泡沫钻井流体稳定井壁机理分析与评价技术探索

第12卷第15期2012年5月1671—1815（2012）15-3591-04科学技术与工程Science Technology and EngineeringVol.12No.15May 2012 2012Sci.Tech.Engrg.泡沫钻井流体稳定井壁机理分析与评价技术探索许启通1孙举2苏雪霞2（中国石油大学（北京）石油工程教育部重点实验室1，北京102249；中原石油勘探局钻井工程技术研究院2，濮阳457001）摘要采用泡沫流体钻进过程中，容易发生井壁失稳。

但性能良好的泡沫流体对稳定井壁仍具有一定的积极作用。

目前，针对泡沫钻井流体井壁稳定性的评价手段较为匮乏。

通过对泡沫钻井流体的抑制性能和封堵性能进行实验评价，形成一套井壁稳定性评价方法，可以为评价泡沫钻井流体稳定井壁性能提供一定的技术参考。

结果表明，所研究的泡沫钻井流体具有良好的抑制性和封堵性。

化学抑制和物理封堵相结合，形成一定的稳定井壁性能。

最后，对泡沫钻井流体稳定井壁机理进行阐述。

关键词泡沫钻井流体抑制性封堵性井壁稳定评价机理中图法分类号TE254.1；文献标志码A2012年3月7日收到中国石化先导试验项目（SG10032）、中原油田重点科技攻关项目（20083022）资助第一作者简介：许启通（1987—），中国石油大学（北京）硕士研究生，研究方向：油田化学。

E-mail ：qitonghappy@ 。

泡沫钻井流体具有密度低、携岩能力强和提高钻速等特性，特别适合用于开发易漏失、水敏性油气层，解决了一些常规钻井液体系难以实现的欠平衡钻井技术难题。

采用泡沫流体钻井具有综合效益高的优势，现已成为油气田开发过程中钻井流体的一个重要发展方向。

泡沫钻进过程容易产生井壁失稳等井下复杂，但一些性能优异的泡沫钻井流体对井壁稳定仍具有积极的作用。

目前，室内针对泡沫钻井流体井壁稳定性能的评价工作已经有所进展［1—5］，但需要进一步针对性地加强研究，为提高泡沫钻井流体的井壁稳定性提供技术支持。

利用具有不同防塌机理防塌剂之间的协同作用，通过配伍性研究，研制了具有强化学抑制、强吸附、强包被成膜两性离子泡沫体系基液配方。

两性离子泡沫体系基液配方组成：0.05% 0.10%高相对分子质量两性离子聚合物PCAM +0.3% 0.7%中等相对分子质量两性离子聚合物WPZY —1+0.1% 0.5%小阳离子化合物CFT —1+0.3% 0.5%阴离子表面活性剂+0.01% 0.05%非离子表面活性剂。

通过进行一些评价实验，证明其具有良好的井壁稳定性能。

1实验方法与结果讨论1.1岩心浸泡实验使用两性离子泡沫体系对泥页岩岩心进行浸泡效果的评价实验，并与在水中的浸泡实验做对比。

通过岩心浸泡实验，在两性离子泡沫体系中浸泡的岩心72h 内不会发生垮塌，在水中浸泡的岩心2min 内即垮塌。

证明两性离子泡沫体系对泥页岩具有良好的防塌性能，有助于井壁稳定。

实验后对岩心表面进行40倍显微观察，发现吸附有含丝状聚合物，如图1。

1.2页岩膨胀实验为考察两性离子泡沫体系基液的抑制水化膨胀能力，使用NP —02页岩膨胀测试仪测定两性离子泡沫体系基液的页岩线性膨胀量，结果如图2。

清水24h 线性膨胀量为5.59mm ，两性离子泡沫体系基液24h 线性膨胀量为1.42mm ，线性膨胀降低率达到74.6%，具有较好的抑制页岩水化膨胀的图1聚合物在岩心表面形成的吸附层（ˑ40）图2页岩膨胀对比实验图能力。

1.3岩心回收实验为考察两性离子泡沫体系基液的抑制水化分散能力，利用天然泥岩岩心进行了滚动回收率实验，实验温度控制在90ħ。

由表1可知，泡沫基液具有很强的抑制水化分散能力，泡沫基液对天然泥岩岩心的一次回收率达到98.5%，一次滚动回收实验的岩心在清水中继续进行二次滚动回收实验，48h 的相对回收率达到94.5%，72h 的相对回收率仍保持在90.2%。

两性离子泡沫体系基液2h 二次页岩回收率与普通泡沫体系相当，两性离子泡沫体系基液16h 和48h 二次回收率明显高于原泡沫体系。

表1泥岩岩心滚动回收率实验实验液R 1/%R ’（16h ）/%R ’（48h ）/%R ’（72h ）/%泡沫液98.597.594.590.2水2.71.4压力传递实验使用综合堵漏模拟仪SHM 进行压力传递实验，通过改变压力、岩心、试液等不同的实验参数，评价两性离子泡沫体系的封堵效果。

实验采用自制砂岩岩心，长度为2.56cm ，直径为2.55cm ，具有强度高、不易水化变形的特点，减小水化膨胀对实验结果的影响。

实验前测量两性离子泡沫体系基液的表观黏度为7mPa ·s ，普通泡沫体系基液的表观黏度为4.5mPa ·s 。

实验条件：上游压力3.5MPa 、下游压力0.5MPa 、围压5.5MPa 、温度65ħ。

图3岩心渗透率5.06mD压力传递对比实验图4岩心渗透率13.02mD 压力传递对比实验针对气测渗透率5.06mD 饱和气岩心，两性离子泡沫体系基液的封堵性能比普通泡沫体系基液要好，实验后计算得出的两性离子泡沫体系基液的渗透率也更低，压力传递过程如图3；针对气测渗透率13.02mD 饱和气岩心，加发泡剂两性离子泡沫体系基液比未加发泡剂的基液封堵效果要好，如图4。

2953科学技术与工程12卷图5岩心渗透率13.02mD压力传递对比实验图6岩心渗透率2.64mD 压力传递对比实验对比实验表明：使用两性离子泡沫体系基液对饱和气岩心进行封堵的效果比饱和水岩心好很多，且有随岩心渗透率增大而封堵效果更好的趋势，如图5、图6；实验结束后，对饱和气岩心内部进行显微拍摄，如图7，发现微小气泡存在，饱和水岩心内部则没有，可以预见这是导致封堵效果差异大的主要原因。

2泡沫稳定井壁机理分析2.1形成泡沫吸附壁实验观察发现，当气液比足够大的情况下，气泡有向岩石表面粘附聚集的趋势［6，7］。

由于井壁表面存在水化层，气泡向井壁表面的黏附就是气、液、固三相的润湿状态重新分布的过程。

这个过程有两个意义：一是气泡的黏附在井壁表面产生了驱水作用；二是提供了在井壁表面形成吸附壁的条件，使其护壁效能得以发挥。

泡沫钻井流体处理剂中含有大量聚合物，聚合物中一般都具有一个或多个活性基团，比如：—CONH 2基团、—COOH 基团、—C 2H 5基团、—OH 基团、—CH 3基团和丙烯基团等。

由于它们之间存在缔合作用，且聚合物分子量大、分子链长，加之柔图7饱和气岩心内部泡沫状态（ˑ60）性好，分子链接之间相互缠绕、反转，最终会在井壁表面产生强烈的吸附，形成吸附层［8］。

然后是带有吸附层的井壁表面黏土颗粒相互作用，克服静电斥力和斥力位能等阻力逐步形成聚合物吸附壁。

2.2泡沫吸附壁防塌机理泡沫体系气泡结构中的界面膜是一种溶化剂膜，此种膜通常由两种或两种以上的表面活性剂（阴离子表面活性剂、两性离子表面活性剂、非离子型表面活性剂）构成。

由于此界面膜的存在以及泡沫体系群体结构产生的高结构黏度，使泡沫吸附壁具有黏弹性、疏水性和均质性三大特性。

当自由水欲经泡沫吸附壁向井壁渗透时，会受到较大的气体阻力，这种特性是泡沫吸附壁所独有的。

驱水作用可以抑制井壁岩石的水化膨胀和水化分散，降低渗透、水化速度，使井壁得到保护。

同时，泡沫流体具有很强的携岩能力，上返速度要求不高，减少了对井壁的冲刷，对井壁稳定也起到了积极作用。

2.3泡沫吸附壁封堵机理气泡在渗漏压差作用下进入渗漏通道，在狭窄处，气泡的形状和体积发生改变，产生额外的渗漏395315期许启通，等：泡沫钻井流体稳定井壁机理分析与评价技术探索阻力，即所谓的“贾敏效应”。

气泡向内运动到狭窄段时，由于三相润湿周边静摩擦力很大，运动过程中周边被“硬化”，难以继续活动。

气泡的封堵和润湿周边的硬化造成泡沫体系在孔隙中大量黏滞聚集，形成泡沫群体结构，结构黏度迅速上升，反复作用之后泡沫群体会尽可能多地封堵漏失通道。

压力传递实验刚开始，传递比较快，在具有一定厚度吸附壁之后，即使采用清水进行驱替，同样能封堵一段时间，证明泡沫吸附壁具有很强的封堵性能。

另外，两性离子泡沫体系具有较大的表观黏度，泡沫在岩石内部运动时会发生界面变形并吸收能量，相互黏滞，造成流动阻力增大。

气液比越大，流动阻力越大，从饱和气岩心与饱和水岩心压力传递对比实验中就可以看出。

再加上泡沫流体密度低，本身就具有防漏的性能，依靠负压钻进，防止岩石产生破裂和裂缝变大。

3结论与认识（1）采用泡沫流体钻进，容易发生井壁失稳。

提出，泡沫钻井流体对井壁稳定仍具有一定的积极作用，并可通过改进体系来加强。

（2）通过岩心浸泡、页岩膨胀、岩心回收、压力传递及显微拍照等评价实验，证明两性离子泡沫体系具有良好的抑制性和封堵性。

（3）通过抑制性与封堵性相结合，两性离子泡沫体系形成了一定的稳定井壁性能，并得出部分稳定井壁机理。

（4）应进一步加强泡沫钻井流体井壁稳定性研究，增加评价手段，延长安全作业时间，实现经济效益的最大化。

参考文献1赖晓晴，申瑞臣，李克华，等.稳定泡沫钻井流体抑制性研究.长江大学学报，2006；3（1）：25—282魏武，邓虎，李皋，等.气体钻井井壁稳定处理剂评价方法探讨.天然气工业，2010；30（9）：51—543黄强，马文英，曹品鲁，等.空气泡沫钻井流体井壁稳定性研究．石油钻探技术，2011；39（1）：52—554王俊涛，杨景利.川东北地区泡沫钻井井壁稳定技术.钻井液与完井液，2011；28（1）：5—75许启通，孙举，刘彬.国内泡沫钻井流体应用与研究进展.中外能源，2012；17（1）：43—466吴飞，朱宗培.泡沫在井壁的物理化学作用.钻井液与完井液，1995；12（1）：31—337关富佳，童伏松，姚光庆.泡沫钻井液研究及其应用.钻井液与完井液，2003；20（6）：54—568Adamson A W.表面的物理化学.顾惕人，译.北京：科学出版社，1984Borehole Wall Stability Mechanism Analysis and EvaluationTechnology Exploration of Foam Drilling FluidXU Qi-tong1，SUN Ju2，SU Xue-xia2（MOE Key Laboratory of Petroleum Engineering，China University of Petroleum1，Beijing102249，P．R．China；Institute of Drilling Engineering and Technology，Zhongyuan Petroleum Exploration Bureau2，Puyang，457001，P．R．China）［Abstract］During the drilling process of using foam fluid，it＇s easily to cause borehole wall instability.Even so，the foam drilling fluid with good performance has certain positive effect on the borehole wall stability.At pres-ent，there are few means of evaluation towards borehole wall stability of foam drilling fluid.A set of methods were formed on borehole wall stability evaluation through foam drilling fluid inhibition and sealing properties evaluation experiment.This method can provide some technical reference for the borehole wall stability evaluation of foam drilling fluid.Results show that this foam drilling fluid has good inhibition and sealing properties.Formed certain borehole wall stability property by the combination of chemical inhibition and physical sealing.Finally，the mecha-nism of foam drilling fluid borehole wall stability is expounded.［Key words］foam drilling fluid inhibition property sealing property borehole wall stability evaluation mechanism4953科学技术与工程12卷。