原油基可循環(huán)微泡沫鉆井液技術(shù)室內(nèi)研究

張艷紅

(中國石化華北石油工程有限公司河南鉆井分公司，河南南陽 473132)

微泡沫鉆井液能有效減少鉆井液損失，具備優(yōu)良的防堵防漏效果。原油基可循環(huán)微泡沫鉆井液對(duì)原油基鉆井具有很強(qiáng)的抑制性和潤滑性，充分利用了微泡鉆井液的高效封堵、攜帶懸浮和儲(chǔ)層保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，減少了檢修中復(fù)雜事故的發(fā)生，解決一些特殊地質(zhì)問題的流體鉆井問題，穩(wěn)泡劑、發(fā)泡劑、降濾失劑、乳化劑等主要組成原油基可循環(huán)微泡沫鉆井液。作者對(duì)上述處理方法進(jìn)行篩選和優(yōu)化，滿足0.80～0.90g/cm2可調(diào)密度，形成原油基可循環(huán)微泡沫鉆井液技術(shù)，半衰期480分鐘以上，乳化電壓值1200V以上，API水分損失3mL以下，耐熱120℃。

1.油基微泡沫的基本原理

1.1 微泡沫結(jié)構(gòu)

由兩部分組成油基微泡和水基微泡，首先，保護(hù)殼。其次，流體（氣體或液體）核，通常是空氣。表面活性劑薄膜被粘稠的水層包裹著，表面活性劑的兩層結(jié)構(gòu)是外表，水基微泡與油基可循環(huán)微泡沫的結(jié)構(gòu)相似。通過在連續(xù)體中添加聚合物處理和表面活性劑而形成的是油基可循環(huán)微泡沫鉆井液。3-10μm為壁厚，15-150μm為粒徑，內(nèi)部像氣囊，外面是保護(hù)殼。在連續(xù)相中分散形成穩(wěn)定的氣液系統(tǒng)，在粘性水層中形成油基可循環(huán)微泡沫內(nèi)部的表面活性劑薄膜包裹，外層為表面活性劑層。

1.2 作用原理

1.2.1 封堵性機(jī)理

在溫度和壓力的作用下，可循環(huán)微泡沫的體積和形狀會(huì)根據(jù)地層中泄漏通道的大小自動(dòng)變化，堵塞各種尺寸的泄漏通道。也就是說，它是自匹配封堵的，封堵機(jī)制如下：首先，油基微泡內(nèi)壓。微泡內(nèi)的空氣當(dāng)油性微泡到達(dá)井底時(shí)，被壓縮。微氣泡的體積伴隨壓力的升高和外部溫度減小，而微泡內(nèi)部的壓力升高。微泡會(huì)穿透低壓地層的孔隙或洞穴，當(dāng)鉆頭遇到枯竭的地層時(shí)，微泡中儲(chǔ)存的部分能量被釋放出來，微泡再次膨脹，直到微泡的內(nèi)外壓力達(dá)到平衡。對(duì)于單氣泡毛細(xì)管，壓力非常低，但卡明效應(yīng)表明毛細(xì)管作用區(qū)中許多微氣泡的累積阻力可以非常高。只有當(dāng)壓差能夠克服毛細(xì)管力時(shí)，微氣泡才開始移動(dòng)。此時(shí)，作用在儲(chǔ)層上的壓力梯度無法克服jamin效應(yīng)，使微氣泡深入滲透到可滲透地層相互連接的孔隙中，從而形成無固橋。第二，降低液柱壓力。由于密度低的油基微泡沫鉆井液，在一定程度上有助于防止泄漏，降低了井底靜水柱壓力。第三，具備高粘度特性。單一組分鉆井液的表觀粘度低于油基可循環(huán)微泡沫鉆井液體系的表觀粘度，這是因?yàn)榻缑骐S著微氣泡流動(dòng)、吸收能量和相互粘附而變形。結(jié)果，流動(dòng)阻力增加，隨著剪切速率的增加滲漏地層孔道內(nèi)微泡沫系統(tǒng)的表觀粘度而增加，在井底當(dāng)微泡遇到裂縫或低壓時(shí)，增加粘度，剪切速率減慢，泡沫增多，防漏堵漏更有效。

1.2.2 抑制性機(jī)理

油基微泡沫在一定程度上降低了井壁坍塌的風(fēng)險(xiǎn)，具有合適的粒徑和填充和堵塞孔隙的能力。同時(shí)，分散介質(zhì)以基礎(chǔ)油為油基可循環(huán)微泡沫鉆井液，與其接觸的水敏地層不會(huì)因分散泥漿和水化膨脹的形成而收縮或坍塌，因此，鉆井液體系具有很強(qiáng)的抑制性。

2.原油基可循環(huán)微泡沫鉆井液的組成

由70%的原油和30%水乳化劑組成原油基可循環(huán)微泡沫鉆井液的基礎(chǔ)液，是一種能與兩種或多種不混溶成分混合形成穩(wěn)定乳液的化合物，其作用原理是在乳化過程中在分散相中以細(xì)小液滴（微米級(jí)）的形式分散。（0.75-0.95g/cm2為密度一般相對(duì)的原油，有一些小于0.75g/cm2或大于0.95g/cm2,重質(zhì)原油為0.9-1.0g/cm2的相對(duì)密度，小于0.9g/cm2稱為輕質(zhì)原油，輕質(zhì)原油為測試所用原油，0.85g/cm2為原油密度）在連續(xù)相中，在液滴表面形成硬膜或施加雙電，乳化劑降低了混合體系中各組分的界面張力，乳化劑所給予的電荷聚集在一起，保持乳化均勻，在泡騰中防止液滴形成均勻的具有高表面活性的乳化。助推劑能有效降低液體的表面張力，具有高表面活性，雙液膜表面的電子層，并包圍空氣，形成氣泡，然后將空氣包裹在單個(gè)氣泡中，形成小的微泡。泡沫的質(zhì)量和穩(wěn)定性提高了穩(wěn)泡劑的作用，增加了泡沫的粘度。由于其彈性，泡沫形成穩(wěn)定的外壁結(jié)構(gòu)。

3.原油基可循環(huán)微泡沫鉆井液配方篩選

3.1 原油基可循環(huán)微泡沫鉆井液發(fā)泡劑的優(yōu)選

選擇油水相容發(fā)泡劑、烷基苯磺酸鈉、MF-1，通過數(shù)據(jù)收集和檢索，在（70%原油+30%水）400mL基液進(jìn)行最佳發(fā)泡劑等幾種處理劑測試。如表1所示測試結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在相同基液下，穩(wěn)泡時(shí)間長達(dá)85分鐘，最高可達(dá)500mL油水相容發(fā)泡劑起泡量，油水相容發(fā)泡劑性能良好。半衰期長，有起泡作用，請(qǐng)選擇與油水相容的起泡劑。

表1 發(fā)泡劑對(duì)比表

3.2 原油基可循環(huán)微泡沫鉆井液乳化劑的優(yōu)選

3種乳化劑通過數(shù)據(jù)采集、對(duì)比、檢索最終選擇，例如乳化劑3、乳化劑2、乳化劑1。以上3種乳化劑按配方（油水相容發(fā)泡劑0.5%+30%+70%原油）篩選，2%（8g）為乳化劑添加量，如表2所示測試結(jié)果。測試結(jié)果表明，1056 V為乳化劑1的最高乳化電壓（ES）值，最大增加110分鐘半衰期，最大增加550 mL泡沫體積。因此，乳化劑1是最好的，它具有乳化作用，起泡量與最長的半衰期一樣好。

表2 乳化劑對(duì)比表

3.3 原油基可循環(huán)微泡沫鉆井液穩(wěn)泡劑的優(yōu)選

3種泡沫穩(wěn)定劑通過檢索、數(shù)據(jù)采集和比較，最終選定。例如高粘度聚離子纖維素、低粘度聚離子纖維素、黃原膠。選用上述三種穩(wěn)泡劑，配方中（乳化劑2%1+0.5%油水相容發(fā)泡劑+30%水+原油70%），0.5%（2g）為加入量，如表3所示測試結(jié)果。

表3 穩(wěn)泡劑對(duì)比表

測試結(jié)果顯示，黃原膠在相同劑量下，300分鐘至少為半衰期，500 mL為最大泡騰量。低粘度聚離子纖維素380分鐘為半衰期，480mL為最長起泡量。高粘度聚離子纖維素400分鐘為半衰期，450mL至少為泡體積。但是，使用高粘度聚離子纖維素作為穩(wěn)泡劑的鉆井液樣品會(huì)產(chǎn)生較大的泡沫，視覺泡沫質(zhì)量較差。將上述3種穩(wěn)泡劑成對(duì)組合作為穩(wěn)泡劑，經(jīng)總結(jié)分析，進(jìn)行以下試驗(yàn)。如表4所示測試結(jié)果，低粘度聚離子纖維素和黃原膠測試結(jié)果顯示，520mL為最長可達(dá)的發(fā)泡體積，360分鐘為第二位的半衰期。低粘聚離子纖維素和高粘聚離子纖維素的半衰期最長，460 毫升至少為起泡能力，385分鐘為粘度聚離子纖維素。低粘度聚離子纖維素化合物和黃原膠使用是最好的視覺泡沫質(zhì)量，作為泡沫穩(wěn)定劑的鉆井液樣品。綜上所述，低粘度聚離子纖維素與穩(wěn)泡劑作為黃原膠的組合，具有最佳的穩(wěn)泡效果。

表4 穩(wěn)泡劑對(duì)比表

3.4 原油基可循環(huán)微泡沫鉆井液降慮失水劑的優(yōu)選

3種降失水劑通過檢索、數(shù)據(jù)收集、對(duì)比最終選擇，分別是聚合物降率失劑、KH-931無熒光抗塌落降失水劑、有機(jī)褐煤降率失劑。上述3種降失水劑在配方中加入，（2%乳化劑+油水相容發(fā)泡劑0.5%+低粘度聚離子纖維素0.25%+30%水+黃原膠10.25%+70%原油）降濾失劑As篩選結(jié)果，2%（8g）為濾液還原劑的加入量，測試結(jié)果見表5。選擇有機(jī)褐煤降濾失劑是因?yàn)樵囼?yàn)結(jié)果表明有機(jī)褐煤降濾失劑在鉆井液樣品中的最小API為5.2mL。

表5 降濾失劑對(duì)比表

4.原油基可循環(huán)微泡沫鉆井液配方優(yōu)化

優(yōu)化篩分穩(wěn)泡劑、降失水劑、發(fā)泡劑、乳化劑的添加，實(shí)現(xiàn)API水分損失等于更小的3mL，480分鐘及以上是半衰期，0.80～0.90g/cm2為密度可調(diào)，120℃是耐熱，破乳電壓值超過1200。70:30為原油與水的比例，即，水形成基液120 毫升和原油280毫升。大量實(shí)驗(yàn)表明，0.3%～0.5%為最佳添加量的穩(wěn)泡劑，0.25%～ 0.3%為最佳添加量的發(fā)泡劑，2.5%～3.5%為最佳添加量的乳化劑，3%～4%為減少降率失劑最佳用量，以下面的配方為例。配方：有機(jī)褐煤減失液劑12g+1.2g低粘度聚離子纖維素+1.2g黃原膠+發(fā)泡劑1g+120mL水+原油280mL++乳化劑10g，見試驗(yàn)表6。120℃軋制老化16小時(shí)后，0.86 g/cm2為測試結(jié)果的鉆井液密度，1680 V為乳化電壓，1.8mL為中壓失水量，580min為半衰期，均滿足要求。

表6 鉆井液性能表

5.應(yīng)用探討及建議

5.1 原油基可循環(huán)微泡沫鉆井液的應(yīng)用探討

油基可循壞微泡沫作為一種新型鉆井液，提供了強(qiáng)大的抑制示范，不僅充分發(fā)揮了微泡沫鉆井液高效堵塞、懸浮輸送、保護(hù)儲(chǔ)層等優(yōu)點(diǎn)，在石油基鉆井液的耐高溫性強(qiáng)和潤滑性高。原油基可循壞微泡沫鉆井液可以應(yīng)用于低壓低滲透油藏，也可以應(yīng)用于頁巖氣開發(fā)領(lǐng)域。此類地層中的鉆井過程會(huì)影響常用的鉆井液系統(tǒng)低壓儲(chǔ)層，尤其是氣藏，利用低密度油基可循壞微泡沫鉆井液，具有防漏堵、耐高溫、強(qiáng)抑壓等優(yōu)點(diǎn)，適用于低壓低滲透油藏鉆井過程中的油藏保護(hù)。原油基可循壞微泡沫鉆井液可應(yīng)用于石膏層和鹽層之間的低壓油氣藏，這種類型的油氣藏包含鹽層和石膏層，流通容易流失，地層壓力低，開挖困難。利用石油基可循壞微泡沫鉆井液優(yōu)異的低密度、耐鹽性和強(qiáng)防漏能力，可以開發(fā)低壓易漏鹽石膏油氣藏的技術(shù)。

5.2 結(jié)論

首先，可在0.80～0.90g/cm2范圍內(nèi)調(diào)節(jié)原油基可循壞微泡沫鉆井液密度，API失水小于3mL，半衰期大于480分鐘。其次，基于原油的可循壞微泡沫鉆井液的耐熱性達(dá)到120℃。

5.3 建議

首先，原油基可循壞微泡沫鉆井液密度可調(diào)，密度低，可有效減少對(duì)儲(chǔ)層的破壞，起到保護(hù)儲(chǔ)層的作用。

其次，油基微泡鉆井液價(jià)格比較高，由于鉆井泥漿水處理劑用料比較少，油基微泡鉆井液的開發(fā)應(yīng)用，建議增加成本處理劑在該領(lǐng)域的開發(fā)和應(yīng)用，以減少和促進(jìn)石油基微泡鉆井液的開發(fā)。

5.4 原油基可循環(huán)微泡沫鉆井液鉆井液發(fā)展建議

穩(wěn)泡劑及高分子材料的研究在原油基微泡體系相對(duì)成熟，而原油基可循壞微泡沫鉆井液用穩(wěn)泡劑及高分子材料的研究較少。原油基可循壞微泡沫鉆井液一定程度上限制了原油基可循壞微泡沫鉆井液的使用，發(fā)泡劑成本高。因此，建議增加原油基可循壞微泡沫鉆井液的使用，推薦使用流體發(fā)泡劑和穩(wěn)泡劑。研發(fā)工作降低了總體成本并促進(jìn)了原油基可循壞微泡沫鉆井液的現(xiàn)場應(yīng)用。為低壓油藏鉆井作業(yè)提供了一種新的鉆井液體系，能有效防止循環(huán)漏失的發(fā)生，達(dá)到保護(hù)油藏的目的，對(duì)低壓油藏具有非常廣泛的應(yīng)用前景。