用显微观测法评价泡沫钻井液的稳定性.pdf

第 2 7卷第 4期 2 0 1 0年 7月 钻井液与完井液 DRI LLI NG FLUI D COM PLETI ON FLUI D 、 ， 0 1 ． 27 N O ． 4 J ul y 201 0 文章编号 l O O l 一 5 6 2 0 2 0 1 0 0 4 ． 0 0 0 1 0 3 用显微观测法评价泡沫钻井液的稳定性 蓝强， 张妍， 冯希忠， 张敬辉 ， 李公让 ， 刘宝峰， 乔军 胜利石油管理局钻井工艺研究院，山东东营 摘要针 对 当前 泡沫钻 井液 稳定性评价 方法 的不足 ，建 立 了一种新 的泡沫钻 井液稳定性评价 方法 显微观 测法。对不同泡沫剂加量、不同时间对泡沫钻井液稳定性的影响进行了实验研究，并对泡沫在常温下的聚并行为 进行了分析。结果表明，泡沫的数量随着泡沫剂加量的增大而减少，稳定泡沫直径集中在 1 6 I- t m附近 ； 粒径相差 较大的泡沫容易发生聚并 ； 搅拌时间越长，泡沫钻井液的稳定性越好，在 2 h后基本达到稳定。 关键词 欠平衡钻井 ； 泡沫钻 井液 ； 显微 观测 ； 聚并机理 中图分类号 T E 2 5 4 ． 1 文献标识码 A 用于欠平衡钻井 的 4种主要钻井液类型 空气 ／ 氮气 、气雾 、充气钻井液和泡沫钻井液 中，泡沫 钻井液是应用最广 的低 密度钻井液 [ 1 - 9 ] o常用泡沫 钻井液 的稳定性评价方法包括半衰期 、出液时间 、 泡沫寿命 、泡 沫液体的析 出速率 n ] ，这些方法都是 宏观评价方法。现阶段 ，在泡沫稳定微观机理的探 讨方面 ，隋跃华等人曾采用粒度分析方法进行泡沫 粒度分析 ] ，邱正松等人采用红外稳定仪测定了泡 沫钻井液体系的稳定性 】 ，李公让 等人采用介 观分 子模拟的方法来研究泡沫膜 内表面活性剂分子的排 列与泡沫析液稳定性 的关系 [ 3 】 ，但是均没有对泡沫 钻井液的聚并机理进行深入 的研究 。因此 ，采用显 微照相的方法 ，对不 同条件下的泡沫稳定性进行研 究 ，并探讨其微观机理。 1 实验 部分 1 ． 1 药 品及仪 器 WP ． 1 发泡 剂 自制 ，HMHE C疏 水改 性 羟 乙 基纤维素 阳县凌仙子纤维素有限公 司 ，水样 东 营市 自来水厂 ，高速搅拌机，X S P ． 8 C Z型高精度 生物显微镜。 1 ． 2实验 过程 首先按 照一定 比例混合 WP ． 1 和 H MH E C，形 成泡沫剂 L Q，在 自来水中加入一定质量的 L Q，选 定搅拌速度进行高速搅拌一定时 间后 ，迅速取 出泡 沫样 品，放 置到玻 片中 ，摊薄后在显微镜下观测 ， 调节显微照相机的不 同倍数 ，根据需要在不 同时间 内拍摄承载玻片上的均匀泡沫。 2实验 结果及分 析 2 ． 1 泡沫剂加量对泡沫稳定性的影响 在 显微 照相 中采用 的是 3 ． 31 0 3 ． 3和 1 0分 别是 目镜和物镜 的倍数 和 3 ． 3 X 2 0两种规格 的放 大倍数 。在实验过程中 ，主要对密度稳定 、泡沫剂 加量分别 为 6 ． 0 ％、9 ． 0 ％和 1 2 ． 0 ％ 的泡沫钻井液进 行 照相 ，其性能见表 1 。这 3种泡沫钻井液 的密度 在 0 ． 2 0 ～0 ． 2 7 g ／ c m 之 间，发泡体积随着泡沫剂加 量增加而降低 ， 半衰期均在 6 ． 0 h以上 ，完全符合现 场和室内测时的要求 。 这 3 种钻井液在 1 5 0 0 r ／ mi n 条件下高速搅拌 5 h 基金项 目 国家重大办项 目 “ 低渗油气田高效开发钻井技术”课题 “ 低渗透储层保护技术研究” 2 0 0 8 Z X0 5 0 2 2 0 0 4 部 分研 究内容 。 第一作者简介 蓝强，工程师，1 9 7 8 年生，2 0 0 7年获 山东大学胶体与界面化学专业理学博士学位，现在主要从事油田 化学研究5 1 2 作。地址 山东省东营市北一路 8 2 7号钻井工艺研究院化学所 ； 邮政编码 2 5 7 0 1 7； 电话 0 5 4 6 8 5 0 1 1 1 5； E ma i l ml a n q i a n g y a h o o ．c o m． c r l 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 1 0年 7月 后 ，对其进行倍数为 3 ． 3 x 1 0的显微照相 ，其对 比 结果见 图 1 。由图 1可知 ，泡沫的数量 随着泡沫剂 加量 的增大而减少 ， 而且各配方 的泡沫直径都集 中 在 1 6 p m附近 ，且不随着泡沫剂加量变化而变化 ； 不是泡沫剂加量越高 ，其稳定性越强 ，当泡沫剂浓 度为 9 ． 0 ％时， 泡沫最稳定 ， 而泡沫剂浓度为 6 ． O ％时 ， 泡沫最丰富 ，但稳定性较差 ，这在表 1的结果中也 得到了佐证 ，这主要是 由于在这种条件下 ，钻井液 的体相黏度处于最适中状态 ，泡沫剂能够在泡沫膜 上形成稳定吸附，且其 中的黏土还起到一定的助稳 定作用 ，但随着泡沫剂再增加 ，其黏度急剧增加使 得其发泡能力大幅度下降，此时黏土的存在反而不 利于泡沫稳定。 表 1 泡沫钻 井液的基本性能测试 曩 糜 墨 图 1 泡沫剂加量分别为 6 ． 0 ％、9 ． 0 ％ 和 1 2 ． 0 ％ 的 泡沫钻井液的照片 5 h 后 比较 3 ． 3 x 1 0 2 ． 2 泡沫聚并行为分析 该实验对 比了不同条件下的照片 ，并对泡沫的 聚并机理进行 了探讨。泡沫剂加量为 7 ． 5 ％ 的泡沫 钻井液在倍数为 3 _ 3 2 0下的照片 静置 1 ． 5 h后拍 摄 见图 2 。在不同时间内，观测玻片上液膜 中泡 沫的行为发现 ，只有粒径相差较大的泡沫颗粒才能 够相互吸引在一起 ，且明显出现粒径小 的泡沫颗粒 的膜薄化过程，同时粒径大的泡沫颗粒膜会随之增 大。当 2个泡沫膜完全合并后 ，粒径小的泡沫颗粒 开始变小 ，粒径大的泡沫颗粒开始增大。之后随着 小粒径泡沫消失 ，大粒径泡沫维持较大的形状。 图2 泡沫剂加量为 7 ．5 ％的钻井液的显微照片 3 ． 3 x 2 o 相互靠近 的泡沫颗粒在 范德华 力的吸引作用 下 ，2个泡沫颗粒相互接近和靠拢 ，继而相互附着 在一起 。这种附着现象表现在 2个泡沫颗粒的运动 是 同步的。这与附着前不同，附着前 2 个泡沫颗粒 的运动是异步 的。一般而言 ，2泡沫颗粒的内压力 比必须大于一定 的值 ，2个泡沫才有可能发生聚并。 内压力 比越大，当 2 个泡沫颗粒附着并共有一部分 液膜时，共有膜两侧的压差将使此液膜向低压侧弯 曲而产生形变 ，膜 强度减弱 ，最后共有膜破裂，2 个泡沫颗粒连通 而聚并为一个更 大的泡沫颗粒 ，2 个泡沫颗粒 间的共有膜越容易破裂，2个泡沫颗粒 越容易聚并 ，反之 ，则不容易产生聚并 [ 2 ] 。2个泡 沫颗粒 附着后 ，经过一段诱导期 【 6 。 ，继而一个泡 沫颗粒 小泡沫颗粒 裂开并与另一个泡沫颗粒 大 泡沫颗粒 连通聚并 ，聚并后泡沫颗粒 由异形恢复 为球形 ，直径增大。这一点在高温高压下表现更为 突出，这 由高温高压流变性实验和密度实验后 的泡 沫显微测试得到证实 J 。 随后 ，拍 了一组泡沫相互接触的照片 ，图 3给 出了泡沫剂含量为 7 ． 5 ％、静置 2 ． 5 h后时的泡沫钻 井液的泡沫照片。 图 3 泡沫剂加量为 7 ． 5 ％的泡沫颗粒分布 对 比图 2和图 3的照片可以看出，随着静置时 间的变化 ，大泡沫的粒径分布变化不大 ，而在大泡 沫上面附着了更多 的小泡沫。这些附着在大泡沫颗 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 7卷 第 4期 蓝强等 用显微观测法评价泡沫钻井液的稳定性 3 粒上 的小泡沫颗粒共有膜 尚未破裂 ，尚未与大泡沫 颗粒连通。但 图像 中没有观察到直径大小相近的泡 沫颗粒附着现象 ，可 以认 为，大小相近泡沫颗粒的 聚并几率很小。这进一步支持了大小泡沫颗粒聚并 的机理 。 2 ． 3 时问对泡沫钻井液的影响 分别对上述 3种不 同泡沫剂加量 的泡沫钻井液 进行 了静置 ，每隔 5 rai n照相一次。显微镜 泡沫放 大照相实验 3 _ 3 2 0结果表 明，静置空气中的泡 沫随时问的变化并不大 。从另一个侧面表现此种泡 沫钻井液的稳定性。 为 了说 明搅拌时间对泡沫形成 的影 响，对泡沫 剂加量为 7 ． 5 ％ 的泡沫钻井液从搅拌 搅拌速度 为 1 5 0 0 r ／ mi n开始 ，每 隔 1 h照相一次 ，实验结果 见图 4 一 一 一 一 总面积 已经变化不大 ，搅拌时问再进一步增加 ，只 是改变其均匀度 ，使其分布越发充分 、均匀。 3 结 论 1 ． 建立 了一种新的评价泡沫稳定性 的方法 显微观测法 ，该方法能够直接观察泡沫钻井液在静 置条件下 的形貌 ，并且直观考察泡沫的聚并机理。 2 ． 在研究的泡沫剂加量范围内，其他条件相同 的情况下 ，泡沫的数量随着泡沫剂加量 的增大而减 少 ； 稳定泡沫直径都集 中在 1 6 g m 附近。 3 ． 泡沫粒径相差较大时 ，颗粒之间容易相互 吸 附、聚并 ； 泡沫粒径相差不大时，颗粒间不易聚并 。 4 ． 搅拌 时间越长 ，泡沫越趋 向均匀 ，泡沫钻井 液的稳定性越强 ，在 2 h后基本达到稳定。 图4 泡沫剂加量为7 ． 5 ％泡沫搅拌不同时间后的显微镜照片 [ 8 】 由图 4可以看出 随着搅拌时间的加长 ，泡沫 [ 9 】 的总面积有所增加 ； 泡沫的直径逐渐向 1 6 g m靠拢 ， 而且逐渐趋 向均匀 ； 虽然泡沫 的总面积有所 增加 ， 但是这种密度配方 的泡沫钻井液在搅拌 2 h后泡沫 参 考 文 献 王琦，习海玲，左言军 ． 泡沫性能评价方法及稳定性影 响因素综述 [ J ] ． 化学工业与工程技术， 2 0 0 7 ， 2 8 2 25 ． 29． 汪庐山， 曹嫣镔，于田田． 气液界面特性对泡沫稳定性 影响研究 [ J ] _ 石油钻采工艺， 2 0 0 7 ， 2 9 1 7 5 7 8 ． 邱正松，张锐， 徐加放，等 ． 泡沫钻井液高温高压密度 特性模拟实验研究 Ⅲ． 石油钻探技术， 2 0 0 2 ， 3 0 1 4 - 6 ． 蓝强，张敬辉，李公让 ， 等 ． 动态条件下的泡沫行为研 究进展 [ J ] ． 钻井液与完井液 ， 2 0 0 9 ， 2 6 4 6 2 ． 6 5 ． 李公让 ， 蓝强，薛玉志， 等 ． 泡沫析液行为的分子模拟 研究 [ J 1 ． 石油学报 ， 2 0 0 9 ， 3 0 6 9 2 7 9 3 1 ． 蓝强， 李公让，薛玉志， 等 ． 泡沫钻井液排液作用机理 研究进展 f J 1 ． 石油工程技术， 2 0 0 8 ， 1 6 4 4 4 ． 4 8 ． 赵金省，张明，李天太 ， 等 ． 基于均匀设计的泡沫渗流 阻力因子影响因素研究 [ J ] ． 钻采工艺 ， 2 0 0 9 ，3 2 4 74 76． 赵仁保 ， 岳湘安 ， 柯文奇，等 ． 氮气泡沫体系稳定性的 影响 因素研究 f J ] ． 石油学报 ， 2 0 0 9 ， 3 0 1 8 4 ． 8 7 ， 9 1 ． 王富华，梁国昌，郭保雨 ． 用于低压低渗透油气藏的可 循 环泡 沫 防塌 钻井 液 『 J 1 ． 钻 井 液 与完 井 液 ， 2 0 0 9 ， 2 6 1 6 8 ． 收稿 日期2 0 1 0 0 4 1 5 ；HG F 1 0 0 4 N6 ；编辑 王 小娜 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m