可循环强抑制性稳定泡沫钻井液研究

舒小波, 孟英峰, 万里平, 李 皋, 刘厚彬, 张宇睿

(油气藏地质及开发工程国家重点实验室(西南石油大学)，四川成都 610500)

气体钻井作为钻井提速的有效手段，因地层出水而受到限制[1]。泡沫钻井作为其有效的补充，在携岩、携水、提高机械钻速上具有独特的优势。然而，泡沫钻井过程中返出泡沫的处理问题，以及泥页岩地层的井壁失稳问题，同样是泡沫钻井亟待解决的问题[2-3]。泡沫的循环利用是解决井场泡沫大量堆积、实现环保节约的有效途径，但是目前的研究主要集中于微泡沫钻井液[4-6]，较少研究稳定泡沫钻井液。此外，微泡沫钻井液处理地层出水的能力要远低于稳定泡沫钻井液。目前，稳定泡沫钻井液抑制剂的选择主要集中于一些高分子聚合物或无机盐类，但这些抑制剂的抑制性能弱，且抑制性能不持久[2,7-11]。为此，笔者从发泡剂与泥页岩抑制剂出发，开展了可循环强抑制性稳定泡沫钻井液研究。

1 泡沫钻井液循环与抑制机理

1.1 FPH泡沫的循环机理

液态泡沫是气体分散于液体中，在添加发泡剂的条件下实现气液界面的稳定。发泡剂按其性能可分为非离子发泡剂、阴离子发泡剂、阳离子发泡剂以及两性发泡剂，不同类型的发泡剂复配可实现酸碱泡沫的循环利用。

FPH发泡剂由两性发泡剂与阴离子发泡剂组成，其中两性发泡剂通过接受或给予质子实现阳离子与非离子之间的转变，而阴离子发泡剂则不受酸碱影响。因此，在碱性条件下，FPH发泡剂由非离子发泡剂与阴离子发泡剂复配而成，展现出良好的发泡性能；在酸性条件下，FPH发泡剂则是由阳离子发泡剂与阴离子发泡剂复配而成，两者相互作用，消除发泡能力。图1为酸碱条件下FPH发泡剂形成的泡沫液膜特征。从图1可以看出，在碱性条件下，非离子插入2个阴离子之间，减弱了阴离子间的电排斥性，更有利于增强界面膜的强度，从而促进泡沫的稳定。当酸液侵入液膜以后，首先与H+相接触的两性发泡剂转变为阳离子，由于阴阳离子之间强烈的电性互相作用产生固态沉淀，导致液膜破裂，实现消泡。因此，通过酸碱调节可实现泡沫的循环利用。

机能实验室重组后，在人员方面仅剩实验室技术人员，而教师负责实验教学，在编制上不属于实验室。教师和实验技术人员缺少沟通和理解，实验室教学与管理出现了脱轨，工作衔接不上，给日常实验教学顺利进行增加许多困难[6]。实验技术人员必须具有整体观念和团结协作精神，在工作上与教研室教师互相配合，遇到问题及时沟通、商讨，凡事从整体利益出发，保证工作顺利进行。实验技术人员和教师在专业分工、职业规划、工作价值追求等方面都不尽相同，合理地对待这种差异，用平等的态度看待彼此的工作，有利于营造全体教职人员团结和谐的工作氛围，符合整个学校教学体系建设的初衷。

图1 酸碱条件下循环泡沫的液膜特征Fig.1 Liquid film characteristics of foam in alkaline and acid conditions

1.2 泡沫流体的抑制作用机理

水基泡沫流体自身的结构特点能在一定程度上减缓泥页岩的水化速度，但并不能完全阻止泥页岩水化的进程。因此，随着钻井时间的增长，泥页岩地层水化加剧，进而引发井壁失稳。目前，解决泡沫钻井中井壁失稳的办法主要是添加化学处理剂，降低泥页岩的水化作用，实现泥页岩井壁的稳定。

优良的泡沫钻井液必须具备一定的抗温、抗污染能力，可以采用泡沫的发泡体积以及泡沫半衰期进行衡量评价。针对可循环强抑制性稳定泡沫钻井液的基本配方，采用Waring-Blender法评价了不同条件下的泡沫性能，结果见表3。由表3可知，该泡沫钻井液具有优良的泡沫性能和较好的抗温、抗污染能力。在钻井过程中，可根据实际需要调节泡沫基液黏度，保证出口泡沫的连续性。

图2 胺类抑制剂作用机理Fig.2 Inhibition mechanism of amine inhibitors

2 泡沫钻井液配方的研制

2.1 FPH发泡剂性能评价

膨润土水化后，黏土层间距可从1.0 nm左右增至2.2 nm左右[15]，由于膨润土在清水中热滚后的层间距超出了仪器测量范围，为此，测定了膨润土水化0.5 h后的层间距。从表4可以看出，膨润土水化0.5 h以后其特征峰(2θ)降低了2.913°，黏土层间距增加了0.502 nm。对比A样、B样可知，泡沫钻井液中的抑制剂能嵌入黏土晶层结构，使B样中干样的层间距增加了0.333 nm。对比B样中干样和湿样的层间距可知，干样和湿样间的层间距相差不大，说明该泡沫钻井液具有较强的抑制能力，能抑制黏土的水化膨胀，有利于泡沫钻井时的井壁稳定。对比B样和C样中的层间距可知，经泡沫钻井液处理后的膨润土样品，再次放入清水中处理以后，无论是干样还是湿样，其层间距与B样中干样的层间距相差不大。这说明该泡沫钻井液具有长久的抑制性能，其对黏土的吸附具有不可逆性，这一特性对于处理泡沫钻井地层出水以及泡沫钻井转换为常规钻井时的井壁稳定具有积极作用。

图3 pH值对FPH发泡剂性能的影响Fig.3 The effect of pH value on FPH foam performance

2.2 稳泡剂性能评价

膨润土是以蒙脱石为主要成分的黏土矿物，具有极强的水化能力。采用Innov-X Terra便捷式X射线衍射仪对新疆中非夏子街膨润土进行膨润土抑制性分析，测定其在清水水化前后的干湿样(A样)，经泡沫钻井液热滚后的干湿样(B样)和经泡沫钻井液热滚、随后再用清水热滚后的干湿样(C样)的层间距，结果见表4。其中热滚条件为温度65 ℃下滚动16 h。

表1 稳泡剂对FPH发泡剂性能的影响Table 1 The effect of foam stabilizer on FPH foam performance

注：FPH的质量分数为0.8%，溶液的pH值为9，试验温度为室温。

2.3 抑制剂性能评价

针对泡沫钻井中的井壁失稳问题，选用季铵盐高聚物PPVA与胺类低聚物 DA-1 作为抑制剂，并采用滚动回收试验和硬度测试进行性能评价[14]，结果见表2和图4。其中，将泥页岩岩样在不同处理液中的滚动回收率定为一次回收率；将经不同处理液热滚后的干样(60 ℃下烘干)在清水中的滚动回收率定为二次清水回收率。采用硬度测试仪测定硬度，取采用特定处理液滚动回收后的泥页岩岩样(湿样)放入硬度测试仪容器中(岩样的加量与刻度线齐平)，旋转扳手挤压测试岩样，观察岩样被挤压时仪器的旋转圈数与压力表读数。

表2 滚动回收试验结果Table 2 Test results of hot rolling dispersion

注：热滚时间16 h，热滚温度65 ℃。

图4 泥页岩经不同处理液处理后的硬度测试结果Fig.4 Bulk hardness test results of shale treated by different treatment fluids

从表2可以看出：PPVA与 DA-1 能有效抑制泥页岩水化分散，具有较高的一次回收率和较高的二次清水回收率，表明PPVA与 DA-1 能使泥页岩保持长久稳定，不因处理液介质的改变而加剧泥页岩的水化程度。

本实验主要探讨中国英语学习者是否会将汉语兼语句中第二动词可带有时体特征这一特点迁移到对英语非限定动词做宾补的实时加工中，在多大程度上会把母语加工的倾向用于二语加工，是否会受到二语水平的影响。我们采用自测步速阅读实验，在实验中设计通过控制宾补动词的形态(非限定动词形态vs．带过去时的动词形态)来检测学习者是否将母语中第二动词带有时间特征(“了”)的加工方式迁移到第二语言加工中。

3.3.2 泥页岩滚动回收试验

大会在嘹亮的国歌、队歌声中拉开帷幕，鲜艳的红领巾映红大家的脸庞。在这次大会召开之前，学校67个中队上交了100多项提案。这些提案都出自少先队员之手，涉及实践活动、学校课程、运动健身、学习环境等诸多方面，体现出少先队员浓厚的小主人翁意识。大会上，校长也对大家提出的各项提案作出回复，表示学校将会以此为出发点继续努力，争取早日实现大家的想法。

3 泡沫钻井液综合性能评价

通过对发泡剂、稳泡剂以及泥页岩抑制剂进行性能评价，形成了可循环强抑制性稳定泡沫钻井液体系，其基本配方为0.80%FPH+0.25%XC+0.40%PPVA+5.00% DA-1，pH值为9。

3.1 基本性能评价

连续梁桥的倒装施工控制。为了减少连续梁桥线性误差，多会设置桥梁预拱度，以使连续梁桥施工与设计要求相符合。应用倒装方法时，主要是将正装中关于连续梁桥变形和受力等计算方法进行反向计算和设计，得出在不同施工阶段内连续梁桥的位移和受力情况。但倒装法在非线性因素的影响下无法实现对混凝土徐变和伸缩的计算。因此，该工程施工技术人员在选择施工控制方法时，要根据铁路工程连续梁桥施工的实际情况，如连续梁桥的受力情况和移位情况等，合理选择可以降低铁路工程连续梁桥施工误差的控制方法[2]。

表3 泡沫钻井液的基本性能Table 3 Basic properties of foam drilling fluid

3.2 循环性能评价

可循环强抑制性稳定泡沫钻井液实现泡沫循环的实质在于FPH发泡剂对酸碱的敏感性。利用自制泡沫循环系统的发泡系统生成泡沫以后，注入酸液可以实现泡沫消泡，将消泡后的泡沫基液调至碱性可以恢复发泡性能。图5为消泡前后返出流体的情况。从图5可以看出：未注入酸液时，返出泡沫细腻均匀，泡沫质量好；当注入酸液以后，返出流体基本为液体，消泡效果极佳。图6为每次泡沫循环时采用Waring-Blender法测定的泡沫性能。从图6可以看出，随着循环次数的增加，发泡体积略有增大，而泡沫半衰期呈递减趋势。因此，在实际钻井过程中，可根据现场需要适当添加稳泡剂，维持泡沫性能稳定。

3.3 抑制性能评价

泡沫钻井过程中，泥页岩水化影响着井壁的稳定性，因此要求泡沫钻井液具有良好的抑制性能，且抑制性持久，保证泡沫钻井过程中的井壁稳定，避免因钻井液被地层水稀释或钻井液体系改变而加剧泥页岩水化。为此，采用膨润土抑制性能测试、岩屑滚动回收试验以及硬度测试评价可循环稳定泡沫钻井液的抑制性能[14]。

图5 注酸前后的返出流体情况Fig.5 Returned fluids before and after acid injection

图6 泡沫钻井液泡沫循环试验结果Fig.6 Foam circulation test results of foam drilling fluid

3.3.1 膨润土抑制性分析

FPH发泡剂虽然具有较强的发泡能力，但泡沫的半衰期较短，不能满足钻井要求。为此，采用增黏型聚合物作为稳泡剂，一方面可以延长泡沫半衰期，另一方面可降低泥页岩的吸水速度。表1为FPH发泡剂溶液加入XC与CMC后发泡性能的变化。从表1可以看出：XC与CMC的加入均降低了发泡体积，但两者对发泡体积的影响差别较小，均可以满足钻井的要求；在相同加量条件下，XC对于提高泡沫的稳定性更明显，且XC的抗盐能力明显强于CMC。为此，选用XC作为稳泡剂。

表4膨润土经不同方法处理后的XRD分析结果

Table4XRDanalysisresultsofbentonitetreatedbydifferenttreatmentmethods

试样类别2θ/(°)层间距/nmA样干样8.7581.009湿样5.8451.511B样干样6.5831.342湿样6.5051.358C样干样6.5051.358湿样6.3891.382

室内采用Waring-Blender法[13]，测试了0.8%FPH发泡剂溶液的发泡性能及其与pH值的关系，结果如图3所示。从图3可知，当pH值小于5时，FPH发泡剂基本无发泡能力；当pH值大于7时，FPH发泡剂表现出良好的发泡性能并趋于稳定。因此，可通过酸碱调节实现泡沫的循环利用。对于随后的泡沫循环试验，碱性pH值定为9，酸性pH值定为3。

从图4可以看出，PPVA虽然具有较高的泥页岩滚动回收率，但并不能维持较高的泥页岩硬度。这主要是因为PPVA聚合物分子量大，不易进入黏土晶层结构中，但 DA-1 分子量小，易进入黏土晶层结构中，因此随着其加量的增加，泥页岩硬度增加。

选用清水、白油、5%聚合醇+10%KCl以及0.5%KPAM作为对比，通过泥页岩岩样回收试验评价可循环稳定泡沫钻井液的抑制性，结果见表5。由于5%聚合醇+10%KCl的一次回收率低于60%，所以未进行二次清水滚动回收评价。

从表5可以看出:1)白油、0.5%KPAM、可循环强抑制性稳定泡沫钻井液的一次回收率都在95%以上，显示出较强的泥页岩稳定性能；2)从二次清水滚动回收率可以看出，可循环强抑制性稳定泡沫钻井液表现出持久的抑制性能，其在清水中的二次回收率仍高于90%，而经白油、0.5%KPAM热滚后的试验岩样，其二次清水滚动回收率与岩样在清水中直接热滚后的回收率基本相同，表明白油与KPAM聚合物无持久抑制性能。

表5泥页岩在不同处理液中的滚动回收试验结果

Table5Hotrollingdispersiontestresultsofshaleindifferenttreatmentfluids

试验条件一次回收率,%二次清水回收率,%清水15.72白油98.2514.685%聚合醇+10%KCl53.700.5% KPAM95.4015.12泡沫钻井液97.4396.35

3.3.3 硬度测试

假设目标在大地坐标系中的坐标为(xr,yr,zr)，按照图1所示坐标系关系，大地坐标系下M点(xrm,yrm,zrm)在机体坐标系下的坐标为(xtm,ytm,ztm)：

滚动回收试验中泥页岩回收率较高，但回收的泥页岩并不一定具有较高的硬度，因此，进行了硬度测试，结果见图7。从图7可以看出，可循环强抑制性稳定泡沫钻井液在稳定泥页岩作用上与白油较为接近，远强于0.5%KPAM。因此，该泡沫钻井液能有效保持泥页岩硬度，维持泥页岩地层的稳定。

实际工作中审计与资产评估相结合尤为重要。在进行资产评估时一般会采用与审计方法相同或相似的程序，主要在于审计师怎样进行审计？进行审计时，我们需要使用公允价值的方法来计算资产的价值，然后确定结果。计提资产减值准备或确定公允价值变动损益等，相比之下与资产评估有共同之处。正是因为如此，审计与资产评估才有了千丝万缕的联系。但是问题也接踵而来，在实际操作中如何处理好评估与审计的关系，将直接影响到评估和审计结果以及过程中的质量问题。在阅读一些相关资料后，我认为资产评估与审计存在着相辅相成的关系，具有相互包容、相互协作的内涵。

图7 泥页岩经不同处理液处理后的硬度测试结果Fig.7 Bulk hardness test results of shale treated by different treatment fluids

采用膨润土抑制性能测试、泥页岩滚动回收试验以及硬度测试相结合的方法评价可循环强抑制性稳定泡沫钻井液的抑制性能，可弥补以往单一采用滚动回收试验评价抑制性能的缺陷。测试结果表明，该泡沫钻井液能有效抑制黏土矿物水化膨胀，泥页岩经其处理后的硬度与经白油基处理后的硬度相近，因而有利于泡沫钻井过程中的井壁稳定。同时，酸碱调节不会破坏抑制剂的分子结构，但是外加酸液和碱液会改变泡沫钻井液中发泡剂的发泡性能，因此在现场施工中可根据酸液和碱液加量对钻井液进行维护。

电源模块主要是采用LM7812CT和LM7805CT集成芯片[2]。LM7812CT是一个线性直流稳压器。其中，C1、C2 是滤波电容，为 2200μF；C3、C4 是用来改善输入纹波，为1μF；C5、C6用来消除模块输出。

4 结 论

1) 通过对发泡剂、稳泡剂以及泥页岩抑制剂的性能进行评价，研制了可循环强抑制性稳定泡沫钻井液。在碱性条件下，该泡沫钻井液表现出优良的泡沫性能，具有较好的抗温、抗污染能力。

2) 利用复配发泡剂FPH对酸碱的敏感性，通过调节pH值可实现泡沫钻井液发泡—消泡—再发泡的多次循环利用，能避免钻井过程中地面泡沫的大量堆积，有助于降低钻井成本。

3) 低分子胺类抑制剂易进入黏土晶层，阻止水分子进入黏土使其水化，高分子胺类抑制剂则吸附于黏土表面形成保护膜，将高分子与低分子胺类抑制剂复配，发挥协同增效作用，可实现良好的抑制效果。同时，胺类抑制剂具有持久抑制能力，因此有利于泡沫钻井过程中的井壁稳定。

参考文献
References

[1] 魏武,邓虎,李皋,等.气体钻井井壁稳定处理剂评价方法探讨[J].天然气工业，2010，30(9)：51-54.

Wei Wu,Deng Hu,Li Gao,et al.A discussion on the evaluation methods of the additives for wellbore stability in gas drilling[J].Natural Gas Industry,2010,30(9):51-54.

[2] 李兆敏，董贤勇.泡沫流体油气开采技术研究进展[M].东营：中国石油大学出版社，2009：231-234.

Li Zhaomin,Dong Xianyong.Oil and gas exploration technology research progress in foam fluid[M].Dongying:China University of Petroleum Press,2009:231-234.

[3] ASME Shale Shaker Committee.Drilling fluids processing handbook[M].Burlington:Gulf Professional Publishing,2005:530.

[4] 张振华.可循环微泡沫钻井液研究及应用[J].石油学报，2004，25(6)：92-95.

Zhang Zhenhua.Preparation and application of circulative micro-foam drilling fluid[J].Acta Petrolei Sinica,2004,25(6):92-95.

[5] 杨虎，鄢捷年，陈涛.新型水基微泡沫钻井液的室内配方优选和性能评价[J].石油钻探技术，2006，34(2)：41-44.

Yang Hu,Yan Jienian,Chen Tao.Lab study and evaluation of a new water-based aphrons drilling fluid[J].Petroleum Drilling Techniques,2006,34(2):41-44.

[6] 王桂全，孙玉学，李建新，等.微泡沫钻井液的稳定性研究与应用[J].石油钻探技术，2010,38(6)：75-78.

Wang Guiquan,Sun Yuxue,Li Jianxin,et al.Stability of micro foam drilling fluid and its application[J].Petroleum Drilling Techniques,2010,38(6):75-78.

[7] 丁锐.钻井液防塌剂的作用方式及分类[J].石油大学学报：自然科学版，1997，22(6)：125-128.

Ding Rui.Acting ways and classification of anticaving additives for drilling fluids[J].Journal of the University of Petroleum,China:Edition of Natural Science,1997,22(6):125-128.

[8] 赖晓晴，申瑞臣，李克华，等.稳定泡沫钻井流体抑制性研究[J].长江大学学报：自然科学版，2006，3(1)：25-28.

Lai Xiaoqing,Shen Ruichen,Li Kehua,et al.Shale inhibition of foam fluids for stabilized foam drilling[J].Journal of Yangtze University:Natural Science Edition,2006,3(1):25-28.

[9] Patel A,Stamatakis E,Young S,et al.Advances in inhibitive water-based drilling fluids-can they replace oil-based muds[R].SPE 106476,2007.

[10] Patel A D.Design and development of quaternary amine compounds:shale inhibition with improved environmental profile[R].SPE 121737,2009.

[11] Nima Gholizadeh-Doonechaly,Kourosh Tahmasbi,Ehsan Davani.Development of high-performance water-based mud formulation based on amine derivatives[R].SPE 121228,2009.

[12] 高鸿宾.有机化学[M].4版.北京：高等教育出版社，2005：497-506.

Gao Hongbin.Organic chemistry[M].4th ed.Beijing:Higher Education Press,2005:497-506.

[13] 舒小波，万里平，孟英峰，等.复配发泡剂泡沫循环利用研究[J].西安石油大学学报：自然科学版，2011，26(3)：62-66.

Shu Xiaobo,Wan Liping,Meng Yingfeng,et al.Study on cyclically utilized foaming agent for drilling liquid[J].Journal of Xi’an Shiyou University:Natural Science Edition,2011,26(3):62-66.

[14] Young S,Stamatakis E.Novel inhibitor chemistry stabilizes shales:the AADE 2006 Fluids Conference,Houston,April 11-12,2006[C].

[15] Theng B K G.Formation and properties of clay-polymer complexes[M].Amsterdan:Elsevier Scientific Publishing Company,1979:22-31.