馬騰飛，周 宇，李志勇，孫晗森，楊 剛

（1.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司，北京 100016；2.中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院，北京 102249）

隨著我國(guó)常規(guī)能源需求的不斷增長(zhǎng)及已探明儲(chǔ)量的深度開(kāi)采，氣源的勘探開(kāi)發(fā)正逐步向煤層氣這種自身自儲(chǔ)式、綠色環(huán)保型的非常規(guī)天然氣源發(fā)展［1-2］。煤層氣開(kāi)采鉆井過(guò)程中所鉆遇地層多為不穩(wěn)定泥頁(yè)巖段與煤層段，鉆井液易侵入儲(chǔ)層導(dǎo)致井壁發(fā)生水化膨脹，堵塞儲(chǔ)層裂縫和孔喉，對(duì)煤儲(chǔ)層造成傷害［3-4］。屏蔽暫堵液鉆井液易被煤巖吸附引起煤層割理和節(jié)理發(fā)育，造成儲(chǔ)層段孔隙度和滲透率降低；清水鉆井液與煤層流體的配伍性不足易造成黏土礦物水化膨脹；無(wú)黏土鉆井液在井壁上實(shí)際形成的泥皮質(zhì)量較差易導(dǎo)致固相物質(zhì)侵入煤儲(chǔ)層；較高pH值的低固相聚合物鉆井液會(huì)促進(jìn)水化作用從而加劇煤層坍塌［5-6］。對(duì)比以上常規(guī)煤層氣鉆井液，微泡沫鉆井液主要通過(guò)架橋封堵孔喉及裂縫，且密度和液柱壓力較低，可以有效減少鉆井液侵入煤層儲(chǔ)層，具有良好的儲(chǔ)層保護(hù)性能［7-8］。已有的應(yīng)用實(shí)例表明，水基微泡沫鉆井液在煤層氣鉆井方面具有較強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景［9-10］。馬文英等［11］將發(fā)泡劑、增黏劑、降濾失劑等進(jìn)行篩選復(fù)配，研發(fā)出一種氣、液、固三相分散的微泡沫鉆井液體系，并在中原油田4口井和科索1井得到成功應(yīng)用。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明該鉆井液具有良好的抗高溫性能和較強(qiáng)的抑制性。李承林［12］將耐高溫塑料發(fā)泡劑（ABS）和十二烷基硫酸鈉（SDS）兩種陰離子型起泡劑復(fù)配后配制出可循環(huán)微泡沫鉆井液體系。該體系顯著提高了海拉爾盆地X1 井的機(jī)械鉆速和井壁穩(wěn)定性。劉振東等［13］研制出一種新型起泡劑，并將聚陰離子纖維素（PAC）與生物聚合物黃原膠（XC）復(fù)配作為穩(wěn)泡劑，配制出無(wú)固相微泡沫鉆井液體系。在邵4-平1井的應(yīng)用過(guò)程中，鉆井液抑制性能突出，固相侵入明顯減少。劉德勝等［14］在哈345-X井進(jìn)行三開(kāi)鉆進(jìn)時(shí)，用陰離子型起泡劑和穩(wěn)泡劑等配制出微泡沫鉆井液體系，發(fā)現(xiàn)鉆井液的抗高溫能力和攜砂能力明顯提高。牛步青等［15］以聚胺為水化抑制劑，優(yōu)選加重劑和增黏劑等處理劑，研制出了聚胺微泡沫鉆井液體系。該體系不僅具有較好的抗溫、抗鹽作用，還能起到有效保護(hù)儲(chǔ)層的作用。但以往設(shè)計(jì)微泡沫鉆井液主劑的過(guò)程中，缺乏在不同類型起泡劑的復(fù)配機(jī)理基礎(chǔ)上進(jìn)行起泡劑的設(shè)計(jì)與合成，只是單一的對(duì)起泡劑和穩(wěn)泡劑進(jìn)行研制或是兩者之前的復(fù)配，而復(fù)配過(guò)程則只是通過(guò)簡(jiǎn)單的正交實(shí)驗(yàn)確定最優(yōu)組合，不能分析各設(shè)計(jì)變量的交互作用對(duì)微泡沫所產(chǎn)生的影響。

針對(duì)泥頁(yè)巖、煤巖等易坍塌煤層氣儲(chǔ)層鉆井過(guò)程中發(fā)生的鉆井液易濾失、井壁失穩(wěn)、儲(chǔ)層傷害等問(wèn)題，將研制的雙子型陰離子起泡劑（LHPF-1）與兩性離子起泡劑（BS-12）進(jìn)行復(fù)配，并加入生物聚合物（XC）提升泡沫穩(wěn)定性和泡沫壽命，利用響應(yīng)曲面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)確定3 者的最優(yōu)加量，并分析各處理劑間的交互作用對(duì)于泡沫綜合指數(shù)的影響。在此基礎(chǔ)上優(yōu)選降濾失劑和抑制劑，最終確定微泡沫鉆井液的配方。研究了微泡沫鉆井液的綜合性能，并在滇東地區(qū)老廠勘探區(qū)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

二氯甲烷溶液、氫氧化鈉（96%）、氫氧化鉀、西曲溴銨、雙酚F、4-溴-1-丁醇、氯磺酸、乙醇，分析純，北京伊諾凱科技有限責(zé)任公司；煤堿劑（SCUR）、羥丙基淀粉（HPS）、羧甲基淀粉鈉（CMS），化學(xué)純，山東得順源石油科技有限責(zé)任公司；十二烷基二甲基甜菜堿（BS-12），化學(xué)純，廣州市源生泰化工有限公司；生物聚合物黃原膠（XC），化學(xué)純，四川省成都市中浩化工有限公司；褐煤樹(shù)脂（SPNH），化學(xué)純，河北廊坊藍(lán)錦環(huán)?？萍加邢薰荆痪郾╇姘罚∟H4HPAN），化學(xué)純，河北鴻澤化工有限公司；聚丙烯酸鉀（KPAM），化學(xué)純，延安朝政泥漿責(zé)任有限公司；石英砂，北京博恩科創(chuàng)科技有限公司；煤粉，取自云南老廠勘探區(qū)LC-C5井1200～1210 m儲(chǔ)層段；巖樣均取自云南恩洪區(qū)塊EH-C7井；現(xiàn)場(chǎng)鉆井液分別來(lái)自云南恩洪區(qū)塊EH-C7 井和云南老廠勘探區(qū)LC-C1井。

VHX-7000 型光學(xué)顯微鏡，基恩士（中國(guó)）有限公司；ET-03L 型液體密度計(jì)，北京儀特諾電子科技有限公司；GJD-B12K型變頻高速攪拌機(jī)、CPZ-Ⅱ型雙通道泥頁(yè)巖膨脹儀、ZNN-D6型六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)、SD-6 型中壓濾失儀、FA 型無(wú)滲透鉆井液濾失儀、BGRL-7 型高溫滾子加熱爐，青島同春石油儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 起泡劑LHPF-1的合成

（1）首先將45 mL 二氯甲烷溶液、10.4 g 氫氧化鉀、1.5 g西曲溴銨裝入帶有尾氣吸收裝置和回流冷凝管的三口燒瓶中；加溫至30 ℃后，加入17.5 g 雙酚F，繼續(xù)加溫至50 ℃，再加入68.5 g 4-溴-1-丁醇，持續(xù)攪拌使反應(yīng)徹底。反應(yīng)完成后，待體系冷卻，對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行過(guò)濾提純，得到雙醚醇中間體，反應(yīng)式見(jiàn)式（1）。

（2）攪拌條件下，將雙醚醇中間體加入盛有45 mL 二氯甲烷溶液的三口燒瓶（裝有HCl 處理裝置）中；在10 ℃下，向體系中緩慢滴加10.5 g氯磺酸，持續(xù)攪拌升溫至45 ℃，排出HCl；攪拌下滴入2%NaOH乙醇溶液，直到pH=7，加入乙醇，熱過(guò)濾除去無(wú)機(jī)鹽，蒸餾除去乙醇，得到所述起泡劑LHPF-1，反應(yīng)式見(jiàn)式（2）。

1.2.2 起泡劑和穩(wěn)泡劑的復(fù)配

（1）Box-Behnken 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)法。將兩種起泡劑和穩(wěn)泡劑的復(fù)配通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和建模，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行回歸擬合和響應(yīng)曲面分析，求出相對(duì)應(yīng)的各個(gè)因素的響應(yīng)值（泡沫綜合指數(shù)Fq）。在各個(gè)因素的響應(yīng)值基礎(chǔ)上，找出各因素的最優(yōu)水平值以及相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)條件［16-17］。

（2）泡沫綜合指數(shù)Fq的計(jì)算。參考石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5350—2009《鉆井液用發(fā)泡劑評(píng)價(jià)程序》，評(píng)價(jià)起泡劑、穩(wěn)泡劑在不同比例組合下的起泡能力和穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)中向100 mL 去離子水加入一定濃度的起泡劑、穩(wěn)泡劑，在11 000 r/min 轉(zhuǎn)速下攪拌1 min后，立即倒入500 mL量筒中，開(kāi)始計(jì)時(shí)，記錄初始泡沫最大起泡量Vm，當(dāng)泡沫析出液體的體積達(dá)到50 mL時(shí)，停止計(jì)時(shí)，記為泡沫半衰期t，然后按Fq=3×Vm×t/4計(jì)算泡沫綜合指數(shù)［18］。

1.2.3 降濾失劑及抑制劑的優(yōu)選

在優(yōu)選出的起泡劑和穩(wěn)泡劑組合基礎(chǔ)上配制200 mL 基液，在11 000 r/min 下持續(xù)攪拌1 min，分別加入SPNH、NH4HPAN、SCUR、HPS 和CMS 5 種微泡沫鉆井液體系常用的降濾失劑，測(cè)試其降濾失性能及對(duì)體系流變性的影響，然后進(jìn)行降濾失劑組合加量?jī)?yōu)選實(shí)驗(yàn)。

在優(yōu)選出的起泡劑、穩(wěn)泡劑和降濾失劑組合基礎(chǔ)上配制200 mL 基液，在11 000 r/min 下持續(xù)攪拌1 min，加入不同濃度的KPAM，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)鄰井EH-C7井972～982 m 段的泥巖巖樣進(jìn)行滾動(dòng)回收率實(shí)驗(yàn)和泥頁(yè)巖膨脹性實(shí)驗(yàn)。參照石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5613—2000《泥頁(yè)巖理化性能試驗(yàn)方法》，進(jìn)行抑制劑加量?jī)?yōu)選，最終得到新型低傷害高性能微泡沫鉆井液的最優(yōu)配方。

1.2.4 體系的綜合性能評(píng)價(jià)

（1）泡沫微觀結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)。將200 mL新型低傷害高性能微泡沫鉆井液在11 000 r/min 下持續(xù)攪拌1 min，產(chǎn)生豐富的泡沫后，迅速取出泡沫樣品并放置在玻璃薄片上觀察其微觀特征，利用光學(xué)顯微鏡對(duì)微泡沫的粒徑進(jìn)行觀察與記錄。

（2）抗污染性評(píng)價(jià)。依據(jù)最優(yōu)配方配制200 mL新型低傷害高性能微泡沫鉆井液，分別向基液中加入不同加量的巖屑和煤粉，以密度、濾失量、起泡量和半衰期等作為指標(biāo)，評(píng)價(jià)體系的抗巖屑污染性能和抗煤粉污染性能。

（3）抑制性評(píng)價(jià)。選取現(xiàn)場(chǎng)EH-C7 井8#、9#和16#3 個(gè)主力煤層的頂?shù)装鍘r屑，參照SY/T 5613—2000，分別對(duì)去離子水、現(xiàn)場(chǎng)取回的EH-C7 井鉆井液、LC-C1 井鉆井液和新型低傷害鉆井液進(jìn)行巖樣回收率和膨脹量實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)條件：常溫常壓×8 h，滾動(dòng)條件：46 ℃×16 h，初始質(zhì)量50 g。

（4）封堵性能評(píng)價(jià)。借助FA 型無(wú)滲透鉆井液濾失儀，通過(guò)填充不同目數(shù)砂粒模擬地層不同大小的孔隙和裂縫，評(píng)價(jià)體系的封堵能力。分別將350 cm3的0.180～0.250 mm（80～60 目）、0.150～0.180 mm（100～80 目）、0.125～0.150 mm（120～100 目）石英砂倒入筒狀且可透視的鉆井液杯中的濾網(wǎng)上，再倒入500 cm3的鉆井液，擰緊杯蓋，接通氣源，將壓力調(diào)至0.7～1.0 MPa，30 min 后觀察記錄鉆井液滲透的深度。

（5）儲(chǔ)層保護(hù)性能評(píng)價(jià)。參考石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6540—2002《鉆井液完井液損害油層室內(nèi)評(píng)價(jià)方法》，選取EH-C7井的2塊煤巖巖心進(jìn)行滲透率恢復(fù)實(shí)驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 兩種起泡劑和穩(wěn)泡劑的復(fù)配機(jī)理

起泡劑是泡沫鉆井液中的核心處理劑之一，主要通過(guò)降低氣水界面張力促使形成具有一定穩(wěn)定性的泡沫。筆者在合成雙子型陰離子表面活性劑LHPF-1的過(guò)程中，在分子結(jié)構(gòu)中引入兩個(gè)顯負(fù)電性質(zhì)的親水硫酸基團(tuán)，利用負(fù)電基團(tuán)在氣水界面產(chǎn)生的靜電斥力降低氣泡的聚并速度，提高泡沫穩(wěn)定性；同時(shí)苯環(huán)、碳鏈等親油基團(tuán)有益于提高泡沫的穩(wěn)定性，延長(zhǎng)泡沫壽命。而當(dāng)兩性離子起泡劑BS-12與LHPF-1復(fù)配時(shí)，兩性離子起泡劑極性基團(tuán)所帶的正電荷對(duì)于陰離子起泡劑的陰離子基團(tuán)存在靜電吸引作用［19-20］，使得LHPF-1分子在氣液界面上的排列更為緊密，可以增強(qiáng)降低氣水界面張力能力的同時(shí)延長(zhǎng)泡沫壽命。受泡沫歧化和重力排液影響，泡沫最終不可避免的會(huì)發(fā)生聚并和破滅，因此加入穩(wěn)泡劑生物聚合物XC，利用其自身良好的增黏提切性質(zhì)增大泡沫液膜的黏度以及厚度，降低泡沫排液速率和氣體擴(kuò)散速率，從而有效提升泡沫穩(wěn)定性［21-22］。

2.2 兩種起泡劑和穩(wěn)泡劑的復(fù)配結(jié)果

Box-Behnken 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1～3。由表3回歸方程方差分析與顯著性分析可知，所建立的預(yù)測(cè)模型較為穩(wěn)定，可以與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行較好地?cái)M合（Pr＞F ＜0.0001，模擬的失擬項(xiàng)P 值為0.3740）［23-24］。由圖1 響應(yīng)曲面圖結(jié)果分析可得，變量A 和變量B對(duì)于泡沫綜合指數(shù)Fq的交互作用最大，形成的曲面曲率也最大。變量B 和變量C 的交互作用次之，變量A和變量C的交互作用最小。結(jié)合表3中的F值可知各個(gè)自變量對(duì)于Fq的顯著性影響程度依次為：穩(wěn)泡劑XC 濃度＜起泡劑BS-12 濃度＜起泡劑LHPF-1濃度。注意到變量C對(duì)Fq的影響較小，但Fq隨著A和B濃度的增大先增加后減小。分析認(rèn)為隨著起泡劑（LHPF-1）濃度增加，初始時(shí)BS-12極性基團(tuán)所帶的正電荷與LHPF-1的陰離子基團(tuán)之間的靜電作用不斷增強(qiáng)，氣水界面張力下降較快，F(xiàn)q快速上升；當(dāng)濃度達(dá)到一定程度時(shí)，起泡劑（BS-12）分子大量分布在泡沫液膜表面，造成泡沫液膜表面吸附的LHPF-1分子有所減少，二者之間的靜電作用強(qiáng)度減弱，降低氣水界面張力能力下降。同理，當(dāng)BS-12分子濃度較大時(shí)，也會(huì)造成Fq不斷降低。基于此，利用Box-Behnken優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)分析得到二者和穩(wěn)泡劑的最優(yōu)比例組合應(yīng)為：0.25% LHPF-1+0.25%BS-12+0.25%XC。

圖1 泡沫綜合指數(shù)的響應(yīng)曲面圖

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)因素編碼與水平表

表2 Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及其響應(yīng)值

表3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果方差分析與顯著性分析

2.3 降濾失劑及抑制劑的優(yōu)選

2.3.1 降濾失劑優(yōu)選

鑒于滇東煤儲(chǔ)層段鉆井液易濾失侵入儲(chǔ)層，堵塞儲(chǔ)層裂縫和孔喉，對(duì)煤儲(chǔ)層造成傷害。在初步優(yōu)選配方（水+0.25% LHPF-1+0.25% BS-12+0.25%XC）中分別加入2%的SPNH、NH4HPAN、SCUR、HPS和CMS 5種微泡沫鉆井液體系常用降濾失劑，測(cè)試其降濾失性能及對(duì)體系流變性的影響，然后進(jìn)行降濾失劑組合優(yōu)選，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4、表5。

表4 降濾失劑性能評(píng)價(jià)

表5 降濾失劑復(fù)配優(yōu)選實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)比空白組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，基液中分別加入2%的SPNH、NH4HPAN、SCUR 3 種降濾失劑對(duì)體系的流變性影響較小，降濾失效果明顯。由于微泡沫體系中固相含量較少，SPNH和NH4HPAN的復(fù)配可以改善泥餅質(zhì)量，形成韌性更強(qiáng)的泥餅，有效降低濾失量。其中降濾失劑復(fù)配組合1% SPNH+1%NH4HPAN 的綜合性能最優(yōu)。后續(xù)以此為基礎(chǔ)進(jìn)行體系的構(gòu)建。

2.3.2 抑制劑優(yōu)選

滇東煤儲(chǔ)層巖樣黏土礦物含量較高，遇水后易發(fā)生膨脹、分散，使井壁坍塌，造成井下故障，井眼穩(wěn)定性問(wèn)題亟待解決。因此，在上述優(yōu)化配方中加入不同濃度的KPAM，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)鄰井EH-C7 井泥巖巖樣進(jìn)行滾動(dòng)回收率實(shí)驗(yàn)和泥頁(yè)巖膨脹性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。KPAM 有助于改善體系的流變性能，對(duì)體系的起泡量和半衰期的影響較小。且隨著KPAM 加量增大，KPAM 分子形成團(tuán)狀結(jié)構(gòu)包被在巖樣表面，封堵巖樣孔隙，抑制其水化分散，有效增加巖樣回收率，并降低巖樣膨脹率。當(dāng)加量大于0.2%時(shí)，巖樣滾動(dòng)回收率可達(dá)90%以上，膨脹率降低至0.02%以下。

圖2 聚丙烯酸鉀加量?jī)?yōu)選

2.4 微泡沫鉆井液綜合性能評(píng)價(jià)

最終確定微泡沫鉆井液的優(yōu)選配方為：0.25%LHPF-1+0.25% BS-12+0.25% XC+1% SPNH+1%NH4HPAN+0.2%KPAM。以此為基礎(chǔ)，進(jìn)行微泡沫鉆井液的綜合性能評(píng)價(jià)。

2.4.1 泡沫微觀結(jié)構(gòu)

利用光學(xué)顯微鏡對(duì)產(chǎn)生的微泡沫進(jìn)行觀察與記錄，結(jié)果見(jiàn)圖3。普通泡沫隨著靜置時(shí)間的延長(zhǎng)，部分氣泡體積變大，玻璃薄片上單位面積內(nèi)的氣泡個(gè)數(shù)逐漸減少，且液膜變薄，在大氣壓和液膜自重的影響下，泡沫較易破裂，表明該條件下的微泡沫體系較不穩(wěn)定。對(duì)比普通泡沫，微泡沫的液膜較厚，大部分液膜厚度能達(dá)到泡沫尺寸的一半，且微泡沫間呈分散排列，不存在Plateau邊界或受Plateau效應(yīng)影響較小［25］，表明新型低傷害高性能微泡沫鉆井液產(chǎn)生的泡沫鎖液能力較強(qiáng)，泡沫也更加穩(wěn)定。

圖3 普通泡沫（a）和微泡沫（b）的顯微鏡照片（200倍）

2.4.2 抗污染性能

新型低傷害高性能微泡沫鉆井液的抗污染性能評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表6。隨著巖屑和煤粉的加入，微泡沫鉆井液密度略有增加，但對(duì)體系濾失量的影響較小。鉆井液仍可以保持較好的流變性能和起泡性能，表明微泡沫體系的抗巖屑污染能力和抗煤粉污染能力較強(qiáng)。

表6 巖屑和煤粉對(duì)微泡沫鉆井液起泡性能和流變性能的影響

2.4.3 抑制性能

巖樣回收率實(shí)驗(yàn)和膨脹性實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖4。相對(duì)于清水和現(xiàn)場(chǎng)鉆井液體系，新型低傷害高性能微泡沫鉆井液體系能顯著提高巖屑滾動(dòng)回收率，回收率都在90%以上，同時(shí)可以將膨脹率控制在3%以下，表明其抑制性和控制泥頁(yè)巖水化分散的能力更好。分析認(rèn)為，除了體系中抑制劑的包被作用，微泡沫鉆井液中的發(fā)泡劑和穩(wěn)泡劑是帶有強(qiáng)吸附親水基團(tuán)的表面活性劑，可以在巖石表面吸附形成膜結(jié)構(gòu)，疏水端朝向鉆井液，阻止泥頁(yè)巖與鉆井液的進(jìn)一步接觸，從而抑制泥頁(yè)巖的水化以及煤巖頂?shù)装宓貙影l(fā)生膨脹，阻止煤層裂縫滲流通道減小。

圖4 不同體系的滾動(dòng)回收性能（a）與膨脹抑制性能（b）對(duì)比

2.4.4 封堵性能

由表7 可見(jiàn)，微泡沫鉆井液能有效封堵不同目數(shù)石英砂所形成的孔隙空間，侵入深度較小，封堵性能和濾失性能保持良好。微泡沫在滲漏過(guò)程中經(jīng)過(guò)孔隙喉道時(shí)，受賈敏效應(yīng)影響滲流阻力大大增加［26］。這可以減輕鉆井液濾液對(duì)井壁的浸泡作用，從而降低泥頁(yè)巖的水化效應(yīng)，提升泡沫鉆井液的防塌能力。

表7 在不同壓力下微泡沫鉆井液對(duì)砂床的滲透深度

2.4.5 儲(chǔ)層保護(hù)性能

由表8 可知，新型低傷害高性能鉆井液能將對(duì)巖心封堵率和返排后的滲透率恢復(fù)值都保持在90%以上，表明微泡沫體系在吸附脫附后，對(duì)原始煤樣潤(rùn)濕性的改變較小，且泡沫的可變形特性及封堵作用可以進(jìn)一步降低鉆屑微粒及濾液進(jìn)入儲(chǔ)層的概率，起到良好的儲(chǔ)層保護(hù)效果。

表8 微泡沫鉆井液對(duì)儲(chǔ)層的保護(hù)效果

2.5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證新型低傷害高性能微泡沫鉆井液的實(shí)際應(yīng)用效果，在滇東地區(qū)老廠勘探區(qū)LC-C7-2D井二開(kāi)井段進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

2.5.1 LC-C7-2D井概況及鉆井難點(diǎn)

LC-C7-2D 井位于滇東古揚(yáng)子板塊康滇古陸東緣，設(shè)計(jì)井深為905 m。根據(jù)鄰井資料預(yù)測(cè)該地區(qū)煤儲(chǔ)層溫度約30 ℃，煤層儲(chǔ)層壓力為5.54～6.59 MPa，壓力系數(shù)為0.83～0.91。鉆井及其他施工過(guò)程中，應(yīng)注意鉆井液密度，保護(hù)煤儲(chǔ)層不受傷害。該井二開(kāi)井段主要存在以下鉆井難點(diǎn)：（1）煤儲(chǔ)層中孔隙和裂縫的尺寸變化范圍相對(duì)較大。為保證鉆井安全，要求泡沫可以最大程度自發(fā)封堵大小不同的孔隙和裂縫，并在完鉆后最大程度返排，解堵儲(chǔ)層。（2）滇東煤儲(chǔ)層蓋層多以泥巖軟巖為主，黏土含量較高，鉆井液濾液侵入泥頁(yè)巖后易引起局部水化，使井壁巖石水化膨脹或分散，導(dǎo)致井徑縮小或因剝落掉塊而擴(kuò)大。鉆井過(guò)程中泡沫鉆井液的抗污染性及儲(chǔ)層保護(hù)性能至關(guān)重要。（3）所鉆煤系儲(chǔ)層易坍塌、掉塊，有卡鉆風(fēng)險(xiǎn)，需要泡沫鉆井液具有良好的抑制性。

2.5.2 鉆井液配制及鉆井工況

按優(yōu)選配方配制新型低傷害高性能微泡沫鉆井液，鉆進(jìn)過(guò)程中可根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整各組分的加量。具體配制及使用過(guò)程如下：（1）在用原井漿鉆水泥塞直至剩1～2 m 時(shí)，將原井漿用淡水替換。（2）配制微泡沫鉆井液。在現(xiàn)場(chǎng)循環(huán)設(shè)備及攪拌設(shè)備良好的前提下，先在淡水中加入降濾失劑，充分?jǐn)嚢杓把h(huán)后，加入混合穩(wěn)泡劑和抑制劑，同時(shí)不斷測(cè)量鉆井液性能，待其充分水化、循環(huán)均勻；然后逐漸加入起泡劑，調(diào)節(jié)密度直至達(dá)到要求。（3）鉆進(jìn)期間，將鉆井液處理劑配制成膠液，緩慢、均勻加入以保持鉆井液性能穩(wěn)定，切忌大量加水；根據(jù)返砂情況、泡沫返出狀態(tài)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果，用XC、KPAM等實(shí)時(shí)調(diào)整鉆井液的黏度和切力，保證井下鉆井液具有良好的攜巖性和懸浮性。（4）微泡沫鉆井液在靜止時(shí)有少量氣泡膨脹溢出，體系密度略微上升。但重新開(kāi)鉆時(shí)，鉆井液經(jīng)過(guò)地面泥漿罐后會(huì)重新起泡、大泡變微泡沫，密度會(huì)下降。因此，下鉆到底后不能急于返排鉆井液，循環(huán)1～3周后測(cè)量密度再處理鉆井液。

2.5.3 試驗(yàn)效果

鉆進(jìn)至井深600 m 時(shí)進(jìn)入煤系地層，并嚴(yán)格控制泡沫鉆井液體系密度。其中50～905 m井段鉆進(jìn)過(guò)程中的機(jī)械鉆速為8.91 m/h，鉆進(jìn)期間井壁穩(wěn)定、鉆井液性能良好?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明，體系密度維持在0.93～0.95 g/cm3，黏度40～42 mPa·s，濾失量＜8 mL，pH 值8～10。由圖5 可見(jiàn)，LC-C7-2D 井煤系地層鉆進(jìn)過(guò)程中的平均井徑擴(kuò)大率為5.12%（鉆頭直徑0.2159 m），無(wú)任何井下復(fù)雜事故，煤氣吻合率較高。現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)篩返出的巖屑沖洗后的分散性能良好，表明微泡沫鉆井液體系能維持井壁穩(wěn)定，抑制性能良好，返出的巖屑較為均勻。

圖5 LC-C7-2D井鉆井過(guò)程中的井徑曲線圖

鄰井LC-C5 井的二開(kāi)井段采用無(wú)黏土低固相鉆井液。其中250～1440 m井段鉆進(jìn)過(guò)程中的機(jī)械鉆速為4.52 m/h，鉆井液密度維持在1.03～1.04 g/cm3，漏斗黏度為28～31 s，泥餅厚度為0.30～0.80 mm，濾失量≤9mL，含砂量＜0.2%，pH 值為8～9。其煤系地層鉆進(jìn)過(guò)程中的平均井徑擴(kuò)大率為9.22%，鉆遇煤系地層后漏失嚴(yán)重，且發(fā)生一次井下埋鉆事故。

3 結(jié)論

室內(nèi)性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，新型低傷害高性能微泡沫鉆井液密度可降至0.49 g/cm3，起泡量可達(dá)420 mL，泡沫半衰期可達(dá)33 h 以上，對(duì)煤層巖心的封堵率和滲透率恢復(fù)值均在90%以上，具有良好的流變性、攜巖性和抑制性能，同時(shí)可抗7%的巖屑和煤粉污染。

新型低傷害高性能微泡沫鉆井液在滇東地區(qū)老廠勘探區(qū)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，鉆進(jìn)時(shí)間4 d，無(wú)任何井下復(fù)雜事故，體系濾失性能和抑制性能保持良好，可以維持井壁穩(wěn)定。全井段平均井徑擴(kuò)大率為5.9%，濾失量小于5 mL，大大降低了對(duì)煤儲(chǔ)層造成的傷害，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好。