微囊泡低密度鉆井液研究進展

武金賢，鄧 強，李 泓，孫 歡，陳 剛

（1.延長油田股份有限公司七里村采油廠，陜西 延安 716000；2.西安石油大學化學化工學院，陜西 西安 710065；3.江蘇三星科技有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212200）

綜觀國內(nèi)外鉆井液技術的發(fā)展，隨著各種復雜和特殊情況出現(xiàn)，新技術、新體系不斷出現(xiàn)。正是由于一系列新體系新技術的應用，在一定程度上促進了鉆井液工藝技術的進步。在生產(chǎn)中結合復雜地質(zhì)結構特點國內(nèi)外提出了不同的鉆井液體系，國外相繼推出了聚合醇鉆井液、甲酸鹽鉆井液和微泡鉆井液等具有國際先進水平的水基防塌鉆井液體系，其中微泡沫鉆井液，在穩(wěn)定性、防漏堵漏效果、儲層保護能力方面有很好的效果。

1 泡沫鉆井液體系概述

表面活性劑是泡沫鉆井液的核心，好的發(fā)泡劑應具有以下特征：①起泡性能好，微泡沫基液與氣體混合攪拌后可產(chǎn)生大量粒度較小的微泡沫；②微泡沫穩(wěn)定性強，能在長時間的循環(huán)剪切和高溫條件下穩(wěn)定；③抗污染能力強，與鉆井液其他處理劑配伍性好，鉆遇地層水時性能穩(wěn)定[1]。表面活性劑有2個重要的性質(zhì)，一是在各種界面上的定向吸附，另一個是在溶液內(nèi)部形成膠束。表面活性劑溶于水后，按照離解或不離解分為離子表面活性劑和非離子表面活性劑，離子表面活性劑又可按產(chǎn)生離子電荷的性質(zhì)分為陰離子、陽離子和兩性表面活性劑。

對于活性劑產(chǎn)生氣核的能力以及穩(wěn)定性，一般而言陰離子型表面活性劑成核能力強，半衰期長，其次為陽離子型表面活性劑，而非離子表面活性劑對基液增加膨脹很小，半衰期很短，成核能力差，并且氣核穩(wěn)定性差[2]。兩性表面活性劑與陰離子型表面活性劑的成核能力相當，且氣核較穩(wěn)定，但是由于兩性表面活性劑價格遠高于陰離子型表面活性劑，因此，一般采用陰離子型表面活性劑作為泡沫鉆井液體系的起泡劑。

單一的發(fā)泡劑溶液形成的泡沫穩(wěn)定性差，還需要加入穩(wěn)泡劑和輔助穩(wěn)泡劑等添加劑來提高其穩(wěn)定性。穩(wěn)泡劑是泡沫鉆井液不可缺少的一部分，它能使泡沫在鉆井液體系中穩(wěn)定存在，提高泡沫的壽命。而泡沫的穩(wěn)定性受到表面張力、內(nèi)外壓力差、氣泡膜的彈性與韌性等作用的影響。從分子結構來說，高分子量、高密集度的分子結構、復合網(wǎng)絡狀的泡沫穩(wěn)定性強。

穩(wěn)泡劑按作用可分為兩類：第一類利用表面活性劑的協(xié)同作用來增強界面吸附分子間的相互作用，使界面吸附膜強度增大，從而提高泡沫穩(wěn)定性。第二類是添加增稠劑來提高液相的黏度，降低流動度，減緩泡沫排液速度[3]。常用的泡沫穩(wěn)定劑主要有以下幾類：脂肪酰胺（RCONH2）、脂肪酸乙醇酰胺（RCONHCH2CH2OH）、長鏈脂肪醇（ROH）、N-烷基亞氨二醋酸鈉鹽、烷基甜菜堿磺酸（R(CH2)2N+CH2CH2CH2SO3-）、聚丙烯酸及其衍生物等。常用的增稠劑有瓜爾膠（GHPG）、羥甲基纖維素（CMC）、羥乙基纖維素（HEC）等[4]。穩(wěn)泡劑的加量根據(jù)不同體系是不同的，在滿足微泡體系穩(wěn)定性的前提下盡量少加穩(wěn)定劑，因此高性能的穩(wěn)泡劑是決定泡沫鉆井液性能好壞的關鍵因素之一。

泡沫鉆井液具有密度低（小于1.0g·cm-3）、濾失量小、攜巖能力強和有助于提高鉆速等特點，具有明顯的防漏、治漏效果，能解決低壓地層和長段破碎帶地層的嚴重井漏難題，失水率極低和鉆井液排放處理壓力輕等特點，對于衰竭、水敏性地層有著廣泛的應用前景，現(xiàn)已成為油氣田開發(fā)中鉆井液的一個重要發(fā)展方向。我國最早使用泡沫鉆井液應追溯到1984年，當時新疆油田成功應用空氣泡沫流體進行洗井，隨后嘗試進行鉆井，取得了良好效果，泡沫鉆井液的可行性、優(yōu)越性得到了驗證，自此揭開了其在我國的應用序幕[5]。泡沫鉆井液在井壁穩(wěn)定方面具有獨特優(yōu)勢，為穩(wěn)定井壁提供了新的技術手段；同時，也存在泡沫體系穩(wěn)定性差、現(xiàn)場消泡困難以及井壁穩(wěn)定評價方法欠缺等問題?？裳h(huán)泡沫鉆井液是在泡沫鉆井液的基礎上發(fā)展起來的?？裳h(huán)泡沫鉆井液流變性好，操作方便，應用效果良好，但承壓能力差?？裳h(huán)鉆井液其承壓能力大大提升，應用可循環(huán)泡沫類鉆井液與其它泡沫鉆井液的根本區(qū)別是不需要附加特殊設備就可以實現(xiàn)一定體積的氣體穩(wěn)定存在于鉆井液中，大大降低成本。微氣泡必須在壓力下降和氣蝕條件下產(chǎn)生：鉆井液流出鉆頭噴嘴時，在水力氣蝕條件下產(chǎn)生微孔隙，這些微孔隙迅速被表面活性劑包裹作為產(chǎn)生含壓球體的動力。大量的微氣泡能夠降低鉆井液的密度，提高增粘劑的作用效果，適合于孔隙壓力不高的地層，并在地層裂縫中產(chǎn)生橋堵或者封堵。

2000年至今，國內(nèi)發(fā)表的關于可循環(huán)泡沫類學術論文共60余篇、學位論文2部，其研究內(nèi)容以流變性、濾失造壁性、穩(wěn)定性、處理劑配伍性等為主，在體系發(fā)展、應用領域擴大以及與其它堵漏技術的融合等方面取得了長足進步，但機理研究沒有突破。2008年底，鄭力會等在第六屆國際多相流測量技術大會上提出了微泡微觀結構，認為微泡由“一核兩層三膜”組成[6]。截至目前，對于這種內(nèi)部含有囊泡狀堵漏材料的鉆井液流體結構和作用機理仍處于定性研究階段，對于其動力學和熱力學研究幾乎為零[7]。

1998年微泡鉆井液問世[8]，體系內(nèi)的氣泡粒徑范圍為30～100μm，氣泡以均勻、非聚集、非連續(xù)態(tài)存在，幾乎不存在Plateau交界?？裳h(huán)微泡沫鉆井液的特殊結構使其具有一定的疏水性，加之密度低，降低了鉆井液的液柱壓力，可減少鉆井液向地層的滲透。該體系在低剪切下即具有較高的黏度，減輕了微泡沫向泥頁巖的擴散效應，適用于在壓力系數(shù)較低、虧空易漏失地層進行平衡或欠平衡鉆井。美國ActiSystem公司研制了一種“Aphrons”鉆井液，并首次在德克薩斯州西部的Fusselman油田應用，在造斜段鉆遇大的裂縫并發(fā)生漏失，而換用微泡沫鉆井液后泵壓增加，并有返出，逐步恢復鉆進，說明該鉆井液具有良好的封堵裂縫能力[9]。

2 囊泡鉆井液的特點

囊泡鉆井液是以水為連續(xù)相，表面活性劑、聚合物處理劑通過高攪形成內(nèi)部含有囊泡結構的鉆井液，密度小于1.0g·cm-3，內(nèi)部似氣囊，外部由于聚合物的高黏性吸附聚合物類似絨毛，分散在連續(xù)相中形成穩(wěn)定的氣液體系。囊泡鉆井液除了密度可調(diào)，適合于近、欠平衡作業(yè)外，還具有自匹配漏失通道，高效封堵；強剪切稀釋特性，高效懸浮攜帶巖屑；自脫殼返排特性，控制儲層傷害以及可以使用加重材料加重等四大特點 。

2.1 微囊泡鉆井液的微觀結構

微囊泡鉆井液的微觀結構如圖1所示。

圖1 理論囊泡鉆井液的微觀結構

由圖1可知，微囊泡鉆井液的微觀結構為“一核、二層、三膜”：

一核：被包裹的氣體位于整個球形囊泡的中心，稱為“氣核”。

二層：“氣核”外部包含一個水層，黏度遠遠高于連續(xù)相，為“高黏水層”；最外為聚合物和表面活性劑組成，連續(xù)相濃度降低，簡稱“濃度過渡層”。

三膜：“氣核”外側聚集著一層表面活性劑，使氣核聚集能量，故稱“表面張力降低膜”；“高黏水層”吸附表面活性劑形成維持“高黏水層”的表面活性劑膜，簡稱“高黏水層固定膜”；在高黏水層固定膜外側的表面活性劑的親油劑與其相對應，吸附成膜，此膜使囊泡具有很好的親水性，故稱“水性改善膜”。

2.2 微囊泡鉆井液封堵機理

微囊泡鉆井液的封堵機理可解釋如下：

1）如果遇到大于囊泡直徑的地層滲流通道（大的裂縫或溶洞），在壓差及溫度作用下，囊泡流動速率大于水溶液速率，并且體積越來越大，堆積成橫放圓錐狀，分解了液柱壓力，實際作用于最前方氣囊的壓力很小。較小壓差下，流體無法進一步進入地層。同時，由于流動速度降低，體系黏度增大，封堵地層。

2）如遇與囊泡直徑相當?shù)穆┦ǖ溃ㄖ懈呖诐B地層），囊泡向低壓區(qū)移動，靠近漏失通道的氣囊被“吸”進地層，拉長充填漏失通道，通過流動增阻和賈敏效應增加漏失阻力，液相中的其它囊泡在壓差作用下持續(xù)堆積在漏失通道入口處，體系黏度增大，從而達到封堵地層的效果。

3）如遇小于囊泡直徑的漏失通道，囊泡工作液在進入儲層滲流通道前，由于靠近井壁的流動速度很低，工作液低剪切速率下的高黏度特性使得凝膠強度增大，聚合物吸附地層，增大了進入滲流通道的阻力。與此同時，囊泡在氣液密度差的作用下吸附在低壓微孔或微裂縫的入口處。封堵入口的囊泡靜止后，表面活性劑和高分子聚合物聚集形成擴散層，凝膠強度進一步增大，強化封堵效果。

3 囊泡鉆井液的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

囊泡首次被報道是在20世紀70年代的化妝品領域，高分子化學領域就開始研究嵌段共聚物在溶劑中的膠束化問題，80年代后人們開始關注和研究這一載體技術，并將其逐漸應用于藥物的靶向傳遞[10-11]。囊泡是一種兩親分子有序組合體，它是由密閉雙分子層所形成的球形或橢球形單間或多間小室結構。目前人們對囊泡的聚集性質(zhì)及囊泡的穩(wěn)定性方面進行了很多研究[12]。根據(jù) Israelachvili理論，雙親分子是否能自發(fā)地形成囊泡與其臨界堆積常數(shù)P有關：P=V/(a0lc），式中V是分子的體積，lc是表面活性劑尾鏈（碳氫鏈）的長度，a0是表面活性劑分子的有效頭基面積，公式中的a0lc表示一個圓柱體的體積（即分子的頭尾面積相等），形成囊泡的必備條件是0.5＜P＜1.0[13]。

Kunitake等人首次采用雙十二烷基二甲基溴化銨制得了囊泡，此后大量的研究證實很多具有雙鏈結構的兩親分子都可形成囊泡[14]。Kunitake等人還發(fā)現(xiàn)氟表面活性劑也可形成囊泡，并且合成了一系列單鏈、雙鏈和三鏈氟表面活性劑，發(fā)現(xiàn)它們與其所對應的以碳氫鏈為疏水鏈的兩親分子在形成締合結構的規(guī)律基本相同。Regen研究了DODAM（雙十八烷基二甲基甲基丙烯酸銨）在水中經(jīng)超聲處理形成小尺寸囊泡后，加入聚甲基丙烯酸包裹，在60℃下，λ=254nm下聚合120min后形成聚合物包裹的囊泡。

在對雙鏈兩親分子囊泡的制備和性質(zhì)研究的同時，研究者也在探索以單鏈兩親分子制備囊泡。Kaler等人報道了在十六烷基三甲基甲苯磺酸銨（CTAT）與十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）的稀混合溶液中可以形成單室囊泡。關于單鏈兩親分子的成果已經(jīng)很多，但是國內(nèi)對囊泡的研究起步較晚。余娜等采用陽離子表面活性劑（十六烷基三甲基溴化銨）分別與陰離子表面活性劑（十二烷基苯磺酸鈉、十二烷基磺酸鈉和十二烷基硫酸鈉）復配，在適當條件下三種體系的水溶液均可自發(fā)形成囊泡[16]。但關于微囊泡鉆井液方面的研究遲緩，2008年鄭力會等在第六屆國際多相流測量技術大會上推測了微泡微觀結構，研究了含絨囊結構的新型低密度鉆井液。囊泡鉆井液已經(jīng)在石油、天然氣、煤層氣等領域鉆井、完井、修井作業(yè)成功。含囊泡結構的鉆井液、完井液和修井液，不僅具備無需附加設備即能實現(xiàn)無固相密度低于1.0g·cm-3控制漏失等優(yōu)點，還能承受高溫高壓的條件。如M80-C1井第一次使用完成的一口開窗側鉆井，應用井深2900多米，全井無漏失。絨囊工作液在川中、冀東等油氣田試用10余井次，成功率100%。利用新型囊泡材料，已經(jīng)成功地應用于鉆井、完井、修井作業(yè)，解決了幾大問題：1）欠平衡鉆井利用附加設備注入氣體問題；2）隨鉆防漏和靜止堵漏提高地層承壓能力問題；3）復雜結構井懸浮攜帶巖屑、降低摩阻問題；4）儲層傷害控制問題。

4 囊泡鉆井液技術的發(fā)展前景

目前，許多油田開發(fā)難度越來越大，在復雜儲層鉆井過程中經(jīng)常發(fā)生嚴重漏失和壓差卡鉆，阻礙了油田的深度開發(fā)。以水濕性砂巖為主儲層，致密頁巖層和枯竭砂巖層常?；殚g層而且往往存在大裂縫，需要使用多套壓力體系的鉆井液。使用普通鉆井液體系，容易產(chǎn)生過大的壓差是發(fā)生漏失和壓差卡鉆的主要原因，因此，使用通常的鉆探設備很難順利鉆穿該類地層。目前，可以采用充氣鉆井液或欠平衡鉆井技術解決部分問題，但是需要配置價格昂貴的設備，而且充氣鉆井液無法穩(wěn)定上部地層。近來開發(fā)出具有獨特結構的微泡沫基鉆井液可以順利鉆穿枯竭儲層。

堵漏防漏技術已成為世界級的難題。研究人員已經(jīng)投入很大的工作，但效果都不明顯。在鉆井工程中遇到的地層越來越復雜，在鉆進壓力衰竭地層、破碎或弱膠結地層、裂縫發(fā)育地層及多套壓力層系等時，井漏問題非常嚴重，甚至可能使油氣井報廢，經(jīng)濟損失巨大。2003年，全球鉆井堵漏費用高達8億美元，其中還不包括井漏造成事故后處理事故的花費。在此嚴峻的形勢下急迫需要找到高效的防漏堵漏材料。對于防漏堵漏材料人類已想到所有的可用材料如橡膠、水泥、聚合物、瀝青等，但效果都不理想。要找到合適的封堵材料需要闡明材料與漏失通道相匹配的關系，研究者先后提出了1/3架橋規(guī)則、2/3架橋規(guī)則、理想充填等理論，但是應用都有一定的局限性。其原因在于地下巖石的孔隙大小、裂縫寬度等地質(zhì)因素很不均勻，幾乎無法測量其大小，與理論研究和室內(nèi)實驗研究相差很大，因而無法利用理論逐個計算材料對應的漏失通道。

在封堵效果不理想的情況下，研究者采用了軟物質(zhì)，例如泡沫、微泡、囊泡等。囊泡鉆井液可以自發(fā)地堵漏，自行調(diào)節(jié)性能，全面封堵漏失地層，稱為“自匹配封堵”。含絨囊結構的新型鉆井液已經(jīng)在國內(nèi)取得顯著效果，如FL-D井位于山西柳林縣，鉆五分支井。實施工期比設計周期縮短28d，大幅度節(jié)約了鉆機、定向、錄井的費用，控制漏失速率0.5～1.0m3·h-3[15]。囊泡鉆井液具有低密度、性能穩(wěn)定、攜砂能力強、承壓能力強、低剪切速率利于井眼清潔和提高鉆機速度等優(yōu)越性，尤其是具有高效防漏堵漏性能，不需增加欠平衡鉆井的特殊設備、成本低，因而該技術在將來油氣井開采中將發(fā)揮更大的作用。

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