可循环微泡沫钻井液应用论文

可循环微泡沫钻井液应用初探主题可循环微泡沫钻井液体系是近年来国内外钻井液界推出的一种新型低密度钻井液体系，微泡钻井液体系与普通泡沫体系的显著区别在于微观结构特征上的显著差异：微气泡是以均匀、非聚集、非连续态存在的，从而保证了体系的可连续循环使用。

在低剪速率条件下，通过实验研究得出的可循环微泡沫钻井液具有稳定性高，密度可调，滤失量小，抗盐、抗钙、抗温性能好等优点，防漏、堵漏、防塌等效果明显。

关键词微泡沫钻井液贾敏效应堵漏防塌中图分类号：td 文献标识码：a 文章编号：1009-914x（2013）02-01-01在国外可循环微泡沫钻井液广泛应用于近平衡钻井、水平井钻井、衰竭油层、低压地层钻井以及解决低压渗漏地层的严重漏失。

在国内，主要解决低压易漏地层所遇到的严重井漏和油层污染问题，2004年后开始用于近平衡钻井、水平井钻井及深井钻井中。

目前陕甘宁盆地长庆油田多数石油钻井队使用钻井液体系难以解决钻屑分散带来的高密度、高固相，给外围“三低”油田带来严重污染，直接影响钻井生产速度和钻井质量，为了最大限度降低石油钻井对环境造成的污染，提高钻井效率，保证钻井质量，提高钻井经济效益，我们在长庆油田石油钻井作业中引进了可循环微泡沫钻井液工艺。

1、微泡沫钻井液体系中发泡剂分子结构微泡沫钻井液中常用阴离子型和非离子型表面活性剂作为起泡剂。

选择阴离子型表面活性剂的理由是：此类表面活性剂在水溶液中电离出表面活性阴离子，其结构由亲油基和亲水基两部分组成。

具有较强的起泡能力，若分子结构中有较强的亲水基和合适的亲油基，则能产生细小而持久的泡沫。

且此类表面活性剂还具有来源广，价格便宜等优点；选择非离子型表面活性剂的理由是：此类表面活性剂在水溶液中不会电离，分子结构中没有活跃的烃基，性能比较稳定，因而有较好的抗盐、抗钙、抗酸碱能力。

两种或两种以上的表面活性剂复配能起到增效，互相弥补各自性能上的缺陷、派生出新性能的作用，这就是表面活性剂的协同效应。

另外复配的用量往往比单一用量少，成本低。

2、微泡钻井液防漏机理微泡沫钻井液的防漏机理是利用表面活性剂产生表面张力，以便在微泡形成时能够囊括住微泡，建立起多层泡沫壁结构，并且产生界面张力，从而使微泡彼此之间产生一个具有井下桥堵能力的网络。

这种微泡网结构蕴含很高的能量，因此在使用时不仅能够实现泥浆密度的还原，而且还能阻止或延缓钻井液漏进地层，避免造成钻井液的流失以及对地层的污染，从而能够建立起一个真正的非侵入的、近平衡的微环境。

2.1较低的静液柱压力和当量循环密度微泡沫钻井液因为气体分散存在于液相中，使得整个体系的密度降低，减小了井底静压力是其防漏堵漏的基本原理之一。

另外，根据多相流流体力学知识可知，微泡沫体系比纯粹的固液钻井液体系流动阻力小，降低了钻井液循环系统的压力损耗，尤其是环空压耗的降低，使得当量环密度降低，对防漏也作出良好的贡献。

2.2微气泡附加阻力的作用由于微泡沫钻井液中含有多级分散的稳定泡球体，当这些泡沫球体在压差作用下向多孔介质者细小裂缝内流动时，因其不与岩石发生润湿和体变形的原因，弯曲界面收缩压产生附加阻力。

2.3微气泡内部压力作用当微泡钻井液循环到井底时，微泡内包裹的空气被压缩。

随外部压力和温度地增加，微泡体积减小，微泡内部的压力增加，见图4-2。

一旦钻头钻遇衰竭地层，微泡被迫通过低压地层的孔洞。

在那里，储存在微泡中的一部分能量被释放，微泡开始膨胀，直到在气泡内外壁的压力达到平衡。

随着被增能的微泡挤入地层孔洞，外部的拉普拉斯力急剧增加，从而引起微泡的聚集和低剪切速率粘度（lsrv）的增加，由这种现象产生的微环境形成一种无固相的桥。

2.4微泡沫群体结构的动态封堵作用微气泡在渗漏压差作用下进入渗漏孔隙通道，在通道的狭窄处，气泡的形状和体积均发生改变，出现表面压力差，这便是所谓的“贾敏效应”。

在介质中有稳泡物质存在时，微气泡在岩石表面的三相润湿周边的静摩擦力很大，周边被“硬化”，微气泡将难以活动。

微气泡的封堵和润湿周边硬化造成了微泡沫在孔隙中大量粘滞聚集，形成微泡沫群体结构。

由于孔隙流动速度急剧减缓，微泡沫群体结构粘度上升很快。

粘度上升又导致了聚集的加剧，如此反复作用，最终形成微泡沫群体结构尽可能多地封堵了渗漏孔隙孔道。

微泡沫群体在孔隙中的吸附聚集现象在试验中表现得很明显，当微泡沫钻井液流经渗漏砂床时，砂床发生体积膨胀，膨胀率达10%-20%，取出砂床观察，发现大大小小的微气泡充满了砂床孔隙之中。

2.5微泡沫群体结构的疏水屏蔽作用封堵在渗漏孔隙中的微泡沫群体结构无疑是一道有相当厚度的，而稳定的疏水屏障，阻碍著钻井液和自由水的流动。

试验中发现，渗漏开始时，砂床孔隙处于畅通状态，一部分微泡沫钻井液由渗漏出口流出。

随着微泡沫封堵砂床，微泡沫渗流很快停止，仅有极少量混浊液体滴出，但随之也很快停止。

停止渗漏后持续观察24小时，出口处无任何液体流出。

这说明，即使是自由水，在孔隙中也受到了有效阻碍，不能通过被微泡沫封堵的孔隙自由流动。

2.6微泡沫钻井液体系高粘度特性的影响微泡沫钻井液体系的表观粘度比该钻井液中任何一种组分的表观粘度高得多，这是由于泡沫流动时产生界面变形吸收能量，并相互粘滞，造成流动阻力增加的缘故。

表观粘度高低与气液比有关，气液比大，表观粘度高。

在渗漏地层狭窄的孔隙通道内，微泡沫钻井液体系表观粘度随剪切速率降低而增加，剪切速率越低，增加幅度越大。

也就是说微泡沫在井底一旦遇到低压或裂隙地层，剪切速率即会急速下降，但是它的粘度则会很快增加，这就是微泡沫钻井液低剪粘度（lsrv）特性。

这一特性加剧了泡沫的吸附聚集，使堵漏效果增强。

2.7微泡堵漏效果评价模拟渗漏试验在qd型堵漏装置上进行，用不同粒径的砂子统一体积制成了三种规格的渗漏砂床。

为进行渗漏量对比分析，同时进行了清水、膨润土钻井液和不同密度的微泡沫钻井液的对比测试。

模拟渗漏试验压差分别为： 0.3mpa、0.69mpa。

将不同类型的钻井液分别装入测试装置中，先后在两种压力下进行渗漏量侧试。

测试结果见表如表4-1、4-2。

表4-1 0.3mpa不同钻井液在模拟渗漏砂床中漏失量结果钻井液类型密度g/cm3 在各种渗漏砂床粒径中的漏速ml/s14.3mm弹子 4.39mm滚珠10-30目砂床40-60目砂床80-120目砂床清水 1.00 800 364 200 114 100膨润土钻井液 1.01 571 307 138 108 93微泡沫钻井液0.78 42 22 14 13 11微泡沫钻井液0.52 27 17 10 10 6.5tt=338表4-2 0.69mpa不同钻井液在模拟渗漏砂床中漏失量结果钻井液类型密度g/cm3 在各种渗漏砂床粒径中的漏速ml/s14.3mm弹子 4.39mm滚珠10-30目砂床40-60目砂床80-120目砂床清水 1.00 1333 571 400 286 190膨润土钻井液 1.01 1000 400 267 210 154微泡沫钻井液0.78 117 55 26 17 15微泡沫钻井液0.52 70 45 14 13 9.5注：目数与粒径的关系：10～30目相当于1.7～0.55mm；40～60目相当于0.38～0.25mm；80～120目相当于0.18～0.12mm。

tt 为漏液中止的时间，单位：s。

从测试结果可出，微泡沫钻井液在渗漏地层有显著的减少漏失和消除漏失的作用。

同一渗漏条件（渗漏通道相同、渗漏压差相同），密度越小，泡沫越丰富，渗漏量越小。

同样的渗漏通道，增大渗漏压差，微泡沫钻井液仅增大瞬时渗漏量，渗漏时间反而缩短，渗漏很快停止。

这说明，微泡沫的独特性质在堵漏过程中起了关键作用。

3、微泡钻井液防塌机理井壁失稳主要由以下三方面的原因引起：一是钻井液密度过低，钻井液液柱压力难于支撑力学不稳定的地层；二是钻井液液柱压力高于地层孔隙应力，驱使钻井液进入泥页岩孔隙，产生压力穿透效应，使井眼附近的泥页岩含水量增加，孔隙压力增大，泥页岩强度降低；三是钻井液失水过大，引起泥页岩的水化膨胀或剥落掉块。

后二个方面的原因已被石油钻井界公认为主要的井壁失稳原因。

在钻井过程中防止钻井液渗入泥页岩是保证井壁稳定的关键措施。

在地层坍塌压力较高，力学相对稳定的井中，利用欠平衡钻井，可以提高钻进效率，减少对储层的损害，提高油气勘探开采效率。

可循环微泡沫钻井液的特殊结构使其具有疏水特性，加之密度低，降低了钻井液的液柱压力，并且可以利用常规设备进行，在低压渗漏地层中使用效果良好，具有高的泥页岩回收率，对泥页岩具有防塌作用。

研究表明，微泡沫钻井液防塌机理表现如下几个方面：3.1 较低的密度、较高的低剪粘度可循环微泡沫钻井液密度低，降低了钻井液的液柱压力，减少了钻井液向泥页岩地层的压力穿透；同时由于可循环微泡沫具有较高的低剪粘度，减轻了可循环微泡沫向泥页岩的扩散效应。

3.2 微泡架桥封堵能力可循环微泡沫具有合适的粒径，在孔隙（微裂隙）中具有架桥封堵能力，对泥页岩产生物理封堵减少水对泥页岩的渗透。

3.3 微泡疏水亲油特性可循环微泡沫的微观结构，使其具有疏水亲油特性。

微泡的外壳有三层表面活性剂组成。

内层表面活性剂膜被一层增粘了的水和双表面活性剂层覆盖，使微泡具有亲水特性并与泥浆中的连续相相容。

然而，表面活性剂的双层结合的并不紧密，静止时，微泡与液相相容，在足够的剪力或压力作用下，最外层表面活性剂层脱落，使微泡具有亲油特性。

微泡沫的这种疏水（亲油）特性，对泥页岩的水化膨胀起到较强的抑制作用。

3.4 与防塌剂共同作用在井壁上形成憎水性油膜可循环微泡沫钻井液与钻井液中的防塌处理剂具有很好的配伍性，允许加入合适的防塌剂，并与其共同作用，产生协同效应提供化学和物理作用，在井壁上形成保护膜，有效地防止泥页岩的孔隙压力穿透，控制泥页岩含水量的上升。

其中憎水性油膜是最有效的井壁保护膜，通过润湿反转增大毛细管压力能获得较大的承压防渗能力；通过表面活性剂在泥页岩孔喉内形成微液和液晶的油相物质造成泥页岩孔喉润湿反转或表面张力改变，增大毛细管压力，减少水对泥页岩的渗透。

4. 微泡钻井液提速机理4.1降低井底岩屑压持效应：微泡钻井液比水基钻井液可降低密度15%左右，井底压差减小，钻屑能及时返出，减少了钻头的重复切削。

4.2降低岩石瞬间强度：由于气泡的运移速度大于液体和固体，当钻开地层时，气泡首先与岩石接触，扩大了地层微裂缝，降低了岩石强度。

4.3改变了钻头、钻具和岩石表面性质：由于发泡剂为表面活性剂，它能在钻头、钻具和岩石表面吸附，形成润滑油膜，起到清洁钻头，防止钻具泥包的作用。

4.4卓越的携岩能力：可循环微泡沫具有较高的低剪粘度，使悬浮和携岩能力显著增强。

它比纯粹的固液钻井液体系流动阻力小，降低了钻井液循环系统的压力损耗，尤其是环空压耗的降低。