微泡沫鉆井液的發(fā)展史與特點(diǎn)

吳永川

（中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300459）

0 引言

在鉆探作業(yè)過(guò)程中，鉆遇地層壓力系數(shù)在1.05以下，尤其是鉆遇低壓低滲、裂縫性油氣層，井漏將會(huì)是一個(gè)非常棘手的問(wèn)題。井漏會(huì)造成大量的鉆井液進(jìn)入地層，導(dǎo)致固相、無(wú)機(jī)垢和有機(jī)垢堵塞油氣孔道，高溫下滋生的細(xì)菌污染產(chǎn)層，影響油氣產(chǎn)量的正確估算，給后期酸化解堵增加難度。井漏不僅需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和資金，還會(huì)引發(fā)卡鉆、井塌、井噴等事故，嚴(yán)重的井漏會(huì)使一口井報(bào)廢，耽誤鉆井周期；更嚴(yán)重的后果是在新區(qū)塊中勘探時(shí)，漏失一些原本有希望的油氣層，造成前期巨大的勘探投入全部打水漂，同時(shí)還會(huì)給投資者帶來(lái)不可挽回的名譽(yù)損失。若使用普通的水基鉆井液，難以控制鉆井液密度在1.05 g/cm3以下；若使用油基鉆井液，不僅成本高、污染環(huán)境，還會(huì)影響錄井。在深井裂縫發(fā)育的地層中，若井底循環(huán)當(dāng)量密度控制不好，一旦發(fā)生井漏，成本更是難以接受。若使用普通的泡沫鉆、充氣鉆等氣基鉆井液，對(duì)場(chǎng)地和設(shè)備有一定的要求，不僅成本高，后期排放處理也比較困難。由于這些體系不適合在目的層鉆進(jìn)，因此，研究適用于常壓和低壓地層中的低密度鉆井液體系已成為一個(gè)非常重要的課題。

1 微泡沫鉆井液的發(fā)展史

微泡沫（micro-bubbles）鉆井液是美國(guó)Adsystems公司在20 世紀(jì)90 年代末期研制成功的一種新型低密度鉆井液體系，英文名稱為 “Aphron” 鉆井液，地面配制密度最低可降至0.8 g/cm3左右。微泡沫鉆井液在國(guó)內(nèi)的發(fā)展可分為三個(gè)階段，即萌芽時(shí)期、發(fā)展時(shí)期和完善時(shí)期。國(guó)內(nèi)關(guān)于微泡沫鉆井液的文獻(xiàn)中，常見名稱有微泡、可循環(huán)微泡沫、可循環(huán)泡沫等等，從這些不同的名稱可以反映出對(duì)微泡沫鉆井液的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)等存在認(rèn)知程度上的差異。

微泡沫鉆井液萌芽時(shí)期主要是從1996 年到1999 年，這段時(shí)期研究人員的思維定式是降低壓差，科研人員主要考慮的是存在于鉆井液中的泡沫降低了井眼內(nèi)的液柱壓力，以實(shí)現(xiàn)防漏堵漏的目標(biāo)。在這一時(shí)期開始利用分子間力和PVT 試驗(yàn)來(lái)研究井下微泡的形態(tài)，通過(guò)繪制密度與溫度、壓力關(guān)系的曲線圖說(shuō)明密度低于1.0 g/cm3的原因，但是對(duì)微泡具體的抗溫和抗壓能力沒(méi)有進(jìn)行深入研究。這個(gè)時(shí)期對(duì)微泡沫鉆井液中 “微泡” 的認(rèn)識(shí)已經(jīng)不再局限于地面。

2000 年，國(guó)外相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道了微泡微觀結(jié)構(gòu)的理論依據(jù)，微泡沫鉆井液解決了儲(chǔ)層傷害和水平井漏失問(wèn)題。因此該報(bào)道之后，鉆井液行業(yè)掀起了研究微泡沫鉆井液和應(yīng)用該鉆井液解決低壓易漏失地層的熱潮。2001 年到2008 年，國(guó)內(nèi)關(guān)于微泡沫鉆井液的文獻(xiàn)出現(xiàn)井噴式發(fā)展，部分文獻(xiàn)將微泡沫鉆井液和美國(guó)的Aphrons 作比較。這一時(shí)期為微泡沫鉆井液的發(fā)展時(shí)期，隨著處理劑種類的不斷豐富，廣大鉆井工作者對(duì)該鉆井液體系進(jìn)行了大量的室內(nèi)試驗(yàn)，改進(jìn)配方以提高處理劑配伍性，改善流變性以提高濾失造壁性，使之性能不斷完善。在室內(nèi)研究的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)了微泡沫鉆井液獨(dú)特的堵漏機(jī)理，逐漸應(yīng)用在煤層氣開采、修井、探礦等領(lǐng)域，在與防漏堵漏技術(shù)結(jié)合方面取得了一定的發(fā)展。美中不足的是應(yīng)用井深問(wèn)題，因微泡可壓縮，在高溫下氣體的動(dòng)能增加，研究者發(fā)現(xiàn)微泡沫鉆井液在不同溫度、不同壓力下，密度變化呈非線性的增加趨勢(shì)，提出了在井深超過(guò)1 000 m 以后，微泡將被完全壓縮，因此很多學(xué)者認(rèn)為其只能運(yùn)用于淺井，但是實(shí)際應(yīng)用井深已經(jīng)遠(yuǎn)超理論應(yīng)用井深。應(yīng)用井深問(wèn)題一直是鉆井液行業(yè)的熱門話題。

完善時(shí)期是自2008 年至今，隨著實(shí)驗(yàn)儀器的不斷進(jìn)步，人們對(duì)微泡結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)不斷加深，主要是指從研究微泡的宏觀結(jié)構(gòu)到微觀結(jié)構(gòu)，由開始普遍認(rèn)為微泡的 “一核一層三膜” 微觀結(jié)構(gòu)到 “一核兩層三膜” 結(jié)構(gòu)。通過(guò)靜、動(dòng)態(tài)條件下壓力和溫度對(duì)密度的影響研究，指導(dǎo)微泡沫鉆井液適用于復(fù)雜井身結(jié)構(gòu)井或裸眼內(nèi)存在多套壓力系統(tǒng)的欠/近平衡鉆井。在這一時(shí)期對(duì)微泡沫的微觀結(jié)構(gòu)和反應(yīng)機(jī)理等認(rèn)識(shí)不斷完善，研發(fā)出了很多關(guān)于微泡的處理劑，進(jìn)而研發(fā)和完善性能更好的微泡沫鉆井液。

2 微泡沫鉆井液的特點(diǎn)

微泡沫在國(guó)內(nèi)已經(jīng)發(fā)展20 多年，很多油田的研究者針對(duì)不同地層研制了多種體系，隨著鉆井液技術(shù)的不斷進(jìn)步，新材料的發(fā)明解決了很多鉆井難題，目前微泡沫鉆井液主要應(yīng)用于國(guó)內(nèi)遼河、勝利、吐哈等十幾個(gè)油田。因每個(gè)油田的地層層位、壓力系數(shù)、鉆探目的、研制配方不同，因此鉆井液性能差距很大，應(yīng)用不同性能的鉆井液，收到的效果也不同，結(jié)論有一定偏差[1]。因以上原因，文章對(duì)鉆井液配方不再詳述，重點(diǎn)探討微泡沫的結(jié)構(gòu)和反應(yīng)機(jī)理，對(duì)以后改進(jìn)配方和優(yōu)選鉆井液體系意義重大。

2.1 微泡沫概念

微泡是獨(dú)立存在于基液中的分散相，與其他氣基鉆井液的根本區(qū)別是不需要壓縮機(jī)、增壓機(jī)等空壓設(shè)備注入氣體，而是通過(guò)化學(xué)和物理等方式產(chǎn)生。化學(xué)方法是將發(fā)泡劑、穩(wěn)泡劑和一些表面活性劑等加入到水或鹽水中，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)形成微泡；物理作用是在循環(huán)時(shí)鉆井液噴出鉆頭水眼時(shí)水動(dòng)力的氣蝕作用、紊流和壓力降產(chǎn)生微空隙等條件下產(chǎn)生，地面形成微泡的方法有配制鉆井液的噴射漏斗、攪拌機(jī)、泥漿槍等，在室內(nèi)則可以通過(guò)高速攪動(dòng)或搖動(dòng)產(chǎn)生[2]。

50 μm 是肉眼可以觀察到的最小距離，而微泡的直徑為15～150 μm，壁厚為3～10 μm，因此在地面可以觀察到大部分微泡。微泡外部黏附絨毛、內(nèi)部似氣囊，分散在連續(xù)相中形成穩(wěn)定的氣-液體系，微泡中的氣體被多層膜包裹著，即使在壓縮變形后也不會(huì)被破壞，在鉆井現(xiàn)場(chǎng)可以通過(guò)細(xì)目振動(dòng)篩、除砂器和除泥器、中速離心機(jī)等固控設(shè)備。微泡不僅可以降低靜液柱壓力，而且對(duì)固控設(shè)備沒(méi)有特殊要求，因此微泡可泵送性好，可以循環(huán)使用，是降低鉆井液密度十分有效的方式之一[3]。

2.2 微泡沫結(jié)構(gòu)

微泡結(jié)構(gòu)劃時(shí)代的重大發(fā)現(xiàn)是在2008 年底舉行的第六屆國(guó)際多相流測(cè)量技術(shù)大會(huì)上。之前人們普遍認(rèn)為微泡微觀結(jié)構(gòu)為 “一核一層三膜” ，在該大會(huì)上提出了微泡應(yīng)為 “一核兩層三膜” 組成，即氣核、高黏水層、聚合物高分子和表面活性劑濃度過(guò)渡層、高黏水層固定膜、氣液表面張力降低膜、水溶性改善膜，如圖1 所示。

圖1 微泡結(jié)構(gòu)

2.3 微泡沫堵漏機(jī)理

微泡沫鉆井液可以通過(guò)降低靜液柱壓力，實(shí)現(xiàn)欠平衡作業(yè)，減少漏失以保護(hù)儲(chǔ)層，還可以將處理劑直接加入到普通鉆井液中產(chǎn)生微泡，在過(guò)平衡鉆井時(shí)提高地層承壓能力。由于此獨(dú)特的性能和堵漏機(jī)理，該鉆井液應(yīng)用范圍廣泛。

封堵大縫大洞：溶洞或裂縫的直徑大于微泡時(shí)，因?yàn)榭紫秹毫π∮陟o液柱壓力，因此微泡在裂縫或溶洞中的流動(dòng)速率大于水溶液流動(dòng)速率，當(dāng)微泡受到的壓力降低、流動(dòng)較遠(yuǎn)時(shí)，體積膨脹，堆積成圓錐狀，使流動(dòng)速度降低，黏度增大，鉆井液無(wú)法進(jìn)一步進(jìn)入地層，在該地層實(shí)現(xiàn)物理封堵，如圖2 所示。

圖2 封堵大縫大洞

封堵中縫中洞：裂縫或溶洞的直徑與微泡直徑相近時(shí)，首先部分微泡因靜夜柱壓力大于孔隙壓力而被吸入地層，造成其他微泡向該處聚集，大小不同的微泡在堆積作用下堵塞裂縫或溶洞，同時(shí)在聚集的過(guò)程中形成賈敏效應(yīng)，減緩微泡流動(dòng)速率，有利于提高堆積效果，從而實(shí)現(xiàn)物理封堵，如圖3 所示。

圖3 封堵中縫中洞

封堵微小縫隙：裂縫或溶洞的直徑小于微泡直徑時(shí)，主要通過(guò)化學(xué)作用封堵地層。聚合物類的處理劑在井壁上形成薄黏膜，阻止流體進(jìn)入裂縫或溶洞，實(shí)現(xiàn)化學(xué)封堵地層，如圖4 所示。

圖4 封堵小縫小洞

2.4 微泡沫防塌和潤(rùn)滑機(jī)理

首先，微泡可以使泥頁(yè)巖去水化，減弱泥頁(yè)巖水化，防止因泥頁(yè)巖水化造成的縮徑卡鉆和掉塊卡鉆等井下故障。地層流體向井眼內(nèi)流動(dòng)，主要原因有兩個(gè)：一是在低壓地層中，微泡沫鉆井液的靜液柱壓力略小于孔隙壓力，地層流體向井筒內(nèi)流動(dòng)，泥頁(yè)巖脫水、去水化；二是微泡沫鉆井液為保持低密度，一般都使用淡水配制，遠(yuǎn)小于地層流體的礦化度，在滲透膜的工作原理下地層流體流向井眼[4]。

其次，靠近井壁處的微泡可以架橋和充填，相當(dāng)于普通鉆井液中的固相，鉆井液中的聚合物類處理劑和表面活性劑則可以在裸眼內(nèi)形成薄薄的一層泥餅，形成吸附膜后，膜的外表面主要為憎水端，防止水相與井壁上的泥頁(yè)巖直接接觸，減弱泥頁(yè)巖水化。

最后，微泡內(nèi)部有似氣囊的結(jié)構(gòu)，可以被壓縮而不被破壞，因此在地層中具有一定的壓力緩沖性，減緩靜液柱壓力傳向頁(yè)巖內(nèi)部的速率，從而保護(hù)儲(chǔ)層。地層通道彎曲狹窄，微泡大小不一，因此在賈敏效應(yīng)的作用下，增加了微泡向地層流動(dòng)的阻力，繼而阻止鉆井液向地層內(nèi)部滲透。當(dāng)微泡吸附于井壁上時(shí)，可將鉆具的滑動(dòng)摩擦改為滾動(dòng)摩擦，在相同的壓力下減少了井壁和鉆柱的有效接觸面積，既降低了摩擦力，又降低了腐蝕速率。

2.5 影響微泡沫穩(wěn)定性的因素

微泡沫鉆井液的抗污染能力較強(qiáng)，密度可調(diào)范圍為0.80～1.20 g/cm3，如果使用重晶石加重，最大密度可至1.5 g/cm3左右，抗溫150 ℃，抗鈣15%，抗油20%（油基鉆井液不能使用），抗膨潤(rùn)土10%，可用淡水配制，也可在飽和鹽水中配制。有機(jī)聚合物受溫度和壓力的影響會(huì)逐漸降解，另外還易受細(xì)菌的攻擊，因此要加強(qiáng)地面性能的檢測(cè)，及時(shí)加入相應(yīng)的處理劑，維護(hù)微泡強(qiáng)度。無(wú)論是物理還是化學(xué)方法產(chǎn)生微泡的體系，對(duì)微泡的發(fā)泡效果及微泡沫體系的穩(wěn)定性最重要的影響因素是剪切速率[5]。室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用證實(shí)提高剪切速率有利于降低密度，使微泡在鉆井液中分布均勻且質(zhì)量好，而且動(dòng)切力高有利于攜砂，使形成的微泡沫體系更加穩(wěn)定。相反，降低剪切速率時(shí)則形成的體系不穩(wěn)定，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響泥漿泵的上水效果，而且對(duì)井底當(dāng)量密度計(jì)算誤差偏大。因此，在鉆井現(xiàn)場(chǎng)施工中，為保證該鉆井液體系的穩(wěn)定性，應(yīng)密切關(guān)注鉆井液的性能，盡量使用高速攪拌器。

3 微泡沫現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)處理方法

微泡沫鉆井液配制方法簡(jiǎn)單，可以在不轉(zhuǎn)換鉆井液體系的情況下直接加入發(fā)泡劑，形成微泡以降低鉆井液密度，一般降低的范圍為0.10～0.15 g/cm3。若在清水中直接加入處理劑，充分循環(huán)后，可以配制出最低密度為0.8 g/cm3左右的穩(wěn)定微泡沫鉆井液體系。

微泡沫鉆井液現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)簡(jiǎn)便，根據(jù)每天鉆井液性能變化加入適量相應(yīng)處理劑調(diào)節(jié)即可。用發(fā)泡劑和穩(wěn)泡劑調(diào)節(jié)密度穩(wěn)定，用降失水劑調(diào)節(jié)濾失量，用提切劑調(diào)節(jié)切力，用潤(rùn)滑劑調(diào)節(jié)潤(rùn)滑性，用純堿和燒堿調(diào)節(jié)pH值[6]。

鉆遇易漏地層，可以加入發(fā)泡劑與穩(wěn)泡劑增加微泡強(qiáng)度、降低鉆井液密度，以封堵地層；鉆遇易塌地層，可以加入抑制劑提高鉆井液抑制性能，使API 濾失量控制在5 mL 以內(nèi)；鉆遇石膏層或有地層水侵入時(shí)，可以加入適量碳酸鈉和燒堿提高pH 值，清除鈣、鎂離子。固井之前，也可在常規(guī)鉆井液的基礎(chǔ)上形成微泡，以提高地層的承壓能力。

鉆遇大裂縫時(shí)，微泡不能有效封堵，出現(xiàn)失返性漏失或大量漏失，需停工進(jìn)行專項(xiàng)堵漏，可以在堵漏漿中配合使用架橋和充填類堵漏材料，如纖維類的鋸末、顆粒類的核桃殼等不同形狀的堵漏材料，擠入井中后靜置觀察。

地層流體孔隙壓力大于液柱壓力出現(xiàn)井涌時(shí)，根據(jù)關(guān)井套壓，優(yōu)先使用CaCO3調(diào)節(jié)鉆井液密度，注意同時(shí)調(diào)節(jié)pH 值和流變性，防止出現(xiàn)沉淀。

出現(xiàn)酸性氣體（如二氧化碳）侵入，先利用液氣分離器處理鉆井液，處理后的泥漿返回泥漿罐，測(cè)量濾液的酚酞和甲基橙堿度，并按需加入適量石灰。用NaOH 調(diào)節(jié)pH 值，pH 值控制在9～10 為宜，及時(shí)清除HCO3-，并注意CO32-含量。有害氣體清除后，重新攪拌和經(jīng)過(guò)鉆頭水眼后，即可恢復(fù)原有性能。

檢測(cè)到H2S 時(shí)，先用燒堿將pH 值調(diào)至9.5 以上，保持鉆井液在堿性環(huán)境中，然后向鉆井液中加入0.5%～1.0%的堿式碳酸鋅。

4 微泡沫鉆井液的優(yōu)缺點(diǎn)

微泡沫鉆井液最大的優(yōu)點(diǎn)是其可壓縮性，當(dāng)靜液柱壓力大于孔隙壓力時(shí)，微泡可根據(jù)不同的裂縫形狀而改變自身直徑，再加上液相的黏度，全面封堵漏失地層，提高地層的承壓能力。因此，當(dāng)鉆遇的裸眼上下地層壓力差較大時(shí)，為保證正常鉆進(jìn)，可選用最高鉆井液密度，解決不同裂縫寬度封堵、同一裸眼多套壓力系統(tǒng)共存的問(wèn)題。微泡沫鉆井液除具有氣基鉆井液抑制性好、攜巖能力強(qiáng)的特點(diǎn)外，還具有在地面不需要空壓設(shè)備、對(duì)固控設(shè)備沒(méi)有特殊要求、不影響井下MWD 信號(hào)傳輸、經(jīng)濟(jì)環(huán)保、廢液后期不需要特殊處理的優(yōu)點(diǎn)[7]。

目前微泡沫鉆井液的缺點(diǎn)主要有三方面：

（1）普遍認(rèn)為1 000 m 以內(nèi)是微泡沫鉆井液應(yīng)用的合適井深，當(dāng)超過(guò)1 500 m 時(shí)，微泡被完全壓縮，不再具有降密度功能，但國(guó)內(nèi)遼河油田曙古172井（國(guó)內(nèi)微泡鉆井液應(yīng)用最深井）自3 900 m 開始使用微泡沫鉆井液，密度為0.92～0.94 g/cm3，完鉆井深為4 684 m，因此需進(jìn)一步用實(shí)驗(yàn)和理論去指導(dǎo)應(yīng)用井深問(wèn)題；

（2）密度降至0.9 g/cm3以下時(shí)，影響泥漿泵的上水，循環(huán)時(shí)地面高壓管匯振動(dòng)較強(qiáng)，需在泥漿泵前增加灌漿泵輔助泥漿泵上水；

（3）通過(guò)室內(nèi)承壓堵漏實(shí)驗(yàn)證實(shí)，當(dāng)?shù)貙恿芽p寬度大于3 mm 時(shí)，微泡堵漏效果不理想，需增加固體顆粒橋架、充填以封堵漏失地層。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）微泡沫鉆井液由于其獨(dú)特的堵漏機(jī)理可有效實(shí)現(xiàn)漏層封堵、提高地層承壓能力，因此在低壓和常壓裂縫比較發(fā)育的油氣藏、低滲低壓等油氣層裂縫小于3 mm 的情況下，可以優(yōu)先考慮微泡沫鉆井液體系。

（2）因微泡的抗壓?jiǎn)栴}缺乏實(shí)驗(yàn)和理論指導(dǎo)，使應(yīng)用井深一直是研究者關(guān)注的課題。在現(xiàn)場(chǎng)需要配套的軟件模擬計(jì)算井底循環(huán)當(dāng)量密度，同時(shí)需要配合井底壓力計(jì)實(shí)測(cè)循環(huán)當(dāng)量密度，兩者對(duì)比后不斷修正軟件計(jì)算精度，從而為微泡沫鉆井液的應(yīng)用井深提供依據(jù)。

（3）隨著廣大鉆井液工作者對(duì)微泡沫鉆井液的機(jī)理認(rèn)識(shí)不斷加深、室內(nèi)高承壓儀器的研發(fā)、相關(guān)實(shí)驗(yàn)的研究及現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)，一定能研制出適合于低壓、常壓裂縫性潛山油氣藏的微泡沫鉆井液體系配方。