吴婷婷，张烈辉 张宇睿（ 油气藏地质及开发工程国家重点实验室 （西南石油大学），四川 成都610500）

魏栋超 （中石油川庆钻探工程有限公司，四川 成都610051）

泡沫钻井技术作为欠平衡钻井中的一种，在提高机械钻速、减少地层漏失、防止压差卡钻、保护储层等方面具有独特的优势。然而，当泡沫流体钻遇大段水敏性泥页岩地层时，由于泡沫流体不能在井壁形成泥饼，且泡沫钻井液液柱压力不能平衡地层坍塌压力，因此随着钻井时间的增加，泥页岩水化加剧，最终导致井壁失稳问题[1～8]。针对泡沫钻井井壁失稳问题，选择性能优越的防塌处理剂配方是目前解决这一问题最为普遍、最为有效的办法。为解决上述泡沫钻井中出现的问题，开展了硅酸盐/聚合物防塌泡沫钻井液研究，对该泡沫钻井液的基本性能和防塌性能进行了评价，并对其防塌机理进行了相应的研究。

1 泡沫钻井液处理剂优选

1.1 发泡剂的优选

发泡剂按其性能可分为阴离子发泡剂、阳离子发泡剂、非离子发泡剂和两性发泡剂4种类型，不同的发泡剂，其发泡性能不同。针对发泡剂的性能和成本，室内采用Waring－Blender法[9]分别测定了4种发泡剂的起泡能力，包括：AOS、K12、ABS和AES，试验结果见表1。从表1可以看出，当加入的发泡剂质量分数相同时，不同发泡剂的发泡性能有明显的区别，其中K12、ABS、AES泡沫性能较好，发泡体积都超过500mL。但由于AES抗硬水能力相对于其他2种较强，因此优选AES作为该配方的发泡剂。

表1 不同类型发泡剂性能评价

1.2 稳泡剂的优选

为了提高泡沫的稳定性，通常向泡沫基液中添加增黏剂作为稳泡剂。其可提高液膜的黏度，降低流动度，减缓泡沫排液速度，从而增加泡沫的稳定性[10]。然而，稳泡剂的加入虽可以提高泡沫的稳定性能，同时也会影响泡沫的发泡能力。室内选用稳泡剂XC和CMC，考察其对质量分数为1%的AES发泡剂发泡性能的影响，试验结果见表2。从表2可以看出，随着稳泡剂XC和CMC质量分数的增加，泡沫体积降低，泡沫半衰期增加。通过室内试验结果对比可知，XC对质量分数为1%的AES发泡剂的发泡体积影响较CMC小，且稳泡能力更为优越。因此，选用XC作为该配方的稳泡剂。

表2 加入不同稳泡剂泡沫性能参数

表3 抑制剂的性能评价

1.3 抑制剂的优选

目前解决泡沫钻井井壁稳定的方法主要是添加抑制剂，以减少泥页岩地层水化的程度。常用的处理剂包括无机盐和有机类物质[11]。表3为该泡沫钻井液泥页岩抑制剂的优选结果。从表3可以看出，通过硅酸钾与聚乙烯醇相互匹配，可实现泥页岩抑制性能大幅提升，有利于泡沫钻井中的井壁稳定。通过对泡沫钻井液泥页岩抑制剂的优选可以看出，当泡沫钻井液配方为1%AES＋0.3%XC＋1%PVA＋2%K2SiO4（配方里的百分数为质量分数），泥页岩滚动回收率高达96.15%，其发泡体积为530mL，半衰期为24.75min。因此，试验中选用该泡沫钻井液配方进行综合性能评价。

2 泡沫钻井液性能评价

2.1 抗污染性能评价

当采用泡沫钻井液进行钻井时，为确保井下泡沫钻井液性能的稳定，因此需要泡沫钻井液具有较强的抗污染能力。室内对优选泡沫体系的抗油、抗盐和抗岩屑污染进行了评价，试验结果见表4。其中，抗油污染是在泡沫体系中加入煤油，抗盐和抗岩屑是在泡沫体系中加入NaCl和过100目筛的岩屑。从表4的试验结果中可以看出，该泡沫体系具有良好的抗污染性。

表4 泡沫钻井液抗污染性试验

2.2 抗温性能评价

实际钻井中，随井深增加，井底温度也随之上升，泡沫的发泡体积和稳定性也将受到影响，因此需要泡沫钻井液具有较强的抗温性能。为评价泡沫钻井液体系的抗温性，将泡沫体系在室温、70、90、110、130℃的条件下老化16h，考察其发泡能力和稳定性，试验结果见表5。从表5中可以看出，随着温度的增加，体系的发泡体积逐渐增大，表明该泡沫体系抗温能力强；半衰期随着温度的增加而降低，因此，在泡沫钻井过程中，可根据实际情况调节泡沫基液黏度，保证出口泡沫的连续性。

表5 泡沫钻井液抗温性试验

2.3 井壁稳定性能评价

2.3.1 泥页岩自吸性能评价

在泡沫钻井过程中，由于泡沫流体的热力学不稳定性导致的排液行为，泡沫基液与泥页岩地层之间的化学势差以及在泥页岩强亲水性条件下的毛细管作用力等影响因素，促使泡沫流体中的自由水不断侵入泥页岩地层，从而导致泥页岩地层中水敏性黏土矿物水化加剧，进而引发井壁失稳问题。因此，必须有效地降低泥页岩的自吸水速度。室内采用泥页岩自吸测量仪对泥页岩岩样进行泥页岩自吸测试，评价该泡沫钻井液对泥页岩吸水的影响，其试验结果如图1所示。从图1可知，优选的泡沫钻井液体系能显著地降低泥页岩的自吸速度，减小水侵入的深度，有效地减缓泥页岩的水化过程，从而实现维持井壁稳定的作用。

2.3.2 滚动回收试验

图1 泥页岩自吸水试验

将一定大小、一定质量的泥页岩岩样放入盛有特定处理液的高温罐中进行滚动评价，通过回收率的大小来判断处理剂的抑制能力。室内评价了清水、100%白油、质量分数0.5%聚丙烯酰胺钾盐 （KPAM）、未添加抑制剂的泡沫基液和防塌泡沫钻井液对须家河组泥页岩岩样的一次回收率，同时也评价了经不同配方处理后的岩样在清水中的二次清水回收率，其试验结果见表6。从表6可以看出，硅酸盐/聚乙烯醇防塌泡沫钻井液一次回收率高达96.15%，较泡沫基液大幅度提高，略高于质量分数0.5%KPAM溶液，并接近于白油的测试结果，表现出较强的抑制性能。从二次清水回收率方面看，防塌泡沫钻井液的二次清水回收率高达90.34%，表现出持久的抑制性能，而经其他处理剂热滚后的岩样，其二次清水回收率等同于岩样在清水中直接热滚后的回收率。

2.3.3 泥页岩硬度测试

表6 泥页岩滚动回收试验

硬度测试用于测定泥页岩岩样暴露于测试溶液中一段时间以后岩样强度大小的变化，其强度的大小与泥页岩自身的水化能力以及所接触溶液的抑制性能有关[9]。相同条件下，测试压力越大，试验岩样越硬，处理液抑制性能越好。室内采用自制泥页岩硬度测试仪对经白油、质量分数0.5%KPAM和优选的防塌泡沫钻井液处理后的泥页岩岩样进行硬度测试，其试验结果如图2所示。从图2可以看出，优选的防塌泡沫钻井液对于维持泥页岩硬度，更优于单一聚合物抑制剂KPAM，较为接近白油的测试结果。因此，从硬度测试的角度，该防塌泡沫钻井液对于提高泥页岩地层泡沫钻井井壁稳定方面具有突出的作用。

图2 不同处理剂硬度测试结果

3 泡沫钻井液防塌机理研究

3.1 膨润土XRD分析

从井壁稳定性评价试验可以看出，该防塌泡沫钻井液具有较强的抑制泥页岩自吸水的能力、较高的滚动回收率和较高的硬度测试结果。为进一步分析该泡沫钻井液的防塌机理，室内采用Innov－X Terra便捷式X射线衍射仪 （功率85～90W，X射线管功率10W，Cu靶，XRD分辨率0.25°，2θ范围5～55°）对膨润土干样 （热烘105℃×4h）、经清水处理后的膨润土湿样 （热滚80℃×16h）以及经该防塌泡沫钻井液处理后的膨润土湿样 （热滚80℃×16h）和干样 （热烘105℃×4h）进行XRD分析，试验结果如图3所示。

从图3可以看出，对于膨润土干样，在低角度2θ＝5～10°之间存在一个明显的特征峰，从该峰可以得出该膨润土干样层间距为10.29。随着膨润土水化的加剧，水分子不断进入黏土晶层间，使得该特征峰将不断向低角度移动。经清水热滚后的膨润土湿样，由于此时的特征峰已经超出仪器的测定范围，所以对于测定的膨润土湿样近似为一条直线，但其湿样的层间距将显著高于膨润土干样。泡沫钻井液处理后的膨润土干样，其层间距为12.9，高于膨润土干样，这说明泡沫钻井液中的抑制剂能进入黏土晶层间作用。对于泡沫钻井液处理后湿样，其膨润土层间距为14.27，高于泡沫钻井液处理后干样，而远低于清水处理后湿样。这说明泡沫钻井液中仍有部分水分子能进入黏土晶层结构中，但由于硅酸钾/聚乙烯醇抑制剂的存在，使得膨润土各晶层间的连接力以及晶层间空间阻力得到加强，因此，能阻碍水分子的进一步进入，从而抑制黏土水化膨胀。

3.2 成膜性能分析

图3 经不同处理方式处理后的膨润土XRD分析

对于硅酸盐/聚乙烯醇防塌泡沫钻井液，其维持井壁稳定的主要原因在于硅酸钾与聚乙烯醇两者的协同作用，即封堵性与成膜性。在高pH值条件下，可溶性硅酸盐以亚稳态的单体或低聚物的形式存在。当钻井液进入地层以后，由于地层孔隙流体pH值接近于中性，硅酸盐通过自聚凝聚成凝胶状物质或与地层中的多价离子形成沉淀，覆盖在岩石表面起封堵作用[12～15]。聚乙烯醇为高分子聚合物，由于分子量高不易进入黏土晶层结构中作用，因此聚乙烯醇主要是与泥页岩岩石表面的黏土相互作用，形成一憎水的吸附膜，阻止水分子进入黏土矿物晶层中，起到抑制黏土水化的作用。硅酸钾中的K＋可进入黏土晶层间，加强晶层间的连接力，抑制黏土水化膨胀。同时K＋的存在，有利于聚乙烯醇吸附膜的形成。图4（a）为泥页岩自吸泡沫钻井液基液以后的图片，其中岩样上半部分为剥除岩样表面后，裸露出的岩样内部形态；下半部分则展示了硅酸钾与聚乙烯醇在岩样表面形成的膜特点。图4（b）为经泡沫钻井液热滚以后的泥页岩干样，通过显微镜观察，可以发现岩样表面分布着白色物质，这主要是硅酸盐在黏土表面形成的凝胶物质或沉淀。通过硅酸钾与聚乙烯醇的协同作用，使得泥页岩岩样表面的分子膜更加致密，封堵性能更强，从而大大提高泥页岩地层的井壁稳定能力。

图4 经泡沫钻井液处理后的泥页岩岩样表面

4 结论

1）通过对不同处理剂进行优选，室内筛选出硅酸盐/聚合物防塌泡沫钻井液配方。该泡沫钻井液表现出良好的泡沫性能，具有较强的抗污染和抗温能力。

2）硅酸盐/聚合物防塌泡沫钻井液能有效地降低泥页岩的吸水速度，具有较高的泥页岩持久抑制性能，同时还具有较高的硬度测试结果，因而能有效地维护泡沫钻井过程中的井壁稳定。

3）该泡沫钻井液的防塌机理主要在于硅酸钾与聚乙烯醇的协同作用，其中封堵性与成膜性是维持井壁稳定的主要因素。通过两者协同作用，硅酸钾可形成凝胶物质或沉淀封堵泥页岩岩样孔隙或裂缝，并与聚乙烯醇作用在岩样表面形成一层憎水膜。同时，钻井液中部分小分子能进入黏土晶层，加强黏土层间连接力，因而能有效防止钻井液中自由水侵入，实现泡沫钻井过程中的井壁稳定。

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