微泡沫鉆井液的發(fā)展史與特點(diǎn)

吳永川

（中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300459）

0 引言

在鉆探作業(yè)過程中，鉆遇地層壓力系數(shù)在1.05以下，尤其是鉆遇低壓低滲、裂縫性油氣層，井漏將會是一個非常棘手的問題。井漏會造成大量的鉆井液進(jìn)入地層，導(dǎo)致固相、無機(jī)垢和有機(jī)垢堵塞油氣孔道，高溫下滋生的細(xì)菌污染產(chǎn)層，影響油氣產(chǎn)量的正確估算，給后期酸化解堵增加難度。井漏不僅需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和資金，還會引發(fā)卡鉆、井塌、井噴等事故，嚴(yán)重的井漏會使一口井報(bào)廢，耽誤鉆井周期；更嚴(yán)重的后果是在新區(qū)塊中勘探時(shí)，漏失一些原本有希望的油氣層，造成前期巨大的勘探投入全部打水漂，同時(shí)還會給投資者帶來不可挽回的名譽(yù)損失。若使用普通的水基鉆井液，難以控制鉆井液密度在1.05 g/cm3以下；若使用油基鉆井液，不僅成本高、污染環(huán)境，還會影響錄井。在深井裂縫發(fā)育的地層中，若井底循環(huán)當(dāng)量密度控制不好，一旦發(fā)生井漏，成本更是難以接受。若使用普通的泡沫鉆、充氣鉆等氣基鉆井液，對場地和設(shè)備有一定的要求，不僅成本高，后期排放處理也比較困難。由于這些體系不適合在目的層鉆進(jìn)，因此，研究適用于常壓和低壓地層中的低密度鉆井液體系已成為一個非常重要的課題。

1 微泡沫鉆井液的發(fā)展史

微泡沫（micro-bubbles）鉆井液是美國Adsystems公司在20 世紀(jì)90 年代末期研制成功的一種新型低密度鉆井液體系，英文名稱為 “Aphron” 鉆井液，地面配制密度最低可降至0.8 g/cm3左右。微泡沫鉆井液在國內(nèi)的發(fā)展可分為三個階段，即萌芽時(shí)期、發(fā)展時(shí)期和完善時(shí)期。國內(nèi)關(guān)于微泡沫鉆井液的文獻(xiàn)中，常見名稱有微泡、可循環(huán)微泡沫、可循環(huán)泡沫等等，從這些不同的名稱可以反映出對微泡沫鉆井液的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)等存在認(rèn)知程度上的差異。

微泡沫鉆井液萌芽時(shí)期主要是從1996 年到1999 年，這段時(shí)期研究人員的思維定式是降低壓差，科研人員主要考慮的是存在于鉆井液中的泡沫降低了井眼內(nèi)的液柱壓力，以實(shí)現(xiàn)防漏堵漏的目標(biāo)。在這一時(shí)期開始利用分子間力和PVT 試驗(yàn)來研究井下微泡的形態(tài)，通過繪制密度與溫度、壓力關(guān)系的曲線圖說明密度低于1.0 g/cm3的原因，但是對微泡具體的抗溫和抗壓能力沒有進(jìn)行深入研究。這個時(shí)期對微泡沫鉆井液中 “微泡” 的認(rèn)識已經(jīng)不再局限于地面。

2000 年，國外相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道了微泡微觀結(jié)構(gòu)的理論依據(jù)，微泡沫鉆井液解決了儲層傷害和水平井漏失問題。因此該報(bào)道之后，鉆井液行業(yè)掀起了研究微泡沫鉆井液和應(yīng)用該鉆井液解決低壓易漏失地層的熱潮。2001 年到2008 年，國內(nèi)關(guān)于微泡沫鉆井液的文獻(xiàn)出現(xiàn)井噴式發(fā)展，部分文獻(xiàn)將微泡沫鉆井液和美國的Aphrons 作比較。這一時(shí)期為微泡沫鉆井液的發(fā)展時(shí)期，隨著處理劑種類的不斷豐富，廣大鉆井工作者對該鉆井液體系進(jìn)行了大量的室內(nèi)試驗(yàn)，改進(jìn)配方以提高處理劑配伍性，改善流變性以提高濾失造壁性，使之性能不斷完善。在室內(nèi)研究的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)了微泡沫鉆井液獨(dú)特的堵漏機(jī)理，逐漸應(yīng)用在煤層氣開采、修井、探礦等領(lǐng)域，在與防漏堵漏技術(shù)結(jié)合方面取得了一定的發(fā)展。美中不足的是應(yīng)用井深問題，因微泡可壓縮，在高溫下氣體的動能增加，研究者發(fā)現(xiàn)微泡沫鉆井液在不同溫度、不同壓力下，密度變化呈非線性的增加趨勢，提出了在井深超過1 000 m 以后，微泡將被完全壓縮，因此很多學(xué)者認(rèn)為其只能運(yùn)用于淺井，但是實(shí)際應(yīng)用井深已經(jīng)遠(yuǎn)超理論應(yīng)用井深。應(yīng)用井深問題一直是鉆井液行業(yè)的熱門話題。

完善時(shí)期是自2008 年至今，隨著實(shí)驗(yàn)儀器的不斷進(jìn)步，人們對微泡結(jié)構(gòu)的認(rèn)識不斷加深，主要是指從研究微泡的宏觀結(jié)構(gòu)到微觀結(jié)構(gòu)，由開始普遍認(rèn)為微泡的 “一核一層三膜” 微觀結(jié)構(gòu)到 “一核兩層三膜” 結(jié)構(gòu)。通過靜、動態(tài)條件下壓力和溫度對密度的影響研究，指導(dǎo)微泡沫鉆井液適用于復(fù)雜井身結(jié)構(gòu)井或裸眼內(nèi)存在多套壓力系統(tǒng)的欠/近平衡鉆井。在這一時(shí)期對微泡沫的微觀結(jié)構(gòu)和反應(yīng)機(jī)理等認(rèn)識不斷完善，研發(fā)出了很多關(guān)于微泡的處理劑，進(jìn)而研發(fā)和完善性能更好的微泡沫鉆井液。

2 微泡沫鉆井液的特點(diǎn)

微泡沫在國內(nèi)已經(jīng)發(fā)展20 多年，很多油田的研究者針對不同地層研制了多種體系，隨著鉆井液技術(shù)的不斷進(jìn)步，新材料的發(fā)明解決了很多鉆井難題，目前微泡沫鉆井液主要應(yīng)用于國內(nèi)遼河、勝利、吐哈等十幾個油田。因每個油田的地層層位、壓力系數(shù)、鉆探目的、研制配方不同，因此鉆井液性能差距很大，應(yīng)用不同性能的鉆井液，收到的效果也不同，結(jié)論有一定偏差[1]。因以上原因，文章對鉆井液配方不再詳述，重點(diǎn)探討微泡沫的結(jié)構(gòu)和反應(yīng)機(jī)理，對以后改進(jìn)配方和優(yōu)選鉆井液體系意義重大。

2.1 微泡沫概念

微泡是獨(dú)立存在于基液中的分散相，與其他氣基鉆井液的根本區(qū)別是不需要壓縮機(jī)、增壓機(jī)等空壓設(shè)備注入氣體，而是通過化學(xué)和物理等方式產(chǎn)生。化學(xué)方法是將發(fā)泡劑、穩(wěn)泡劑和一些表面活性劑等加入到水或鹽水中，通過化學(xué)反應(yīng)形成微泡；物理作用是在循環(huán)時(shí)鉆井液噴出鉆頭水眼時(shí)水動力的氣蝕作用、紊流和壓力降產(chǎn)生微空隙等條件下產(chǎn)生，地面形成微泡的方法有配制鉆井液的噴射漏斗、攪拌機(jī)、泥漿槍等，在室內(nèi)則可以通過高速攪動或搖動產(chǎn)生[2]。

50 μm 是肉眼可以觀察到的最小距離，而微泡的直徑為15～150 μm，壁厚為3～10 μm，因此在地面可以觀察到大部分微泡。微泡外部黏附絨毛、內(nèi)部似氣囊，分散在連續(xù)相中形成穩(wěn)定的氣-液體系，微泡中的氣體被多層膜包裹著，即使在壓縮變形后也不會被破壞，在鉆井現(xiàn)場可以通過細(xì)目振動篩、除砂器和除泥器、中速離心機(jī)等固控設(shè)備。微泡不僅可以降低靜液柱壓力，而且對固控設(shè)備沒有特殊要求，因此微泡可泵送性好，可以循環(huán)使用，是降低鉆井液密度十分有效的方式之一[3]。

2.2 微泡沫結(jié)構(gòu)

微泡結(jié)構(gòu)劃時(shí)代的重大發(fā)現(xiàn)是在2008 年底舉行的第六屆國際多相流測量技術(shù)大會上。之前人們普遍認(rèn)為微泡微觀結(jié)構(gòu)為 “一核一層三膜” ，在該大會上提出了微泡應(yīng)為 “一核兩層三膜” 組成，即氣核、高黏水層、聚合物高分子和表面活性劑濃度過渡層、高黏水層固定膜、氣液表面張力降低膜、水溶性改善膜，如圖1 所示。

圖1 微泡結(jié)構(gòu)

2.3 微泡沫堵漏機(jī)理

微泡沫鉆井液可以通過降低靜液柱壓力，實(shí)現(xiàn)欠平衡作業(yè)，減少漏失以保護(hù)儲層，還可以將處理劑直接加入到普通鉆井液中產(chǎn)生微泡，在過平衡鉆井時(shí)提高地層承壓能力。由于此獨(dú)特的性能和堵漏機(jī)理，該鉆井液應(yīng)用范圍廣泛。

封堵大縫大洞：溶洞或裂縫的直徑大于微泡時(shí)，因?yàn)榭紫秹毫π∮陟o液柱壓力，因此微泡在裂縫或溶洞中的流動速率大于水溶液流動速率，當(dāng)微泡受到的壓力降低、流動較遠(yuǎn)時(shí)，體積膨脹，堆積成圓錐狀，使流動速度降低，黏度增大，鉆井液無法進(jìn)一步進(jìn)入地層，在該地層實(shí)現(xiàn)物理封堵，如圖2 所示。

圖2 封堵大縫大洞

封堵中縫中洞：裂縫或溶洞的直徑與微泡直徑相近時(shí)，首先部分微泡因靜夜柱壓力大于孔隙壓力而被吸入地層，造成其他微泡向該處聚集，大小不同的微泡在堆積作用下堵塞裂縫或溶洞，同時(shí)在聚集的過程中形成賈敏效應(yīng)，減緩微泡流動速率，有利于提高堆積效果，從而實(shí)現(xiàn)物理封堵，如圖3 所示。

圖3 封堵中縫中洞

封堵微小縫隙：裂縫或溶洞的直徑小于微泡直徑時(shí)，主要通過化學(xué)作用封堵地層。聚合物類的處理劑在井壁上形成薄黏膜，阻止流體進(jìn)入裂縫或溶洞，實(shí)現(xiàn)化學(xué)封堵地層，如圖4 所示。

圖4 封堵小縫小洞

2.4 微泡沫防塌和潤滑機(jī)理

首先，微泡可以使泥頁巖去水化，減弱泥頁巖水化，防止因泥頁巖水化造成的縮徑卡鉆和掉塊卡鉆等井下故障。地層流體向井眼內(nèi)流動，主要原因有兩個：一是在低壓地層中，微泡沫鉆井液的靜液柱壓力略小于孔隙壓力，地層流體向井筒內(nèi)流動，泥頁巖脫水、去水化；二是微泡沫鉆井液為保持低密度，一般都使用淡水配制，遠(yuǎn)小于地層流體的礦化度，在滲透膜的工作原理下地層流體流向井眼[4]。

其次，靠近井壁處的微泡可以架橋和充填，相當(dāng)于普通鉆井液中的固相，鉆井液中的聚合物類處理劑和表面活性劑則可以在裸眼內(nèi)形成薄薄的一層泥餅，形成吸附膜后，膜的外表面主要為憎水端，防止水相與井壁上的泥頁巖直接接觸，減弱泥頁巖水化。

最后，微泡內(nèi)部有似氣囊的結(jié)構(gòu)，可以被壓縮而不被破壞，因此在地層中具有一定的壓力緩沖性，減緩靜液柱壓力傳向頁巖內(nèi)部的速率，從而保護(hù)儲層。地層通道彎曲狹窄，微泡大小不一，因此在賈敏效應(yīng)的作用下，增加了微泡向地層流動的阻力，繼而阻止鉆井液向地層內(nèi)部滲透。當(dāng)微泡吸附于井壁上時(shí)，可將鉆具的滑動摩擦改為滾動摩擦，在相同的壓力下減少了井壁和鉆柱的有效接觸面積，既降低了摩擦力，又降低了腐蝕速率。

2.5 影響微泡沫穩(wěn)定性的因素

微泡沫鉆井液的抗污染能力較強(qiáng)，密度可調(diào)范圍為0.80～1.20 g/cm3，如果使用重晶石加重，最大密度可至1.5 g/cm3左右，抗溫150 ℃，抗鈣15%，抗油20%（油基鉆井液不能使用），抗膨潤土10%，可用淡水配制，也可在飽和鹽水中配制。有機(jī)聚合物受溫度和壓力的影響會逐漸降解，另外還易受細(xì)菌的攻擊，因此要加強(qiáng)地面性能的檢測，及時(shí)加入相應(yīng)的處理劑，維護(hù)微泡強(qiáng)度。無論是物理還是化學(xué)方法產(chǎn)生微泡的體系，對微泡的發(fā)泡效果及微泡沫體系的穩(wěn)定性最重要的影響因素是剪切速率[5]。室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場應(yīng)用證實(shí)提高剪切速率有利于降低密度，使微泡在鉆井液中分布均勻且質(zhì)量好，而且動切力高有利于攜砂，使形成的微泡沫體系更加穩(wěn)定。相反，降低剪切速率時(shí)則形成的體系不穩(wěn)定，嚴(yán)重時(shí)會影響泥漿泵的上水效果，而且對井底當(dāng)量密度計(jì)算誤差偏大。因此，在鉆井現(xiàn)場施工中，為保證該鉆井液體系的穩(wěn)定性，應(yīng)密切關(guān)注鉆井液的性能，盡量使用高速攪拌器。

3 微泡沫現(xiàn)場維護(hù)處理方法

微泡沫鉆井液配制方法簡單，可以在不轉(zhuǎn)換鉆井液體系的情況下直接加入發(fā)泡劑，形成微泡以降低鉆井液密度，一般降低的范圍為0.10～0.15 g/cm3。若在清水中直接加入處理劑，充分循環(huán)后，可以配制出最低密度為0.8 g/cm3左右的穩(wěn)定微泡沫鉆井液體系。

微泡沫鉆井液現(xiàn)場維護(hù)簡便，根據(jù)每天鉆井液性能變化加入適量相應(yīng)處理劑調(diào)節(jié)即可。用發(fā)泡劑和穩(wěn)泡劑調(diào)節(jié)密度穩(wěn)定，用降失水劑調(diào)節(jié)濾失量，用提切劑調(diào)節(jié)切力，用潤滑劑調(diào)節(jié)潤滑性，用純堿和燒堿調(diào)節(jié)pH值[6]。

鉆遇易漏地層，可以加入發(fā)泡劑與穩(wěn)泡劑增加微泡強(qiáng)度、降低鉆井液密度，以封堵地層；鉆遇易塌地層，可以加入抑制劑提高鉆井液抑制性能，使API 濾失量控制在5 mL 以內(nèi)；鉆遇石膏層或有地層水侵入時(shí)，可以加入適量碳酸鈉和燒堿提高pH 值，清除鈣、鎂離子。固井之前，也可在常規(guī)鉆井液的基礎(chǔ)上形成微泡，以提高地層的承壓能力。

鉆遇大裂縫時(shí)，微泡不能有效封堵，出現(xiàn)失返性漏失或大量漏失，需停工進(jìn)行專項(xiàng)堵漏，可以在堵漏漿中配合使用架橋和充填類堵漏材料，如纖維類的鋸末、顆粒類的核桃殼等不同形狀的堵漏材料，擠入井中后靜置觀察。

地層流體孔隙壓力大于液柱壓力出現(xiàn)井涌時(shí)，根據(jù)關(guān)井套壓，優(yōu)先使用CaCO3調(diào)節(jié)鉆井液密度，注意同時(shí)調(diào)節(jié)pH 值和流變性，防止出現(xiàn)沉淀。

出現(xiàn)酸性氣體（如二氧化碳）侵入，先利用液氣分離器處理鉆井液，處理后的泥漿返回泥漿罐，測量濾液的酚酞和甲基橙堿度，并按需加入適量石灰。用NaOH 調(diào)節(jié)pH 值，pH 值控制在9～10 為宜，及時(shí)清除HCO3-，并注意CO32-含量。有害氣體清除后，重新攪拌和經(jīng)過鉆頭水眼后，即可恢復(fù)原有性能。

檢測到H2S 時(shí)，先用燒堿將pH 值調(diào)至9.5 以上，保持鉆井液在堿性環(huán)境中，然后向鉆井液中加入0.5%～1.0%的堿式碳酸鋅。

4 微泡沫鉆井液的優(yōu)缺點(diǎn)

微泡沫鉆井液最大的優(yōu)點(diǎn)是其可壓縮性，當(dāng)靜液柱壓力大于孔隙壓力時(shí)，微泡可根據(jù)不同的裂縫形狀而改變自身直徑，再加上液相的黏度，全面封堵漏失地層，提高地層的承壓能力。因此，當(dāng)鉆遇的裸眼上下地層壓力差較大時(shí)，為保證正常鉆進(jìn)，可選用最高鉆井液密度，解決不同裂縫寬度封堵、同一裸眼多套壓力系統(tǒng)共存的問題。微泡沫鉆井液除具有氣基鉆井液抑制性好、攜巖能力強(qiáng)的特點(diǎn)外，還具有在地面不需要空壓設(shè)備、對固控設(shè)備沒有特殊要求、不影響井下MWD 信號傳輸、經(jīng)濟(jì)環(huán)保、廢液后期不需要特殊處理的優(yōu)點(diǎn)[7]。

目前微泡沫鉆井液的缺點(diǎn)主要有三方面：

（1）普遍認(rèn)為1 000 m 以內(nèi)是微泡沫鉆井液應(yīng)用的合適井深，當(dāng)超過1 500 m 時(shí)，微泡被完全壓縮，不再具有降密度功能，但國內(nèi)遼河油田曙古172井（國內(nèi)微泡鉆井液應(yīng)用最深井）自3 900 m 開始使用微泡沫鉆井液，密度為0.92～0.94 g/cm3，完鉆井深為4 684 m，因此需進(jìn)一步用實(shí)驗(yàn)和理論去指導(dǎo)應(yīng)用井深問題；

（2）密度降至0.9 g/cm3以下時(shí)，影響泥漿泵的上水，循環(huán)時(shí)地面高壓管匯振動較強(qiáng)，需在泥漿泵前增加灌漿泵輔助泥漿泵上水；

（3）通過室內(nèi)承壓堵漏實(shí)驗(yàn)證實(shí)，當(dāng)?shù)貙恿芽p寬度大于3 mm 時(shí)，微泡堵漏效果不理想，需增加固體顆粒橋架、充填以封堵漏失地層。

5 結(jié)語

（1）微泡沫鉆井液由于其獨(dú)特的堵漏機(jī)理可有效實(shí)現(xiàn)漏層封堵、提高地層承壓能力，因此在低壓和常壓裂縫比較發(fā)育的油氣藏、低滲低壓等油氣層裂縫小于3 mm 的情況下，可以優(yōu)先考慮微泡沫鉆井液體系。

（2）因微泡的抗壓問題缺乏實(shí)驗(yàn)和理論指導(dǎo)，使應(yīng)用井深一直是研究者關(guān)注的課題。在現(xiàn)場需要配套的軟件模擬計(jì)算井底循環(huán)當(dāng)量密度，同時(shí)需要配合井底壓力計(jì)實(shí)測循環(huán)當(dāng)量密度，兩者對比后不斷修正軟件計(jì)算精度，從而為微泡沫鉆井液的應(yīng)用井深提供依據(jù)。

（3）隨著廣大鉆井液工作者對微泡沫鉆井液的機(jī)理認(rèn)識不斷加深、室內(nèi)高承壓儀器的研發(fā)、相關(guān)實(shí)驗(yàn)的研究及現(xiàn)場評價(jià)，一定能研制出適合于低壓、常壓裂縫性潛山油氣藏的微泡沫鉆井液體系配方。