蓄能液氣泡技術(shù)在鉆井液中的研究與應(yīng)用

王旭東

(中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東 東營(yíng) 257000)

泡沫及微泡沫鉆井液在低壓易漏失地層具有廣泛的應(yīng)用[1-5]，但是常規(guī)泡沫及微泡沫流體抗壓能力弱，在環(huán)空高壓力帶的作用下，難以有效地降低靜液柱壓力。蓄能液氣泡鉆井液是在高壓環(huán)境下通過(guò)機(jī)械擾動(dòng)并通過(guò)設(shè)定的連續(xù)篦板進(jìn)行氣泡整形，得到高度均勻膜結(jié)構(gòu)的蓄能液氣泡，再將其與鉆井液混配而成的一種新型低密度鉆井液體系[6-7]。蓄能液氣泡鉆井液發(fā)泡時(shí)的壓力與鉆井液環(huán)空中的壓力相同，氣泡的氣核與外界環(huán)境之間不存在壓力差，其直徑和體積將不會(huì)發(fā)生變化，可避免常壓下制備的普通泡沫流體進(jìn)入環(huán)空高壓力帶時(shí)產(chǎn)生的體積壓縮、密度升高現(xiàn)象[6-7]。在前期研究的基礎(chǔ)上，筆者進(jìn)一步研制了適用于現(xiàn)場(chǎng)使用的蓄能液氣泡發(fā)生裝置及與鉆井液的混配裝置，在試驗(yàn)井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

1 蓄能液氣泡制備及作用原理

蓄能液氣泡鉆井液的發(fā)泡及混配是在高壓條件下完成的：高壓氣體和發(fā)泡劑在蓄能液氣泡發(fā)生器中混合，通過(guò)機(jī)械擾動(dòng)生成氣泡，通過(guò)整形得到均勻穩(wěn)定的蓄能液氣泡。其內(nèi)核為帶壓氣體，外部發(fā)泡劑分子包括水分子構(gòu)成的雙層膜結(jié)構(gòu)。

相比常規(guī)泡沫及微泡沫鉆井液，蓄能液氣泡鉆井液具有優(yōu)良的防漏堵漏性能，主要應(yīng)用于低壓、高孔隙度、高滲透率地層，可以有效地解決井漏問(wèn)題。其防漏堵漏原理主要有[5-7]：

1.1 較低的靜液柱壓力

蓄能液氣泡是在高壓條件下制備的，其內(nèi)核為帶壓氣體，一般是壓縮氮?dú)狻簝?nèi)核的存在使得蓄能液氣泡鉆井液具有抗壓能力強(qiáng)的特點(diǎn)：蓄能液氣泡包裹內(nèi)核的氣體壓力與環(huán)空壓力相當(dāng)或近似，因此進(jìn)入環(huán)空之后，泡沫體積不會(huì)被壓縮，能夠維持鉆井液低密度循環(huán)。

1.2 賈敏效應(yīng)

由于蓄能液氣泡鉆井液中含有多級(jí)分散的穩(wěn)定泡沫球體，當(dāng)這些泡沫球體在壓差作用下向多孔介質(zhì)或者細(xì)小裂縫內(nèi)流動(dòng)時(shí)，因其不與巖石發(fā)生潤(rùn)濕以及在經(jīng)過(guò)孔喉時(shí)球體發(fā)生形變形成兩個(gè)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(chǎn)生作用方向與蓄能液氣泡流動(dòng)方向相反的附加阻力ΔP，從而減緩氣泡運(yùn)動(dòng)。

ΔP = 2δ ( 1/r - 1/R)

(1)

式中，ΔP為附加阻力，δ為界面張力，r為微裂縫的半徑，R為液氣泡的初始半徑。對(duì)于單個(gè)液氣泡來(lái)說(shuō)，ΔP的值是比較小的，但是大量液氣泡在微裂縫束縛中的阻力是可以累計(jì)和疊加的，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中基本不可能有足夠大的壓差去克服賈敏效應(yīng)，并強(qiáng)迫液氣泡侵入滲透性地層深部的微裂縫或孔道中[5]。

1.3 蓄能液氣泡的架橋作用。

蓄能液氣泡包裹內(nèi)核的氣體壓力與環(huán)空壓力相當(dāng)或近似，因此進(jìn)入環(huán)空之后，泡沫體積不會(huì)被壓縮，在鉆井液中起到架橋粒子及變形填充粒子的作用，對(duì)地層中的微裂縫進(jìn)行有效封堵。當(dāng)鉆遇低壓層時(shí)，蓄能液氣泡在壓差作用下進(jìn)入低壓孔隙或裂縫，內(nèi)部的能量被釋放，蓄能液氣泡體積迅速擴(kuò)張，引起液氣泡的聚集和低剪切速率黏度的增加，由這種現(xiàn)象產(chǎn)生的微環(huán)境形成一種無(wú)固相的橋，稱(chēng)為蓄能液氣泡的架橋堵漏作用。

2 現(xiàn)場(chǎng)用蓄能液氣泡鉆井液發(fā)生裝置及施工工藝

筆者在前期的研究中研制了一種適用于室內(nèi)試驗(yàn)的蓄能液氣泡鉆井液發(fā)生裝置和流變性能測(cè)試裝置[8-9]，并利用該裝置對(duì)蓄能液氣泡及蓄能液氣泡鉆井液的性能進(jìn)行了系統(tǒng)地表征[6-7]。在此基礎(chǔ)上，筆者研制了適用于現(xiàn)場(chǎng)使用的蓄能液氣泡鉆井液發(fā)生裝置[10-11]。并配套配套靜態(tài)混合器、氣體分離裝置和氣體凈化回收裝置，建立了蓄能液氣泡鉆井液現(xiàn)場(chǎng)施工工藝流程，如圖1所示。氣體從儲(chǔ)氣罐進(jìn)入空壓機(jī)、增壓機(jī)，增壓后進(jìn)入蓄能液氣泡發(fā)生裝置和發(fā)泡劑混合，產(chǎn)生蓄能液氣泡流體，通過(guò)均化后在泡沫增壓泵的作用下進(jìn)入靜態(tài)混合器和鉆井液混合，之后進(jìn)入鉆井液循環(huán)系統(tǒng)，循環(huán)后進(jìn)入氣體分離器，進(jìn)行氣液分離，分離出的液體經(jīng)過(guò)振動(dòng)篩后可以循環(huán)使用，分離后的氣體通過(guò)氣體凈化裝置凈化后再進(jìn)入儲(chǔ)氣罐繼續(xù)循環(huán)使用。

圖1 蓄能液氣泡鉆井液現(xiàn)場(chǎng)施工工藝流程圖

3 蓄能液氣泡鉆井液現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

蓄能液氣泡鉆井液在試驗(yàn)井上進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)井為直井，井深1030m。為了證明蓄能液氣泡鉆井液循環(huán)到井下之后確實(shí)能夠真正的克服井底壓力，保持鉆井液的低密度，利用隨鉆測(cè)壓(Pressure While Drilling，PWD)測(cè)試了井底的壓力，并根據(jù)壓力換算出井底鉆井液密度，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的對(duì)比，來(lái)判斷蓄能液氣泡鉆井液能否在井下保持低密度狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)詳見(jiàn)圖2。

由圖2可知，配制的鉆井液初始密度為1.20 g/cm3，在井筒中循環(huán)一周之后，加入制備的蓄能液氣泡，設(shè)計(jì)密度為1.10 g/cm3，根據(jù)PWD的實(shí)測(cè)密度可知，20min之后，鉆井液的密度降至1.09 g/cm3，30min之后，降至1.03 g/cm3，并基本穩(wěn)定，波動(dòng)不超過(guò)0.02 g/cm3，繼續(xù)增加氣體的含量，設(shè)計(jì)鉆井液密度分別降至0.80 g/cm3和0.60 g/cm3，測(cè)試鉆井液密度和設(shè)計(jì)鉆井液的誤差最高不超過(guò)0.03 g/cm3。試驗(yàn)中設(shè)計(jì)的最低鉆井液密度值為0.52 g/cm3，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)鉆井液密度在0.51～0.53 g/cm3之間。

在凈化器的出口，利用AM510型智能防爆粉塵測(cè)試儀(精度為0.001 mg/m3)實(shí)時(shí)測(cè)試過(guò)濾后氮?dú)庵械姆蹓m含量，并通過(guò)氣體流量計(jì)來(lái)計(jì)算氮?dú)饣厥章剩唧w的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表1。

圖2 試驗(yàn)中鉆井液密度變化表1 氮?dú)饣厥占皟艋囼?yàn)數(shù)據(jù)表

井深 /m注氣量(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))/(m3/min)鉆屑粒徑D50/μm鉆屑粒徑D90/μm凈化氣中的粉塵含量/(mg/m3)凈化氣中粉塵最大粒徑/μm氮?dú)饣厥章?%407.573033.8576.530.0233.6750.3617.613033.8576.530.0273.9551.8903.233033.8576.530.0313.2350.1903.235033.8576.530.0393.5652.9903.237033.8576.530.0434.1053.5903.233020.8161.350.0504.3350.6903.233059.67267.170.0354.5551.3

由表1可知：

(1)試驗(yàn)中氮?dú)饣厥諆艋蟮姆蹓m含量在0.050 mg/m3以下，凈化回收的氮?dú)庵蟹蹓m最大粒徑是4.71μm，在5μm以下，完全能夠滿足重新循環(huán)進(jìn)入空壓機(jī)和增壓機(jī)的要求。

(2)隨著井深的增加，凈化之后氮?dú)庵械姆蹓m含量呈增加趨勢(shì)。這是因?yàn)殡S著井深增加，鉆屑在環(huán)空中停留的時(shí)間增加，破碎的機(jī)會(huì)增加，鉆屑粒徑變小，增加了凈化器凈化氮?dú)獾碾y度，導(dǎo)致凈化之后氮?dú)庵械姆蹓m含量呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。

(3)隨著注入氣量的增加，凈化之后氮?dú)庵械姆蹓m含量和粉塵的最大粒徑呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。這是因?yàn)樽⑷霘饬吭黾又螅钅芤簹馀葶@井液的攜巖能力增強(qiáng)，能被帶到井口的巖屑增多，同樣會(huì)增加凈化器凈化氮?dú)獾碾y度，導(dǎo)致凈化氣體純度的下降。

(4)隨著巖屑粒徑的增大，凈化氣中的粉塵含量在下降。這是因?yàn)閮艋鞯牟都鞑捎酶呶叫圆牧现谱鳎瑤r屑的粒徑增大之后，捕集器能夠更有效地發(fā)揮作用，所以?xún)艋瘹庵械姆蹓m含量下降，純度更高。但是，由于巖屑粒徑增大，所以導(dǎo)致凈化氣中的粉塵最大粒徑增大。

4 結(jié)論

(1)通過(guò)研制現(xiàn)場(chǎng)用蓄能液氣泡鉆井液發(fā)生裝置以及研究現(xiàn)場(chǎng)施工工藝，建立了適用于現(xiàn)場(chǎng)使用的蓄能液氣泡鉆井液技術(shù)。

(2)蓄能液氣泡鉆井液在環(huán)空高壓力條件下能夠有效地降低體系的密度，減小井底靜壓力，協(xié)同賈敏效應(yīng)和架橋堵漏作用，對(duì)低壓易漏地層具有優(yōu)異的防漏堵漏能力，具有良好的推廣應(yīng)用前景。