任小慶，高小榮，孫彩霞，劉 斌,張獻(xiàn)喻

(1.中石化綠源地?zé)崮?陜西)開發(fā)有限公司，陜西咸陽 712000；2.中石化綠源地?zé)崮荛_發(fā)有限公司，河北保定 071800)

0 引 言

地?zé)豳Y源根據(jù)溫度可劃分為低溫(<90℃)、中溫(90℃～150℃)和高溫(>150℃)。全球地?zé)豳Y源主要分布在(1)地中海-喜馬拉雅地?zé)釒В?2)環(huán)太平洋地?zé)釒В?3)大西洋中脊地?zé)釒В?4)紅海-亞丁灣-東非大裂谷地?zé)釒?汪集旸，2015)。而我國(guó)高溫地?zé)豳Y源主要分布在西藏、云南、臺(tái)灣等地，屬于地中海-喜馬拉雅地?zé)釒е械臇|部延伸部分及環(huán)太平洋地?zé)釒А?duì)于高溫地?zé)豳Y源，因高溫?zé)醿?chǔ)層巖性主要為火山巖、花崗巖、結(jié)晶巖等，其巖石硬度大、研磨性強(qiáng)、可鉆性差，非均質(zhì)性強(qiáng)，并且裂縫較發(fā)育(光新軍和王敏生，2016)，鉆井過程中易造成漏失。在復(fù)雜地質(zhì)條件下，泡沫鉆井液則能更好地避免井漏，迅速建立欠平衡鉆井條件，提高鉆井機(jī)械轉(zhuǎn)速、降低循環(huán)壓耗、減少地層傷害。

泡沫鉆井液是氣體介質(zhì)分散在液體中，并配以發(fā)泡劑、穩(wěn)泡劑或黏土形成的分散體系(王中華，2011)。20世紀(jì)50年代中期，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)石油公司首次將泡沫鉆井液應(yīng)用于內(nèi)華達(dá)州穩(wěn)定性較差地層的鉆井施工過程中(彭新明等，2008；張端琴，2008)。1980年，美國(guó)Sandia公司對(duì)泡沫鉆井液在地?zé)徙@井過程中的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，研發(fā)出烯烴磺酸鹽陰離子型發(fā)泡劑，并成功進(jìn)行了應(yīng)用(張端琴，2008)。而我國(guó)則是1984年在克拉瑪依油田對(duì)泡沫鉆井液進(jìn)行了首次探索性的嘗試，證實(shí)泡沫鉆井液的可行性和優(yōu)越性(李治龍和錢武鼎，1993；朱利，2015)。我國(guó)較早就開展了地?zé)徙@井抗高溫泥漿處理劑及水基泥漿體系的研究(修憲民，1989)，其中西藏羊八井(ZK4002 地?zé)峋?采用的是分散性抗高溫鉆井液體系，其體系基本配方為:5% 膨潤(rùn)土+3%地?zé)?93。該泥漿體系在高溫高壓條件下性能穩(wěn)定，完成 ZK4002井施工，井底溫度達(dá)到 329.8℃(單文軍等，2018)。趙曉東2001年研制出耐鹽抗高溫發(fā)泡劑，可用于地?zé)徙@井過程中(趙曉東等，2001；胡繼良等，2012)。國(guó)內(nèi)外愈來愈多的高溫地?zé)徙@井項(xiàng)目采用泡沫鉆井液進(jìn)行施工①(Delbert et al.，1978；汪仲英，1979；湯松然等，1982；汪仲英等，1985；Fridleifsson and Elders,2005；王文勇等，2012；董海燕等，2014；光新軍和王敏生，2016；李亞琛等，2016)。

1 泡沫鉆井液穩(wěn)定性技術(shù)要點(diǎn)

穩(wěn)定泡沫鉆井液由液相、氣相、發(fā)泡劑和穩(wěn)泡劑所組成。氣相主要為空氣或者氮?dú)獾葰怏w；液相可分為水基；醇基、烴基和酸基，高溫地?zé)徙@井常用水基，發(fā)泡劑主要為表面活性劑，現(xiàn)場(chǎng)常用的主要有十二烷基類、烷基甘油基醚磺酸鹽類表面活性劑等或其復(fù)配產(chǎn)品；穩(wěn)泡劑主要采用高分子化合物或者合成表面活性劑，保持泡沫起泡后，短期內(nèi)不易破裂，提高泡沫“存活壽命”(陳禮儀，2004；楊小華，2009；賀永潔，2015；朱利，2015)。

發(fā)泡劑性質(zhì)的差異主要取決于其烴基、親水基和疏水基結(jié)構(gòu)的不同，其中，親水基結(jié)構(gòu)的影響占主要因素。按離子類型進(jìn)行發(fā)泡劑種類的劃分，離子型發(fā)泡劑即發(fā)泡劑溶于水時(shí)可解離成離子的發(fā)泡劑，根據(jù)親水基結(jié)構(gòu)的不同分為陰離子型、陽離子型和兩性離子型發(fā)泡劑，此類發(fā)泡劑為離子型表面活性劑；非離子型發(fā)泡劑即發(fā)泡劑溶于水時(shí)不能解離出離子的發(fā)泡劑，實(shí)質(zhì)上為非離子表面活性劑(董曉強(qiáng)，2010；劉宏生等，2015)。

按泡沫衰變動(dòng)力學(xué)，可將泡沫分成不穩(wěn)定泡沫和亞穩(wěn)泡沫。泡沫是否能穩(wěn)定存在取決于泡沫膜的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度(李英等，2004)。泡沫膜的強(qiáng)度增加，可降低泡沫體內(nèi)泡與泡之間的氣體的擴(kuò)散速度，減緩泡間氣體的擴(kuò)散(王蒙蒙和郭東紅，2007)。泡沫的粘度可分為體相粘度和界面粘度，兩者在泡沫穩(wěn)定中均起到重要的作用。體相粘度是指體系的流體粘度。發(fā)泡劑溶液的體相粘度增加，能夠阻緩液體排液速度，同時(shí)體相粘度的增加也能降低液膜內(nèi)的氣體滲透率，減緩泡間氣體的擴(kuò)散，因此會(huì)對(duì)泡沫穩(wěn)定性產(chǎn)生明顯的增強(qiáng)作用(王其偉等，2003；董曉強(qiáng)，2010)。

泡沫流體鉆井液體相和界面粘度、吸附質(zhì)在界面上的吸附、界面膜強(qiáng)度和界面張力等因素都與溫度有關(guān)。溫度越低，其體相粘度越高，當(dāng)體相粘度增加時(shí)，相應(yīng)的排液速度降低。在高溫作用下，發(fā)泡劑受高溫降解作用，一些基團(tuán)發(fā)生變異，失去發(fā)泡作用，從而在鉆井過程中導(dǎo)致一系列井下事故或復(fù)雜情況的發(fā)生(賴曉晴等，2009；沈炎等，2009)。泡沫鉆井液性能好壞的重要技術(shù)指標(biāo)是發(fā)泡能力和穩(wěn)定性能(汪能寶，2004)。

2 關(guān)鍵處理劑的優(yōu)選評(píng)價(jià)

2.1 發(fā)泡劑優(yōu)選

發(fā)泡劑又稱起泡劑或泡沫劑，是指能促進(jìn)泡沫發(fā)生，形成閉孔或聯(lián)孔結(jié)構(gòu)材料的物質(zhì)。在特定條件下，通過物理方法或化學(xué)反應(yīng)使其在短時(shí)間內(nèi)形成大量均勻穩(wěn)定的泡沫。目前還沒有比較系統(tǒng)的發(fā)泡劑分類(王全杰和譚小軍，2011)。本次主要選取9種油田常用的發(fā)泡劑：TF3721、FC-4430、FC-4432、FC80、FC134、CTAC、K12、DOW及DC-1。

評(píng)價(jià)泡沫性能時(shí)配制的發(fā)泡劑溶液，一般需要在表面活性劑臨界膠束濃度以上，因選用鉆井常用的9種表面活性劑臨界膠束濃度分別小于0.2 wt%。因此，統(tǒng)一配制0.2 wt%表面活性劑水溶液評(píng)價(jià)泡沫性能。

按照發(fā)泡能力和泡沫穩(wěn)定性對(duì)不同發(fā)泡劑溶液的老化前后狀況進(jìn)行對(duì)比篩選，基液發(fā)泡及評(píng)價(jià)過程如下：首先配制150 mL 0.2 wt%發(fā)泡劑溶液在3000 r/min下攪拌2分鐘發(fā)泡，將泡沫迅速倒入500 mL量筒中，記錄泡沫半衰期、析液半衰期以及基液的發(fā)泡體積。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示，可見老化前氟碳類發(fā)泡劑與碳?xì)漕愊嗨?，均具有良好的發(fā)泡能力，而且具有泡沫半衰期和析液半衰期的最大值的發(fā)泡劑均屬于氟碳類發(fā)泡劑，但發(fā)泡劑基液經(jīng)150℃老化16h后，氟碳類發(fā)泡劑的泡沫穩(wěn)定性及發(fā)泡能力出現(xiàn)明顯下降，均低于碳?xì)漕惏l(fā)泡劑。因此，選擇碳?xì)漕惐砘顒┳鳛榭垢邷嘏菽@井液的發(fā)泡劑。對(duì)比碳?xì)漕惏l(fā)泡劑的抗溫能力，可以看出，DC-1形成的泡沫穩(wěn)定性最好。因此，優(yōu)選出抗高溫表活劑DC-1作為后續(xù)泡沫體系評(píng)價(jià)的發(fā)泡劑。

表1 基液泡沫性能

續(xù)表1

2.2 穩(wěn)泡劑優(yōu)選

按照對(duì)0.5%濃度不同穩(wěn)泡劑分別和0.2 wt%DC-1發(fā)泡劑混合后發(fā)泡體積及泡沫穩(wěn)定性進(jìn)行對(duì)比篩選。各配置溶液500 mL，倒入攪拌杯內(nèi)進(jìn)行攪拌，再將降泡沫倒入量筒內(nèi)進(jìn)行靜置觀察，通過計(jì)時(shí)器記錄泡沫的析水半衰期和泡沫半衰期，衡量不同聚合物對(duì)泡沫體積的影響，綜合評(píng)價(jià)泡沫的穩(wěn)定性。本次實(shí)驗(yàn)選取的8種聚合物穩(wěn)泡劑為油田常用聚合物類穩(wěn)泡劑。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。可見天然改性類穩(wěn)泡劑材料與發(fā)泡劑復(fù)配體系的泡沫穩(wěn)定性與發(fā)泡劑基液相比出現(xiàn)明顯下降。PFL系列產(chǎn)品及MD-D穩(wěn)泡劑具有良好的抗高溫能力，但MD-D在老化后具有更高的析液穩(wěn)定性。因此，優(yōu)選出MD-D作為后續(xù)泡沫體系評(píng)價(jià)的穩(wěn)泡劑。

表2 穩(wěn)泡劑/發(fā)泡劑體系的泡沫性能

2.3 抗溫土優(yōu)選

按照對(duì)0.5%濃度不同黏土和0.5%MD-D、0.2 wt%DC-1混合后進(jìn)行對(duì)比篩選泡沫穩(wěn)定性。各配置溶液500mL，倒入攪拌杯內(nèi)進(jìn)行攪拌，再將降泡沫倒入量筒內(nèi)進(jìn)行靜置觀察，通過計(jì)時(shí)器記錄泡沫的析水半衰期和泡沫半衰期，衡量不同聚合物對(duì)泡沫體積的影響，綜合評(píng)價(jià)泡沫的穩(wěn)定性。

分別將天然凹凸棒粉和海泡石分散到聚合物/發(fā)泡劑溶液中，評(píng)價(jià)體系的泡沫性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示?？梢缘贸?，含有凹凸棒粉的體系老化前后的泡沫具有更高的穩(wěn)定性，因此選用凹凸棒粉增強(qiáng)高溫泡沫的穩(wěn)定性。

表3 發(fā)泡劑/聚合物/黏土體系泡沫性能

3 泡沫鉆井液抗高溫性能評(píng)價(jià)

對(duì)優(yōu)選出的0.5%棒粉+0.5% MD-D+0.2 wt%DC-1體系進(jìn)行了抗溫能力評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)。分別在180、210和230℃下老化2h、4h后的泡沫性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示?？梢钥闯觯谙嗤睦匣瘯r(shí)間2h條件下，隨著老化溫度的升高泡沫粘度并沒有出現(xiàn)降低。對(duì)比230℃老化2h和4h后的體系，仍具有良好的泡沫穩(wěn)定性和發(fā)泡能力，說明初步形成的泡沫體系具有良好的抗230℃高溫的能力。

表4 發(fā)泡劑/聚合物/粘土體系抗溫實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 泡沫鉆井液抗污染能力評(píng)價(jià)

對(duì)欠平衡鉆進(jìn)而言，地層壓力略微高于井筒內(nèi)壓力，地層流體侵入到鉆井液會(huì)對(duì)鉆井液產(chǎn)生不同程度的影響。因此試驗(yàn)考查了不同鹽類型及加量對(duì)泡沫鉆井液體系的污染，結(jié)果如表5所示。從結(jié)果可以看出，在發(fā)泡基液中分別加入10% NaCl后老化后泡沫析液半衰期和流變性能基本不變，加入20% NaCl后析液半衰期甚至出現(xiàn)略微增加，這表明該體系耐一價(jià)鹽能達(dá)到20%；而且在加入5% CaCl2后析液半衰期仍在5 min以上。

表5 抗鹽能力評(píng)價(jià)結(jié)果

采用分散體系穩(wěn)定性分析儀對(duì)上述配方制備的泡沫平均粒徑進(jìn)行了測(cè)試，從泡沫粒徑測(cè)試結(jié)果可以看出，高溫老化造成泡沫平均粒徑增大。當(dāng)NaCl濃度大于10%時(shí)粒徑逐漸降低，其析液半衰期出現(xiàn)升高，說明一價(jià)鹽促進(jìn)發(fā)泡劑在界面上的排布，因此有助于泡沫膜的穩(wěn)定和泡沫穩(wěn)定性的提高。而加入二價(jià)的CaCl2后老化后的泡沫平均粒徑逐漸降低，老化前粒徑先升高后降低，但結(jié)合圖1中的泡沫性能可以推斷，二價(jià)鹽的加入雖然能夠在一定程度上減小泡沫平均粒徑大小，但在析液過程中Ca2+離子造成泡沫膜兩氣液界面的不穩(wěn)定，表現(xiàn)出泡沫穩(wěn)定性出現(xiàn)明顯下降。

圖1 泡沫平均粒徑對(duì)鹽濃度變化Fig.1 The average expected foam changes in salt concentrationa-NaCl濃度變化；b-CaCl2濃度變化a-NaCl concentration change;b-CaCl2 concentration change

5 結(jié)論

(1)通過實(shí)驗(yàn)優(yōu)選出抗高溫表活劑DC-1作為泡沫體系的發(fā)泡劑,優(yōu)選出MD-D作為抗高溫穩(wěn)泡劑。對(duì)抗溫土進(jìn)行優(yōu)選，發(fā)現(xiàn)含有凹凸棒粉的體系的泡沫具有更高的穩(wěn)定性。

(2)通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果顯示經(jīng)過230℃老化2h和4h后的體系，仍具有良好的泡沫穩(wěn)定性和發(fā)泡能力，說明優(yōu)選的泡沫體系具有良好的抗230℃高溫的能力和良好的抗污染能力。

(3)在230℃下對(duì)地?zé)峋垢邷劂@井液各關(guān)鍵處理劑進(jìn)行優(yōu)選的基礎(chǔ)上，通過其它關(guān)鍵材料優(yōu)選，得出一套抗高溫能力可達(dá)230℃高溫，HTHP失水≤20 mL、具有較好懸浮攜帶能力的地?zé)峋垢邷丨h(huán)保鉆井液體系。

[注 釋]

①Hole H.2006.Aerated fluids for drilling of geothermal wells[R].United Nation University Geothermal Training Programme.