泡 沫 剂 钻 井 液 的 研 制 和 应 用

泡沫剂钻井液的研制和应用

［摘要］从提高钻井效率、保护孔壁、提高岩矿芯采取率的技术要求出发，研制了专门用于多工艺空气钻进配制泡沫液和泡沫泥浆的新型泡沫剂——DF-1型泡沫剂。用该泡沫剂配制的低密度钻井液体系适用于低压漏失、孔壁失稳、干旱缺水等复杂条件的钻进，取得了令人满意的成效。应用结果还表明，DF-1型泡沫剂在地热钻井、水文水井钻探、地质灾害治理工程中也有良好的应用效果。［关键词］泡沫剂；泡沫泥浆；泡沫钻进

要成功地实现泡沫钻进，必须有优良的泡沫剂。钻进用泡沫剂的性能应从发泡能力、泡沫稳定性、携岩能力、抗污染等几个方面考虑。众所周知，泡沫剂的主要成分是表面活性剂，但钻进用的泡沫剂不能简单地选用某一种表面活性剂，必须采用复配技术，才能配制成满足钻进要求的泡沫剂。

1 DF-1型泡沫剂的研制

1．1 DF-1型泡沫剂的组分及复配

泡沫剂组分的选择除满足性能要求外，还应考虑原料来源和价格，利于推广应用。直链烷基苯磺酸钠(LAS)是一种发泡率高、生产工艺成熟、价格便宜的阴离子表面活性剂，选择它为泡沫剂的主要原料(主剂)，改善其不足是研制适合于钻进要求泡沫剂的要点；因此应选择其他的表面活性材料作为辅助原料(助剂)，以补偿主剂的不足。DF-1型泡沫剂复配工艺如图1所示。

1．2 DF-1型泡沫剂性能评价

DF-1型泡沫剂的发泡能力和稳定性采用罗斯米尔泡沫仪进行测定。将泡沫剂分别用自来水、1‰Ca2＋水、10%NaCl盐水配制成泡沫液，测试在温度为40°C,60°C,80°C条件下的发泡能力、稳定性、抗盐钙污染能力和抗温能力，泡沫剂加量为0．4％。实验结果表明：DF-1型泡沫剂具有良好的发泡能力和稳

定性以及较强的抗盐、抗钙、抗温能力。

泡沫剂的携岩能力采用单槽浮选机测定。将不同岩石研磨成粒度为0．1～0．25 mm的颗粒，用清水与不同的岩粉组成矿浆，固相含量为20%，泡沫剂加量分别为0．15％和0．4％，搅拌5 min，充气刮泡，计算携岩量。实验结果表明：DF-1型泡沫剂对三种不同岩粉的携量优于国产泡沫剂，与美国Q-F泡沫剂相当。

DF-1型泡沫剂采用美国石油协会(API)推荐的方法进行评价，这种方法可近似模拟钻孔和钻进条件来评价泡沫剂性能。通过测定一定量泡沫液在一定时间内的返出量了解泡沫剂性能，返出量越多，泡沫剂性能越好。测试结果见表1，由

此可以看出DF-1型泡沫剂性能达到并超过了API规定的性能标准。

图1D F-1型泡沫剂复配工艺图

Technological process of compounding DF-1 from agent

表1 仿API方法的泡沫剂性能评价结果

Table 1 Properties of the foam agent to use the instrument

标准溶液ⅠⅡⅢ

成分淡水10%盐水1‰Ca2＋水

蒸馏水4000 3800 3995

NaCl/g 400

CaCl

2.2H

2

O/g 14．7

泡沫剂浓度(体积)/% 0．15 0．75 0．5

携液量/mL.

(10 min)-1实测1510 1420 1515 平均1518 1425 1525

API推荐的标准值1400 1350 1400

2 DF-1型泡沫剂的应用

2．1 在泡沫泥浆钻进中的应用

泡沫泥浆是一种由微细气泡和粘土颗粒同时分散在水中形成的多相分散体系。它具有密度低、结构致密、流体粘稠的特性。用于不稳定地层，有护壁防塌作用。在渗透、裂隙地层有防漏和消除漏失的效能。在高山、缺水地区使用可减少用水量，同时满足携岩和护壁的要求。尤其在地热井耐高温，灾害治理对滑面分层的评价和解决岩芯“混层”有独特效果。

2.1.1室内配方研究

泡沫泥浆性能取决于泥浆组成和气液的相对含量。要使泡沫泥浆体系稳定，首先要解决的是使气泡能稳定地存在于泥浆中。泡沫的形成和稳定与表面张力、表面粘度、膜的强度等因素有关，泡沫的稳定性随表面粘度、膜强度增加而增加。因此应加入能提高液相粘度和膜强度的稳泡剂。一般来说，泡沫泥浆应由下列组分组成：

人工钠土4%(或钙土＋纯碱)＋

稳泡剂(CMC 0.2%或PHP 0.2‰)＋泡沫剂0.1%

根据正交设计分析得出，各因素对于泡沫泥浆性能影响极大，由此应针对不同情况控制各处理剂的加量，得到最优配方。实验和现场应用表明，泡沫泥浆性能的一般要求是：

基浆视粘度：η

a

＝25～20 mPa.s;

基浆切力：τ

初＞2．25 Pa, τ

终

＞4．5 Pa;

泡沫泥浆密度：ρ＝(0．55～0．85)×103 kg／m3;

泡沫泥浆动塑比：τ

o ／η

p

＝0．36～0．48 Pa／mPa*s;

泡沫泥浆流性指数：n＝0．4～0．7。

2.1.2现场应用

2.1.2.1在地质勘探中的应用

泡沫泥浆是在低固相聚合物泥浆的基础上，加入泡沫剂和稳泡剂而形成的低密度钻井介质，它除具有低固相泥浆的一般优点外，其最大特点是密度小，液柱压力低，能实现低压平衡钻进，提高机械钻速，防止或减少因压差而造成的漏失。含有气泡的钻进流体，呈密集的泡沫群体结构，具有高的结构粘度和低的上返流速，悬浮和携带岩屑能力很强，为低固相泥浆的3～5倍。泡沫泥浆形成的泥饼，具有疏水性和粘弹性，大大限制了自由水的渗透，减小了流体对孔壁的扰动，保护了孔壁。

泡沫泥浆在四川地矿局113队、202队、205队、109队、404队等单位应用，成功地解决了钻进过程中漏失、长孔段坍塌、沉砂高达五六十米的复杂情况。在不稳定松散煤系地层中应用，减少了漏失，保持了孔内清洁，避免了下套管，提高了钻进效率。在受控定向分枝孔中，配合液动冲击回转钻进，保证了复杂孔段的孔壁稳定，使定向造斜顺利完成，提高了钻井效率和岩矿芯采取率。泡沫泥浆与低固相泥浆钻进的经济效益对比见四川地矿局113队提供的试验数据(表2)。

2.1.2.2 在地热田钻井中的应用

西藏地热资源十分丰富，地热田上部的第四系地层以砂砾岩为主，裂隙发育，下部是花岗岩，断层多，区域热蚀变的地层破碎，孔隙率高。在钻井中常遇到钻井液漏失，引起井壁坍塌、卡钻、埋钻、井涌、井喷等一系列井下事故，且多数井漏属于压差性漏失，漏失强度大。为了解决钻井液漏失，减少井下事故，取全取准地质资料，提高钻井效益，将泡沫泥浆钻进工艺应用于西藏羊八井和拉多岗地热田钻井。应用结果表明，泡沫泥浆低的密度，良好的携岩排粉能力，护壁、防漏治漏等优点。达到了在低压或无压漏失地层的平衡钻进，取得了明显的技术经济效益。

拉多岗热田ZK206井在400 m以上井段使用普通泥浆(密度为1．15×103kg ／m3左右)出现井漏，地层有0．2～0．25 m的裂缝存在，漏失严重，采用多种方法堵漏，收效甚微。在400 m以下井段换用泡沫泥浆钻进，治住了井段多点漏失，顺利地钻到941．40 m终孔，台月效率达到655．62 m，比普通泥浆提高66．2％，缩短了钻井周期，节约钻井成本费用数万元。在多次处理钻杆脱扣事故中，停泵达10 h以上，井底始终保持干净，无沉砂埋钻现象，这在以往施工中是少有的。这也充分体现了泡沫泥浆护壁好，排砂能力强的优越性。

自1993年以来，南江水文队在重庆北碚施家梁治理滑坡勘察施工中，为解决第