新型低傷害高性能微泡沫鉆井液性能評價與現場應用*

馬騰飛，周 宇，李志勇，孫晗森，楊 剛

（1.中聯煤層氣有限責任公司，北京 100016；2.中國石油大學（北京）石油工程學院，北京 102249）

隨著我國常規能源需求的不斷增長及已探明儲量的深度開采，氣源的勘探開發正逐步向煤層氣這種自身自儲式、綠色環保型的非常規天然氣源發展［1-2］。煤層氣開采鉆井過程中所鉆遇地層多為不穩定泥頁巖段與煤層段，鉆井液易侵入儲層導致井壁發生水化膨脹，堵塞儲層裂縫和孔喉，對煤儲層造成傷害［3-4］。屏蔽暫堵液鉆井液易被煤巖吸附引起煤層割理和節理發育，造成儲層段孔隙度和滲透率降低；清水鉆井液與煤層流體的配伍性不足易造成黏土礦物水化膨脹；無黏土鉆井液在井壁上實際形成的泥皮質量較差易導致固相物質侵入煤儲層；較高pH值的低固相聚合物鉆井液會促進水化作用從而加劇煤層坍塌［5-6］。對比以上常規煤層氣鉆井液，微泡沫鉆井液主要通過架橋封堵孔喉及裂縫，且密度和液柱壓力較低，可以有效減少鉆井液侵入煤層儲層，具有良好的儲層保護性能［7-8］。已有的應用實例表明，水基微泡沫鉆井液在煤層氣鉆井方面具有較強的技術優勢和應用前景［9-10］。馬文英等［11］將發泡劑、增黏劑、降濾失劑等進行篩選復配，研發出一種氣、液、固三相分散的微泡沫鉆井液體系，并在中原油田4口井和科索1井得到成功應用?，F場應用表明該鉆井液具有良好的抗高溫性能和較強的抑制性。李承林［12］將耐高溫塑料發泡劑（ABS）和十二烷基硫酸鈉（SDS）兩種陰離子型起泡劑復配后配制出可循環微泡沫鉆井液體系。該體系顯著提高了海拉爾盆地X1 井的機械鉆速和井壁穩定性。劉振東等［13］研制出一種新型起泡劑，并將聚陰離子纖維素（PAC）與生物聚合物黃原膠（XC）復配作為穩泡劑，配制出無固相微泡沫鉆井液體系。在邵4-平1井的應用過程中，鉆井液抑制性能突出，固相侵入明顯減少。劉德勝等［14］在哈345-X井進行三開鉆進時，用陰離子型起泡劑和穩泡劑等配制出微泡沫鉆井液體系，發現鉆井液的抗高溫能力和攜砂能力明顯提高。牛步青等［15］以聚胺為水化抑制劑，優選加重劑和增黏劑等處理劑，研制出了聚胺微泡沫鉆井液體系。該體系不僅具有較好的抗溫、抗鹽作用，還能起到有效保護儲層的作用。但以往設計微泡沫鉆井液主劑的過程中，缺乏在不同類型起泡劑的復配機理基礎上進行起泡劑的設計與合成，只是單一的對起泡劑和穩泡劑進行研制或是兩者之前的復配，而復配過程則只是通過簡單的正交實驗確定最優組合，不能分析各設計變量的交互作用對微泡沫所產生的影響。

針對泥頁巖、煤巖等易坍塌煤層氣儲層鉆井過程中發生的鉆井液易濾失、井壁失穩、儲層傷害等問題，將研制的雙子型陰離子起泡劑（LHPF-1）與兩性離子起泡劑（BS-12）進行復配，并加入生物聚合物（XC）提升泡沫穩定性和泡沫壽命，利用響應曲面優化實驗確定3 者的最優加量，并分析各處理劑間的交互作用對于泡沫綜合指數的影響。在此基礎上優選降濾失劑和抑制劑，最終確定微泡沫鉆井液的配方。研究了微泡沫鉆井液的綜合性能，并在滇東地區老廠勘探區進行了現場應用。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

二氯甲烷溶液、氫氧化鈉（96%）、氫氧化鉀、西曲溴銨、雙酚F、4-溴-1-丁醇、氯磺酸、乙醇，分析純，北京伊諾凱科技有限責任公司；煤堿劑（SCUR）、羥丙基淀粉（HPS）、羧甲基淀粉鈉（CMS），化學純，山東得順源石油科技有限責任公司；十二烷基二甲基甜菜堿（BS-12），化學純，廣州市源生泰化工有限公司；生物聚合物黃原膠（XC），化學純，四川省成都市中浩化工有限公司；褐煤樹脂（SPNH），化學純，河北廊坊藍錦環?？萍加邢薰荆痪郾╇姘罚∟H4HPAN），化學純，河北鴻澤化工有限公司；聚丙烯酸鉀（KPAM），化學純，延安朝政泥漿責任有限公司；石英砂，北京博恩科創科技有限公司；煤粉，取自云南老廠勘探區LC-C5井1200～1210 m儲層段；巖樣均取自云南恩洪區塊EH-C7井；現場鉆井液分別來自云南恩洪區塊EH-C7 井和云南老廠勘探區LC-C1井。

VHX-7000 型光學顯微鏡，基恩士（中國）有限公司；ET-03L 型液體密度計，北京儀特諾電子科技有限公司；GJD-B12K型變頻高速攪拌機、CPZ-Ⅱ型雙通道泥頁巖膨脹儀、ZNN-D6型六速旋轉黏度計、SD-6 型中壓濾失儀、FA 型無滲透鉆井液濾失儀、BGRL-7 型高溫滾子加熱爐，青島同春石油儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 起泡劑LHPF-1的合成

（1）首先將45 mL 二氯甲烷溶液、10.4 g 氫氧化鉀、1.5 g西曲溴銨裝入帶有尾氣吸收裝置和回流冷凝管的三口燒瓶中；加溫至30 ℃后，加入17.5 g 雙酚F，繼續加溫至50 ℃，再加入68.5 g 4-溴-1-丁醇，持續攪拌使反應徹底。反應完成后，待體系冷卻，對反應產物進行過濾提純，得到雙醚醇中間體，反應式見式（1）。

（2）攪拌條件下，將雙醚醇中間體加入盛有45 mL 二氯甲烷溶液的三口燒瓶（裝有HCl 處理裝置）中；在10 ℃下，向體系中緩慢滴加10.5 g氯磺酸，持續攪拌升溫至45 ℃，排出HCl；攪拌下滴入2%NaOH乙醇溶液，直到pH=7，加入乙醇，熱過濾除去無機鹽，蒸餾除去乙醇，得到所述起泡劑LHPF-1，反應式見式（2）。

1.2.2 起泡劑和穩泡劑的復配

（1）Box-Behnken 實驗設計法。將兩種起泡劑和穩泡劑的復配通過實驗設計和建模，對實驗數據點進行回歸擬合和響應曲面分析，求出相對應的各個因素的響應值（泡沫綜合指數Fq）。在各個因素的響應值基礎上，找出各因素的最優水平值以及相應的實驗條件［16-17］。

（2）泡沫綜合指數Fq的計算。參考石油天然氣行業標準SY/T 5350—2009《鉆井液用發泡劑評價程序》，評價起泡劑、穩泡劑在不同比例組合下的起泡能力和穩定性。實驗中向100 mL 去離子水加入一定濃度的起泡劑、穩泡劑，在11 000 r/min 轉速下攪拌1 min后，立即倒入500 mL量筒中，開始計時，記錄初始泡沫最大起泡量Vm，當泡沫析出液體的體積達到50 mL時，停止計時，記為泡沫半衰期t，然后按Fq=3×Vm×t/4計算泡沫綜合指數［18］。

1.2.3 降濾失劑及抑制劑的優選

在優選出的起泡劑和穩泡劑組合基礎上配制200 mL 基液，在11 000 r/min 下持續攪拌1 min，分別加入SPNH、NH4HPAN、SCUR、HPS 和CMS 5 種微泡沫鉆井液體系常用的降濾失劑，測試其降濾失性能及對體系流變性的影響，然后進行降濾失劑組合加量優選實驗。

在優選出的起泡劑、穩泡劑和降濾失劑組合基礎上配制200 mL 基液，在11 000 r/min 下持續攪拌1 min，加入不同濃度的KPAM，對現場鄰井EH-C7井972～982 m 段的泥巖巖樣進行滾動回收率實驗和泥頁巖膨脹性實驗。參照石油天然氣行業標準SY/T 5613—2000《泥頁巖理化性能試驗方法》，進行抑制劑加量優選，最終得到新型低傷害高性能微泡沫鉆井液的最優配方。

1.2.4 體系的綜合性能評價

（1）泡沫微觀結構評價。將200 mL新型低傷害高性能微泡沫鉆井液在11 000 r/min 下持續攪拌1 min，產生豐富的泡沫后，迅速取出泡沫樣品并放置在玻璃薄片上觀察其微觀特征，利用光學顯微鏡對微泡沫的粒徑進行觀察與記錄。

（2）抗污染性評價。依據最優配方配制200 mL新型低傷害高性能微泡沫鉆井液，分別向基液中加入不同加量的巖屑和煤粉，以密度、濾失量、起泡量和半衰期等作為指標，評價體系的抗巖屑污染性能和抗煤粉污染性能。

（3）抑制性評價。選取現場EH-C7 井8#、9#和16#3 個主力煤層的頂底板巖屑，參照SY/T 5613—2000，分別對去離子水、現場取回的EH-C7 井鉆井液、LC-C1 井鉆井液和新型低傷害鉆井液進行巖樣回收率和膨脹量實驗。實驗條件：常溫常壓×8 h，滾動條件：46 ℃×16 h，初始質量50 g。

（4）封堵性能評價。借助FA 型無滲透鉆井液濾失儀，通過填充不同目數砂粒模擬地層不同大小的孔隙和裂縫，評價體系的封堵能力。分別將350 cm3的0.180～0.250 mm（80～60 目）、0.150～0.180 mm（100～80 目）、0.125～0.150 mm（120～100 目）石英砂倒入筒狀且可透視的鉆井液杯中的濾網上，再倒入500 cm3的鉆井液，擰緊杯蓋，接通氣源，將壓力調至0.7～1.0 MPa，30 min 后觀察記錄鉆井液滲透的深度。

（5）儲層保護性能評價。參考石油天然氣行業標準SY/T 6540—2002《鉆井液完井液損害油層室內評價方法》，選取EH-C7井的2塊煤巖巖心進行滲透率恢復實驗。

2 結果與討論

2.1 兩種起泡劑和穩泡劑的復配機理

起泡劑是泡沫鉆井液中的核心處理劑之一，主要通過降低氣水界面張力促使形成具有一定穩定性的泡沫。筆者在合成雙子型陰離子表面活性劑LHPF-1的過程中，在分子結構中引入兩個顯負電性質的親水硫酸基團，利用負電基團在氣水界面產生的靜電斥力降低氣泡的聚并速度，提高泡沫穩定性；同時苯環、碳鏈等親油基團有益于提高泡沫的穩定性，延長泡沫壽命。而當兩性離子起泡劑BS-12與LHPF-1復配時，兩性離子起泡劑極性基團所帶的正電荷對于陰離子起泡劑的陰離子基團存在靜電吸引作用［19-20］，使得LHPF-1分子在氣液界面上的排列更為緊密，可以增強降低氣水界面張力能力的同時延長泡沫壽命。受泡沫歧化和重力排液影響，泡沫最終不可避免的會發生聚并和破滅，因此加入穩泡劑生物聚合物XC，利用其自身良好的增黏提切性質增大泡沫液膜的黏度以及厚度，降低泡沫排液速率和氣體擴散速率，從而有效提升泡沫穩定性［21-22］。

2.2 兩種起泡劑和穩泡劑的復配結果

Box-Behnken 優化實驗結果見表1～3。由表3回歸方程方差分析與顯著性分析可知，所建立的預測模型較為穩定，可以與實驗數據進行較好地擬合（Pr＞F ＜0.0001，模擬的失擬項P 值為0.3740）［23-24］。由圖1 響應曲面圖結果分析可得，變量A 和變量B對于泡沫綜合指數Fq的交互作用最大，形成的曲面曲率也最大。變量B 和變量C 的交互作用次之，變量A和變量C的交互作用最小。結合表3中的F值可知各個自變量對于Fq的顯著性影響程度依次為：穩泡劑XC 濃度＜起泡劑BS-12 濃度＜起泡劑LHPF-1濃度。注意到變量C對Fq的影響較小，但Fq隨著A和B濃度的增大先增加后減小。分析認為隨著起泡劑（LHPF-1）濃度增加，初始時BS-12極性基團所帶的正電荷與LHPF-1的陰離子基團之間的靜電作用不斷增強，氣水界面張力下降較快，Fq快速上升；當濃度達到一定程度時，起泡劑（BS-12）分子大量分布在泡沫液膜表面，造成泡沫液膜表面吸附的LHPF-1分子有所減少，二者之間的靜電作用強度減弱，降低氣水界面張力能力下降。同理，當BS-12分子濃度較大時，也會造成Fq不斷降低?；诖耍肂ox-Behnken優化設計實驗分析得到二者和穩泡劑的最優比例組合應為：0.25% LHPF-1+0.25%BS-12+0.25%XC。

圖1 泡沫綜合指數的響應曲面圖

表1 實驗設計因素編碼與水平表

表2 Box-Behnken實驗設計及其響應值

表3 實驗結果方差分析與顯著性分析

2.3 降濾失劑及抑制劑的優選

2.3.1 降濾失劑優選

鑒于滇東煤儲層段鉆井液易濾失侵入儲層，堵塞儲層裂縫和孔喉，對煤儲層造成傷害。在初步優選配方（水+0.25% LHPF-1+0.25% BS-12+0.25%XC）中分別加入2%的SPNH、NH4HPAN、SCUR、HPS和CMS 5種微泡沫鉆井液體系常用降濾失劑，測試其降濾失性能及對體系流變性的影響，然后進行降濾失劑組合優選，實驗結果見表4、表5。

表4 降濾失劑性能評價

表5 降濾失劑復配優選實驗結果

對比空白組實驗數據，基液中分別加入2%的SPNH、NH4HPAN、SCUR 3 種降濾失劑對體系的流變性影響較小，降濾失效果明顯。由于微泡沫體系中固相含量較少，SPNH和NH4HPAN的復配可以改善泥餅質量，形成韌性更強的泥餅，有效降低濾失量。其中降濾失劑復配組合1% SPNH+1%NH4HPAN 的綜合性能最優。后續以此為基礎進行體系的構建。

2.3.2 抑制劑優選

滇東煤儲層巖樣黏土礦物含量較高，遇水后易發生膨脹、分散，使井壁坍塌，造成井下故障，井眼穩定性問題亟待解決。因此，在上述優化配方中加入不同濃度的KPAM，并對現場鄰井EH-C7 井泥巖巖樣進行滾動回收率實驗和泥頁巖膨脹性實驗，實驗結果見圖2。KPAM 有助于改善體系的流變性能，對體系的起泡量和半衰期的影響較小。且隨著KPAM 加量增大，KPAM 分子形成團狀結構包被在巖樣表面，封堵巖樣孔隙，抑制其水化分散，有效增加巖樣回收率，并降低巖樣膨脹率。當加量大于0.2%時，巖樣滾動回收率可達90%以上，膨脹率降低至0.02%以下。

圖2 聚丙烯酸鉀加量優選

2.4 微泡沫鉆井液綜合性能評價

最終確定微泡沫鉆井液的優選配方為：0.25%LHPF-1+0.25% BS-12+0.25% XC+1% SPNH+1%NH4HPAN+0.2%KPAM。以此為基礎，進行微泡沫鉆井液的綜合性能評價。

2.4.1 泡沫微觀結構

利用光學顯微鏡對產生的微泡沫進行觀察與記錄，結果見圖3。普通泡沫隨著靜置時間的延長，部分氣泡體積變大，玻璃薄片上單位面積內的氣泡個數逐漸減少，且液膜變薄，在大氣壓和液膜自重的影響下，泡沫較易破裂，表明該條件下的微泡沫體系較不穩定。對比普通泡沫，微泡沫的液膜較厚，大部分液膜厚度能達到泡沫尺寸的一半，且微泡沫間呈分散排列，不存在Plateau邊界或受Plateau效應影響較小［25］，表明新型低傷害高性能微泡沫鉆井液產生的泡沫鎖液能力較強，泡沫也更加穩定。

圖3 普通泡沫（a）和微泡沫（b）的顯微鏡照片（200倍）

2.4.2 抗污染性能

新型低傷害高性能微泡沫鉆井液的抗污染性能評價結果見表6。隨著巖屑和煤粉的加入，微泡沫鉆井液密度略有增加，但對體系濾失量的影響較小。鉆井液仍可以保持較好的流變性能和起泡性能，表明微泡沫體系的抗巖屑污染能力和抗煤粉污染能力較強。

表6 巖屑和煤粉對微泡沫鉆井液起泡性能和流變性能的影響

2.4.3 抑制性能

巖樣回收率實驗和膨脹性實驗測試結果見圖4。相對于清水和現場鉆井液體系，新型低傷害高性能微泡沫鉆井液體系能顯著提高巖屑滾動回收率，回收率都在90%以上，同時可以將膨脹率控制在3%以下，表明其抑制性和控制泥頁巖水化分散的能力更好。分析認為，除了體系中抑制劑的包被作用，微泡沫鉆井液中的發泡劑和穩泡劑是帶有強吸附親水基團的表面活性劑，可以在巖石表面吸附形成膜結構，疏水端朝向鉆井液，阻止泥頁巖與鉆井液的進一步接觸，從而抑制泥頁巖的水化以及煤巖頂底板地層發生膨脹，阻止煤層裂縫滲流通道減小。

圖4 不同體系的滾動回收性能（a）與膨脹抑制性能（b）對比

2.4.4 封堵性能

由表7 可見，微泡沫鉆井液能有效封堵不同目數石英砂所形成的孔隙空間，侵入深度較小，封堵性能和濾失性能保持良好。微泡沫在滲漏過程中經過孔隙喉道時，受賈敏效應影響滲流阻力大大增加［26］。這可以減輕鉆井液濾液對井壁的浸泡作用，從而降低泥頁巖的水化效應，提升泡沫鉆井液的防塌能力。

表7 在不同壓力下微泡沫鉆井液對砂床的滲透深度

2.4.5 儲層保護性能

由表8 可知，新型低傷害高性能鉆井液能將對巖心封堵率和返排后的滲透率恢復值都保持在90%以上，表明微泡沫體系在吸附脫附后，對原始煤樣潤濕性的改變較小，且泡沫的可變形特性及封堵作用可以進一步降低鉆屑微粒及濾液進入儲層的概率，起到良好的儲層保護效果。

表8 微泡沫鉆井液對儲層的保護效果

2.5 現場試驗

為了驗證新型低傷害高性能微泡沫鉆井液的實際應用效果，在滇東地區老廠勘探區LC-C7-2D井二開井段進行了現場試驗。

2.5.1 LC-C7-2D井概況及鉆井難點

LC-C7-2D 井位于滇東古揚子板塊康滇古陸東緣，設計井深為905 m。根據鄰井資料預測該地區煤儲層溫度約30 ℃，煤層儲層壓力為5.54～6.59 MPa，壓力系數為0.83～0.91。鉆井及其他施工過程中，應注意鉆井液密度，保護煤儲層不受傷害。該井二開井段主要存在以下鉆井難點：（1）煤儲層中孔隙和裂縫的尺寸變化范圍相對較大。為保證鉆井安全，要求泡沫可以最大程度自發封堵大小不同的孔隙和裂縫，并在完鉆后最大程度返排，解堵儲層。（2）滇東煤儲層蓋層多以泥巖軟巖為主，黏土含量較高，鉆井液濾液侵入泥頁巖后易引起局部水化，使井壁巖石水化膨脹或分散，導致井徑縮小或因剝落掉塊而擴大。鉆井過程中泡沫鉆井液的抗污染性及儲層保護性能至關重要。（3）所鉆煤系儲層易坍塌、掉塊，有卡鉆風險，需要泡沫鉆井液具有良好的抑制性。

2.5.2 鉆井液配制及鉆井工況

按優選配方配制新型低傷害高性能微泡沫鉆井液，鉆進過程中可根據實際情況適當調整各組分的加量。具體配制及使用過程如下：（1）在用原井漿鉆水泥塞直至剩1～2 m 時，將原井漿用淡水替換。（2）配制微泡沫鉆井液。在現場循環設備及攪拌設備良好的前提下，先在淡水中加入降濾失劑，充分攪拌及循環后，加入混合穩泡劑和抑制劑，同時不斷測量鉆井液性能，待其充分水化、循環均勻；然后逐漸加入起泡劑，調節密度直至達到要求。（3）鉆進期間，將鉆井液處理劑配制成膠液，緩慢、均勻加入以保持鉆井液性能穩定，切忌大量加水；根據返砂情況、泡沫返出狀態及實驗結果，用XC、KPAM等實時調整鉆井液的黏度和切力，保證井下鉆井液具有良好的攜巖性和懸浮性。（4）微泡沫鉆井液在靜止時有少量氣泡膨脹溢出，體系密度略微上升。但重新開鉆時，鉆井液經過地面泥漿罐后會重新起泡、大泡變微泡沫，密度會下降。因此，下鉆到底后不能急于返排鉆井液，循環1～3周后測量密度再處理鉆井液。

2.5.3 試驗效果

鉆進至井深600 m 時進入煤系地層，并嚴格控制泡沫鉆井液體系密度。其中50～905 m井段鉆進過程中的機械鉆速為8.91 m/h，鉆進期間井壁穩定、鉆井液性能良好。現場測試結果表明，體系密度維持在0.93～0.95 g/cm3，黏度40～42 mPa·s，濾失量＜8 mL，pH 值8～10。由圖5 可見，LC-C7-2D 井煤系地層鉆進過程中的平均井徑擴大率為5.12%（鉆頭直徑0.2159 m），無任何井下復雜事故，煤氣吻合率較高。現場振動篩返出的巖屑沖洗后的分散性能良好，表明微泡沫鉆井液體系能維持井壁穩定，抑制性能良好，返出的巖屑較為均勻。

圖5 LC-C7-2D井鉆井過程中的井徑曲線圖

鄰井LC-C5 井的二開井段采用無黏土低固相鉆井液。其中250～1440 m井段鉆進過程中的機械鉆速為4.52 m/h，鉆井液密度維持在1.03～1.04 g/cm3，漏斗黏度為28～31 s，泥餅厚度為0.30～0.80 mm，濾失量≤9mL，含砂量＜0.2%，pH 值為8～9。其煤系地層鉆進過程中的平均井徑擴大率為9.22%，鉆遇煤系地層后漏失嚴重，且發生一次井下埋鉆事故。

3 結論

室內性能評價實驗結果表明，新型低傷害高性能微泡沫鉆井液密度可降至0.49 g/cm3，起泡量可達420 mL，泡沫半衰期可達33 h 以上，對煤層巖心的封堵率和滲透率恢復值均在90%以上，具有良好的流變性、攜巖性和抑制性能，同時可抗7%的巖屑和煤粉污染。

新型低傷害高性能微泡沫鉆井液在滇東地區老廠勘探區進行了現場應用，鉆進時間4 d，無任何井下復雜事故，體系濾失性能和抑制性能保持良好，可以維持井壁穩定。全井段平均井徑擴大率為5.9%，濾失量小于5 mL，大大降低了對煤儲層造成的傷害，現場應用效果良好。