆井液加入靜失水儀中，測定其在不同壓力下的30 min濾失量。

2　實驗結果與討論

2.1發泡劑的優選

根據地層的特點以及發泡劑的種類，篩選了9種發泡劑進行了評價試驗，結果（見表1）。對這9種發泡劑進行兩兩復配，發現AOS和OB-2復配后，發泡性能有了極大的提高，產生泡沫的體積有所增大，而且泡沫穩定性大大增強，在沒有添加穩泡劑時，半衰期即在990 s。此外，使用該復配發泡劑產生的泡沫細小均勻，滿足微泡沫鉆井液的需要，因此最終選擇使用AOS和OB-2復配的復合型發泡劑作為無黏土相微泡沫鉆井液的發泡劑。

表1　發泡劑優選實驗

對AOS+OB-2復合型發泡劑的復配比例和加量進行了優選，實驗結果（見表2）。當二者的質量比為1：1時，泡沫體積最大，半衰期和排液時間最長；當發泡劑的濃度達到0.30%時（0.15%AOS+0.15%OB-2），生成泡沫的體積、半衰期和排液時間達到最大值，繼續增加發泡劑的濃度，泡沫性能并沒有大的提高。因此確定發泡劑的最佳濃度為0.30%（0.15%AOS+0.15% OB-2），為了下文表述方便，將AOS和OB-2按質量比1：1復配而得的發泡劑以代號FPJ-1代替。

表2　發泡劑復配比例以及加量的優選實驗

表2　發泡劑復配比例以及加量的優選實驗（續表）

2.2穩泡劑的優選

在200 mL水中加入0.30%的FPJ-1和0.10% Na2CO3制成基液，加入不同的穩泡劑觀察泡沫變化情況（見表3）。PAC對發泡體積的影響最小，但是泡沫的穩定性較差，XC能夠極大地增強泡沫的穩定性，但是對泡沫體積影響較大，因此選擇PAC和XC復配作為穩泡劑使用：當二者的比例在2：1時，泡沫體積和穩定性都較為合適。當體系中加入0.20%PAC和0.10% XC時，半衰期在8 h以上，可以滿足鉆井的需要。

表3　穩泡劑優選實驗

2.3降濾失劑的優選

在200 mL水中加入0.30%的FPJ-1、0.10% Na2CO3、0.20%PAC和0.10%XC制成基液，分別加入5種降濾失劑進行了優選實驗，結果（見表4）。

表4　降濾失劑優選實驗

加入SMP-1和DFD之后，微泡沫鉆井液的流變性較好，但是濾失量較大；加入JZA-1和LD-302之后鉆井液的濾失量控制較好，但是流變性不佳；加入HQ-6之后，體系的流變性保持在合適的水平，并且濾失量也較低，因此選擇HQ-6作為無黏土相微泡沫鉆井液體系的降濾失劑，當其加量為2.75%時，體系的流變性較佳，而且濾失量較低，因此確定HQ-6的最優加量為2.75%。

根據上述實驗結果，確定微泡沫鉆井液體系的配方為：FPJ-1（0.30%）+Na2CO3（0.10%）+PAC（0.20%）+XC（0.10%）+HQ-6（2.75%）。

2.4攪拌條件對鉆井液性能的影響

微泡沫鉆井液是通過機械攪拌將空氣充入鉆井液中，用發泡劑降低氣液界面張力，把大氣泡變成微泡沫，并通過增添穩泡劑使得體系具有一定的凝膠強度，將微泡沫均勻的分散在鉆井液中，攪拌條件是形成微泡沫鉆井液的關鍵因素［11］，分別考察了攪拌速率和攪拌時間對微泡沫鉆井液性能的影響。

攪拌速率對微泡沫鉆井液性能的影響（見表5和圖1）。隨著攪拌速率的增加，鉆井液的密度減小，體系的塑性粘度有所增加，動切力提高，濾失量基本不變。這是因為體系中微泡沫的直徑增大，而且微氣泡的數量增多，微氣泡增多之后，它們之間的相互作用增強，導致體系的粘度增加，動切力提高。通過改變攪拌速率，可以調整微泡沫鉆井液的密度在0.61 g/cm3～0.93 g/cm3變化，方便現場施工的需要。

表5　攪拌速率對微泡沫鉆井液性能的影響

固定攪拌速率為550 r/min，考察攪拌時間對鉆井液性能的影響，實驗結果（見圖2和表6）。攪拌初期，體系中的泡沫數量少，而且尺寸不均勻（見圖2a），體系的密度較大；隨著攪拌時間的增長，微泡沫的數量增多，泡沫的尺寸也趨于均勻，體系的密度降低；當攪拌時間增長到4 h之后，顯微鏡觀察鉆井液體系微泡沫的數量、尺寸大小以及鉆井液的密度基本不再變化，因此建議現場配制微泡沫鉆井液的攪拌時間為4 h。

此外，從圖2 d可以看到，所制備微泡沫的形狀為圓形，其直徑主要分布在30 μm～60 μm。微泡沫的內部為空氣核，外面包有一層液膜，依據Sebba的理論［12］，該外殼由內外兩層表面活性劑膜夾增黏水層組成，由于外殼的半徑可達微氣泡總半徑的一半，所以微泡沫的穩定性非常好，不易破滅。

圖1　不同攪拌速率下微泡沫鉆井液的照片

圖2　不同攪拌時間后微泡沫鉆井液的顯微鏡照片

表6　攪拌時間對微泡沫鉆井液性能的影響

2.5抗無機鹽污染能力評價

固定攪拌速率為550 r/min，攪拌時間4 h后，加入不同量的NaCl，考察無機鹽對微泡沫鉆井液性能的影響，實驗結果（見表7和圖3）。

表7　NaCl侵入后對微泡沫鉆井液性能的影響

由表7可知，當NaCl的侵入量在0%～6.0%時，體系的密度以及流變性基本沒有變化，微氣泡的大小以及尺寸分布基本不變（見圖3），說明微氣泡鉆井液體系表現出較強的抗無機鹽污染的能力。這主要是由兩方面的原因：（1）體系使用的發泡劑AOS和OB-2都是抗鹽能力較強的發泡劑，特別是AOS，主要成分是鏈烯基磺酸鹽和羥基基鏈烷磺酸鹽，分子中存在雙鍵或羥基，它們與磺酸基一起對金屬離子有鰲合作用，表現出很好的抗鹽能力；（2）由于優選的發泡劑、穩泡劑和降濾失劑之間的配伍性良好，產生的微氣泡穩定性較好，尺寸分布均勻，抗污染能力強。

當NaCl的侵入量超過6%時，體系的粘度增加，這是因為NaCl的加入減小了空氣和水界面上相鄰表面活性劑基團間的排斥作用，使得表面活性劑分子在氣/液界面的排列更加緊密，增大了表面粘度。此外由圖3f可見，體系中微氣泡的尺寸變小、數目變少，這是因為較大量的NaCl侵入之后會影響發泡劑的溶解度，降低了發泡劑在氣/液界面的濃度，抑制了體系中微氣泡的產生，從而導致體系的密度增加。

圖3　不同加量NaCl侵入后，微泡沫鉆井液的顯微鏡照片

表8　不同量的煤油侵入后對微泡沫鉆井液性能的影響

圖4　不同加量煤油侵入后，微泡沫鉆井液的顯微鏡照片

2.6抗油污染能力評價

實驗中用煤油（C5～C16）代替輕質原油（C3～C13），考察了微泡沫鉆井液體系抗油污染的能力，實驗結果（見表8和圖4）。在配制的微泡沫鉆井液中加入少量的煤油后（＜6%），體系的流變性能基本不變，但是密度略有降低，這是因為體系加入少量的煤油之后，在發泡劑的作用下煤油被乳化，形成了水包油型的微泡沫，導致鉆井液中微氣泡的尺寸略有增大（見圖4a-c）。當煤油侵入量達到9%時，鉆井液的密度略有上升，體系的粘度略有升高，體系中微氣泡的尺寸略有減小（見圖4d）；繼續增加煤油的含量（12%～15%），鉆井液的密度迅速升高，體系的粘度增加明顯，體系中微氣泡的數量明顯減少（見圖4e-f），并且尺寸變小，說明較大量煤油的侵入抑制了表面活性劑的發泡性能；此外，加入煤油之后，微氣泡液膜的厚度減小，隨著煤油侵入量的增多，這種趨勢越來越明顯，說明微氣泡的穩定性下降。抗油污染的實驗表明，所研制的鉆井液抗油能力能夠達到9%。現場在鉆遇原油層時，為防止微泡沫排液速度過快，應適當增加發泡劑的加量，并注意鉆井液密度和流變性的變化。

2.7抗溫能力評價

對所研制的微泡沫鉆井液進行了高溫老化實驗，結果（見表9）。經過高溫老化之后，體系的密度以及流變性基本不變，說明所研制的微泡沫鉆井液具有較好的高溫穩定性，能夠滿足大部分低壓易漏地層現場施工的需要。

表9　不同溫度老化之后微泡沫鉆井液的性能

2.8微泡沫鉆井液體系堵漏試驗及堵漏原理分析

未加起泡劑的基液在3種目數范圍的模擬漏層中均為全漏失，而在基液中加入起泡劑所形成的微泡沫鉆井液在不同壓力下的堵漏實驗結果（見表10）。相對該體系在濾紙上的API濾失量為8.5 mL以及基液為全漏失的情況，其在砂石中反而濾失量變小，說明蓄能液氣泡鉆井液體系具有良好的堵漏能力，其中對80目～120目砂石的堵漏效果最好，濾失的水量很小，可能是因為蓄能液氣泡中的泡沫大小與漏層的孔隙度具有最佳匹配關系。

為了驗證微泡沫鉆井液在井底較大壓力的作用下，是否還能保持其較好的堵漏效果，在不同壓力下對模擬裂縫進行堵漏試驗（見表10）。隨著壓力的增加，微泡沫鉆井液漏層通道中濾失量有所增加，一方面是因為少量的泡沫會在壓差作用下穿過漏層，另一方面是因為壓力增加之后會使得微泡沫的體積變小，微泡沫之間的相互作用減弱，堵漏能力下降。但是壓力增大到1.0 MPa時，微泡沫鉆井液在3種目數的砂石構成的漏層通道中的濾失量均小于8.5 mL，這說明在較高壓力下該體系仍然具有良好的堵漏能力，這是因為所研制的微泡沫體系中氣泡獨立存在且液膜較厚，外殼的半徑甚至達到微氣泡總半徑的一半，因此在較高壓力下也能夠穩定存在。

表10　不同壓力下蓄能液氣泡鉆井液的堵漏實驗結果

2.9無黏土相微泡沫鉆井液作用原理

微泡沫鉆井液是利用表面活性劑（發泡劑）降低氣/液表面張力，在液氣泡形成時能夠囊裹住核內氣體，形成由多層膜包裹氣核的獨立球體，進而形成微泡沫體系。微氣泡的理論物理模型（見圖5）。微泡沫體系應具有以下特點［6，9］：（1）微泡沫鉆井液是氣泡分散在液體中所形成的穩定分散體系；（2）微泡沫中氣泡呈大小不等的圓球體，內部為氣核，外面包有一層液膜，氣泡的直徑小于100 μm；（3）氣泡群體可能以單個懸浮或部分相互連接的方式存在于體系中，其穩定性主要靠液膜的強度和連續相的特定性能共同實現；（4）微氣泡之間接觸處在平面上為點接觸，微氣泡膜之間的連接處不存在Plateau邊界，因此微泡沫的穩定性大幅提高。

圖5　微泡沫的理論物理模型以及賈敏效應示意圖

相比常規鉆井液，微泡沫鉆井液具有優良的防漏堵漏性能，主要應用于低壓、高孔隙度、高滲透率地層，可以有效地解決井漏。其防漏堵漏原理主要包括［6，9］：

（1）較低的靜液柱壓力和當量循環密度。氣體存在于液相中，使得整個體系的密度降低，減小了井底靜壓力，這是其防漏堵漏的基本原理。此外，微泡沫體系流動阻力小，降低了鉆井液循環系統的壓力損耗，尤其是環空壓耗的降低，使得當量循環密度降低，對防漏也有積極的促進作用。

（2）賈敏效應。由于微泡沫鉆井液中含有多級分散的穩定泡沫球體，當這些泡沫球體在壓差作用下向多孔介質或者細小裂縫內流動時，因其不與巖石發生潤濕以及在經過孔喉時球體發生形變形成兩個不同曲率的彎曲表面。而曲率半徑小的彎曲表面收縮壓大于曲率半徑大的彎曲表面收縮壓，由此而產生作用方向與微泡沫流動方向相反的附加阻力，從而減緩氣泡運動，理論示意圖（見圖5）。

（3）微氣泡的內部壓力以及漏失層的架橋作用。微泡沫體系中氣泡獨立存在且液膜較厚，在強度很高的復合膜的保護下，在較高的壓力下，這些微氣泡也能夠穩定存在。微泡沫鉆井液循環到井內時，在環空高壓帶較高壓力的作用下，體系中微氣泡被壓縮，這些體積縮小的微氣泡能在鉆井液中起到架橋粒子及變形填充粒子的作用，對地層中的微裂縫進行有效封堵。此外，當鉆遇低壓層時，微泡沫在壓差作用下進入低壓孔隙或裂縫，微泡沫處在低壓環境中，內部的一部分能量被釋放，在內部壓力的作用下，微泡沫體積擴張，同時，外部的拉普垃斯壓力急劇增加，從而引起微氣泡的聚集和低剪切速率黏度的增加，由這種現象產生的微環境形成一種無固相的橋，稱之為漏失層的架橋作用，機理示意圖（見圖6）。架橋作用存在使在環空高壓力帶和地層低壓力帶之間建立微環境的緩沖區，減小了鉆井液對地層的損害。

圖6　微泡沫架橋堵漏作用示意圖

正是由于微泡沫鉆井液具有優良的防漏堵漏能力，使得微氣泡鉆井液在使用時，能在井下建立起一個真正的非侵入性、近平衡的環境，實現鉆井液井下當量密度低。液膜粘附和環空裂隙壓差的突變形成的泡沫壁墻結構，可阻止或者延緩鉆井液的漏失，從而避免鉆井液對地層的損害。同時，這種粒徑的微泡沫在地面固控系統中也能循環使用，不會被清除，并且不會影響鉆井液泵的上水效率。此外，所研制的無黏土相微泡沫鉆井液不含有固相，能夠最大限度地控制固相侵入，降低儲層傷害，更好地保護油氣層。

3　結論

（1）通過優選發泡劑、穩泡劑、降濾失劑等關鍵處理劑，研制出無黏土相的微泡沫鉆井液體系。通過改變攪拌條件，可以調節微泡沫鉆井液的密度在0.61 g/cm3～0.93 g/cm3變化，方便現場施工的需要。

（2）利用流變儀和顯微鏡技術考察了攪拌條件對鉆井液體系性能的影響，并考察了體系抗無機鹽和抗油污染以及抗高溫的能力。結果表明：攪拌4 h后，鉆井液中微氣泡的大小、尺寸分布以及鉆井液的流變性能基本穩定；所研制的微泡沫鉆井液體系抗NaCl污染能夠達到6%、抗油污染能都達到9%、抗溫能夠達到120℃，性能優良。

（3）初步探討了微泡沫鉆井液體系防漏、堵漏以及保護儲層的作用原理，為現場施工提供了理論基礎。

（4）對無黏土相微泡沫鉆井液的抑制性以及防塌性能上還需要進一步研究和優化，優選或者研制出高性能的抑制劑和防塌處理劑，進一步提高鉆井液的性能。

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Research on circulative micro-foam drilling fluid system with clay-free

SONG Fei
（Shengli Oil Production Reaserach Institute，Dongying Shandong 257000，China）

Micro-foam drilling fluid has many unique advantages to drill in the formations with low pressure and easy lost circulation because of low density，low fluid loss，great lifting capacity，preventing leakage and leakage stoppage.However，the common micro-foam drilling fluid will bring harm to reservoir due to the existence of clay.Micro-foam drilling fluid system with clay-free has the excellences of micro-foam drilling fluid and can help protect oil and gas reserves to the maximum extent.According to optimizing the key treatments（foaming agent，foam-stabilizer and fluid loss additive），micro-foam drilling fluid system with clay-free has been produced.The size of micro-foams is distributed uniformly and the diameter of micro-foams is about 30 μm～60 μm by microscope.The obtained drilling fluid shows low fluid loss and excellent rheological properties before and after high temperature aging（120℃）.Moreover，the system also shows high anti-pollution capacity（with NaCl about 6% or oil about 9%）.This work has provided the theory foundation and experiment basis for using micro-foam drilling fluid with clay-free.

clay-free；micro-foam；low density；formations with low pressure and easy lost circulation；lost circulation resisting；lost circulation sealing

10.3969/j.issn.1673-5285.2015.07.023

TE254.1

A

1673-5285（2015）07-0097-07

2015－03-26

宋菲，女（1984-），碩士研究生，現在勝利油田石油工程技術研究院從事油層保護研究工作。