蓄能液氣泡技術在鉆井液中的研究與應用

王旭東

(中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東 東營 257000)

泡沫及微泡沫鉆井液在低壓易漏失地層具有廣泛的應用[1-5]，但是常規泡沫及微泡沫流體抗壓能力弱，在環空高壓力帶的作用下，難以有效地降低靜液柱壓力。蓄能液氣泡鉆井液是在高壓環境下通過機械擾動并通過設定的連續篦板進行氣泡整形，得到高度均勻膜結構的蓄能液氣泡，再將其與鉆井液混配而成的一種新型低密度鉆井液體系[6-7]。蓄能液氣泡鉆井液發泡時的壓力與鉆井液環空中的壓力相同，氣泡的氣核與外界環境之間不存在壓力差，其直徑和體積將不會發生變化，可避免常壓下制備的普通泡沫流體進入環空高壓力帶時產生的體積壓縮、密度升高現象[6-7]。在前期研究的基礎上，筆者進一步研制了適用于現場使用的蓄能液氣泡發生裝置及與鉆井液的混配裝置，在試驗井進行了現場試驗。

1 蓄能液氣泡制備及作用原理

蓄能液氣泡鉆井液的發泡及混配是在高壓條件下完成的：高壓氣體和發泡劑在蓄能液氣泡發生器中混合，通過機械擾動生成氣泡，通過整形得到均勻穩定的蓄能液氣泡。其內核為帶壓氣體，外部發泡劑分子包括水分子構成的雙層膜結構。

相比常規泡沫及微泡沫鉆井液，蓄能液氣泡鉆井液具有優良的防漏堵漏性能，主要應用于低壓、高孔隙度、高滲透率地層，可以有效地解決井漏問題。其防漏堵漏原理主要有[5-7]：

1.1 較低的靜液柱壓力

蓄能液氣泡是在高壓條件下制備的，其內核為帶壓氣體，一般是壓縮氮氣。帶壓內核的存在使得蓄能液氣泡鉆井液具有抗壓能力強的特點：蓄能液氣泡包裹內核的氣體壓力與環空壓力相當或近似，因此進入環空之后，泡沫體積不會被壓縮，能夠維持鉆井液低密度循環。

1.2 賈敏效應

由于蓄能液氣泡鉆井液中含有多級分散的穩定泡沫球體，當這些泡沫球體在壓差作用下向多孔介質或者細小裂縫內流動時，因其不與巖石發生潤濕以及在經過孔喉時球體發生形變形成兩個不同曲率的彎曲表面。而曲率半徑小的彎曲表面收縮壓大于曲率半徑大的彎曲表面收縮壓，由此而產生作用方向與蓄能液氣泡流動方向相反的附加阻力ΔP，從而減緩氣泡運動。

ΔP = 2δ ( 1/r - 1/R)

(1)

式中，ΔP為附加阻力，δ為界面張力，r為微裂縫的半徑，R為液氣泡的初始半徑。對于單個液氣泡來說，ΔP的值是比較小的，但是大量液氣泡在微裂縫束縛中的阻力是可以累計和疊加的，現場應用中基本不可能有足夠大的壓差去克服賈敏效應，并強迫液氣泡侵入滲透性地層深部的微裂縫或孔道中[5]。

1.3 蓄能液氣泡的架橋作用。

蓄能液氣泡包裹內核的氣體壓力與環空壓力相當或近似，因此進入環空之后，泡沫體積不會被壓縮，在鉆井液中起到架橋粒子及變形填充粒子的作用，對地層中的微裂縫進行有效封堵。當鉆遇低壓層時，蓄能液氣泡在壓差作用下進入低壓孔隙或裂縫，內部的能量被釋放，蓄能液氣泡體積迅速擴張，引起液氣泡的聚集和低剪切速率黏度的增加，由這種現象產生的微環境形成一種無固相的橋，稱為蓄能液氣泡的架橋堵漏作用。

2 現場用蓄能液氣泡鉆井液發生裝置及施工工藝

筆者在前期的研究中研制了一種適用于室內試驗的蓄能液氣泡鉆井液發生裝置和流變性能測試裝置[8-9]，并利用該裝置對蓄能液氣泡及蓄能液氣泡鉆井液的性能進行了系統地表征[6-7]。在此基礎上，筆者研制了適用于現場使用的蓄能液氣泡鉆井液發生裝置[10-11]。并配套配套靜態混合器、氣體分離裝置和氣體凈化回收裝置，建立了蓄能液氣泡鉆井液現場施工工藝流程，如圖1所示。氣體從儲氣罐進入空壓機、增壓機，增壓后進入蓄能液氣泡發生裝置和發泡劑混合，產生蓄能液氣泡流體，通過均化后在泡沫增壓泵的作用下進入靜態混合器和鉆井液混合，之后進入鉆井液循環系統，循環后進入氣體分離器，進行氣液分離，分離出的液體經過振動篩后可以循環使用，分離后的氣體通過氣體凈化裝置凈化后再進入儲氣罐繼續循環使用。

圖1 蓄能液氣泡鉆井液現場施工工藝流程圖

3 蓄能液氣泡鉆井液現場試驗

蓄能液氣泡鉆井液在試驗井上進行了試驗。試驗井為直井，井深1030m。為了證明蓄能液氣泡鉆井液循環到井下之后確實能夠真正的克服井底壓力，保持鉆井液的低密度，利用隨鉆測壓(Pressure While Drilling，PWD)測試了井底的壓力，并根據壓力換算出井底鉆井液密度，根據實驗數據和設計數據的對比，來判斷蓄能液氣泡鉆井液能否在井下保持低密度狀態，實驗數據詳見圖2。

由圖2可知，配制的鉆井液初始密度為1.20 g/cm3，在井筒中循環一周之后，加入制備的蓄能液氣泡，設計密度為1.10 g/cm3，根據PWD的實測密度可知，20min之后，鉆井液的密度降至1.09 g/cm3，30min之后，降至1.03 g/cm3，并基本穩定，波動不超過0.02 g/cm3，繼續增加氣體的含量，設計鉆井液密度分別降至0.80 g/cm3和0.60 g/cm3，測試鉆井液密度和設計鉆井液的誤差最高不超過0.03 g/cm3。試驗中設計的最低鉆井液密度值為0.52 g/cm3，實測數據鉆井液密度在0.51～0.53 g/cm3之間。

在凈化器的出口，利用AM510型智能防爆粉塵測試儀(精度為0.001 mg/m3)實時測試過濾后氮氣中的粉塵含量，并通過氣體流量計來計算氮氣回收率，具體的現場試驗數據詳見表1。

圖2 試驗中鉆井液密度變化表1 氮氣回收及凈化試驗數據表

井深 /m注氣量(標準狀態)/(m3/min)鉆屑粒徑D50/μm鉆屑粒徑D90/μm凈化氣中的粉塵含量/(mg/m3)凈化氣中粉塵最大粒徑/μm氮氣回收率/%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)試驗中氮氣回收凈化之后的粉塵含量在0.050 mg/m3以下，凈化回收的氮氣中粉塵最大粒徑是4.71μm，在5μm以下，完全能夠滿足重新循環進入空壓機和增壓機的要求。

(2)隨著井深的增加，凈化之后氮氣中的粉塵含量呈增加趨勢。這是因為隨著井深增加，鉆屑在環空中停留的時間增加，破碎的機會增加，鉆屑粒徑變小，增加了凈化器凈化氮氣的難度，導致凈化之后氮氣中的粉塵含量呈現增加的趨勢。

(3)隨著注入氣量的增加，凈化之后氮氣中的粉塵含量和粉塵的最大粒徑呈現增大趨勢。這是因為注入氣量增加之后，蓄能液氣泡鉆井液的攜巖能力增強，能被帶到井口的巖屑增多，同樣會增加凈化器凈化氮氣的難度，導致凈化氣體純度的下降。

(4)隨著巖屑粒徑的增大，凈化氣中的粉塵含量在下降。這是因為凈化器的捕集器采用高吸附性材料制作，巖屑的粒徑增大之后，捕集器能夠更有效地發揮作用，所以凈化氣中的粉塵含量下降，純度更高。但是，由于巖屑粒徑增大，所以導致凈化氣中的粉塵最大粒徑增大。

4 結論

(1)通過研制現場用蓄能液氣泡鉆井液發生裝置以及研究現場施工工藝，建立了適用于現場使用的蓄能液氣泡鉆井液技術。

(2)蓄能液氣泡鉆井液在環空高壓力條件下能夠有效地降低體系的密度，減小井底靜壓力，協同賈敏效應和架橋堵漏作用，對低壓易漏地層具有優異的防漏堵漏能力，具有良好的推廣應用前景。