油基可循環微泡沫鉆井液研制及應用探討

楊 鵬 李俊杞 孫延德 關 鍵 匡緒兵 鄭力會

1.中國石油長城鉆探公司工程技術研究院 2.中國石油遼河油田公司淺海石油開發公司3.中國石油大學（北京）石油工程學院

頁巖氣的開發利用越來越受到重視，但由于頁巖氣成藏的特殊性，頁巖地層裂縫發育，水敏性強，因此容易發生井漏、垮塌、縮徑等問題［1］。油基鉆井液可以有效抑制泥頁巖水化膨脹，減少井壁垮塌、縮徑等復雜情況的發生；但是由于裂隙存在，油基鉆井液避免不了發生井漏，從而造成成本的大幅度增加。微泡沫鉆井液具有良好的封堵和防漏作用，能有效減少鉆井液的漏失。油基可循環微泡沫鉆井液既可以充分發揮微泡鉆井液的攜帶懸浮、高效封堵、保護儲層等優點，又可發揮油基鉆井液強抑制性、強潤滑性、抗高溫的長處，能夠在一定程度上解決頁巖氣鉆井過程中可能出現的井漏、井壁垮塌等問題，從而減少井下復雜情況的發生［2－3］。目前國外已經開展了油基微泡沫鉆井液技術現場試驗并取得了良好的效果；而國內該項研究較少。因此，需要對油基可循環微泡沫鉆井液進行深入研究。

1 油基微泡沫的基本原理

1.1 微泡沫結構

水基、油基微泡沫均由兩部分組成：①流體（氣體或液體）核，一般為空氣；②保護性外殼［4－5］。水基微泡沫結構如圖1－a所示，黏性水層包裹著表活劑薄膜，外面為表面活性劑雙層結構。油基微泡沫的結構與水基微泡沫相似，如圖1－b所示；油基可循環微泡沫鉆井液是在連續相中加入表面活性劑、聚合物處理劑，通過物理、化學作用形成粒徑15～150μm、壁厚3～10μm，內部似氣囊，外部為保護性外殼，分散在連續相中形成穩定的氣—液體系。油基微泡沫內部的表活劑膜是由黏性的水層包裹，外層為表面活性劑層［6－8］。

圖1 微泡沫結構示意圖

1.2 作用原理

1.2.1 封堵性機理

油基可循環微泡沫鉆井液在溫度與壓力作用下，依據地層漏失通道尺寸，微泡的體積和形狀會自行發生變化，從而實現對不同大小漏失通道的封堵（圖2），即自匹配封堵，封堵機理如下：①較低的液柱壓力。由于油基微泡沫鉆井液密度較低，降低了井底的靜液柱壓力，在一定程度上起到防漏堵漏作用［9］。②油基微泡沫內部壓力作用。當油基微泡沫到井底時，微泡內的空氣被壓縮。隨外部溫度和壓力的增加，微泡體積減小，微泡內壓力增加。當鉆頭鉆遇衰竭地層，微泡會穿過低壓地層的孔隙或溶洞。儲存在微泡中的部分能量會釋放出來，微泡又開始膨脹，直到微泡內外部壓力達到平衡。只有當壓差能克服毛細管力時，微泡開始移動。對單一氣泡的毛細管來說壓力很小，但賈敏效應表明，在毛細管作用區許多微泡累計起來的阻力可能很大。此時施加在油藏中的壓力梯度不能克服賈敏效應而迫使微泡深度穿透進滲透性地層彼此連接的孔洞中，進而形成無固相的橋。③具有高黏度特性。油基可循環微泡沫鉆井液體系的表觀黏度比鉆井液中任何單一組分的表觀黏度都要高，這是由于微泡流動時產生界面變形從而吸收能量，并相互黏滯，造成流動阻力增加。在易漏地層的孔隙通道內微泡沫體系表觀黏度隨剪切速率的降低而增加。當微泡在井底鉆遇低壓或裂縫時，剪切速率將降低，但黏度將增加，從而加劇了泡沫的聚集，增強了防漏堵漏效果［10－12］。

圖2 油基泡沫封堵裂縫示意圖

1.2.2 抑制性機理

油基微泡沫具有合適的粒徑，在孔隙中具有架橋封堵能力，在一定程度上降低井壁垮塌的風險。同時油基可循環微泡沫鉆井液是以基油為分散介質，與其接觸的水敏性地層不會發生由于水化膨脹和分散造漿而造成縮徑或井塌。因此該鉆井液體系具有較強的抑制性。

2 油基可循環微泡沫鉆井液的研制

2.1 主要組成

1）基液：油基可循環微泡沫鉆井液的基液要滿足環保和保護儲層等的要求，同時還要具經濟性。

2）發泡劑：在水中和油中對發泡劑的要求截然不同。在極性溶液，發泡劑需要具有疏水基和親水基；而應用于非極性溶液的發泡劑完全不同于極性溶液的結構，其分子必須由疏油基（不溶于有機溶劑）和親油基（溶于有機溶劑）組成。在有機溶劑中原來在水中發泡劑尾鏈是親油的，而在水中的親油基是疏油的，所以普通的發泡劑在有機溶劑表面定向時疏水基指向有機溶劑表面，造成較高的表面能，增加表面張力。由以上結論可以得出應用于油基可循環泡沫的發泡劑需具有以下性能：在油中具有一定溶解度；分子由疏油基與親油基組成；具有特定的分子構型，可構成穩定吸附的膜。

3）穩泡劑：為了保持微泡的外壁結構穩定，微泡需滿足一定的膜厚度和黏度。外壁必須有一個最小的厚度，如果太薄，微泡將會破裂；外壁必須有足夠的黏度，表面黏度增大，氣泡膜的排水速率減小，并且較大的表面黏度能夠減少液膜的透氣性，增加泡沫穩定性。一類穩泡劑通過改變泡沫膜的性質提高泡沫穩定性，這一類穩泡劑通常可以提高泡沫膜質量，增加泡沫膜的黏彈性，減小泡沫膜的透氣性。另一類是通過改變溶液性質以提高泡沫穩定性，這一類穩泡劑通常能夠增加溶液的黏度和稠度，降低表面張力，降低泡沫的排液速度［13］。

2.2 基液的選擇

基于環保性能的要求，通過大量的室內實驗，選擇白油作為油基可循環微泡沫鉆井液的基液。

2.3 發泡劑的優選

筆者采用威德福評價方法。具體步驟是：①量筒量取白油100mL，倒入高速攪拌機的量杯中；②稱取一定質量（或體積）分數的發泡劑加入量杯中；③打開高速攪拌機開關，同時轉速設定為10 000r／min，定時1min；④停止后，立即轉入500mL量筒，記錄泡沫的初始體積即發泡體積VF；⑤記錄泡沫底部開始出現液體的時間，即排出液時間t1；⑥記錄出液達50mL時的出液時間即半衰期t1／2；⑦計算泡沫質量分數γ：γ＝（VF－100）／VF。

通過調研，選擇陰離子、陽離子、非離子、兩性、氟碳類等14種發泡劑進行了發泡實驗，從中優選出了發泡性能較好的兩種氟碳類發泡劑F－1和F－3，并對其進行了不同加量實驗，結果見表1。由表1可以看出，在白油體系下，F－1、F－3二者的發泡能力較好，加量為1%時，發泡體積達到150mL左右，同時F－1與F－3相比形成的泡沫穩定性好，結合價格等因素綜合考慮選擇F－1為油基可循環微泡沫鉆井液發泡劑。

表1 發泡劑選擇實驗數據表

2.4 穩泡劑的優選

為了優選穩泡劑，固定發泡劑F－1加量為1%的條件下對穩泡劑進行評價，其結果見表2。

表2 穩泡劑選擇實驗數據表

由表2看出有機土對體系具有增黏的作用，可以增加油基泡沫體系的穩定性，在5%加量時半衰期為673s，當加量大于5%時半衰期緩慢下降，這可能是由于加量過多時，有機土懸浮性能不好而造成的沉降所致。膠體結構劑在白油中，具有一定的穩泡作用，在5%加量時半衰期為610s，大于5%時，泡沫半衰期下降。增黏劑Z－1可通過增加液膜黏彈性來穩泡，實際具有一定的穩泡效果，加量在5%時半衰期為971s。增黏劑Z－2通過增加液膜黏彈性來穩泡，Z－2和Z－1在相同加量下，穩泡效果優于Z－1，加量在5%時半衰期為1 147s。增黏劑Z－3穩泡效果上劣于 Z－1和Z－2，加量在3%時半衰期為756s。

穩泡實驗結果表明：只用1種穩泡劑均不能達到穩泡時間大于60h，需要多種穩泡劑的相互作用來達到較好的穩泡效果。從成本和穩泡效果上考慮，結合不同的穩泡劑復配，優選有機土、膠體結構劑、Z－1、Z－2 4種較好的穩泡劑用于體系研制。

2.5 油基可循環微泡沫鉆井液體系研制

量取300mL白油；依次加入發泡劑、有機土、激活劑、穩泡劑等，高速攪拌；用YM型液體密度計測定密度；記錄穩定時間。實驗結果見表3。

從表3的實驗數據中可以看出，10號配方的性能指標符合要求，而且泡沫細膩均勻、穩泡時間大于60h，所以確定油基可循環微泡沫鉆井液配方為白油＋3%有機土＋0.5%激活劑＋0.8%Z－2＋0.6%F－1，油基可循環微泡沫鉆井液密度為0.65～0.88g／cm3。

表3 油基可循環微泡沫鉆井液配方性能表

3 油基可循環微泡沫鉆井液性能評價

3.1 抗溫性能評價

測定鉆井液在常溫、120℃和150℃（滾動16h）的流變性能，實驗結果見表4。由表4可以看出，油基可循環微泡沫鉆井液在150℃熱滾，密度與常溫相比變化不大，且穩定時間大于60h，黏度和切力適中，滿足攜巖的要求，說明該鉆井液具有較好的抗溫性和穩定性。

3.2 抗水侵及抗鈣侵污染評價

在油基可循環微泡沫鉆井液加入不同量水，測其性能，結果見表5。由表5可看出，加入10%水時，鉆井液體系流變性變化不大，且穩定時間大于60h，滿足穩定性要求，但含水量達到15%時，泡沫不穩定。由此看出鉆井液具有較好的抗水污染性能。

在油基可循環微泡沫鉆井液加入不同量的氯化鈣，測其性能，實驗結果見表6。由表6可得，當CaCl2濃度小于10%時，鉆井液流變性和密度變化不大，且穩定時間大于60h，說明體系滿足抗鈣侵的要求。

3.3 潤滑性能評價

室內采用E－P極壓潤滑儀對油基可循環微泡沫鉆井液的潤滑性進行測試，測得極壓潤滑系數為0.046，接近油基鉆井液的潤滑系數0.04～0.06。說明該鉆井液具有較好潤滑性能。

表4 油基可循環微泡沫鉆井液抗溫性評價表

表5 抗水侵實驗數據表

表6 抗鈣侵實驗數據表

3.4 API濾失性評價

通過實驗測得油基可循環微泡沫鉆井液7.5min濾失量最大量為0.7mL，30min濾失量最大量為2.2 mL，濾失量較小，說明該鉆井液具有較好的降失水性。測得濾餅厚度最大為3.5mm，這是由于油基可循環微泡沫的濾失機理不同于常規鉆井液，是通過泡沫在濾紙上的賈敏效應產生封堵而降低濾失量。

3.5 防塌抑制性能評價

通過巖心膨脹率和頁巖回收率實驗評價油基可循環微泡沫鉆井液的防塌抑制性能。稱取50g的6～10目東營組巖屑加入到清水和研制的鉆井液中，在77℃下熱滾15h后，過40目篩回收并計算回收率，實驗結果見表7和圖3；巖心膨脹實驗結果見圖4。

表7 回收率實驗數據表

圖3 清水和油基微泡沫鉆井液熱滾后巖屑狀態圖

圖4 頁巖膨脹曲線圖

由圖3、4和表7可以看出，油基可循環微泡沫鉆井液的線性膨脹量較低，遠低于清水膨脹量，同時鉆井液的頁巖回收率在90%以上，遠大于清水的回收率，說明其具有較好的防塌抑制性能。

3.6 堵漏性能評價

室內篩選40～60目砂，采用DLM－01A型堵漏模擬裝置進行實驗。實驗結果見表8。由表8可以看出，在回壓0.5MPa，壓差6MPa時，鉆井液無漏失，表明油基可循環微泡沫鉆井液承壓能力較強，能夠有效封堵漏失地層并具有較好的防漏性能。

表8 封堵效果實驗數據表

3.7 儲層保護性能評價

實驗評價油基可循環微泡沫鉆井液進入地層后對儲層傷害程度及返排后滲透率恢復情況（注入物為煤油），實驗結果見表9。由表9可以看出，污染后滲透率恢復值在90%以上，說明油基可循環微泡沫鉆井液具有良好的儲層保護性能。

表9 滲透率恢復數據表

綜上所述，通過實驗研制出密度為0.65～0.88g／cm3的油基可循環微泡沫鉆井液，體系能夠穩定60h，抗溫達150℃。通過性能評價可以看出，研制的油基可循環微泡沫鉆井液抗污染性能、防塌抑制性、潤滑性、封堵性能較好，具有良好的儲層保護作用，因此具有較好的應用前景。

4 應用探討及建議

4.1 油基可循環微泡沫鉆井液的應用探討

作為新型鉆井液，油基可循環微泡沫既可以充分發揮微泡沫鉆井液的攜帶懸浮、高效封堵、保護儲層等優點，又可發揮油基鉆井液強抑制性、強潤滑性、抗高溫的長處。

油基可循環微泡沫鉆井液不僅可應用于頁巖氣開發領域，還可應用于低壓、低滲透儲層，在此類型地層鉆進過程中，常用鉆井液體系對低壓儲層尤其是氣藏時傷害較大。利用油基可循環微泡沫鉆井液的低密度，抗高溫、防漏堵漏、強抑制等特性，適合于低壓低滲儲層鉆進過程中的儲層保護。油基可循環微泡沫鉆井液可應用于鹽膏層間低壓油氣藏，該類型油氣藏含有鹽膏層，同時由于地層壓力低易發生井漏，鉆井難度大。利用油基可循環微泡沫鉆井液優良的抗鹽特性、低密度、防漏堵漏能力強等特點，為鹽膏層低壓易漏油氣藏的開發，提供了技術基礎。

4.2 油基可循環微泡沫鉆井液鉆井液發展建議

針對水基微泡沫體系的穩泡劑和高分子材料研究較為成熟，但對于油基微泡沫鉆井液穩泡劑和高分子材料研究較少。油基微泡沫鉆井液發泡劑的成本較高，一定程度上限制了油基可循環微泡沫鉆井液的應用，因此建議加大油基可循環微泡沫鉆井液發泡劑及穩泡劑的研發力度，降低綜合成本，促進油基可循環微泡沫鉆井液的現場應用。

［1］ 王中華.頁巖氣水平井鉆井液技術的難點及選用原則［J］.中外能源，2012，17（4）：43－46.WANG Zhonghua.Difficulty and applicable principle of the drilling fluid technology of horizontal wells for shale gas［J］.Sino－Global Energy，2012，17（4）：43－46.

［2］ 談心，孫金聲，徐顯廣，等.油基泡沫鉆井流體技術研究［J］.石油學報，2010，31（5）：829－833.TAN Xin，SUN Jinsheng，XU Xianguang，et al.A study on the oil based foam drilling fluid technique［J］.Acta Petrolei Sinica，2010，31（5）：829－833.

［3］ 何秀娟，李應成，高磊，等.油基泡沫鉆井流體穩定機理研究［J］.鉆井液與完井液，2012，29（5）：1－5.HE Xiujuan，LI Yingcheng，GAO Lei，et al.Mechanism study on stability of oil－base foam mud［J］.Drilling Fluid ＆Completion Fluid，2012，29（5）：1－5.

［4］ 雍富華，賈彪，夏庭波，等.可循環微泡沫鉆井液技術研究［J］.吐哈油氣，2004，9（4）：349－353.YONG Fuhua，JIA Biao，XIA Tingbo，et al.A study on the micro－foam drilling fluid technique［J］.Tuha Oil ＆Gas，2004，9（4）：349－353.

［5］ 馬文英，周亞賢，蘇雪霞，等.可循環微泡沫鉆井液的性能評價與應用［J］.中外能源，2010，15（7）：57－59.MA Wenying，ZHOU Yaxian，SU Xuexia，et al.Performance evaluation and application of circulative micro－foam drilling fluid［J］.Sino－Global Energy，2010，15（7）：57－59.

［6］ GROWCOCK F B，KHAN A M，SIMON G A.Application of water－based and oil－based aphrons in drilling fluids［C］∥paper 80208－MS presented at the International Symposium on Oilfield Chemistry，5－7February 2003，Houston，Texas，USA.New York：SPE，2003.

［7］ DALLAND M，HANSSEN J E.GOR－control foams：Demonstration of oil－based foam process efficiency in a physical flow model［C］∥paper 50755presented at the SPE International Symposium on Oilfield Chemistry，16－19February 1999，Houston，Texas，USA.New York：SPE，1999.

［8］ SEPULVEDA J J，FALANA O M，KAKADJIAN S，et al.Oil－based foam and proper underbalanced－drilling practices improve drilling efficiency in a deep gulf coast well［C］∥paper 115536－MS presented at the SPE Annual Technical Conference and Exhibition，21－24September 2008，Denver，Colorado，USA.New York：SPE，2008.

［9］ 車現紅，徐妙俠，王樹坤，等.一種可循環泡沫鉆井液體系研究［J］.西南石油大學學報：自然科學版，2010，32（5）：141－145.CHE Xianhong，XU Miaoxia，WANG Shukun，et al.Research on a recyclable foam drilling fluid system［J］.Journal of Southwest Petroleum University：Science ＆ Technology Edition，2010，32（5）：141－145.

［10］ SHIVHARE S，KURU E.Physico－chemical characterization of non－aqueous colloidal gas aphron－based drilling fluids［C］∥paper 133274presented at the Canadian Unconventional Resources and International Petroleum Conference，19－21October 2010，Calgary，Alberta，Canada.New York：SPE，2010.

［11］ 李國慶，王洪軍，劉聚廷，等.微泡沫鉆井液技術［J］.大慶石油地質與開發，2009，28（5），203－207.LI Guoqing，WANG Hongjun，LIU Juting，et al.Aphron drilling fluid technology［J］.Petroleum Geology ＆ Oilfield Development in Daqing，2009，28（5）：203－207.

［12］ 汪桂娟，丁玉興，陳樂亮，等.具有特殊結構的微泡沫鉆井液技術綜述［J］.鉆井液與完井液，2004，21（3）：44－45.WANG Guijuan，DING Yuxing，CHEN Leliang，et al.Aphron－base drilling fluid technology［J］.Drilling Fluid ＆Completion Fluid，2004，21（3）：44－45.

［13］ 王其偉，周國華，李向良，等.泡沫穩定性改進劑研究［J］.大慶石油地質與開發，2003，22（6）：80－84.WANG Qiwei，ZHOU Guohua，LI Xiangliang，et al.Study on foam stability improver［J］.Petroleum Geology＆ Oilfield Development in Daqing，2003，22（6）：80－84.