巖屑對(duì)泡沫劑性能影響的試驗(yàn)研究

王艷麗

（中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000）

泡沫劑的發(fā)泡性能主要取決于發(fā)泡劑。要使泡沫穩(wěn)定，必須在溶劑水中加入發(fā)泡劑（表面活性劑），再向溶劑水中充氣即可。因?yàn)楸砻婊钚詣┑拇嬖诓粌H使起泡變得容易而且起泡速度超過破泡速度，從而得到穩(wěn)定的泡沫。實(shí)際生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)證實(shí)，無機(jī)電解質(zhì)的加入會(huì)影響發(fā)泡劑的發(fā)泡性能。在泡沫鉆進(jìn)過程中，由于巖粉的帶入，一些可溶的無機(jī)電解質(zhì)溶解到泡沫液中，會(huì)使發(fā)泡劑的發(fā)泡性能降低。因此有必要研究巖屑對(duì)泡沫劑性能的影響，為實(shí)際生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)

1．1 試驗(yàn)藥品與儀器

（1）試驗(yàn)藥品：乙氧基化烷基硫酸鈉，簡(jiǎn)稱AES、α－烯基磺酸鹽 AOS、ADF－3泡沫劑（復(fù)合型發(fā)泡劑），5、10、50、100、150和200目的砂巖巖屑、灰?guī)r巖屑、頁(yè)巖巖屑。

（2）儀器：攪拌器，托盤天平，量筒：100 和250mL；燒杯：1000mL；玻璃棒；秒表，恒溫加熱器。

1．2 試驗(yàn)泡沫液的配置

試驗(yàn)在室溫下采用自來水配置試驗(yàn)溶液。

（1）0．4%AES＋自來水；

（2）0．4%AOS＋自來水；

（3）0．4%ADF－3＋自來水。

1．3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用Waring Blender攪拌法，在有刻度的1000mL攪拌杯內(nèi)盛入100mL試液，以11000r／min的速度攪拌60s，停止攪拌后，記下杯內(nèi)泡沫體積V0（mL）和時(shí)間，用V0來衡量試液的起泡能力，泡沫排出50mL液體的時(shí)間T（s）叫做半衰期，用τ來衡量泡沫的穩(wěn)定性。顯然V0愈大，T越長(zhǎng)，泡沫性能就越好。除特別指出的外，所有測(cè)試均在40℃的溫度下進(jìn)行。

2 巖屑粒徑對(duì)泡沫劑性能影響

以砂巖為例，將分成5、10、50、100、150和200目的巖屑分別加入配置好的泡沫液（泡沫液配方為0．4%ADF－3＋自來水），采用攪拌法分別對(duì)加入這幾種不同粒徑巖屑的泡沫液進(jìn)行有關(guān)發(fā)泡量和半衰期的試驗(yàn)，觀察泡沫液的變化情況，記錄發(fā)泡體積和半衰期。

圖1 巖屑直徑對(duì)發(fā)泡量的影響

通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的觀察分析，可以看出，當(dāng)巖屑直徑為50目時(shí)，泡沫液的發(fā)泡量和半衰期都比較大，隨著巖屑直徑的增大，發(fā)泡量先減小而后增大，而半衰期一直變小。在鉆井過程中，巖屑隨著泡沫液上返，在上返的過程中巖屑受自身的重力和泡沫浮力作用，當(dāng)巖屑顆粒較大，巖屑自身的重力大于浮力作用，巖屑的相對(duì)運(yùn)動(dòng)破壞泡沫本身的結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致發(fā)泡量和半衰期變小。

圖2 巖屑直徑對(duì)半衰期的影響

3 巖屑濃度對(duì)泡沫性能的影響

試驗(yàn)分三輪進(jìn)行，第一輪進(jìn)行AES發(fā)泡劑，第二輪進(jìn)行AOS試驗(yàn)，第三輪進(jìn)行ADF－3泡沫劑試驗(yàn)。每輪試驗(yàn)共分三組。第一組為灰?guī)r試驗(yàn)，第二組頁(yè)巖試驗(yàn)，第三組為砂巖試驗(yàn)，發(fā)泡劑濃度均為0．4%。每組配制7個(gè)100mL的試樣，7個(gè)試樣中巖粉含量依次為0%，0．2%，0．4%，0．6%，0．8%，1．0%和1．2%，靜置12h后待用。試驗(yàn)發(fā)泡量結(jié)果如圖3、4、5所示，半衰期如圖6、7、8所示。

圖3 AOS在不同巖屑濃度下發(fā)泡量

圖4 AES在不同巖屑濃度下發(fā)泡量

圖5 ADF－3在不同巖屑濃度下發(fā)泡量

圖6 AOS在不同巖屑濃度下的半衰期

圖7 AES在不同巖屑濃度下的半衰期

圖8 ADF－3在不同巖屑濃度下的半衰期

試驗(yàn)結(jié)果分析：

（1）發(fā)泡量：由圖3、4、5可以看出，隨著巖屑濃度的增大，三種泡沫劑的發(fā)泡量均在減小，而灰?guī)r巖屑引起的發(fā)泡量下降幅度最大。在不同種類和不同濃度巖屑濃度下，ADF－3泡沫劑的發(fā)泡能力優(yōu)于AOS、AES?；?guī)r，是以方解石為主要成分的碳酸鹽巖，在泡沫劑溶液中，部分碳酸鹽溶于水，從而增加溶液中無機(jī)鹽、弱酸根離子的含量，降低發(fā)泡劑中表面活性劑的活性，因而嚴(yán)重降低了發(fā)泡劑的發(fā)泡量。ADF－3泡沫劑是復(fù)配型陰離子和非離子表面活性劑，抗鹽、抗酸性高，泡沫劑的發(fā)泡性能好。

（2）半衰期：由圖6、圖7、圖8可以看出，泡沫液高速攪拌起泡后，隨著巖屑含量的增加，三種發(fā)泡劑的半衰期均呈減小趨勢(shì)。原因是起泡后，巖屑微小顆粒分散在泡沫中，這些小顆粒充當(dāng)了泡沫中的“固相”，形成三相泡沫。而巖屑大大降低了泡沫液膜的穩(wěn)定，使泡沫穩(wěn)定性顯著降低，當(dāng)膜局部受損時(shí)，“傷口”不能迅速?gòu)浐希瑲馀萑菀灼屏?，進(jìn)而降低了泡沫穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

（1）隨著巖屑濃度和巖屑粒徑的增大，發(fā)泡劑的發(fā)泡性能和半衰期均降低。在實(shí)際鉆進(jìn)過程中，要提高泡沫劑的添加比例，以保證攜屑過程中泡沫量滿足要求。

（2）灰?guī)r對(duì)泡沫劑性能的影響較大，因此在鉆進(jìn)灰?guī)r地層時(shí)，要適當(dāng)增加泡沫劑的添加比例。

（3）ADF－3復(fù)合泡沫劑的發(fā)泡性和穩(wěn)定性優(yōu)于單一發(fā)泡劑，可在多種復(fù)雜地層條件的空氣泡沫鉆進(jìn)、潛孔錘鉆進(jìn)中應(yīng)用。

（4）泡沫鉆進(jìn)成功與否關(guān)鍵取決于泡沫，泡沫的產(chǎn)生來源于發(fā)泡濟(jì)。

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