DF-1 型 泡 沫 剂 的 研 制 和 应 用

紫砂壶/tp

DF-1 型 泡 沫 剂 的 研 制 和 应 用 陈礼仪　费　立　朱宗培 ［摘要］ 从提高钻井效率、保护孔壁、提高岩矿芯采取率的技术要求出发，研制了专门用于多工艺空气钻进配制泡沫液和泡沫泥浆的新型泡沫剂——DF-1型泡沫剂。用该泡沫剂配制的低密度钻井液体系适用于低压漏失、孔壁失稳、干旱缺水等复杂条件的钻进，取得了令人满意的成效。应用结果还表明，DF-1型泡沫剂在地热钻井、水文水井钻探、地质灾害治理工程中也有良好的应用效果。 ［关键词］ 泡沫剂；泡沫泥浆；泡沫钻进　　要成功地实现泡沫钻进，必须有优良的泡沫剂。钻进用泡沫剂的性能应从发泡能力、泡沫稳定性、携岩能力、抗污染等几个方面考虑。众所周知，泡沫剂的主要成分是表面活性剂，但钻进用的泡沫剂不能简单地选用某一种表面活性剂，必须采用复配技术，才能配制成满足钻进要求的泡沫剂。 1　DF-1型泡沫剂的研制 1．1　DF-1型泡沫剂的组分及复配 　　泡沫剂组分的选择除满足性能要求外，还应考虑原料来源和价格，利于推广应用。直链烷基苯磺酸钠(LAS)是一种发泡率高、生产工艺成熟、价格便宜的阴离子表面活性剂，选择它为泡沫剂的主要原料(主剂)，改善其不足是研制适合于钻进要求泡沫剂的要点；因此应选择其他的表面活性材料作为辅助原料(助剂)，以补偿主剂的不足。DF-1型泡沫剂复配工艺如图1所示。 1．2　DF-1型泡沫剂性能评价 　　DF-1型泡沫剂的发泡能力和稳定性采用罗斯米尔泡沫仪进行测定。将泡沫剂分别用自来水、1‰Ca2＋水、10%NaCl盐水配制成泡沫液，测试在温度为40°C,60°C,80°C条件下的发泡能力、稳定性、抗盐钙污染能力和抗温能力，泡沫剂加量为0．4％。实验结果表明：DF-1型泡沫剂具有良好的发泡能力和稳定性以及较强的抗盐、抗钙、抗温能力。 　　泡沫剂的携岩能力采用单槽浮选机测定。将不同岩石研磨成粒度为0．1～0．25 mm的颗粒，用清水与不同的岩粉组成矿浆，固相含量为20%，泡沫剂加量分别为0．15％和0．4％，搅拌5 min，充气刮泡，计算携岩量。实验结果表明：DF-1型泡沫剂对三种不同岩粉的携量优于国产泡沫剂，与美国Q-F泡沫剂相当。 　　DF-1型泡沫剂采用美国石油协会(API)推荐的方法进行评价，这种方法可近似模拟钻孔和钻进条件来评价泡沫剂性能。通过测定一定量泡沫液在一定时间内的返出量了解泡沫剂性能，返出量越多，泡沫剂性能越好。测试结果见表1，由此可以看出DF-1型泡沫剂性能达到并超过了API规定的性能标准。

图1D　F-1型泡沫剂复配工艺图

标准溶液		Ⅰ	Ⅱ	Ⅲ
成　分		淡水	10%盐水	1‰Ca2＋水
蒸馏水		4000	3800	3995
NaCl/g			400
CaCl2.2H2O/g				14．7
泡沫剂浓度(体积)/%		0．15	0．75	0．5
携液量/mL. (10 min)-1	实 测	1510	1420	1515
	平 均	1518	1425	1525
API推荐的标准值		1400	1350	1400

2　DF-1型泡沫剂的应用 2．1　在泡沫泥浆钻进中的应用 　　泡沫泥浆是一种由微细气泡和粘土颗粒同时分散在水中形成的多相分散体系。它具有密度低、结构致密、流体粘稠的特性。用于不稳定地层，有护壁防塌作用。在渗透、裂隙地层有防漏和消除漏失的效能。在高山、缺水地区使用可减少用水量，同时满足携岩和护壁的要求。尤其在地热井耐高温，灾害治理对滑面分层的评价和解决岩芯“混层”有独特效果。 2.1.1　室内配方研究 　　泡沫泥浆性能取决于泥浆组成和气液的相对含量。要使泡沫泥浆体系稳定，首先要解决的是使气泡能稳定地存在于泥浆中。泡沫的形成和稳定与表面张力、表面粘度、膜的强度等因素有关，泡沫的稳定性随表面粘度、膜强度增加而增加。因此应加入能提高液相粘度和膜强度的稳泡剂。一般来说，泡沫泥浆应由下列组分组成： 人工钠土4%(或钙土＋纯碱)＋ 稳泡剂(CMC 0.2%或PHP 0.2‰)＋泡沫剂0.1% 　　根据正交设计分析得出，各因素对于泡沫泥浆性能影响极大，由此应针对不同情况控制各处理剂的加量，得到最优配方。实验和现场应用表明，泡沫泥浆性能的一般要求是： 　基浆视粘度：ηa＝25～20 mPa.s; 　基浆切力：τ初＞2．25 Pa, τ终＞4．5 Pa; 　泡沫泥浆密度：ρ＝(0．55～0．85)×103 kg／m3; 　泡沫泥浆动塑比：τo／ηp＝0．36～0．48 Pa／mPa*s; 　泡沫泥浆流性指数：n＝0．4～0．7。 2.1.2　现场应用 2.1.2.1在地质勘探中的应用 　　泡沫泥浆是在低固相聚合物泥浆的基础上，加入泡沫剂和稳泡剂而形成的低密度钻井介质，它除具有低固相泥浆的一般优点外，其最大特点是密度小，液柱压力低，能实现低压平衡钻进，提高机械钻速，防止或减少因压差而造成的漏失。含有气泡的钻进流体，呈密集的泡沫群体结构，具有高的结构粘度和低的上返流速，悬浮和携带岩屑能力很强，为低固相泥浆的3～5倍。泡沫泥浆形成的泥饼，具有疏水性和粘弹性，大大限制了自由水的渗透，减小了流体对孔壁的扰动，保护了孔壁。 　　泡沫泥浆在四川地矿局113队、202队、205队、109队、404队等单位应用，成功地解决了钻进过程中漏失、长孔段坍塌、沉砂高达五六十米的复杂情况。在不稳定松散煤系地层中应用，减少了漏失，保持了孔内清洁，避免了下套管，提高了钻进效率。在受控定向分枝孔中，配合液动冲击回转钻进，保证了复杂孔段的孔壁稳定，使定向造斜顺利完成，提高了钻井效率和岩矿芯采取率。泡沫泥浆与低固相泥浆钻进的经济效益对比见四川地矿局113队提供的试验数据(表2)。 2.1.2.2　在地热田钻井中的应用 　　西藏地热资源十分丰富，地热田上部的第四系地层以砂砾岩为主，裂隙发育，下部是花岗岩，断层多，区域热蚀变的地层破碎，孔隙率高。在钻井中常遇到钻井液漏失，引起井壁坍塌、卡钻、埋钻、井涌、井喷等一系列井下事故，且多数井漏属于压差性漏失，漏失强度大。为了解决钻井液漏失，减少井下事故，取全取准地质资料，提高钻井效益，将泡沫泥浆钻进工艺应用于西藏羊八井和拉多岗地热田钻井。应用结果表明，泡沫泥浆低的密度，良好的携岩排粉能力，护壁、防漏治漏等优点。达到了在低压或无压漏失地层的平衡钻进，取得了明显的技术经济效益。 　　拉多岗热田ZK206井在400 m以上井段使用普通泥浆(密度为1．15×103 kg／m3左右)出现井漏，地层有0．2～0．25 m的裂缝存在，漏失严重，采用多种方法堵漏，收效甚微。在400 m以下井段换用泡沫泥浆钻进，治住了井段多点漏失，顺利地钻到941．40 m终孔，台月效率达到655．62 m，比普通泥浆提高66．2％，缩短了钻井周期，节约钻井成本费用数万元。在多次处理钻杆脱扣事故中，停泵达10 h以上，井底始终保持干净，无沉砂埋钻现象，这在以往施工中是少有的。这也充分体现了泡沫泥浆护壁好，排砂能力强的优越性。 表2　四川地矿局113地质队施工孔经济效益分析

孔号	孔深/m	泥浆类型	经 济 效 益 对 比
			每台月效/m		时效/m.h-1		纯钻率		孔内事故/%	泥浆成本/元.m-1
ZK15301	152．23	低固相泥浆	272	100	1．23	100	31	100	24	15．88	100
ZK14302	265．65	泡沫泥浆	511	187．96	1．55	126．02	45	145．16	0	3．61	22．73
ZK14503	404．53	泡沫泥浆	330	121．32	1．31	106．50	35	112．90	0	5．4	34．01

2.1.2.3　在地质灾害治理中的应用 　　自1993年以来，南江水文队在重庆北碚施家梁治理滑坡勘察施工中，为解决第四系崩塌体发生滑坡造成钻孔漏失、垮塌和岩屑过多，残留孔底下钻不到位，取出岩心“混层”等难题，在该地区首次采用了DF-1型泡沫剂和防塌防漏型泡沫泥浆配方，在5个钻孔中施工试验累计进尺380．3 m。由于充气泡沫泥浆属“气、液、固”三相泡沫流体，具有表面张力大，流体聚结结构强，带砂携岩能力很强，且在孔壁形成了疏水性、粘弹性的泡沫吸附壁，具有防塌防漏的特殊作用。因此，使用该泥浆后每次下钻能够顺利到底，钻孔垮塌、漏失也有明显改观，泥浆消耗量大大减少，孔内卡钻事故下降40%～50％，钻探台效由原来200 m／台月提高到480 m／台月，实现了安全顺利钻进。更重要的是孔内清洁下钻到底，避免了钻进取芯过程对岩芯的扰动，使取出的岩芯完整。原状岩芯对滑面及滑带上的划分、分层与评价提供了有效的方法和手段，解决了过去岩芯“混层”的难题。因此,认为泡沫泥浆在治理地质灾害解决滑坡勘察中应用效果显著，有推广价值。 2．2　泡沫潜孔锤钻进技术 　　泡沫潜孔锤钻进是在空气钻进基础上发展起来的，是介于空气和清水之间的冲洗介质，具有液柱压力低、结构粘度高、润滑减阻、捕集排粉好、环境污染小、地层适应性强等优点，特别在潮湿、涌水、漏水、水敏性、不稳定地层较空气钻进有其独特的优越性。 　　在泡沫潜孔锤钻进规程参数中影响泡沫钻进的关键是泡沫质量，即确保钻进时泡沫处于最佳状态。它取决于泡沫剂性质和气液比，以及配制时泡沫浓度和泵入量。现场应用表明，优质的DF-1型泡沫剂对泡沫质量提供了先决条件，气液比一般控制在100∶1～300∶1范围时，应根据不同钻进情况调整和控制泡沫的质量，使泡沫液结构致密、流变性好，携岩能力强。这需要根据地层条件、孔径、孔内涌水等的变化及时调整泡沫剂浓度和泵量，对正常的干孔,泡沫剂浓度在1‰～1．5‰，泵量在40 L／min较为合适；对潮湿孔，泡沫剂浓度为2‰，泵量在15～20 L／min为宜；有孔内涌水时，泡沫剂浓度和泵量与涌水量直接相关，对小涌水(1 t／h以下),泡沫剂浓度为2‰～2．2‰，泵量为15～18 L／min；对中涌水(8 t/h)，泡沫剂浓度3‰～4‰，泵量为15～25 L/min；对大涌水(＞18 t/h)，泡沫剂浓度应不低于5‰，泵量不小于20 L/min；当孔内积水过多，发生堵塞时，可直接在孔中注入高浓度泡沫剂(＞5‰)，以消除积水和堵塞。在钻进时，可观察返出孔口的泡沫状态及时调整泡沫剂的浓度和泵量。泡沫的最佳状态为泡沫外观似刮脸膏状、底部有少量水，能够自行流动，其携岩能力很好。若泡沫为稀泡沫，含液量大，底部有大量水，泡沫流动性好，携岩效果不好。若泡沫为浓泡沫，泡沫流动性差，虽携岩效果好，但不经济。 　　通过在河北涉县、河南新乡、重庆等地区进行的高风压、低风压的泡沫潜孔锤水井钻进，经历了干孔、潮湿、涌水孔段、深水位下延深钻以及砂卵砾石层潜孔锤跟管钻进，在灌注工艺上采用了高浓度间断灌注和连续灌注方法，顺利地完成了约2500 m水井钻探任务。实践表明，DF-1型泡沫剂有泡沫结构致密、稳定性好、捕集排粉能力强的特性，较好地解决了上述复杂岩层钻进难题，取得了明显的技术经济效益，得到一致好评。

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