抗高温泡沫钻井液体系评价研究

任小庆，高小荣，孙彩霞，刘 斌,张献喻

(1.中石化绿源地热能(陕西)开发有限公司，陕西咸阳 712000；2.中石化绿源地热能开发有限公司，河北保定 071800)

0 引 言

地热资源根据温度可划分为低温(<90℃)、中温(90℃～150℃)和高温(>150℃)。全球地热资源主要分布在(1)地中海-喜马拉雅地热带；(2)环太平洋地热带；(3)大西洋中脊地热带；(4)红海-亚丁湾-东非大裂谷地热带(汪集旸，2015)。而我国高温地热资源主要分布在西藏、云南、台湾等地，属于地中海-喜马拉雅地热带中的东部延伸部分及环太平洋地热带。对于高温地热资源，因高温热储层岩性主要为火山岩、花岗岩、结晶岩等，其岩石硬度大、研磨性强、可钻性差，非均质性强，并且裂缝较发育(光新军和王敏生，2016)，钻井过程中易造成漏失。在复杂地质条件下，泡沫钻井液则能更好地避免井漏，迅速建立欠平衡钻井条件，提高钻井机械转速、降低循环压耗、减少地层伤害。

泡沫钻井液是气体介质分散在液体中，并配以发泡剂、稳泡剂或黏土形成的分散体系(王中华，2011)。20世纪50年代中期，美国标准石油公司首次将泡沫钻井液应用于内华达州稳定性较差地层的钻井施工过程中(彭新明等，2008；张端琴，2008)。1980年，美国Sandia公司对泡沫钻井液在地热钻井过程中的稳定性进行了研究，研发出烯烃磺酸盐阴离子型发泡剂，并成功进行了应用(张端琴，2008)。而我国则是1984年在克拉玛依油田对泡沫钻井液进行了首次探索性的尝试，证实泡沫钻井液的可行性和优越性(李治龙和钱武鼎，1993；朱利，2015)。我国较早就开展了地热钻井抗高温泥浆处理剂及水基泥浆体系的研究(修宪民，1989)，其中西藏羊八井(ZK4002 地热井)采用的是分散性抗高温钻井液体系，其体系基本配方为:5% 膨润土+3%地热 93。该泥浆体系在高温高压条件下性能稳定，完成 ZK4002井施工，井底温度达到 329.8℃(单文军等，2018)。赵晓东2001年研制出耐盐抗高温发泡剂，可用于地热钻井过程中(赵晓东等，2001；胡继良等，2012)。国内外愈来愈多的高温地热钻井项目采用泡沫钻井液进行施工①(Delbert et al.，1978；汪仲英，1979；汤松然等，1982；汪仲英等，1985；Fridleifsson and Elders,2005；王文勇等，2012；董海燕等，2014；光新军和王敏生，2016；李亚琛等，2016)。

1 泡沫钻井液稳定性技术要点

稳定泡沫钻井液由液相、气相、发泡剂和稳泡剂所组成。气相主要为空气或者氮气等气体；液相可分为水基；醇基、烃基和酸基，高温地热钻井常用水基，发泡剂主要为表面活性剂，现场常用的主要有十二烷基类、烷基甘油基醚磺酸盐类表面活性剂等或其复配产品；稳泡剂主要采用高分子化合物或者合成表面活性剂，保持泡沫起泡后，短期内不易破裂，提高泡沫“存活寿命”(陈礼仪，2004；杨小华，2009；贺永洁，2015；朱利，2015)。

发泡剂性质的差异主要取决于其烃基、亲水基和疏水基结构的不同，其中，亲水基结构的影响占主要因素。按离子类型进行发泡剂种类的划分，离子型发泡剂即发泡剂溶于水时可解离成离子的发泡剂，根据亲水基结构的不同分为阴离子型、阳离子型和两性离子型发泡剂，此类发泡剂为离子型表面活性剂；非离子型发泡剂即发泡剂溶于水时不能解离出离子的发泡剂，实质上为非离子表面活性剂(董晓强，2010；刘宏生等，2015)。

按泡沫衰变动力学，可将泡沫分成不稳定泡沫和亚稳泡沫。泡沫是否能稳定存在取决于泡沫膜的结构强度(李英等，2004)。泡沫膜的强度增加，可降低泡沫体内泡与泡之间的气体的扩散速度，减缓泡间气体的扩散(王蒙蒙和郭东红，2007)。泡沫的粘度可分为体相粘度和界面粘度，两者在泡沫稳定中均起到重要的作用。体相粘度是指体系的流体粘度。发泡剂溶液的体相粘度增加，能够阻缓液体排液速度，同时体相粘度的增加也能降低液膜内的气体渗透率，减缓泡间气体的扩散，因此会对泡沫稳定性产生明显的增强作用(王其伟等，2003；董晓强，2010)。

泡沫流体钻井液体相和界面粘度、吸附质在界面上的吸附、界面膜强度和界面张力等因素都与温度有关。温度越低，其体相粘度越高，当体相粘度增加时，相应的排液速度降低。在高温作用下，发泡剂受高温降解作用，一些基团发生变异，失去发泡作用，从而在钻井过程中导致一系列井下事故或复杂情况的发生(赖晓晴等，2009；沈炎等，2009)。泡沫钻井液性能好坏的重要技术指标是发泡能力和稳定性能(汪能宝，2004)。

2 关键处理剂的优选评价

2.1 发泡剂优选

发泡剂又称起泡剂或泡沫剂，是指能促进泡沫发生，形成闭孔或联孔结构材料的物质。在特定条件下，通过物理方法或化学反应使其在短时间内形成大量均匀稳定的泡沫。目前还没有比较系统的发泡剂分类(王全杰和谭小军，2011)。本次主要选取9种油田常用的发泡剂：TF3721、FC-4430、FC-4432、FC80、FC134、CTAC、K12、DOW及DC-1。

评价泡沫性能时配制的发泡剂溶液，一般需要在表面活性剂临界胶束浓度以上，因选用钻井常用的9种表面活性剂临界胶束浓度分别小于0.2 wt%。因此，统一配制0.2 wt%表面活性剂水溶液评价泡沫性能。

按照发泡能力和泡沫稳定性对不同发泡剂溶液的老化前后状况进行对比筛选，基液发泡及评价过程如下：首先配制150 mL 0.2 wt%发泡剂溶液在3000 r/min下搅拌2分钟发泡，将泡沫迅速倒入500 mL量筒中，记录泡沫半衰期、析液半衰期以及基液的发泡体积。实验结果如表1所示，可见老化前氟碳类发泡剂与碳氢类相似，均具有良好的发泡能力，而且具有泡沫半衰期和析液半衰期的最大值的发泡剂均属于氟碳类发泡剂，但发泡剂基液经150℃老化16h后，氟碳类发泡剂的泡沫稳定性及发泡能力出现明显下降，均低于碳氢类发泡剂。因此，选择碳氢类表活剂作为抗高温泡沫钻井液的发泡剂。对比碳氢类发泡剂的抗温能力，可以看出，DC-1形成的泡沫稳定性最好。因此，优选出抗高温表活剂DC-1作为后续泡沫体系评价的发泡剂。

表1 基液泡沫性能

续表1

2.2 稳泡剂优选

按照对0.5%浓度不同稳泡剂分别和0.2 wt%DC-1发泡剂混合后发泡体积及泡沫稳定性进行对比筛选。各配置溶液500 mL，倒入搅拌杯内进行搅拌，再将降泡沫倒入量筒内进行静置观察，通过计时器记录泡沫的析水半衰期和泡沫半衰期，衡量不同聚合物对泡沫体积的影响，综合评价泡沫的稳定性。本次实验选取的8种聚合物稳泡剂为油田常用聚合物类稳泡剂。

实验结果如表2所示。可见天然改性类稳泡剂材料与发泡剂复配体系的泡沫稳定性与发泡剂基液相比出现明显下降。PFL系列产品及MD-D稳泡剂具有良好的抗高温能力，但MD-D在老化后具有更高的析液稳定性。因此，优选出MD-D作为后续泡沫体系评价的稳泡剂。

表2 稳泡剂/发泡剂体系的泡沫性能

2.3 抗温土优选

按照对0.5%浓度不同黏土和0.5%MD-D、0.2 wt%DC-1混合后进行对比筛选泡沫稳定性。各配置溶液500mL，倒入搅拌杯内进行搅拌，再将降泡沫倒入量筒内进行静置观察，通过计时器记录泡沫的析水半衰期和泡沫半衰期，衡量不同聚合物对泡沫体积的影响，综合评价泡沫的稳定性。

分别将天然凹凸棒粉和海泡石分散到聚合物/发泡剂溶液中，评价体系的泡沫性能，实验结果如表3所示。可以得出，含有凹凸棒粉的体系老化前后的泡沫具有更高的稳定性，因此选用凹凸棒粉增强高温泡沫的稳定性。

表3 发泡剂/聚合物/黏土体系泡沫性能

3 泡沫钻井液抗高温性能评价

对优选出的0.5%棒粉+0.5% MD-D+0.2 wt%DC-1体系进行了抗温能力评价实验。分别在180、210和230℃下老化2h、4h后的泡沫性能，实验结果如表4所示。可以看出，在相同的老化时间2h条件下，随着老化温度的升高泡沫粘度并没有出现降低。对比230℃老化2h和4h后的体系，仍具有良好的泡沫稳定性和发泡能力，说明初步形成的泡沫体系具有良好的抗230℃高温的能力。

表4 发泡剂/聚合物/粘土体系抗温实验结果

4 泡沫钻井液抗污染能力评价

对欠平衡钻进而言，地层压力略微高于井筒内压力，地层流体侵入到钻井液会对钻井液产生不同程度的影响。因此试验考查了不同盐类型及加量对泡沫钻井液体系的污染，结果如表5所示。从结果可以看出，在发泡基液中分别加入10% NaCl后老化后泡沫析液半衰期和流变性能基本不变，加入20% NaCl后析液半衰期甚至出现略微增加，这表明该体系耐一价盐能达到20%；而且在加入5% CaCl2后析液半衰期仍在5 min以上。

表5 抗盐能力评价结果

采用分散体系稳定性分析仪对上述配方制备的泡沫平均粒径进行了测试，从泡沫粒径测试结果可以看出，高温老化造成泡沫平均粒径增大。当NaCl浓度大于10%时粒径逐渐降低，其析液半衰期出现升高，说明一价盐促进发泡剂在界面上的排布，因此有助于泡沫膜的稳定和泡沫稳定性的提高。而加入二价的CaCl2后老化后的泡沫平均粒径逐渐降低，老化前粒径先升高后降低，但结合图1中的泡沫性能可以推断，二价盐的加入虽然能够在一定程度上减小泡沫平均粒径大小，但在析液过程中Ca2+离子造成泡沫膜两气液界面的不稳定，表现出泡沫稳定性出现明显下降。

图1 泡沫平均粒径对盐浓度变化Fig.1 The average expected foam changes in salt concentrationa-NaCl浓度变化；b-CaCl2浓度变化a-NaCl concentration change;b-CaCl2 concentration change

5 结论

(1)通过实验优选出抗高温表活剂DC-1作为泡沫体系的发泡剂,优选出MD-D作为抗高温稳泡剂。对抗温土进行优选，发现含有凹凸棒粉的体系的泡沫具有更高的稳定性。

(2)通过实验对比结果显示经过230℃老化2h和4h后的体系，仍具有良好的泡沫稳定性和发泡能力，说明优选的泡沫体系具有良好的抗230℃高温的能力和良好的抗污染能力。

(3)在230℃下对地热井抗高温钻井液各关键处理剂进行优选的基础上，通过其它关键材料优选，得出一套抗高温能力可达230℃高温，HTHP失水≤20 mL、具有较好悬浮携带能力的地热井抗高温环保钻井液体系。

[注 释]

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