欠平衡钻井中水基泡沫钻井液的稳定性和流变性

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1、欠平衡 钻井中水基泡沫 钻井液的 稳定性和流 变性1 欠平衡 钻 井中水基泡沫 钻 井液的 稳定性和流 变性摘要： 在欠平衡 钻 井中， 用泡沫作 为钻 井液 时其稳定性和流 变性是很重要的 参数 。当储层孔隙 压力低或 储层压 力衰 绝时 ， 使用低密度 钻井液是避免地层损 害或者井眼破裂的一种方法。然而， 泡沫 钻井液的 稳定性和流 变性比常 规钻 井液的更 复杂 。流变数 据被 应用到模 拟钻井液在 钻杆和 环空中的流 动性质，以便 预测 和控制井孔 压力。在这篇论文里， 我们已经研 究了所形成的水基泡沫钻井液的物理化学性质和流 变性， 包括一价和二价盐的出 现及碳氢 化合物的 污染。本

2、文不 仅研 究了加入水溶性聚合物可以增加泡沫的稳定性， 而且 还研 究了水力学条 件对泡沫 稳定性的影 响。在实验 室里通 过透明液体循 环测试来研 究流 变性(循环管长 4 米，内径 1 英寸 )。泡沫循环的 实验数 据通 过 用一 种已经出版的 软件模型（ Economides 1995）来计 算泡沫循 环期间的压 力损失。泡沫的 质量 对模型准确性的影响已经显 示出 来了，因而允 许估计这个领 域中模型的准确性。 还比较 了不同流 变性下的 测量方法。 对聚合物的 浓度或 发 泡剂的浓度等其 它不同 参数 的影 响也已 经进 行了 研究。引言在全世界 对欠平衡 钻井的 兴趣都在 与日俱增

3、的 时候，对于储层压 力已 经衰绝的区块 ，用欠平衡 钻井是很有益 处的。在欠平衡 钻 井过程中，钻井液在井眼 内的压力 应维 持在地 层孔隙压力之下。 需要特殊的 设备 和程序 来控制地 层流体的流入。 然而， 欠平衡 钻井比常 规钻 井技术有几大好 处，尤其是能 减少滤失量， 使地 层损 害减到最少。 并且能增加地 层渗透率和 钻头寿命。 目前，通 过使用 气体、气雾 或泡沫 对储层压 力衰 绝的地 层进 行欠平衡 钻井。除了要控制水的流入之外，泡沫的优点是：有 极好的携 带钻 屑能力，很好的清洗井眼能力。对泡沫 钻井液 来说 ，泡沫 稳定和 发 泡能力是重要的参数 。一方面， 人 们希望

4、泡沫在井眼中稳 定，有好的 清洗效果和好的携带钻 屑的能力； 另一方面， 使用泡沫之后， 应容易快速消泡处 理。在一些 钻井中，目前 总是用泡沫 钻井液 钻表面地 层。 在这 里所 关心的是泡沫易 产生、易操作、易消泡。已经进 行了有 关这 方面的 研究，因为在将来 的欠平衡 钻 井中，人 们对 泡沫钻井液的使用很感兴趣。在这些运用中， 精确地知道在井底状态 下所注入的泡沫的形成是很重要的。的确， 井底压力控制在欠平衡钻井中是必要的， 并 且，在储层压 力和 温度下，井底 压 力与所注入的泡沫的速度和 状态 有很大的 关系。沿着井眼， 为了准确地 预测压 降，必须对 泡沫的流 变性尤其是在井底

5、高 温高压的 状态 下有一 个更好的理解。在这篇论文中所 研究的 两个 主要 问题 是：泡沫的物理化学性 质以及泡沫的流 动性。1 泡沫的物理化学性质1.1 前言泡沫是 气体分散在液相中并通 过表面活性 剂分子 来稳 定的。泡沫的 质 量被定 义成气体在整个 泡沫体 积中所占的体 积分数。这个 体积分数通常高， 因为气 泡不是球形的， 而是被薄液膜分隔成多面体。 液相被包含在 这些薄膜中 , 并且在 稳定的 边界处在多面体之 间形成了 横断面。如果 气泡大小比 样品小， 这种 体系就被 认为 是连续 体系。注意在环空里就是 这种 情况。泡沫是 热力学 不稳定体系。 泡沫及其 稳定标准是几 个评

6、论 的焦点。 表面活性 剂能降低表面张 力，促进泡沫的形成。 仅有低的表面 张力不一定能 产 生稳定的泡沫， 泡沫 稳定的重要因欠平衡 钻井中水基泡沫 钻井液的 稳定性和流 变性2 素是液膜的排液量，这 部分是由体 积和表面粘度控制,并且能抵抗机械搅动 ，抵消膜的 变薄。这两种 因素都受 弹 性膜的控制。因此“ foam stability”这个词 是不明确的。泡沫稳定性的 测试和不同解 释由运 用决定。并且泡沫的 稳定性的唯一定 义还没 有运用，这 些不同的因素使得建立泡沫模型困难 ，较全面的泡沫 稳定理 论还 不存在。1.2实验 方法已经研 究了不同作用的发泡方法TF 体系， 这是一 种可

7、逆的体系（ 这是通 过改变 pH 值来 消泡和再起泡的）；FM 体系， 这是一 类 泡沫 钻井液体系；SDS 体系， 为了比 较，对 由十二 烷基磺酸 钠表面活性 剂的 这类 体系 进行了 研究。如果 没有指出是其 它方式， 发 泡的溶液是在pH9，NaCl 5g/l 的 盐溶液中加入表面活性 剂而准 备的。对加入 盐（NaCl 、CaCl2 ）、油 污染物以及水溶性聚合物（PAC LV）进 行了 研究。1.3 步 骤与 性质测 量1.3.1 泡沫 组 成泡沫是通 过在溶液中加入表面活性剂，在 转速 为 2000 转/ 分钟的情 况下搅拌 2 分钟 后产生的。典型的是在3 升玻璃容器中加入20

8、0 克表面活性 剂溶液。含有1% 的表面活性 剂的溶液 产生 2000 到 2200 cm3的泡沫， 这大致占泡沫 质量 G 的 90。可是表面活性剂 的发泡能力是 随表面活性 剂溶液及添加 剂而变化的。泡沫的质量和 气 体的体 积分数被定 义成：G Vgas/Vtotal = (Vtotal Vliquid)/ Vtotal 式中， Vgas 气体的体 积 ；Vliquid 表面活性 剂溶液的体 积；Vtotal 气体加液体的体积。典型地 质量变 化在 0.85-0.95之间。1.3.2泡沫的 稳定性泡沫的 稳定性是通 过排液 实验来测 量的。泡沫被注入一个漏斗，漏斗 与一个带 有刻度的柱型

9、容器相 连，并 且从泡沫中排出的液体被看成是时间 的函 数 。排液量可以通过 Kinetics第一定律估 计：VVO（1e(kt）) 所得 结果通 过 以 t 为横 坐标、（ VOV）/ VO 为纵 坐标作图 。式中， VO表面活性 剂溶液的最初体积 ；V排液体 积。泡沫的排液率（DR）是指一半液体被排开的值。DRkVo/2 （cm3/min）DR 值 是泡沫 稳定的特征。在排液期间，有三 个不同的 时期可以 区分开来 。1) 第一 阶段：泡沫注入容器里且第一滴液体排出，当 第一滴液体到 达圆 柱型底部就 开始计测 量时间 。最初排液慢，但几分钟后就加快。2) 第二 阶段：由于重力的作用，这是

10、泡沫排液的主要阶段， 这个阶 段的斜率被用来计欠平衡 钻井中水基泡沫 钻井液的 稳定性和流 变性3 算泡沫的 稳定性。3) 第三 阶段：当大多 数液体已 经排出 时，排液速度就慢下来 ，就进入第三 个 特征 时期。由于 气泡合 并且成熟占 优势 ，在那里出 现泡沫排液。我 们不用 这个时 候的斜率分析,因为它主要 与最初的泡沫大小分布有关。无 论是添加 剂减 慢排液速度， 还 是影 响 Ostwald成熟，每一 阶段所持 续的 时间 都取 决于表面活性 剂溶液。1.4 表面活性 剂浓 度的影 响表面活性 剂浓 度对泡沫的形成和泡沫的稳定性的影 响已经进 行了 研究。 结果如 图 2 所示。 T

11、F 体系表明，在一定的表面活性剂浓 度以上 ,在达到 稳定状态 之前，泡沫的性质随发 泡剂浓 度的增加而得到改善。因此， 在这一点以上， 加更多的表面活性剂也不起作用。 对 SDS这种 典型的 纯净 的表面活性 剂进 行了 实验 ， 结果表明 这种临 界浓度接近表面活性剂的临界胶束浓 度（ CMC ）。只有 当表面活性 剂发 生了 损耗，尤其是被吸附在所钻的固体上，才需要再加入 额外的表面活性 剂。1.5 盐的允 许量出现电 解质污 染后，泡沫的 稳定性 对泡沫 钻井液 来说 是一 个重要 参数 。已经研 究了一价与二价离子 对不同泡沫 稳定性的影 响。NaCl 的浓度达到 0.3mol/l（

12、如 18g/l ）的 NaCl 时，这个 体系是 稳定的。超 过这 一浓度， 这个 体系就不 稳定，因 为它 不可能 产生泡沫。二价离子的敏感更强烈。如图 4 所示。 CaCl2 的浓度在 5*10 3 mol/l时,泡沫的体 积剧烈 减少。 CaCl2的浓度在 10 2 mol/l时，溶液中根本就没有泡沫。 这就使得 这个 体系对电 解质污 染很敏感。很清楚， 盐 敏与泡沫体系中表面活性剂的化 学有关。1.6 碳氢 化合物的允 许量对于不同的 发 泡剂体系， 碳氢 化合物 污染对泡沫 稳定性的影 响 已经进 行了 研究。为了模 拟污 染，我 们用轻质矿 物油。 图 5 显示的是排液率是所加油

13、的百分比的函数。我们观 察到 FM 体系 对油非常敏感 ,当 Soltrol 加量 达到 5，排液率就会 通过因素 4 增加。SDS 体系 与 TF 体系几乎不受油污染的影 响。对 于这两个 体系受Iran 原油的 污染显示同 样的结 果，如 达到 10的 污染量也不敏感。对于敏感的FM 体系 ,我们研 究了不同 浓度的表面活性剂中 Soltrol 对 泡沫性 质的影 响。图 6 指出， Soltrol在临界 浓度以上 时，泡沫体 积剧 烈减少，在 FM 表面活性 剂的浓度达到6.2g/l时，当 Soltrol 加量 达到 10时 ，泡沫体 积就减少一半。 油的 临界 浓度随表面活性 剂浓度的

14、增加而增加。图 7 表示在不同 浓度下 ,保持泡沫的最大体积发 泡剂 FM 所必 须的量。曲线 的形 状表示 开 始时曲线较 平， 然后 线性增加。曲 线平稳部分可能是表面活性剂浓 度太低，不能使泡沫 稳定，不能使油增溶。 对于更大的表面活性剂 的浓度，油只是在一定的体积分数以上才 对泡沫的 稳 定性有一定的影响。表面活性 剂的化 学结构 是很重要的，因为对 于空 气/水及油 /水界面， 它控制着分子的亲和力，因而能使泡沫稳定。1.7 水溶性聚合物的影响增加泡沫 稳定性的一 种方法就是增加水相的粘度。如加入水溶性的黄包胶，或者是 羧 甲基纤维 素。 这里所出示的 结果是加入PAC-LV 。结果

15、表明，聚合物浓度越高，泡沫越稳定。在5g/l 的 浓度下，排液率就等于用单一表面活性 剂所获得的 1/4 ，并且所形成的泡沫体积是一 样 的。对于已知能量的混合物，可以使用一 个最大的聚合物 浓度。由于高粘度所产生的泡沫体 积变 得更小。对于不同 浓度的聚合物 , 已经测 定了泡沫溶液的粘度。根据 Cohen-Addad在第一次欠平衡 钻井中水基泡沫 钻井液的 稳定性和流 变性4 估计 的排液率就可以对 Poiseuille流在平 稳的边 界处建立模型 ,排液率 与 泡沫溶液的粘度成反比。 这就是我 们所观 察到的 图 9。这个结 果就 证实 聚合物和表面活性剂 分子之 间没 有发 生特别 的

16、相互作用。由于聚合物的出现而获得的 稳定性的增加 仅仅 是由于泡沫溶液的粘度增加。2泡沫流体的性质研究的目的就是更好地理解泡沫钻井液在 环空中循 环时 泡沫 钻 井液的行 为。 当传统 的方法测 量泡沫 钻井液的流 变性受到 极 大限制的 时候， 通过用已 经有的模型所 进行的 压力预测 是否准确，是否能用于预测 井下 压力？2.1 泡沫 钻井液在循 环过 程中的行 为2.1.1循环描述泡沫（ FM 体系）是在 发泡器中 产生，其性 质是通 过 空气管线上的流量指示器来控制。为了避免 对泡沫的 质量产生怀疑，流量指示器事先通过测 量罐中的泡沫体积来 校正的。 泡沫发生器的 压力位于 P1。泡沫被送 进垂直的玻璃 树脂管里 ,上升到 4 米高后，泡沫就沿着类似 钻杆的 内管下去，然后就通 过两个内径 不同的 环空管中上升。在这一点所 测得的 环空 压力为 P2。然后泡沫就 进入水平的 软管， 并且 进口和出口 压力被 测得为 P3 、P4。2.1.2 用 economides模型 计算使用的模型是由Valko 与 economides发展