微囊泡低密度钻井液研究进展

武金贤，邓 强，李 泓，孙 欢，陈 刚

（1.延长油田股份有限公司七里村采油厂，陕西 延安 716000；2.西安石油大学化学化工学院，陕西 西安 710065；3.江苏三星科技有限公司，江苏 镇江 212200）

综观国内外钻井液技术的发展，随着各种复杂和特殊情况出现，新技术、新体系不断出现。正是由于一系列新体系新技术的应用，在一定程度上促进了钻井液工艺技术的进步。在生产中结合复杂地质结构特点国内外提出了不同的钻井液体系，国外相继推出了聚合醇钻井液、甲酸盐钻井液和微泡钻井液等具有国际先进水平的水基防塌钻井液体系，其中微泡沫钻井液，在稳定性、防漏堵漏效果、储层保护能力方面有很好的效果。

1 泡沫钻井液体系概述

表面活性剂是泡沫钻井液的核心，好的发泡剂应具有以下特征：①起泡性能好，微泡沫基液与气体混合搅拌后可产生大量粒度较小的微泡沫；②微泡沫稳定性强，能在长时间的循环剪切和高温条件下稳定；③抗污染能力强，与钻井液其他处理剂配伍性好，钻遇地层水时性能稳定[1]。表面活性剂有2个重要的性质，一是在各种界面上的定向吸附，另一个是在溶液内部形成胶束。表面活性剂溶于水后，按照离解或不离解分为离子表面活性剂和非离子表面活性剂，离子表面活性剂又可按产生离子电荷的性质分为阴离子、阳离子和两性表面活性剂。

对于活性剂产生气核的能力以及稳定性，一般而言阴离子型表面活性剂成核能力强，半衰期长，其次为阳离子型表面活性剂，而非离子表面活性剂对基液增加膨胀很小，半衰期很短，成核能力差，并且气核稳定性差[2]。两性表面活性剂与阴离子型表面活性剂的成核能力相当，且气核较稳定，但是由于两性表面活性剂价格远高于阴离子型表面活性剂，因此，一般采用阴离子型表面活性剂作为泡沫钻井液体系的起泡剂。

单一的发泡剂溶液形成的泡沫稳定性差，还需要加入稳泡剂和辅助稳泡剂等添加剂来提高其稳定性。稳泡剂是泡沫钻井液不可缺少的一部分，它能使泡沫在钻井液体系中稳定存在，提高泡沫的寿命。而泡沫的稳定性受到表面张力、内外压力差、气泡膜的弹性与韧性等作用的影响。从分子结构来说，高分子量、高密集度的分子结构、复合网络状的泡沫稳定性强。

稳泡剂按作用可分为两类：第一类利用表面活性剂的协同作用来增强界面吸附分子间的相互作用，使界面吸附膜强度增大，从而提高泡沫稳定性。第二类是添加增稠剂来提高液相的黏度，降低流动度，减缓泡沫排液速度[3]。常用的泡沫稳定剂主要有以下几类：脂肪酰胺（RCONH2）、脂肪酸乙醇酰胺（RCONHCH2CH2OH）、长链脂肪醇（ROH）、N-烷基亚氨二醋酸钠盐、烷基甜菜碱磺酸（R(CH2)2N+CH2CH2CH2SO3-）、聚丙烯酸及其衍生物等。常用的增稠剂有瓜尔胶（GHPG）、羟甲基纤维素（CMC）、羟乙基纤维素（HEC）等[4]。稳泡剂的加量根据不同体系是不同的，在满足微泡体系稳定性的前提下尽量少加稳定剂，因此高性能的稳泡剂是决定泡沫钻井液性能好坏的关键因素之一。

泡沫钻井液具有密度低（小于1.0g·cm-3）、滤失量小、携岩能力强和有助于提高钻速等特点，具有明显的防漏、治漏效果，能解决低压地层和长段破碎带地层的严重井漏难题，失水率极低和钻井液排放处理压力轻等特点，对于衰竭、水敏性地层有着广泛的应用前景，现已成为油气田开发中钻井液的一个重要发展方向。我国最早使用泡沫钻井液应追溯到1984年，当时新疆油田成功应用空气泡沫流体进行洗井，随后尝试进行钻井，取得了良好效果，泡沫钻井液的可行性、优越性得到了验证，自此揭开了其在我国的应用序幕[5]。泡沫钻井液在井壁稳定方面具有独特优势，为稳定井壁提供了新的技术手段；同时，也存在泡沫体系稳定性差、现场消泡困难以及井壁稳定评价方法欠缺等问题。可循环泡沫钻井液是在泡沫钻井液的基础上发展起来的。可循环泡沫钻井液流变性好，操作方便，应用效果良好，但承压能力差。可循环钻井液其承压能力大大提升，应用可循环泡沫类钻井液与其它泡沫钻井液的根本区别是不需要附加特殊设备就可以实现一定体积的气体稳定存在于钻井液中，大大降低成本。微气泡必须在压力下降和气蚀条件下产生：钻井液流出钻头喷嘴时，在水力气蚀条件下产生微孔隙，这些微孔隙迅速被表面活性剂包裹作为产生含压球体的动力。大量的微气泡能够降低钻井液的密度，提高增粘剂的作用效果，适合于孔隙压力不高的地层，并在地层裂缝中产生桥堵或者封堵。

2000年至今，国内发表的关于可循环泡沫类学术论文共60余篇、学位论文2部，其研究内容以流变性、滤失造壁性、稳定性、处理剂配伍性等为主，在体系发展、应用领域扩大以及与其它堵漏技术的融合等方面取得了长足进步，但机理研究没有突破。2008年底，郑力会等在第六届国际多相流测量技术大会上提出了微泡微观结构，认为微泡由“一核两层三膜”组成[6]。截至目前，对于这种内部含有囊泡状堵漏材料的钻井液流体结构和作用机理仍处于定性研究阶段，对于其动力学和热力学研究几乎为零[7]。

1998年微泡钻井液问世[8]，体系内的气泡粒径范围为30～100μm，气泡以均匀、非聚集、非连续态存在，几乎不存在Plateau交界。可循环微泡沫钻井液的特殊结构使其具有一定的疏水性，加之密度低，降低了钻井液的液柱压力，可减少钻井液向地层的渗透。该体系在低剪切下即具有较高的黏度，减轻了微泡沫向泥页岩的扩散效应，适用于在压力系数较低、亏空易漏失地层进行平衡或欠平衡钻井。美国ActiSystem公司研制了一种“Aphrons”钻井液，并首次在德克萨斯州西部的Fusselman油田应用，在造斜段钻遇大的裂缝并发生漏失，而换用微泡沫钻井液后泵压增加，并有返出，逐步恢复钻进，说明该钻井液具有良好的封堵裂缝能力[9]。

2 囊泡钻井液的特点

囊泡钻井液是以水为连续相，表面活性剂、聚合物处理剂通过高搅形成内部含有囊泡结构的钻井液，密度小于1.0g·cm-3，内部似气囊，外部由于聚合物的高黏性吸附聚合物类似绒毛，分散在连续相中形成稳定的气液体系。囊泡钻井液除了密度可调，适合于近、欠平衡作业外，还具有自匹配漏失通道，高效封堵；强剪切稀释特性，高效悬浮携带岩屑；自脱壳返排特性，控制储层伤害以及可以使用加重材料加重等四大特点 。

2.1 微囊泡钻井液的微观结构

微囊泡钻井液的微观结构如图1所示。

图1 理论囊泡钻井液的微观结构

由图1可知，微囊泡钻井液的微观结构为“一核、二层、三膜”：

一核：被包裹的气体位于整个球形囊泡的中心，称为“气核”。

二层：“气核”外部包含一个水层，黏度远远高于连续相，为“高黏水层”；最外为聚合物和表面活性剂组成，连续相浓度降低，简称“浓度过渡层”。

三膜：“气核”外侧聚集着一层表面活性剂，使气核聚集能量，故称“表面张力降低膜”；“高黏水层”吸附表面活性剂形成维持“高黏水层”的表面活性剂膜，简称“高黏水层固定膜”；在高黏水层固定膜外侧的表面活性剂的亲油剂与其相对应，吸附成膜，此膜使囊泡具有很好的亲水性，故称“水性改善膜”。

2.2 微囊泡钻井液封堵机理

微囊泡钻井液的封堵机理可解释如下：

1）如果遇到大于囊泡直径的地层渗流通道（大的裂缝或溶洞），在压差及温度作用下，囊泡流动速率大于水溶液速率，并且体积越来越大，堆积成横放圆锥状，分解了液柱压力，实际作用于最前方气囊的压力很小。较小压差下，流体无法进一步进入地层。同时，由于流动速度降低，体系黏度增大，封堵地层。

2）如遇与囊泡直径相当的漏失通道（中高孔渗地层），囊泡向低压区移动，靠近漏失通道的气囊被“吸”进地层，拉长充填漏失通道，通过流动增阻和贾敏效应增加漏失阻力，液相中的其它囊泡在压差作用下持续堆积在漏失通道入口处，体系黏度增大，从而达到封堵地层的效果。

3）如遇小于囊泡直径的漏失通道，囊泡工作液在进入储层渗流通道前，由于靠近井壁的流动速度很低，工作液低剪切速率下的高黏度特性使得凝胶强度增大，聚合物吸附地层，增大了进入渗流通道的阻力。与此同时，囊泡在气液密度差的作用下吸附在低压微孔或微裂缝的入口处。封堵入口的囊泡静止后，表面活性剂和高分子聚合物聚集形成扩散层，凝胶强度进一步增大，强化封堵效果。

3 囊泡钻井液的国内外发展现状

囊泡首次被报道是在20世纪70年代的化妆品领域，高分子化学领域就开始研究嵌段共聚物在溶剂中的胶束化问题，80年代后人们开始关注和研究这一载体技术，并将其逐渐应用于药物的靶向传递[10-11]。囊泡是一种两亲分子有序组合体，它是由密闭双分子层所形成的球形或椭球形单间或多间小室结构。目前人们对囊泡的聚集性质及囊泡的稳定性方面进行了很多研究[12]。根据 Israelachvili理论，双亲分子是否能自发地形成囊泡与其临界堆积常数P有关：P=V/(a0lc），式中V是分子的体积，lc是表面活性剂尾链（碳氢链）的长度，a0是表面活性剂分子的有效头基面积，公式中的a0lc表示一个圆柱体的体积（即分子的头尾面积相等），形成囊泡的必备条件是0.5＜P＜1.0[13]。

Kunitake等人首次采用双十二烷基二甲基溴化铵制得了囊泡，此后大量的研究证实很多具有双链结构的两亲分子都可形成囊泡[14]。Kunitake等人还发现氟表面活性剂也可形成囊泡，并且合成了一系列单链、双链和三链氟表面活性剂，发现它们与其所对应的以碳氢链为疏水链的两亲分子在形成缔合结构的规律基本相同。Regen研究了DODAM（双十八烷基二甲基甲基丙烯酸铵）在水中经超声处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。

在对双链两亲分子囊泡的制备和性质研究的同时，研究者也在探索以单链两亲分子制备囊泡。Kaler等人报道了在十六烷基三甲基甲苯磺酸铵（CTAT）与十二烷基苯磺酸钠（SDBS）的稀混合溶液中可以形成单室囊泡。关于单链两亲分子的成果已经很多，但是国内对囊泡的研究起步较晚。余娜等采用阳离子表面活性剂（十六烷基三甲基溴化铵）分别与阴离子表面活性剂（十二烷基苯磺酸钠、十二烷基磺酸钠和十二烷基硫酸钠）复配，在适当条件下三种体系的水溶液均可自发形成囊泡[16]。但关于微囊泡钻井液方面的研究迟缓，2008年郑力会等在第六届国际多相流测量技术大会上推测了微泡微观结构，研究了含绒囊结构的新型低密度钻井液。囊泡钻井液已经在石油、天然气、煤层气等领域钻井、完井、修井作业成功。含囊泡结构的钻井液、完井液和修井液，不仅具备无需附加设备即能实现无固相密度低于1.0g·cm-3控制漏失等优点，还能承受高温高压的条件。如M80-C1井第一次使用完成的一口开窗侧钻井，应用井深2900多米，全井无漏失。绒囊工作液在川中、冀东等油气田试用10余井次，成功率100%。利用新型囊泡材料，已经成功地应用于钻井、完井、修井作业，解决了几大问题：1）欠平衡钻井利用附加设备注入气体问题；2）随钻防漏和静止堵漏提高地层承压能力问题；3）复杂结构井悬浮携带岩屑、降低摩阻问题；4）储层伤害控制问题。

4 囊泡钻井液技术的发展前景

目前，许多油田开发难度越来越大，在复杂储层钻井过程中经常发生严重漏失和压差卡钻，阻碍了油田的深度开发。以水湿性砂岩为主储层，致密页岩层和枯竭砂岩层常常互为间层而且往往存在大裂缝，需要使用多套压力体系的钻井液。使用普通钻井液体系，容易产生过大的压差是发生漏失和压差卡钻的主要原因，因此，使用通常的钻探设备很难顺利钻穿该类地层。目前，可以采用充气钻井液或欠平衡钻井技术解决部分问题，但是需要配置价格昂贵的设备，而且充气钻井液无法稳定上部地层。近来开发出具有独特结构的微泡沫基钻井液可以顺利钻穿枯竭储层。

堵漏防漏技术已成为世界级的难题。研究人员已经投入很大的工作，但效果都不明显。在钻井工程中遇到的地层越来越复杂，在钻进压力衰竭地层、破碎或弱胶结地层、裂缝发育地层及多套压力层系等时，井漏问题非常严重，甚至可能使油气井报废，经济损失巨大。2003年，全球钻井堵漏费用高达8亿美元，其中还不包括井漏造成事故后处理事故的花费。在此严峻的形势下急迫需要找到高效的防漏堵漏材料。对于防漏堵漏材料人类已想到所有的可用材料如橡胶、水泥、聚合物、沥青等，但效果都不理想。要找到合适的封堵材料需要阐明材料与漏失通道相匹配的关系，研究者先后提出了1/3架桥规则、2/3架桥规则、理想充填等理论，但是应用都有一定的局限性。其原因在于地下岩石的孔隙大小、裂缝宽度等地质因素很不均匀，几乎无法测量其大小，与理论研究和室内实验研究相差很大，因而无法利用理论逐个计算材料对应的漏失通道。

在封堵效果不理想的情况下，研究者采用了软物质，例如泡沫、微泡、囊泡等。囊泡钻井液可以自发地堵漏，自行调节性能，全面封堵漏失地层，称为“自匹配封堵”。含绒囊结构的新型钻井液已经在国内取得显著效果，如FL-D井位于山西柳林县，钻五分支井。实施工期比设计周期缩短28d，大幅度节约了钻机、定向、录井的费用，控制漏失速率0.5～1.0m3·h-3[15]。囊泡钻井液具有低密度、性能稳定、携砂能力强、承压能力强、低剪切速率利于井眼清洁和提高钻机速度等优越性，尤其是具有高效防漏堵漏性能，不需增加欠平衡钻井的特殊设备、成本低，因而该技术在将来油气井开采中将发挥更大的作用。

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