武金賢，鄧 強(qiáng)，李 泓，孫 歡，陳 剛

（1.延長(zhǎng)油田股份有限公司七里村采油廠，陜西 延安 716000；2.西安石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，陜西 西安 710065；3.江蘇三星科技有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212200）

綜觀國(guó)內(nèi)外鉆井液技術(shù)的發(fā)展，隨著各種復(fù)雜和特殊情況出現(xiàn)，新技術(shù)、新體系不斷出現(xiàn)。正是由于一系列新體系新技術(shù)的應(yīng)用，在一定程度上促進(jìn)了鉆井液工藝技術(shù)的進(jìn)步。在生產(chǎn)中結(jié)合復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)國(guó)內(nèi)外提出了不同的鉆井液體系，國(guó)外相繼推出了聚合醇鉆井液、甲酸鹽鉆井液和微泡鉆井液等具有國(guó)際先進(jìn)水平的水基防塌鉆井液體系，其中微泡沫鉆井液，在穩(wěn)定性、防漏堵漏效果、儲(chǔ)層保護(hù)能力方面有很好的效果。

1 泡沫鉆井液體系概述

表面活性劑是泡沫鉆井液的核心，好的發(fā)泡劑應(yīng)具有以下特征：①起泡性能好，微泡沫基液與氣體混合攪拌后可產(chǎn)生大量粒度較小的微泡沫；②微泡沫穩(wěn)定性強(qiáng)，能在長(zhǎng)時(shí)間的循環(huán)剪切和高溫條件下穩(wěn)定；③抗污染能力強(qiáng)，與鉆井液其他處理劑配伍性好，鉆遇地層水時(shí)性能穩(wěn)定[1]。表面活性劑有2個(gè)重要的性質(zhì)，一是在各種界面上的定向吸附，另一個(gè)是在溶液內(nèi)部形成膠束。表面活性劑溶于水后，按照離解或不離解分為離子表面活性劑和非離子表面活性劑，離子表面活性劑又可按產(chǎn)生離子電荷的性質(zhì)分為陰離子、陽(yáng)離子和兩性表面活性劑。

對(duì)于活性劑產(chǎn)生氣核的能力以及穩(wěn)定性，一般而言陰離子型表面活性劑成核能力強(qiáng)，半衰期長(zhǎng)，其次為陽(yáng)離子型表面活性劑，而非離子表面活性劑對(duì)基液增加膨脹很小，半衰期很短，成核能力差，并且氣核穩(wěn)定性差[2]。兩性表面活性劑與陰離子型表面活性劑的成核能力相當(dāng)，且氣核較穩(wěn)定，但是由于兩性表面活性劑價(jià)格遠(yuǎn)高于陰離子型表面活性劑，因此，一般采用陰離子型表面活性劑作為泡沫鉆井液體系的起泡劑。

單一的發(fā)泡劑溶液形成的泡沫穩(wěn)定性差，還需要加入穩(wěn)泡劑和輔助穩(wěn)泡劑等添加劑來(lái)提高其穩(wěn)定性。穩(wěn)泡劑是泡沫鉆井液不可缺少的一部分，它能使泡沫在鉆井液體系中穩(wěn)定存在，提高泡沫的壽命。而泡沫的穩(wěn)定性受到表面張力、內(nèi)外壓力差、氣泡膜的彈性與韌性等作用的影響。從分子結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，高分子量、高密集度的分子結(jié)構(gòu)、復(fù)合網(wǎng)絡(luò)狀的泡沫穩(wěn)定性強(qiáng)。

穩(wěn)泡劑按作用可分為兩類：第一類利用表面活性劑的協(xié)同作用來(lái)增強(qiáng)界面吸附分子間的相互作用，使界面吸附膜強(qiáng)度增大，從而提高泡沫穩(wěn)定性。第二類是添加增稠劑來(lái)提高液相的黏度，降低流動(dòng)度，減緩泡沫排液速度[3]。常用的泡沫穩(wěn)定劑主要有以下幾類：脂肪酰胺（RCONH2）、脂肪酸乙醇酰胺（RCONHCH2CH2OH）、長(zhǎng)鏈脂肪醇（ROH）、N-烷基亞氨二醋酸鈉鹽、烷基甜菜堿磺酸（R(CH2)2N+CH2CH2CH2SO3-）、聚丙烯酸及其衍生物等。常用的增稠劑有瓜爾膠（GHPG）、羥甲基纖維素（CMC）、羥乙基纖維素（HEC）等[4]。穩(wěn)泡劑的加量根據(jù)不同體系是不同的，在滿足微泡體系穩(wěn)定性的前提下盡量少加穩(wěn)定劑，因此高性能的穩(wěn)泡劑是決定泡沫鉆井液性能好壞的關(guān)鍵因素之一。

泡沫鉆井液具有密度低（小于1.0g·cm-3）、濾失量小、攜巖能力強(qiáng)和有助于提高鉆速等特點(diǎn)，具有明顯的防漏、治漏效果，能解決低壓地層和長(zhǎng)段破碎帶地層的嚴(yán)重井漏難題，失水率極低和鉆井液排放處理壓力輕等特點(diǎn)，對(duì)于衰竭、水敏性地層有著廣泛的應(yīng)用前景，現(xiàn)已成為油氣田開(kāi)發(fā)中鉆井液的一個(gè)重要發(fā)展方向。我國(guó)最早使用泡沫鉆井液應(yīng)追溯到1984年，當(dāng)時(shí)新疆油田成功應(yīng)用空氣泡沫流體進(jìn)行洗井，隨后嘗試進(jìn)行鉆井，取得了良好效果，泡沫鉆井液的可行性、優(yōu)越性得到了驗(yàn)證，自此揭開(kāi)了其在我國(guó)的應(yīng)用序幕[5]。泡沫鉆井液在井壁穩(wěn)定方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，為穩(wěn)定井壁提供了新的技術(shù)手段；同時(shí)，也存在泡沫體系穩(wěn)定性差、現(xiàn)場(chǎng)消泡困難以及井壁穩(wěn)定評(píng)價(jià)方法欠缺等問(wèn)題。可循環(huán)泡沫鉆井液是在泡沫鉆井液的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的?？裳h(huán)泡沫鉆井液流變性好，操作方便，應(yīng)用效果良好，但承壓能力差。可循環(huán)鉆井液其承壓能力大大提升，應(yīng)用可循環(huán)泡沫類鉆井液與其它泡沫鉆井液的根本區(qū)別是不需要附加特殊設(shè)備就可以實(shí)現(xiàn)一定體積的氣體穩(wěn)定存在于鉆井液中，大大降低成本。微氣泡必須在壓力下降和氣蝕條件下產(chǎn)生：鉆井液流出鉆頭噴嘴時(shí)，在水力氣蝕條件下產(chǎn)生微孔隙，這些微孔隙迅速被表面活性劑包裹作為產(chǎn)生含壓球體的動(dòng)力。大量的微氣泡能夠降低鉆井液的密度，提高增粘劑的作用效果，適合于孔隙壓力不高的地層，并在地層裂縫中產(chǎn)生橋堵或者封堵。

2000年至今，國(guó)內(nèi)發(fā)表的關(guān)于可循環(huán)泡沫類學(xué)術(shù)論文共60余篇、學(xué)位論文2部，其研究?jī)?nèi)容以流變性、濾失造壁性、穩(wěn)定性、處理劑配伍性等為主，在體系發(fā)展、應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)大以及與其它堵漏技術(shù)的融合等方面取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，但機(jī)理研究沒(méi)有突破。2008年底，鄭力會(huì)等在第六屆國(guó)際多相流測(cè)量技術(shù)大會(huì)上提出了微泡微觀結(jié)構(gòu)，認(rèn)為微泡由“一核兩層三膜”組成[6]。截至目前，對(duì)于這種內(nèi)部含有囊泡狀堵漏材料的鉆井液流體結(jié)構(gòu)和作用機(jī)理仍處于定性研究階段，對(duì)于其動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)研究幾乎為零[7]。

1998年微泡鉆井液?jiǎn)柺繹8]，體系內(nèi)的氣泡粒徑范圍為30～100μm，氣泡以均勻、非聚集、非連續(xù)態(tài)存在，幾乎不存在Plateau交界?？裳h(huán)微泡沫鉆井液的特殊結(jié)構(gòu)使其具有一定的疏水性，加之密度低，降低了鉆井液的液柱壓力，可減少鉆井液向地層的滲透。該體系在低剪切下即具有較高的黏度，減輕了微泡沫向泥頁(yè)巖的擴(kuò)散效應(yīng)，適用于在壓力系數(shù)較低、虧空易漏失地層進(jìn)行平衡或欠平衡鉆井。美國(guó)ActiSystem公司研制了一種“Aphrons”鉆井液，并首次在德克薩斯州西部的Fusselman油田應(yīng)用，在造斜段鉆遇大的裂縫并發(fā)生漏失，而換用微泡沫鉆井液后泵壓增加，并有返出，逐步恢復(fù)鉆進(jìn)，說(shuō)明該鉆井液具有良好的封堵裂縫能力[9]。

2 囊泡鉆井液的特點(diǎn)

囊泡鉆井液是以水為連續(xù)相，表面活性劑、聚合物處理劑通過(guò)高攪形成內(nèi)部含有囊泡結(jié)構(gòu)的鉆井液，密度小于1.0g·cm-3，內(nèi)部似氣囊，外部由于聚合物的高黏性吸附聚合物類似絨毛，分散在連續(xù)相中形成穩(wěn)定的氣液體系。囊泡鉆井液除了密度可調(diào)，適合于近、欠平衡作業(yè)外，還具有自匹配漏失通道，高效封堵；強(qiáng)剪切稀釋特性，高效懸浮攜帶巖屑；自脫殼返排特性，控制儲(chǔ)層傷害以及可以使用加重材料加重等四大特點(diǎn) 。

2.1 微囊泡鉆井液的微觀結(jié)構(gòu)

微囊泡鉆井液的微觀結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 理論囊泡鉆井液的微觀結(jié)構(gòu)

由圖1可知，微囊泡鉆井液的微觀結(jié)構(gòu)為“一核、二層、三膜”：

一核：被包裹的氣體位于整個(gè)球形囊泡的中心，稱為“氣核”。

二層：“氣核”外部包含一個(gè)水層，黏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于連續(xù)相，為“高黏水層”；最外為聚合物和表面活性劑組成，連續(xù)相濃度降低，簡(jiǎn)稱“濃度過(guò)渡層”。

三膜：“氣核”外側(cè)聚集著一層表面活性劑，使氣核聚集能量，故稱“表面張力降低膜”；“高黏水層”吸附表面活性劑形成維持“高黏水層”的表面活性劑膜，簡(jiǎn)稱“高黏水層固定膜”；在高黏水層固定膜外側(cè)的表面活性劑的親油劑與其相對(duì)應(yīng)，吸附成膜，此膜使囊泡具有很好的親水性，故稱“水性改善膜”。

2.2 微囊泡鉆井液封堵機(jī)理

微囊泡鉆井液的封堵機(jī)理可解釋如下：

1）如果遇到大于囊泡直徑的地層滲流通道（大的裂縫或溶洞），在壓差及溫度作用下，囊泡流動(dòng)速率大于水溶液速率，并且體積越來(lái)越大，堆積成橫放圓錐狀，分解了液柱壓力，實(shí)際作用于最前方氣囊的壓力很小。較小壓差下，流體無(wú)法進(jìn)一步進(jìn)入地層。同時(shí)，由于流動(dòng)速度降低，體系黏度增大，封堵地層。

2）如遇與囊泡直徑相當(dāng)?shù)穆┦ǖ溃ㄖ懈呖诐B地層），囊泡向低壓區(qū)移動(dòng)，靠近漏失通道的氣囊被“吸”進(jìn)地層，拉長(zhǎng)充填漏失通道，通過(guò)流動(dòng)增阻和賈敏效應(yīng)增加漏失阻力，液相中的其它囊泡在壓差作用下持續(xù)堆積在漏失通道入口處，體系黏度增大，從而達(dá)到封堵地層的效果。

3）如遇小于囊泡直徑的漏失通道，囊泡工作液在進(jìn)入儲(chǔ)層滲流通道前，由于靠近井壁的流動(dòng)速度很低，工作液低剪切速率下的高黏度特性使得凝膠強(qiáng)度增大，聚合物吸附地層，增大了進(jìn)入滲流通道的阻力。與此同時(shí)，囊泡在氣液密度差的作用下吸附在低壓微孔或微裂縫的入口處。封堵入口的囊泡靜止后，表面活性劑和高分子聚合物聚集形成擴(kuò)散層，凝膠強(qiáng)度進(jìn)一步增大，強(qiáng)化封堵效果。

3 囊泡鉆井液的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

囊泡首次被報(bào)道是在20世紀(jì)70年代的化妝品領(lǐng)域，高分子化學(xué)領(lǐng)域就開(kāi)始研究嵌段共聚物在溶劑中的膠束化問(wèn)題，80年代后人們開(kāi)始關(guān)注和研究這一載體技術(shù)，并將其逐漸應(yīng)用于藥物的靶向傳遞[10-11]。囊泡是一種兩親分子有序組合體，它是由密閉雙分子層所形成的球形或橢球形單間或多間小室結(jié)構(gòu)。目前人們對(duì)囊泡的聚集性質(zhì)及囊泡的穩(wěn)定性方面進(jìn)行了很多研究[12]。根據(jù) Israelachvili理論，雙親分子是否能自發(fā)地形成囊泡與其臨界堆積常數(shù)P有關(guān)：P=V/(a0lc），式中V是分子的體積，lc是表面活性劑尾鏈（碳?xì)滏湥┑拈L(zhǎng)度，a0是表面活性劑分子的有效頭基面積，公式中的a0lc表示一個(gè)圓柱體的體積（即分子的頭尾面積相等），形成囊泡的必備條件是0.5＜P＜1.0[13]。

Kunitake等人首次采用雙十二烷基二甲基溴化銨制得了囊泡，此后大量的研究證實(shí)很多具有雙鏈結(jié)構(gòu)的兩親分子都可形成囊泡[14]。Kunitake等人還發(fā)現(xiàn)氟表面活性劑也可形成囊泡，并且合成了一系列單鏈、雙鏈和三鏈氟表面活性劑，發(fā)現(xiàn)它們與其所對(duì)應(yīng)的以碳?xì)滏湠槭杷湹膬捎H分子在形成締合結(jié)構(gòu)的規(guī)律基本相同。Regen研究了DODAM（雙十八烷基二甲基甲基丙烯酸銨）在水中經(jīng)超聲處理形成小尺寸囊泡后，加入聚甲基丙烯酸包裹，在60℃下，λ=254nm下聚合120min后形成聚合物包裹的囊泡。

在對(duì)雙鏈兩親分子囊泡的制備和性質(zhì)研究的同時(shí)，研究者也在探索以單鏈兩親分子制備囊泡。Kaler等人報(bào)道了在十六烷基三甲基甲苯磺酸銨（CTAT）與十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）的稀混合溶液中可以形成單室囊泡。關(guān)于單鏈兩親分子的成果已經(jīng)很多，但是國(guó)內(nèi)對(duì)囊泡的研究起步較晚。余娜等采用陽(yáng)離子表面活性劑（十六烷基三甲基溴化銨）分別與陰離子表面活性劑（十二烷基苯磺酸鈉、十二烷基磺酸鈉和十二烷基硫酸鈉）復(fù)配，在適當(dāng)條件下三種體系的水溶液均可自發(fā)形成囊泡[16]。但關(guān)于微囊泡鉆井液方面的研究遲緩，2008年鄭力會(huì)等在第六屆國(guó)際多相流測(cè)量技術(shù)大會(huì)上推測(cè)了微泡微觀結(jié)構(gòu)，研究了含絨囊結(jié)構(gòu)的新型低密度鉆井液。囊泡鉆井液已經(jīng)在石油、天然氣、煤層氣等領(lǐng)域鉆井、完井、修井作業(yè)成功。含囊泡結(jié)構(gòu)的鉆井液、完井液和修井液，不僅具備無(wú)需附加設(shè)備即能實(shí)現(xiàn)無(wú)固相密度低于1.0g·cm-3控制漏失等優(yōu)點(diǎn)，還能承受高溫高壓的條件。如M80-C1井第一次使用完成的一口開(kāi)窗側(cè)鉆井，應(yīng)用井深2900多米，全井無(wú)漏失。絨囊工作液在川中、冀東等油氣田試用10余井次，成功率100%。利用新型囊泡材料，已經(jīng)成功地應(yīng)用于鉆井、完井、修井作業(yè)，解決了幾大問(wèn)題：1）欠平衡鉆井利用附加設(shè)備注入氣體問(wèn)題；2）隨鉆防漏和靜止堵漏提高地層承壓能力問(wèn)題；3）復(fù)雜結(jié)構(gòu)井懸浮攜帶巖屑、降低摩阻問(wèn)題；4）儲(chǔ)層傷害控制問(wèn)題。

4 囊泡鉆井液技術(shù)的發(fā)展前景

目前，許多油田開(kāi)發(fā)難度越來(lái)越大，在復(fù)雜儲(chǔ)層鉆井過(guò)程中經(jīng)常發(fā)生嚴(yán)重漏失和壓差卡鉆，阻礙了油田的深度開(kāi)發(fā)。以水濕性砂巖為主儲(chǔ)層，致密頁(yè)巖層和枯竭砂巖層常?；殚g層而且往往存在大裂縫，需要使用多套壓力體系的鉆井液。使用普通鉆井液體系，容易產(chǎn)生過(guò)大的壓差是發(fā)生漏失和壓差卡鉆的主要原因，因此，使用通常的鉆探設(shè)備很難順利鉆穿該類地層。目前，可以采用充氣鉆井液或欠平衡鉆井技術(shù)解決部分問(wèn)題，但是需要配置價(jià)格昂貴的設(shè)備，而且充氣鉆井液無(wú)法穩(wěn)定上部地層。近來(lái)開(kāi)發(fā)出具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)的微泡沫基鉆井液可以順利鉆穿枯竭儲(chǔ)層。

堵漏防漏技術(shù)已成為世界級(jí)的難題。研究人員已經(jīng)投入很大的工作，但效果都不明顯。在鉆井工程中遇到的地層越來(lái)越復(fù)雜，在鉆進(jìn)壓力衰竭地層、破碎或弱膠結(jié)地層、裂縫發(fā)育地層及多套壓力層系等時(shí)，井漏問(wèn)題非常嚴(yán)重，甚至可能使油氣井報(bào)廢，經(jīng)濟(jì)損失巨大。2003年，全球鉆井堵漏費(fèi)用高達(dá)8億美元，其中還不包括井漏造成事故后處理事故的花費(fèi)。在此嚴(yán)峻的形勢(shì)下急迫需要找到高效的防漏堵漏材料。對(duì)于防漏堵漏材料人類已想到所有的可用材料如橡膠、水泥、聚合物、瀝青等，但效果都不理想。要找到合適的封堵材料需要闡明材料與漏失通道相匹配的關(guān)系，研究者先后提出了1/3架橋規(guī)則、2/3架橋規(guī)則、理想充填等理論，但是應(yīng)用都有一定的局限性。其原因在于地下巖石的孔隙大小、裂縫寬度等地質(zhì)因素很不均勻，幾乎無(wú)法測(cè)量其大小，與理論研究和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究相差很大，因而無(wú)法利用理論逐個(gè)計(jì)算材料對(duì)應(yīng)的漏失通道。

在封堵效果不理想的情況下，研究者采用了軟物質(zhì)，例如泡沫、微泡、囊泡等。囊泡鉆井液可以自發(fā)地堵漏，自行調(diào)節(jié)性能，全面封堵漏失地層，稱為“自匹配封堵”。含絨囊結(jié)構(gòu)的新型鉆井液已經(jīng)在國(guó)內(nèi)取得顯著效果，如FL-D井位于山西柳林縣，鉆五分支井。實(shí)施工期比設(shè)計(jì)周期縮短28d，大幅度節(jié)約了鉆機(jī)、定向、錄井的費(fèi)用，控制漏失速率0.5～1.0m3·h-3[15]。囊泡鉆井液具有低密度、性能穩(wěn)定、攜砂能力強(qiáng)、承壓能力強(qiáng)、低剪切速率利于井眼清潔和提高鉆機(jī)速度等優(yōu)越性，尤其是具有高效防漏堵漏性能，不需增加欠平衡鉆井的特殊設(shè)備、成本低，因而該技術(shù)在將來(lái)油氣井開(kāi)采中將發(fā)揮更大的作用。

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