可循环自动发泡钻井液技术.pdf

第 2 8卷 第 1 期 2 0 1 1 年1月 钻井液与完井液 DRI LLI NG FLUI D CoM PLETl ON FLUl D Vo1 ． 28 NO．1 J a n．2 01 1 文章编 号l O 0 1 5 6 2 0 2 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 4 可循环 自动发泡钻井液技术 屈沅治 ， 戎克 生 ， 赵利 ， 夏焱 ， 申瑞 臣 ， 赖 晓晴 1 ． 中国石油集 团钻井工程技术研究院 ，北 京 ； 2 ． 中同石油新疆油 田分公 司勘探开发研究院 ，克拉玛 依 ； 3 ． 中国石油两部钻探公 司克托玛依钻井公司 ，克拉玛依 摘 要在优选表 面活性剂 、协 同稳泡 聚合 物的基础上 ，进行 了可循环 自动发泡钻 井液体 系配方 的优化 ，研制 出了一种 由聚合物基液和发泡 剂组成的新型可循环 自动发泡钻井液体 系。性能测试结果表 明，优选配 方的聚合 物 基液完全 能满足 油 气田的常规钻 井需求， 当添加发泡 剂后，形成 的泡沫钻 井液 同样具有很好 的综合 性能，适合 油 气田的欠平衡钻 井 关键词 可循环泡沫钻井液 ；自动发泡 ； 表面活性剂 ； 钻井液配方 ； 钻 井液性能 ； 欠平衡钻井 中图分类号 T E 2 5 4 ． 3 文献标识码 A 欠平衡钻井是发展最快的钻井技术之一。与常 规过平衡或近平衡钻井方式相比，欠平衡钻井技术 具有减少地层损害 、提高机械钻速 、降低循环压耗 、 避免井漏 、减少压差卡钻和便于随钻油藏评价等诸 多优点 。目前 ，低压 、易漏 、强水敏地层和储层能 量较低 的衰竭油气藏的钻进以及天然气和煤层气等 气藏的钻探多采用欠平衡钻井技术 。用 于欠平衡钻 井 的 4种 主要钻井液类型 空气 ／ 氮气 、气雾 、充 气钻井液和泡沫 中，泡 沫钻井液是应用最广的低 密度钻井液 。研制出了一种新型的可循环 自动发泡 钻井液体系。 1 可循环 自动发 泡钻 井液配方的优 选 1 ． 1 表面活性 剂的优选 采用罗氏泡沫仪对十二烷基硫酸钠 、十二烷基 磺 酸钠 、十二烷基苯磺 酸钠及脂 肪醇醚磺酸盐 实 验室合成 4种表面活性剂的起泡性和稳泡性 进行 了评价 ，实验结果见表 1 。 表面活性剂的泡沫性能主要是通过泡沫的起泡 性和稳泡性 2个指标来衡量 [ 1 - 2 1 影 响泡沫稳定性 的因素很多，但最重要的因素是液膜厚度和表面膜 的强度 p ] ，而表面膜的性质与表面活性剂的分子结 构密切相关。脂肪醇醚磺酸盐的分子中有 2种亲水 基 团 ，一种是 E O链 一c H ， C H ， 0 ～ ，另一 种是 磺酸基 ～s 0 ，这种分子结构使它具有非离子 型和阴离子型 2者的优点 ，有更好的亲水性。当脂 肪醇醚磺酸盐在气 一 液界面上吸附时 ，分子中亲水 基的水化作用 ，使表 面上分子的亲水基间以氢键或 相互交叉缠绕的方式互相作用 ，使表面膜具有一定 的强度 ，这样使脂肪醇醚磺酸盐具有 了一定的起泡 和稳泡能力。 对 比实验结果可 以看 出，评价的 4种表面活性 剂 中，在低浓度下 ，十二烷基硫酸钠的发泡性能和 稳泡性能最佳 ，而在较高浓度下 ，脂肪醇醚磺酸盐 的发泡性能和稳泡性能最佳。综合对 比，优选脂肪 醇醚磺酸盐作为可循环 自动发泡钻井液配方 中的表 面活性剂。 1 ． 2 协 同稳泡聚合物 的优选 泡沫是一热力学不稳定体系，其不稳定的内因 有 2个 液膜 的排液作用和气体透过液膜 的扩散作 用 ，2者均与液膜性质及液膜与 P l a t e a u边界问的相 互作用有直接关系。 基金项 目 国家科技 重大专项项 目 “ 煤层 气钻井工程技 术及装备研制” 2 0 0 8 z x0 5 0 3 6 0 0 3资助。 第 一作 者简介 屈 沅治，博 士，高级工程师 ，1 9 7 5年 生，现从 事钻井液技术及 油气井工程 应用研 究工作。地址 北京 市学院路 2 0号钻 井液所 ；邮政编码 1 0 0 0 8 3；电话 0 1 0 8 3 5 9 8 3 6 1； E ma i l y u a n z h i q u p e t r o c h i n a ． c o m． c n 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 1 1 年1 月 注 各表面活性剂 的发泡液体积均为 1 0 0 mL，其性能均在 5 0 下测得 。 1 液膜的排液作用。液膜 的排液有 2个过程， 第一个过程为液膜较厚时的重力排液 ，第二个过程 为液膜较薄时的曲面压排液。第一个过程较简单 ， 由于气液密度的差异 ，液膜中的液体在重力作用下 排出，故液膜不断变薄，当薄到一定程度 ，曲面压 排液上升到主导地位 ，开始 曲面压排液过程。曲 面压排液主要是存在 P l a t e a u边界引起的 如图 1 所 示 。所谓 P l a t e a u边界是指 3 个气泡的液膜交界处。 根据 L a p l a c e 方 程 ，可以得 出 尸 R 尸 A 1 式中 为 B处的液体压力 ； 为 A处的液体压力 ； 仃为气 ／ 液界面张力 ； R为气泡半径 设气泡都具 有相同的半径 。从式 1 可 以看 出，B处的压力 大于 A处的压力，在该压差作用下，B处的液体流 向 A处 ，使液膜变薄 ，最终导致破裂。 图 1 P l a t e a u边界 2气 体透过液膜 的扩散作用。泡沫钻井液的 气泡大小总是不均匀的。根据 L a p l a c e方程 ，小泡 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 8卷 第 1 期 屈沅治等 可循环 自动发泡钻井液技术 3 内气体的压力 P小 2 a ／ R爪 大于大泡内气体的压力 P大2 c r ／ R女 ，在压差 △PP小 P女 作用 下 ，小 泡内的气体会透过液膜扩散到大泡中 ，导致小泡逐 渐变小 ，大泡逐渐变大，最终均趋于破灭 。 3协 同稳泡聚合物的优选。基于泡沫液膜的 排液作用和气体透过液膜的扩散作用 ，要延长泡沫 的半衰期 ，有必要考虑添加稳泡剂来减缓泡沫的不 稳定过程。稳泡剂按照作用机理可分成两类 ，第一 类通过提高液相的黏度来减缓泡沫的排液速率 ，从 而提高泡沫 的稳定性 ； 第二类能提高液膜质量 ，增 加液膜黏弹性 ，减小液膜的透气性 ，增强泡沫的稳 定性。泡沫钻井液体 系r f 1 常通过添加稳泡剂改善泡 沫液膜质量 ，以实现泡沫的稳定性能 J 。 实验 评 价 了 0 ． 5 ％脂 肪 醇 醚磺 酸盐 溶 液 1 0 0 mL 中分别添加浓度均为 0 ． 5 ％ 的 Na C 1 、聚丙烯酰 胺 、F A 3 6 7 、聚 阴离子纤维素 P AC、黄原胶 XC等 5种产品的稳泡性能，实验结果见表 2 。 表 2 不同聚 合物 的稳 泡性 能比较 2 5。 C 从表 2可以看 出，脂肪醇醚磺酸盐溶液 中分别 添加盐 、聚丙烯酰胺 、F A3 6 7 、P A C及 XC后 ，均 不同程度地造成发泡体积有所减小 ，但 添加聚合物 稳定剂后 ，泡沫的稳定时间明显延 长，这是因为加 入聚合物稳泡剂增加了液膜的表面黏度 ，液膜就不 容易受到外力作用而破裂 ，同时能减缓液膜的排液 速率和气体透过液膜的扩散速率 ，因此增加了泡沫 的稳定性 。在所评价 的聚合物 中，P AC和 X C的稳 泡效果最好，因此，在可循环自动发泡钻井液体系 的配方设计 中，选用 P AC和 XC既可保证其稳泡效 果 ，也能发挥它们 自身降滤失和提黏提切的功能。 1 ． 3 可循 环 自动发泡钻 井液体 系的配 方设计 该体 系中的发泡剂在混合后 ，发生化学反应而 产生气泡，进而形成泡沫钻井液体系。体系中形成 气泡的数量可通过发泡剂 的量及其与脂肪醇醚磺酸 盐表面活性剂 的配比来调控 ，产生气泡的稳定性可 通过优选的聚合物稳泡剂来达到预期的目标。 为实现 自动发泡钻井液体系的循环利厢 ，可通 过改变发泡剂的量 ，以及优选合适的表面活性剂来 控制钻井液产生气泡的数量和稳定性来实现。为简 化工艺过程，该可循环 自动发泡钻井液体系南聚合 物基液和一种发泡剂构成 ，在聚合物基液 中通过循 环泵泵入发泡剂的过程 中，通过调节该发泡剂的浓 度来控制发泡的数量 ，以及在聚合物基液中优选合 适的表面活性剂及聚合物稳泡剂来控制泡沫的半衰 期 ，来实现该泡沫钻井液体系的循环使用。所形成 的可循环 自动发泡钻井液克服了普通泡沫钻井液的 缺点 ，可 以反复循环使用，无需特殊的脱气和充气 设备，同时保留了普通泡沫钻井液的各种优点，工 艺简单 、投资少 、效益高 ，为欠平衡钻井提供 了切 实可行的新型泡沫钻外液体系。 2 可循环 自动发泡钻井液性能评价 根据可循环 自动发泡钻井液体系的组成 ，设计 了几种具体的配方 ，见表 3 。发泡前 ，对该体系的 聚合物基液进行 了性能测试 ，实验结果见表 4 。 表 3 可循环 自动发泡钻井液体系的配方组成 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 1 1年1月 在聚合物基液中添加发泡剂进行发泡 ，发泡后 测试钻井液 的性能 ，结果见表 5 。测试结果表 明， 以上 5种配方的聚合物基液完全能满足油气 田的常 规钻井需求 ；当添加发泡剂后 ，5种泡沫钻井液同 样具有很好的综合 性能，适用于欠平衡钻井。综 合考虑 ，优选第 2种配方作为可循环 自动发泡钻 井液的配方 ，其具体配方组成为 0 ． 9 ％表 面活性 剂 0 ． 3 ％XC 1 ． 2 ％P AC HV 0 ．4 5 ％流变性能稳定剂 1 ． 2 ％ 发 泡剂 。 同时 ，对 1 0 0 mL该发泡 钻井液进行 了抗盐 、 抗钙及抗钻屑污染实验，结果见表 6 和表 7 。 了体系泡沫的半衰期 ，而岩屑的加入延长了体系泡 沫的半衰期 ，起到了稳泡的效果。 表 7 优选 的泡沫钻 井液 的抗岩屑能力 2 5。 C 注 岩屑取 白玉门油田长 3 0 1 井井 深 1 5 0 0 m处 ，并过 孔径为 0 ． 1 5 4 ml n的筛 。 表 发泡后钻井液 体系 所测 试的 性能参 数 3 结 论 注 表 中泡沫体积及半 衰期是指 1 0 0 mL基液 在 2 5。 C 下发泡后的体积及半衰期。 表 6 优选的泡沫钻井液的抗盐抗钙能力 2 5 D C Na C1 ／ ／t l 12 1 Ca C1 2 ／ ＆ ／t l ／ 2 ／ ％ mL mi n ％ mL rai n 0 28 0 3 25 0 28 0 32 5 O． 5 23 5 25 0 0． 1 2 40 22 5 1 ． 0 2 20 1 9 5 O．2 2l O 1 7 0 2．0 1 8 5 1 6 O 0． 5 1 65 l 4 0 从表 中实验结果 可以看 出，优选 的 自动发泡 钻井液具有较强的抗盐 、抗钙及抗钻屑污染能力。 N a C 1 、C a C 1 及岩屑的加人使体系的发泡体积均有 不同程度 的降低 ，其 中Na C 1 及 C a C 1 的加入缩短 1 ． 通过对 比评价脂肪醇醚磺酸盐与十二烷基硫 酸钠 、十二烷基磺酸钠 、十二烷基苯磺酸钠的泡沫 性能 ，优选脂肪醇醚磺酸盐作为可循环 自动发泡钻 井液配方中的表面活性剂。 2 ． 在优选表面活性剂 、协 同稳泡聚合物的基础 上 ，进行了可循环 自动发泡钻井液体系配方的优化 组合， 研制出了新型的可循环 自动发泡钻井液体系。 参 考 文 献 [ 1 ] R u s a n o v A I ， K r o t o y V V， N e k r a s o v A G ． N e w me t h o d s f o r s t u d y i n g f o a ms f o a mi n e s s a n d foa m s t a b i l i t y [ J ] ． J o ur na l of Col l oi d a nd I nt e r f a c e Sc i e nc e，1 99 8，206 3 92 39 5． [ 2 ] P a n d e y S ， B a g we R P ， S h a h D O ． E ff e c t o f c o u n t e r i o n s o n s u r f a c e a n d f o a mi n g p r o p e r t i e s o f d o d e c y l s u l f a t e [ J ] ． J o ur na l of Col l oi d a nd I n t e r f a c e Sc i e nc e，20 03，267 l 6O 一 1 6 2． [ 3 ] 王莉娟，张高勇，董金凤，等．泡沫性能的测试和评价 方法进展 [ J ] ． 日 用化学工业，2 0 0 5 ，3 5 3 1 7 1 - 1 7 4 ． [ 4 】 赵晓竹，何恕，张坤 ，等 ． 大庆油田雾化 ／ 泡沫钻井液 的研 究 与应 用 ． 钻井 液 与完 井液 ，2 0 0 9 ，2 6 4 29 ． 31 收稿 日期2 0 1 0 0 9 1 2 ；1 ND D I 1 0 1 W6 ；编辑汪桂娟 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m