蓄能液气泡技术在钻井液中的研究与应用

王旭东

(中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院，山东 东营 257000)

泡沫及微泡沫钻井液在低压易漏失地层具有广泛的应用[1-5]，但是常规泡沫及微泡沫流体抗压能力弱，在环空高压力带的作用下，难以有效地降低静液柱压力。蓄能液气泡钻井液是在高压环境下通过机械扰动并通过设定的连续篦板进行气泡整形，得到高度均匀膜结构的蓄能液气泡，再将其与钻井液混配而成的一种新型低密度钻井液体系[6-7]。蓄能液气泡钻井液发泡时的压力与钻井液环空中的压力相同，气泡的气核与外界环境之间不存在压力差，其直径和体积将不会发生变化，可避免常压下制备的普通泡沫流体进入环空高压力带时产生的体积压缩、密度升高现象[6-7]。在前期研究的基础上，笔者进一步研制了适用于现场使用的蓄能液气泡发生装置及与钻井液的混配装置，在试验井进行了现场试验。

1 蓄能液气泡制备及作用原理

蓄能液气泡钻井液的发泡及混配是在高压条件下完成的：高压气体和发泡剂在蓄能液气泡发生器中混合，通过机械扰动生成气泡，通过整形得到均匀稳定的蓄能液气泡。其内核为带压气体，外部发泡剂分子包括水分子构成的双层膜结构。

相比常规泡沫及微泡沫钻井液，蓄能液气泡钻井液具有优良的防漏堵漏性能，主要应用于低压、高孔隙度、高渗透率地层，可以有效地解决井漏问题。其防漏堵漏原理主要有[5-7]：

1.1 较低的静液柱压力

蓄能液气泡是在高压条件下制备的，其内核为带压气体，一般是压缩氮气。带压内核的存在使得蓄能液气泡钻井液具有抗压能力强的特点：蓄能液气泡包裹内核的气体压力与环空压力相当或近似，因此进入环空之后，泡沫体积不会被压缩，能够维持钻井液低密度循环。

1.2 贾敏效应

由于蓄能液气泡钻井液中含有多级分散的稳定泡沫球体，当这些泡沫球体在压差作用下向多孔介质或者细小裂缝内流动时，因其不与岩石发生润湿以及在经过孔喉时球体发生形变形成两个不同曲率的弯曲表面。而曲率半径小的弯曲表面收缩压大于曲率半径大的弯曲表面收缩压，由此而产生作用方向与蓄能液气泡流动方向相反的附加阻力ΔP，从而减缓气泡运动。

ΔP = 2δ ( 1/r - 1/R)

(1)

式中，ΔP为附加阻力，δ为界面张力，r为微裂缝的半径，R为液气泡的初始半径。对于单个液气泡来说，ΔP的值是比较小的，但是大量液气泡在微裂缝束缚中的阻力是可以累计和叠加的，现场应用中基本不可能有足够大的压差去克服贾敏效应，并强迫液气泡侵入渗透性地层深部的微裂缝或孔道中[5]。

1.3 蓄能液气泡的架桥作用。

蓄能液气泡包裹内核的气体压力与环空压力相当或近似，因此进入环空之后，泡沫体积不会被压缩，在钻井液中起到架桥粒子及变形填充粒子的作用，对地层中的微裂缝进行有效封堵。当钻遇低压层时，蓄能液气泡在压差作用下进入低压孔隙或裂缝，内部的能量被释放，蓄能液气泡体积迅速扩张，引起液气泡的聚集和低剪切速率黏度的增加，由这种现象产生的微环境形成一种无固相的桥，称为蓄能液气泡的架桥堵漏作用。

2 现场用蓄能液气泡钻井液发生装置及施工工艺

笔者在前期的研究中研制了一种适用于室内试验的蓄能液气泡钻井液发生装置和流变性能测试装置[8-9]，并利用该装置对蓄能液气泡及蓄能液气泡钻井液的性能进行了系统地表征[6-7]。在此基础上，笔者研制了适用于现场使用的蓄能液气泡钻井液发生装置[10-11]。并配套配套静态混合器、气体分离装置和气体净化回收装置，建立了蓄能液气泡钻井液现场施工工艺流程，如图1所示。气体从储气罐进入空压机、增压机，增压后进入蓄能液气泡发生装置和发泡剂混合，产生蓄能液气泡流体，通过均化后在泡沫增压泵的作用下进入静态混合器和钻井液混合，之后进入钻井液循环系统，循环后进入气体分离器，进行气液分离，分离出的液体经过振动筛后可以循环使用，分离后的气体通过气体净化装置净化后再进入储气罐继续循环使用。

图1 蓄能液气泡钻井液现场施工工艺流程图

3 蓄能液气泡钻井液现场试验

蓄能液气泡钻井液在试验井上进行了试验。试验井为直井，井深1030m。为了证明蓄能液气泡钻井液循环到井下之后确实能够真正的克服井底压力，保持钻井液的低密度，利用随钻测压(Pressure While Drilling，PWD)测试了井底的压力，并根据压力换算出井底钻井液密度，根据实验数据和设计数据的对比，来判断蓄能液气泡钻井液能否在井下保持低密度状态，实验数据详见图2。

由图2可知，配制的钻井液初始密度为1.20 g/cm3，在井筒中循环一周之后，加入制备的蓄能液气泡，设计密度为1.10 g/cm3，根据PWD的实测密度可知，20min之后，钻井液的密度降至1.09 g/cm3，30min之后，降至1.03 g/cm3，并基本稳定，波动不超过0.02 g/cm3，继续增加气体的含量，设计钻井液密度分别降至0.80 g/cm3和0.60 g/cm3，测试钻井液密度和设计钻井液的误差最高不超过0.03 g/cm3。试验中设计的最低钻井液密度值为0.52 g/cm3，实测数据钻井液密度在0.51～0.53 g/cm3之间。

在净化器的出口，利用AM510型智能防爆粉尘测试仪(精度为0.001 mg/m3)实时测试过滤后氮气中的粉尘含量，并通过气体流量计来计算氮气回收率，具体的现场试验数据详见表1。

图2 试验中钻井液密度变化表1 氮气回收及净化试验数据表

井深 /m注气量(标准状态)/(m3/min)钻屑粒径D50/μm钻屑粒径D90/μm净化气中的粉尘含量/(mg/m3)净化气中粉尘最大粒径/μm氮气回收率/%407.573033.8576.530.0233.6750.3617.613033.8576.530.0273.9551.8903.233033.8576.530.0313.2350.1903.235033.8576.530.0393.5652.9903.237033.8576.530.0434.1053.5903.233020.8161.350.0504.3350.6903.233059.67267.170.0354.5551.3

由表1可知：

(1)试验中氮气回收净化之后的粉尘含量在0.050 mg/m3以下，净化回收的氮气中粉尘最大粒径是4.71μm，在5μm以下，完全能够满足重新循环进入空压机和增压机的要求。

(2)随着井深的增加，净化之后氮气中的粉尘含量呈增加趋势。这是因为随着井深增加，钻屑在环空中停留的时间增加，破碎的机会增加，钻屑粒径变小，增加了净化器净化氮气的难度，导致净化之后氮气中的粉尘含量呈现增加的趋势。

(3)随着注入气量的增加，净化之后氮气中的粉尘含量和粉尘的最大粒径呈现增大趋势。这是因为注入气量增加之后，蓄能液气泡钻井液的携岩能力增强，能被带到井口的岩屑增多，同样会增加净化器净化氮气的难度，导致净化气体纯度的下降。

(4)随着岩屑粒径的增大，净化气中的粉尘含量在下降。这是因为净化器的捕集器采用高吸附性材料制作，岩屑的粒径增大之后，捕集器能够更有效地发挥作用，所以净化气中的粉尘含量下降，纯度更高。但是，由于岩屑粒径增大，所以导致净化气中的粉尘最大粒径增大。

4 结论

(1)通过研制现场用蓄能液气泡钻井液发生装置以及研究现场施工工艺，建立了适用于现场使用的蓄能液气泡钻井液技术。

(2)蓄能液气泡钻井液在环空高压力条件下能够有效地降低体系的密度，减小井底静压力，协同贾敏效应和架桥堵漏作用，对低压易漏地层具有优异的防漏堵漏能力，具有良好的推广应用前景。