油基可循环微泡沫钻井液研制及应用探讨

杨 鹏 李俊杞 孙延德 关 键 匡绪兵 郑力会

1.中国石油长城钻探公司工程技术研究院 2.中国石油辽河油田公司浅海石油开发公司3.中国石油大学（北京）石油工程学院

页岩气的开发利用越来越受到重视，但由于页岩气成藏的特殊性，页岩地层裂缝发育，水敏性强，因此容易发生井漏、垮塌、缩径等问题［1］。油基钻井液可以有效抑制泥页岩水化膨胀，减少井壁垮塌、缩径等复杂情况的发生；但是由于裂隙存在，油基钻井液避免不了发生井漏，从而造成成本的大幅度增加。微泡沫钻井液具有良好的封堵和防漏作用，能有效减少钻井液的漏失。油基可循环微泡沫钻井液既可以充分发挥微泡钻井液的携带悬浮、高效封堵、保护储层等优点，又可发挥油基钻井液强抑制性、强润滑性、抗高温的长处，能够在一定程度上解决页岩气钻井过程中可能出现的井漏、井壁垮塌等问题，从而减少井下复杂情况的发生［2－3］。目前国外已经开展了油基微泡沫钻井液技术现场试验并取得了良好的效果；而国内该项研究较少。因此，需要对油基可循环微泡沫钻井液进行深入研究。

1 油基微泡沫的基本原理

1.1 微泡沫结构

水基、油基微泡沫均由两部分组成：①流体（气体或液体）核，一般为空气；②保护性外壳［4－5］。水基微泡沫结构如图1－a所示，黏性水层包裹着表活剂薄膜，外面为表面活性剂双层结构。油基微泡沫的结构与水基微泡沫相似，如图1－b所示；油基可循环微泡沫钻井液是在连续相中加入表面活性剂、聚合物处理剂，通过物理、化学作用形成粒径15～150μm、壁厚3～10μm，内部似气囊，外部为保护性外壳，分散在连续相中形成稳定的气—液体系。油基微泡沫内部的表活剂膜是由黏性的水层包裹，外层为表面活性剂层［6－8］。

图1 微泡沫结构示意图

1.2 作用原理

1.2.1 封堵性机理

油基可循环微泡沫钻井液在温度与压力作用下，依据地层漏失通道尺寸，微泡的体积和形状会自行发生变化，从而实现对不同大小漏失通道的封堵（图2），即自匹配封堵，封堵机理如下：①较低的液柱压力。由于油基微泡沫钻井液密度较低，降低了井底的静液柱压力，在一定程度上起到防漏堵漏作用［9］。②油基微泡沫内部压力作用。当油基微泡沫到井底时，微泡内的空气被压缩。随外部温度和压力的增加，微泡体积减小，微泡内压力增加。当钻头钻遇衰竭地层，微泡会穿过低压地层的孔隙或溶洞。储存在微泡中的部分能量会释放出来，微泡又开始膨胀，直到微泡内外部压力达到平衡。只有当压差能克服毛细管力时，微泡开始移动。对单一气泡的毛细管来说压力很小，但贾敏效应表明，在毛细管作用区许多微泡累计起来的阻力可能很大。此时施加在油藏中的压力梯度不能克服贾敏效应而迫使微泡深度穿透进渗透性地层彼此连接的孔洞中，进而形成无固相的桥。③具有高黏度特性。油基可循环微泡沫钻井液体系的表观黏度比钻井液中任何单一组分的表观黏度都要高，这是由于微泡流动时产生界面变形从而吸收能量，并相互黏滞，造成流动阻力增加。在易漏地层的孔隙通道内微泡沫体系表观黏度随剪切速率的降低而增加。当微泡在井底钻遇低压或裂缝时，剪切速率将降低，但黏度将增加，从而加剧了泡沫的聚集，增强了防漏堵漏效果［10－12］。

图2 油基泡沫封堵裂缝示意图

1.2.2 抑制性机理

油基微泡沫具有合适的粒径，在孔隙中具有架桥封堵能力，在一定程度上降低井壁垮塌的风险。同时油基可循环微泡沫钻井液是以基油为分散介质，与其接触的水敏性地层不会发生由于水化膨胀和分散造浆而造成缩径或井塌。因此该钻井液体系具有较强的抑制性。

2 油基可循环微泡沫钻井液的研制

2.1 主要组成

1）基液：油基可循环微泡沫钻井液的基液要满足环保和保护储层等的要求，同时还要具经济性。

2）发泡剂：在水中和油中对发泡剂的要求截然不同。在极性溶液，发泡剂需要具有疏水基和亲水基；而应用于非极性溶液的发泡剂完全不同于极性溶液的结构，其分子必须由疏油基（不溶于有机溶剂）和亲油基（溶于有机溶剂）组成。在有机溶剂中原来在水中发泡剂尾链是亲油的，而在水中的亲油基是疏油的，所以普通的发泡剂在有机溶剂表面定向时疏水基指向有机溶剂表面，造成较高的表面能，增加表面张力。由以上结论可以得出应用于油基可循环泡沫的发泡剂需具有以下性能：在油中具有一定溶解度；分子由疏油基与亲油基组成；具有特定的分子构型，可构成稳定吸附的膜。

3）稳泡剂：为了保持微泡的外壁结构稳定，微泡需满足一定的膜厚度和黏度。外壁必须有一个最小的厚度，如果太薄，微泡将会破裂；外壁必须有足够的黏度，表面黏度增大，气泡膜的排水速率减小，并且较大的表面黏度能够减少液膜的透气性，增加泡沫稳定性。一类稳泡剂通过改变泡沫膜的性质提高泡沫稳定性，这一类稳泡剂通常可以提高泡沫膜质量，增加泡沫膜的黏弹性，减小泡沫膜的透气性。另一类是通过改变溶液性质以提高泡沫稳定性，这一类稳泡剂通常能够增加溶液的黏度和稠度，降低表面张力，降低泡沫的排液速度［13］。

2.2 基液的选择

基于环保性能的要求，通过大量的室内实验，选择白油作为油基可循环微泡沫钻井液的基液。

2.3 发泡剂的优选

笔者采用威德福评价方法。具体步骤是：①量筒量取白油100mL，倒入高速搅拌机的量杯中；②称取一定质量（或体积）分数的发泡剂加入量杯中；③打开高速搅拌机开关，同时转速设定为10 000r／min，定时1min；④停止后，立即转入500mL量筒，记录泡沫的初始体积即发泡体积VF；⑤记录泡沫底部开始出现液体的时间，即排出液时间t1；⑥记录出液达50mL时的出液时间即半衰期t1／2；⑦计算泡沫质量分数γ：γ＝（VF－100）／VF。

通过调研，选择阴离子、阳离子、非离子、两性、氟碳类等14种发泡剂进行了发泡实验，从中优选出了发泡性能较好的两种氟碳类发泡剂F－1和F－3，并对其进行了不同加量实验，结果见表1。由表1可以看出，在白油体系下，F－1、F－3二者的发泡能力较好，加量为1%时，发泡体积达到150mL左右，同时F－1与F－3相比形成的泡沫稳定性好，结合价格等因素综合考虑选择F－1为油基可循环微泡沫钻井液发泡剂。

表1 发泡剂选择实验数据表

2.4 稳泡剂的优选

为了优选稳泡剂，固定发泡剂F－1加量为1%的条件下对稳泡剂进行评价，其结果见表2。

表2 稳泡剂选择实验数据表

由表2看出有机土对体系具有增黏的作用，可以增加油基泡沫体系的稳定性，在5%加量时半衰期为673s，当加量大于5%时半衰期缓慢下降，这可能是由于加量过多时，有机土悬浮性能不好而造成的沉降所致。胶体结构剂在白油中，具有一定的稳泡作用，在5%加量时半衰期为610s，大于5%时，泡沫半衰期下降。增黏剂Z－1可通过增加液膜黏弹性来稳泡，实际具有一定的稳泡效果，加量在5%时半衰期为971s。增黏剂Z－2通过增加液膜黏弹性来稳泡，Z－2和Z－1在相同加量下，稳泡效果优于Z－1，加量在5%时半衰期为1 147s。增黏剂Z－3稳泡效果上劣于 Z－1和Z－2，加量在3%时半衰期为756s。

稳泡实验结果表明：只用1种稳泡剂均不能达到稳泡时间大于60h，需要多种稳泡剂的相互作用来达到较好的稳泡效果。从成本和稳泡效果上考虑，结合不同的稳泡剂复配，优选有机土、胶体结构剂、Z－1、Z－2 4种较好的稳泡剂用于体系研制。

2.5 油基可循环微泡沫钻井液体系研制

量取300mL白油；依次加入发泡剂、有机土、激活剂、稳泡剂等，高速搅拌；用YM型液体密度计测定密度；记录稳定时间。实验结果见表3。

从表3的实验数据中可以看出，10号配方的性能指标符合要求，而且泡沫细腻均匀、稳泡时间大于60h，所以确定油基可循环微泡沫钻井液配方为白油＋3%有机土＋0.5%激活剂＋0.8%Z－2＋0.6%F－1，油基可循环微泡沫钻井液密度为0.65～0.88g／cm3。

表3 油基可循环微泡沫钻井液配方性能表

3 油基可循环微泡沫钻井液性能评价

3.1 抗温性能评价

测定钻井液在常温、120℃和150℃（滚动16h）的流变性能，实验结果见表4。由表4可以看出，油基可循环微泡沫钻井液在150℃热滚，密度与常温相比变化不大，且稳定时间大于60h，黏度和切力适中，满足携岩的要求，说明该钻井液具有较好的抗温性和稳定性。

3.2 抗水侵及抗钙侵污染评价

在油基可循环微泡沫钻井液加入不同量水，测其性能，结果见表5。由表5可看出，加入10%水时，钻井液体系流变性变化不大，且稳定时间大于60h，满足稳定性要求，但含水量达到15%时，泡沫不稳定。由此看出钻井液具有较好的抗水污染性能。

在油基可循环微泡沫钻井液加入不同量的氯化钙，测其性能，实验结果见表6。由表6可得，当CaCl2浓度小于10%时，钻井液流变性和密度变化不大，且稳定时间大于60h，说明体系满足抗钙侵的要求。

3.3 润滑性能评价

室内采用E－P极压润滑仪对油基可循环微泡沫钻井液的润滑性进行测试，测得极压润滑系数为0.046，接近油基钻井液的润滑系数0.04～0.06。说明该钻井液具有较好润滑性能。

表4 油基可循环微泡沫钻井液抗温性评价表

表5 抗水侵实验数据表

表6 抗钙侵实验数据表

3.4 API滤失性评价

通过实验测得油基可循环微泡沫钻井液7.5min滤失量最大量为0.7mL，30min滤失量最大量为2.2 mL，滤失量较小，说明该钻井液具有较好的降失水性。测得滤饼厚度最大为3.5mm，这是由于油基可循环微泡沫的滤失机理不同于常规钻井液，是通过泡沫在滤纸上的贾敏效应产生封堵而降低滤失量。

3.5 防塌抑制性能评价

通过岩心膨胀率和页岩回收率实验评价油基可循环微泡沫钻井液的防塌抑制性能。称取50g的6～10目东营组岩屑加入到清水和研制的钻井液中，在77℃下热滚15h后，过40目筛回收并计算回收率，实验结果见表7和图3；岩心膨胀实验结果见图4。

表7 回收率实验数据表

图3 清水和油基微泡沫钻井液热滚后岩屑状态图

图4 页岩膨胀曲线图

由图3、4和表7可以看出，油基可循环微泡沫钻井液的线性膨胀量较低，远低于清水膨胀量，同时钻井液的页岩回收率在90%以上，远大于清水的回收率，说明其具有较好的防塌抑制性能。

3.6 堵漏性能评价

室内筛选40～60目砂，采用DLM－01A型堵漏模拟装置进行实验。实验结果见表8。由表8可以看出，在回压0.5MPa，压差6MPa时，钻井液无漏失，表明油基可循环微泡沫钻井液承压能力较强，能够有效封堵漏失地层并具有较好的防漏性能。

表8 封堵效果实验数据表

3.7 储层保护性能评价

实验评价油基可循环微泡沫钻井液进入地层后对储层伤害程度及返排后渗透率恢复情况（注入物为煤油），实验结果见表9。由表9可以看出，污染后渗透率恢复值在90%以上，说明油基可循环微泡沫钻井液具有良好的储层保护性能。

表9 渗透率恢复数据表

综上所述，通过实验研制出密度为0.65～0.88g／cm3的油基可循环微泡沫钻井液，体系能够稳定60h，抗温达150℃。通过性能评价可以看出，研制的油基可循环微泡沫钻井液抗污染性能、防塌抑制性、润滑性、封堵性能较好，具有良好的储层保护作用，因此具有较好的应用前景。

4 应用探讨及建议

4.1 油基可循环微泡沫钻井液的应用探讨

作为新型钻井液，油基可循环微泡沫既可以充分发挥微泡沫钻井液的携带悬浮、高效封堵、保护储层等优点，又可发挥油基钻井液强抑制性、强润滑性、抗高温的长处。

油基可循环微泡沫钻井液不仅可应用于页岩气开发领域，还可应用于低压、低渗透储层，在此类型地层钻进过程中，常用钻井液体系对低压储层尤其是气藏时伤害较大。利用油基可循环微泡沫钻井液的低密度，抗高温、防漏堵漏、强抑制等特性，适合于低压低渗储层钻进过程中的储层保护。油基可循环微泡沫钻井液可应用于盐膏层间低压油气藏，该类型油气藏含有盐膏层，同时由于地层压力低易发生井漏，钻井难度大。利用油基可循环微泡沫钻井液优良的抗盐特性、低密度、防漏堵漏能力强等特点，为盐膏层低压易漏油气藏的开发，提供了技术基础。

4.2 油基可循环微泡沫钻井液钻井液发展建议

针对水基微泡沫体系的稳泡剂和高分子材料研究较为成熟，但对于油基微泡沫钻井液稳泡剂和高分子材料研究较少。油基微泡沫钻井液发泡剂的成本较高，一定程度上限制了油基可循环微泡沫钻井液的应用，因此建议加大油基可循环微泡沫钻井液发泡剂及稳泡剂的研发力度，降低综合成本，促进油基可循环微泡沫钻井液的现场应用。

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