原油基可循环微泡沫钻井液技术室内研究

张艳红

(中国石化华北石油工程有限公司河南钻井分公司，河南南阳 473132)

微泡沫钻井液能有效减少钻井液损失，具备优良的防堵防漏效果。原油基可循环微泡沫钻井液对原油基钻井具有很强的抑制性和润滑性，充分利用了微泡钻井液的高效封堵、携带悬浮和储层保护等优点，减少了检修中复杂事故的发生，解决一些特殊地质问题的流体钻井问题，稳泡剂、发泡剂、降滤失剂、乳化剂等主要组成原油基可循环微泡沫钻井液。作者对上述处理方法进行筛选和优化，满足0.80～0.90g/cm²可调密度，形成原油基可循环微泡沫钻井液技术，半衰期480分钟以上，乳化电压值1200V以上，API水分损失3mL以下，耐热120℃。

1.油基微泡沫的基本原理

1.1 微泡沫结构

由两部分组成油基微泡和水基微泡，首先，保护壳。其次，流体（气体或液体）核，通常是空气。表面活性剂薄膜被粘稠的水层包裹着，表面活性剂的两层结构是外表，水基微泡与油基可循环微泡沫的结构相似。通过在连续体中添加聚合物处理和表面活性剂而形成的是油基可循环微泡沫钻井液。3-10μm为壁厚，15-150μm为粒径，内部像气囊，外面是保护壳。在连续相中分散形成稳定的气液系统，在粘性水层中形成油基可循环微泡沫内部的表面活性剂薄膜包裹，外层为表面活性剂层。

1.2 作用原理

1.2.1 封堵性机理

在温度和压力的作用下，可循环微泡沫的体积和形状会根据地层中泄漏通道的大小自动变化，堵塞各种尺寸的泄漏通道。也就是说，它是自匹配封堵的，封堵机制如下：首先，油基微泡内压。微泡内的空气当油性微泡到达井底时，被压缩。微气泡的体积伴随压力的升高和外部温度减小，而微泡内部的压力升高。微泡会穿透低压地层的孔隙或洞穴，当钻头遇到枯竭的地层时，微泡中储存的部分能量被释放出来，微泡再次膨胀，直到微泡的内外压力达到平衡。对于单气泡毛细管，压力非常低，但卡明效应表明毛细管作用区中许多微气泡的累积阻力可以非常高。只有当压差能够克服毛细管力时，微气泡才开始移动。此时，作用在储层上的压力梯度无法克服jamin效应，使微气泡深入渗透到可渗透地层相互连接的孔隙中，从而形成无固桥。第二，降低液柱压力。由于密度低的油基微泡沫钻井液，在一定程度上有助于防止泄漏，降低了井底静水柱压力。第三，具备高粘度特性。单一组分钻井液的表观粘度低于油基可循环微泡沫钻井液体系的表观粘度，这是因为界面随着微气泡流动、吸收能量和相互粘附而变形。结果，流动阻力增加，随着剪切速率的增加渗漏地层孔道内微泡沫系统的表观粘度而增加，在井底当微泡遇到裂缝或低压时，增加粘度，剪切速率减慢，泡沫增多，防漏堵漏更有效。

1.2.2 抑制性机理

油基微泡沫在一定程度上降低了井壁坍塌的风险，具有合适的粒径和填充和堵塞孔隙的能力。同时，分散介质以基础油为油基可循环微泡沫钻井液，与其接触的水敏地层不会因分散泥浆和水化膨胀的形成而收缩或坍塌，因此，钻井液体系具有很强的抑制性。

2.原油基可循环微泡沫钻井液的组成

由70%的原油和30%水乳化剂组成原油基可循环微泡沫钻井液的基础液，是一种能与两种或多种不混溶成分混合形成稳定乳液的化合物，其作用原理是在乳化过程中在分散相中以细小液滴（微米级）的形式分散。（0.75-0.95g/cm²为密度一般相对的原油，有一些小于0.75g/cm²或大于0.95g/cm²,重质原油为0.9-1.0g/cm²的相对密度，小于0.9g/cm²称为轻质原油，轻质原油为测试所用原油，0.85g/cm²为原油密度）在连续相中，在液滴表面形成硬膜或施加双电，乳化剂降低了混合体系中各组分的界面张力，乳化剂所给予的电荷聚集在一起，保持乳化均匀，在泡腾中防止液滴形成均匀的具有高表面活性的乳化。助推剂能有效降低液体的表面张力，具有高表面活性，双液膜表面的电子层，并包围空气，形成气泡，然后将空气包裹在单个气泡中，形成小的微泡。泡沫的质量和稳定性提高了稳泡剂的作用，增加了泡沫的粘度。由于其弹性，泡沫形成稳定的外壁结构。

3.原油基可循环微泡沫钻井液配方筛选

3.1 原油基可循环微泡沫钻井液发泡剂的优选

选择油水相容发泡剂、烷基苯磺酸钠、MF-1，通过数据收集和检索，在（70%原油+30%水）400mL基液进行最佳发泡剂等几种处理剂测试。如表1所示测试结果。试验结果显示，在相同基液下，稳泡时间长达85分钟，最高可达500mL油水相容发泡剂起泡量，油水相容发泡剂性能良好。半衰期长，有起泡作用，请选择与油水相容的起泡剂。

表1 发泡剂对比表

3.2 原油基可循环微泡沫钻井液乳化剂的优选

3种乳化剂通过数据采集、对比、检索最终选择，例如乳化剂3、乳化剂2、乳化剂1。以上3种乳化剂按配方（油水相容发泡剂0.5%+30%+70%原油）筛选，2%（8g）为乳化剂添加量，如表2所示测试结果。测试结果表明，1056 V为乳化剂1的最高乳化电压（ES）值，最大增加110分钟半衰期，最大增加550 mL泡沫体积。因此，乳化剂1是最好的，它具有乳化作用，起泡量与最长的半衰期一样好。

表2 乳化剂对比表

3.3 原油基可循环微泡沫钻井液稳泡剂的优选

3种泡沫稳定剂通过检索、数据采集和比较，最终选定。例如高粘度聚离子纤维素、低粘度聚离子纤维素、黄原胶。选用上述三种稳泡剂，配方中（乳化剂2%1+0.5%油水相容发泡剂+30%水+原油70%），0.5%（2g）为加入量，如表3所示测试结果。

表3 稳泡剂对比表

测试结果显示，黄原胶在相同剂量下，300分钟至少为半衰期，500 mL为最大泡腾量。低粘度聚离子纤维素380分钟为半衰期，480mL为最长起泡量。高粘度聚离子纤维素400分钟为半衰期，450mL至少为泡体积。但是，使用高粘度聚离子纤维素作为稳泡剂的钻井液样品会产生较大的泡沫，视觉泡沫质量较差。将上述3种稳泡剂成对组合作为稳泡剂，经总结分析，进行以下试验。如表4所示测试结果，低粘度聚离子纤维素和黄原胶测试结果显示，520mL为最长可达的发泡体积，360分钟为第二位的半衰期。低粘聚离子纤维素和高粘聚离子纤维素的半衰期最长，460 毫升至少为起泡能力，385分钟为粘度聚离子纤维素。低粘度聚离子纤维素化合物和黄原胶使用是最好的视觉泡沫质量，作为泡沫稳定剂的钻井液样品。综上所述，低粘度聚离子纤维素与稳泡剂作为黄原胶的组合，具有最佳的稳泡效果。

表4 稳泡剂对比表

3.4 原油基可循环微泡沫钻井液降虑失水剂的优选

3种降失水剂通过检索、数据收集、对比最终选择，分别是聚合物降率失剂、KH-931无荧光抗塌落降失水剂、有机褐煤降率失剂。上述3种降失水剂在配方中加入，（2%乳化剂+油水相容发泡剂0.5%+低粘度聚离子纤维素0.25%+30%水+黄原胶10.25%+70%原油）降滤失剂As筛选结果，2%（8g）为滤液还原剂的加入量，测试结果见表5。选择有机褐煤降滤失剂是因为试验结果表明有机褐煤降滤失剂在钻井液样品中的最小API为5.2mL。

表5 降滤失剂对比表

4.原油基可循环微泡沫钻井液配方优化

优化筛分稳泡剂、降失水剂、发泡剂、乳化剂的添加，实现API水分损失等于更小的3mL，480分钟及以上是半衰期，0.80～0.90g/cm²为密度可调，120℃是耐热，破乳电压值超过1200。70:30为原油与水的比例，即，水形成基液120 毫升和原油280毫升。大量实验表明，0.3%～0.5%为最佳添加量的稳泡剂，0.25%～ 0.3%为最佳添加量的发泡剂，2.5%～3.5%为最佳添加量的乳化剂，3%～4%为减少降率失剂最佳用量，以下面的配方为例。配方：有机褐煤减失液剂12g+1.2g低粘度聚离子纤维素+1.2g黄原胶+发泡剂1g+120mL水+原油280mL++乳化剂10g，见试验表6。120℃轧制老化16小时后，0.86 g/cm²为测试结果的钻井液密度，1680 V为乳化电压，1.8mL为中压失水量，580min为半衰期，均满足要求。

表6 钻井液性能表

5.应用探讨及建议

5.1 原油基可循环微泡沫钻井液的应用探讨

油基可循坏微泡沫作为一种新型钻井液，提供了强大的抑制示范，不仅充分发挥了微泡沫钻井液高效堵塞、悬浮输送、保护储层等优点，在石油基钻井液的耐高温性强和润滑性高。原油基可循坏微泡沫钻井液可以应用于低压低渗透油藏，也可以应用于页岩气开发领域。此类地层中的钻井过程会影响常用的钻井液系统低压储层，尤其是气藏，利用低密度油基可循坏微泡沫钻井液，具有防漏堵、耐高温、强抑压等优点，适用于低压低渗透油藏钻井过程中的油藏保护。原油基可循坏微泡沫钻井液可应用于石膏层和盐层之间的低压油气藏，这种类型的油气藏包含盐层和石膏层，流通容易流失，地层压力低，开挖困难。利用石油基可循坏微泡沫钻井液优异的低密度、耐盐性和强防漏能力，可以开发低压易漏盐石膏油气藏的技术。

5.2 结论

首先，可在0.80～0.90g/cm²范围内调节原油基可循坏微泡沫钻井液密度，API失水小于3mL，半衰期大于480分钟。其次，基于原油的可循坏微泡沫钻井液的耐热性达到120℃。

5.3 建议

首先，原油基可循坏微泡沫钻井液密度可调，密度低，可有效减少对储层的破坏，起到保护储层的作用。

其次，油基微泡钻井液价格比较高，由于钻井泥浆水处理剂用料比较少，油基微泡钻井液的开发应用，建议增加成本处理剂在该领域的开发和应用，以减少和促进石油基微泡钻井液的开发。

5.4 原油基可循环微泡沫钻井液钻井液发展建议

稳泡剂及高分子材料的研究在原油基微泡体系相对成熟，而原油基可循坏微泡沫钻井液用稳泡剂及高分子材料的研究较少。原油基可循坏微泡沫钻井液一定程度上限制了原油基可循坏微泡沫钻井液的使用，发泡剂成本高。因此，建议增加原油基可循坏微泡沫钻井液的使用，推荐使用流体发泡剂和稳泡剂。研发工作降低了总体成本并促进了原油基可循坏微泡沫钻井液的现场应用。为低压油藏钻井作业提供了一种新的钻井液体系，能有效防止循环漏失的发生，达到保护油藏的目的，对低压油藏具有非常广泛的应用前景。