钻井液起泡.docx

1、钻井液起泡塔里木油田钻井液起泡及其解决办法探讨赵善波报告择要：报告详细分析了塔里木油田钻井液起泡的原因，认为引起塔里木油田钻井液起泡的根本原因是钻井液中含有起泡的表面活性材料。这些表面活性材料的来源一是个别加入钻井液中的处理剂本身就是表面活性剂;二是部分钻井液处理剂在合成生产过程中由于原料和工艺控制等问题产生了具有表面活性的物质;三是部分天然材料改性生成了有机羧酸盐和磺酸盐具有表面活性。四是有些钻井液处理剂部分成分为表面活性剂。钻井液中表面活性材料的种类及含量随钻井液处理剂的种类不同而不同。钻井液中这些表面活性材料的存在,且浓度过高消耗不掉是引起钻井液起泡的根本原因。钻井液中处理剂加量过大，钻

2、井液粘切较高，钻井液体相和液相粘度较大，形成泡沫的液膜表面粘度大，排液速度慢，泡沫中的气体分子不易膨胀变大逸出，泡沫都处于小泡状态，不易破裂消失。这就是钻井液泡沫细小稳定不易消除的原因。造成钻井液起泡的外因是钻井液中钻屑、膨润土以及各种固相含量的多少，这些固相会吸附消耗上述这些表面活性材料，如果表面活性材料少不足以固相的消耗，钻井液就不会发生起泡，反之，固相少消耗不了过多的具有表面活性的材料，就会造成钻井液的起泡。引起钻井液起泡的导火线常常是加某种含有表面活性的处理剂，如磺化沥青、磺化酚醛树脂、磺化褐煤树脂、润滑剂、聚合醇、乳化石蜡等等，以及钻遇油气侵、盐水侵、钻水泥塞（Ca2+侵）、CO3=

3、与HCO3-污染、加钻井液结构的处理剂等等。一. 塔里木油田钻井液起泡的特征塔里木油田钻井液起泡问题近几年时有发生，轻的加消泡剂可以消除，不影响钻井施工，严重的密度下降，影响泵上水，不得不停工处理钻井液，如满加1井和英深1井等。塔里木油田钻井液起泡常见于探井，且主要发生在深井段，井深大多超过5000米。钻井液起泡发生的区块主要在塔中地区，少部分发生在其他地区。起泡发生的地层主要为目的层下古生界奥陶系和志留系，少数为下第三系和白垩系。起泡时使用的钻井液体系大多为盐水磺化钻井液，部分为复合盐水弱凝胶体系。起泡时的钻井液性能，大多为低密度（1.20g/cm3左右），少数为中高密度。钻井液起泡时的工况

4、大多是在钻进加处理剂过程中，部分是在钻水泥塞、钻遇盐水浸、油气浸时发生。二 塔里木油田钻井液起泡的原因分析 一般说钻井液起泡是指钻井液从井筒内循环出井口，经架空糟和震动筛震动裹进空气后在钻井液中产生的泡沫，并经过钻井液循环糟和罐后不易消失，我们就称之为钻井液起泡。塔里木油田钻井液起泡的原因很多，归纳起来可分为内因和外因两大类。内因，首先是使用的钻井液处理剂中含有起泡的表面活性材料。这些表面活性材料的来源：一是处理钻井液使用的部分处理剂本身就是表面活性剂，如清洁剂、乳化剂SP-80等；二是部分生产钻井液处理剂的原料中含有表面活性剂，如聚合醇、乳化石蜡等，三是使用的部分钻井液处理剂在生产过程中产生

5、的具有表面活性作用的物质，如磺化酚醛树脂类中的苯甲基磺酸钠；褐煤腐植酸改性生产的磺化褐煤树脂（SPNH）、磺化铬腐殖酸（PSC）、磺化褐煤（SMC）和腐植酸盐类（K（Na）Hm）等含有具有表面活性的腐植酸盐或磺酸盐；沥青磺化生成的磺化沥青类(SAS、FT-1、FT-1A)实际是生成部分具有表面活性的沥青磺酸钠。四是钻井液用油基润滑剂原料油酸中含有少量皂甙,它的水溶液振摇后可产生持久的肥皂样的泡沫。这些处理剂原材料来源不同，生产工艺配方不同，产生和含有的具有表面活性材料的多少也不同。其次是钻井液用处理剂，特别是含有表面活性的处理剂加量过大，总浓度过高，消耗不掉，也是钻井液起泡稳定不易消除的原因之

6、一。因为是深井，又是重点探井，就要求钻井液要抗高温、抗盐膏、强抑制、防坍塌，所以要低滤失、低渗透、保护油气层等，钻井液处理剂加入种类多，数量也大。又因为磺化钻井液体系为分散体系，使用的都是较小分子的处理剂，所以，处理剂的浓度可以加得很大而不会造成钻井液粘切过高，特别是低密度。无固相弱凝胶体系是复合无机盐水，使用的处理机大多分子量较小，浓度加的较大而粘切也不会很高。钻井液中高浓度的处理剂会造成钻井液体相粘度和液相粘度大，一旦里边含有表面活性材料，形成泡沫的液膜表面粘度大，排液速度慢，泡沫中的气体分子不易膨胀变大逸出，泡沫都处于小泡状态，不易破裂消失。这就是有时钻井液泡沫细小稳定不易消除的原因。如

7、满加1井钻井液清水限已达20%以上，中古16井5722m时钻井液起泡严重，泡沫细小不易消除，室内用井浆加25%护胶的低浓度膨润土浆处理后，钻井液性能变好，泡沫变大易消。现场经掏罐、用护胶的膨润土浆替换一部分井浆，钻井液性能变好，泡沫消失。钻井液体系中处理剂的总浓度过高造成钻井液液相和体相粘度较高是泡沫稳定不易消除的主要原因。钻井液处理剂，特别是含有表面活性的处理剂在钻井液中加量过大，总浓度过高，消耗不掉，是导致钻井液起泡，且不易消除的根本原因。塔里木油田英深1井、满加1井、中古16井、KL2-9、塔中826井等使用的钻井液处理剂在蒸馏水和膨润土浆中起泡数据列于附录一。引起钻井液起泡的外因很多，

8、归纳起来大致有如下几种。一是钻井液中固相含量的多少，固相包括钻屑、粘土、加重剂等。固相特别是活性固相含量高，吸附消耗掉含有表面活性的处理剂就多，钻井液体相和液相的粘度就低，钻井液就不易起泡，且即使起泡也容易消除，反之，则容易起泡且不容易消除。膨润土含量对钻井液起泡率影响数据见表。表1 膨润土含量对钻井液起泡率影响数据表膨润土含量，%起泡率，%处理剂加量1.02.03.04.05.06.07.02.0%SPNH(英深1井乌市天山建材样) 起泡率，%686357535047342.0% SPNH(英深1井北京延庆样) 起泡率，%68738050474340钻井液配方：室内自来水+（1.0-7.0%

9、）184团一级膨润土+Na2CO3（土比0.5%）+0.2%HV -CMC +2.0%SPNH（英深1井乌市天山建材样）。二是 剪切速率，即搅拌速度大小，在井上表现为钻井工程参数转速和振动筛的震动频率。一般来说，当钻井液组成一定时，剪切速率越高，起泡率越高。不同搅拌速度起泡率见表2。表2 搅拌速度对钻井液起泡率影响数据表搅拌速度rpm3000400050006000700080009000100001100012000起泡率，%5131827303335374035钻井液配方：如室内自来水+4.0%184团一级膨润土+0.1%Na2CO3+4.0%SMP-1（英深1井乌市天山建材样）三是钻井液

10、粘切的增加。在钻井液组成不变的情况下，加入不含表面活性的材料使得钻井液的结构增强，粘切增加，也会使钻井液起泡，经常遇到的情况有：钻遇盐水浸，向钻井液中加入不同种类和数量的盐类，常见的有氯化钠、氯化钾、氯化钙等，钻水泥塞（实质是钙离子浸）、钻遇油气浸，CO3=与HCO3-污染，加入聚合醇、乳化石蜡防塌剂等，这些都会造成钻井液的污染，使钻井液的粘切急剧增加，本来不起泡的钻井液就会产生起泡，这是因为钻井液结构增强，产生的泡沫不易消除所造成。（1） 盐水侵，在钻遇盐水浸时，钻井液在没有及时处理的情况下，少量的盐水浸会造成钻井液结构增强，动塑比提高，引起钻井液起泡，这种情况现场也经常遇到。实验室用室内自

11、来水+4.0%184团一级膨润土+0.1%Na2CO3+4.0%SMP-1（英深1井乌市天山建材样）作为基浆，加入不同数量的KCL、NaCL，高搅5分钟，测量体积的增加，评价了它们的起泡情况，实验数据及结果列于表3。从结果可以看出，KCL、NaCL的加入都会使钻井液的起泡率增加。表3 KCL、NaCL加量对钻井液起泡率影响数据表盐名称，加量%NaCLKCL0.01.03.05.07.010.0.01.03.05.07.010.起泡率，%304357727583303543424345PH998.58.58898.58.58.07.57.5（2）钻遇油气侵，如塔中83井、826井等，当钻遇油气侵

12、时，为了平衡地层压力，紧接着用氯化钙加重，钻井液粘切升高，于是发生钻井液大量起泡。（3）钻水泥塞，克拉2-9井、英深1井等高密度钻井液，钻水泥塞时，由于水泥污染（Ca2+侵），这些Ca2+ 浸入钻井液量不是很大时（因同时也在处理），钻井液结构增强，动塑比提高，泡沫形成后不易消除。现场好多井钻水泥塞时都遇到这种情况。实验室用室内自来水+4.0%184团一级膨润土+0.1%Na2CO3+4.0%SMP-1（英深1井乌市天山建材样）作为基浆，加入不同数量的CaCL，高搅5分钟，测量体积的增加，评价了加CaCL的起泡情况，实验数据及结果列于表4。从结果可以看出， CaCL2的加入都会使钻井液的起泡率增

13、加。表4 CaCL2、加量对钻井液起泡率影响数据表盐名称CaCL2加量，mg/l025050010002000起泡率，%3033384552PH998.58.58（4）CO3=与HCO3-污染。CO3=与HCO3-污染的来源，一是地层中水溶性碳酸盐和二氧化碳溶解造成，如满加1井;二是处理钻井液加入的Na2CO3或NaHCO3，如配浆、钻水泥塞时加入的Na2CO3或NaHCO3;三是使用的部分处理剂含有Na2CO3或NaHCO3（如中古16井、满加1井钻井液材料）见表5;四是个别地区配浆用浅表水含有少量HCO3-。表5 古16井、满加1井 处理剂HCO3- 、CO32-、数据表处理剂名称生产厂家

14、1.0%水溶液pH值HCO3-/ OH-mg/LCO32-mg/ L折合Na2CO3含量，%折合NaHCO3含量，%FT-1A中油三元7.000SPNC北京科兴8.51305/0017.97PSC-1北京科兴11146/0240.422.01PSC-2北京科兴116714207.429.24SMP-1塔油建11132/001.82SMP-2塔油建11156/34500.88/（0.8%NaOH）2.15SMP-2重庆大方11156480.852.15SPNH-2昆明金思达107071923.399.74WFT-666河南辉县日新1055207.60XHL北京金海岸700从表5可以看出，大多数钻

15、井液处理剂在生产过程中，由于吸收空气中二氧化碳产生部分水溶性碳酸盐，个别产品可能混有碳酸氢钠或碳酸钠。当钻井液中CO3=与HCO3-浓度达到一定程度时，钻井液的性能就会发生变化，钻井液结构增强，动塑比升高，泡沫形成后不易消除，如满加1井钻井液滤液中CO3=与HCO3-浓度高达1440mg/L和9272mg/L, 钻井液动塑比高达0.8-1.0，钻井液起泡率38-40%稳定不易消除。通过计算，向钻井液中加入0.8-1.0%的CaO和5%的水，钻井液动塑比降至0.1-0.15，钻井液起泡率降至10%，且不稳定，很易消除。有时钻水泥塞时，Na2CO3或NaHCO3加量过大，在消除Ca2+污染的同时，

16、又会出现CO3=与HCO3-污染。（5） 容易增加钻井液结构的处理剂。在钻防塌和目的层时，常常加入聚合醇和乳化石蜡，这些产品成分都含有表面活性剂，他们的加入，一是增加了钻井液的表面活性材料，二是提高了钻井液的粘切，不同聚合醇和乳化石蜡含表面活性材料种类和数量不同，提钻井液粘切的作用大小不同；钻井液粘切不同，加同量聚合醇和乳化石蜡，钻井液的粘切增加不同。如塔中62-27井为欠平衡充气钻井液，原磺化钻井液起泡率很小，表面张力只有1-4 mN/m。充气后，泡沫本来易消，不影响钻井施工，加入3%的聚合醇后，钻井液起泡率增至40%左右，表面张力60 mN/m左右。泡沫半衰期600秒，泡沫很难消除，影响钻

17、井施工。在其他井也发现类似情况。钻井液体系、组成及性能不同，发生起泡的情况不同。一般聚合物钻井液体系起泡较少，这是因为聚合物主要使用大小分子聚合物，它们不含或很少含表面活性材料，引起聚合物钻井液起泡的原因主要是在其中加入润滑剂、乳化剂、和磺化沥青较多时容易发生起泡。在塔里木油田起泡最多的钻井液体系是聚磺和磺化钻井液体系，起泡原因上边已做了详细的分析。三 塔里木油田钻井液起泡的解决办法解决塔里木油田钻井液起泡的办法，首先应从钻井液处理剂的质量上入手，限制钻井液处理剂中起泡的表面活性材料含量。前些年，钻井液处理剂起泡主要是润滑剂、磺化酚醛树脂类和磺化沥青类，对此，塔里木油田专门制定了标准，在质量检

18、验中增加了起泡率限制，起到了很好的作用。目前，也应该专门制定标准，对一些起泡的钻井液处理剂限制其表面活性材料含量，从根源上解决钻井液起泡问题。第二，加强钻井液体系、配方设计的研究。现在一些钻井液体系、配方设计的处理剂种类较多，同一类产品有好几个生产厂家，质量也有差别，且经常有一些新处理剂使用。这些处理剂的配比配伍性很少全面研究就纳入到钻井液体系、配方设计中。所以，现场施工经常出现这样那样的处理剂使用问题。第三，加强现场钻井液工程师的培训。随着塔里木油田石油勘探开发的深入发展，钻井和钻井液工作难度不断增加，而现场钻井液工程师的能力和素质常常满足不了要求，对现场钻井液出现的复杂情况分析认识不清，缺

19、少解决问题的能力和办法。因此，需要加强对现场钻井液工程师的培训。培训内容应包括钻井液处理剂的性能、加量、配伍性等，水基钻井液现场测试程序，现场钻井液常见复杂情况分析及处理等。第四，采取具有针对性的消泡措施。当钻井液出现起泡时，首先要找出起泡的处理剂并停止或减少使用。然后根据钻井液性能和滤液分析结果，找出引起钻井液泡沫稳定的因素。如处理剂加量过大，坂土含量较低，钻井液体相和液相粘度较高，钻井液滤失量过低，则应减少或降低处理剂的加量，特别是起泡处理剂的加量，用不起泡的小分子稀胶液或护胶的坂土浆维护处理，或置换部分起泡浆，降低钻井液体相和液相的粘度（粘切），使泡沫稳定性降低，便于自动破灭和消泡。如属

20、于盐水浸和油气浸，因尽量想办法降低钻井液的动塑比和粘切，如属于Ca2+侵，若钻井液PH值较高，则应通过计算加入所须的NaHCO3；若钻井液PH值较低，则应通过计算加入所须的Na2CO3；如属于HCO3-、CO32+污染，若钻井液PH值偏低，则应通过计算加入所须的CaO,或CaCL2+NaoH；若钻井液PH值较高，则应通过计算加入所须的CaCL2。另外，也可考虑加入适量的矿物油消泡，当然，准备适用高效的消泡剂也是必不可少的。附录一：塔指几口重点探井使用处理剂起泡评价情况仿照塔指Q/TZ129钻井液用SMP-1起泡性评价方法，英深1井、满加1井、中古16井、KL2-9、塔中826井等使用的钻井液处

21、理剂在蒸馏水和膨润土浆中起泡数据分别列于表1、2、3、4、5、。表1 英深1井钻井液处理剂在蒸馏水和膨润土浆中起泡数据表处理剂生产厂起泡率， 项目%处理剂名称0.5%蒸馏水1.0%蒸馏水3.0%蒸馏水5%184团土+0.5%样品5%184团土+2.0%样品塔油建SMP-121325833重庆大方SMP-172745742乌天建SMP-172035塔油建SPNH22京延庆SPNH174377818乌天建SPNH174178946滇黔贵SPNH234293云旬店SPNH00000上海洋世MHR-86D31025TRH-1611299SP-803715PSC-231550表2 满加1井 钻井液处理剂

22、在蒸馏水和膨润土浆中起泡性能数据表处理剂名称起泡率， 项目%厂家蒸馏水+0.5%样3%184团膨润土浆+3%样品3%184团膨润土浆+3%样品15016h.SPNH-2云南云灿047WFT-666河南辉县日薪01.50PSC-2北京科兴02323SMP-1塔油建01013SMP-2塔油建047SP-8010136150表3 中古16井钻井液处理剂在蒸馏水和膨润土浆中起泡性能数据表处理剂名称起泡率， 项目%厂家3%184团膨润土浆+3%样品3%184团膨润土浆+3%样品，15016hFT-1A新疆中油三元57SPNC北京科兴7067PSC-1北京科兴6062XHL北京金海岸2.52.0SMP-1

23、塔油建7.57SMP-2塔油建55SMP-2重庆大方56表4 KL2-9等井钻井液处理剂在蒸馏水和膨润土浆中起泡测定结果处理剂生产厂项目起泡率，%处理剂名称1.0%蒸馏水液1.0%蒸馏水液10016h后3%184团膨润土浆+1.0%样品， 3%184团浆+1.0%样品，10016h后塔油建SMP-11357北京延庆SPNH1071079079中油三元SP-8017231620MHR-86D22203027表5 SMP 不同加量不同水质高温滚动前后起泡实验数据表项目起泡率，%厂家处理剂名称、厂家蒸馏水+0.5%样， 16016h，蒸馏水+3%样，16016h，饱和盐水+ 3%样，16016h，前

24、后前后前后SMP-重庆大方0509*532524SMP-重庆大方0602*3330SMP-塔油建06022026533SMP-重庆合成02*33310SMP-重庆大方0603*0010136156SMP-重庆大方，古城2井0606样0022140132SMP-川西南油气0408*3333182160表6 SMP-1 、SPNH在钻井液中随加量增加钻井液起泡数据表处理剂名称及加量，%SMP-1（天山）SPNH（天山）SPNH（延庆）1.002.003.001.002.003.001.002.003.00起泡率，%357390385367355062表7 SPNC 、PSC-1在钻井液中随加量增加

25、钻井液起泡数据表处理剂名称及加量，%SPNC（北京科兴）PSC-1（北京科兴）1.002.003.001.002.003.00起泡率，%315370284560表8 SP-80和润滑剂在钻井液中随加量增加钻井液起泡数据表处理剂名称及加量，%SP-80润滑剂0.501.002.001.002.003.00起泡率，%17232753067表9 弱凝胶钻井液体系中处理剂的种类和浓度对钻井液起泡性能的影响数据表配方号 性能 项目 配方 PV，mpasYP, mpas起泡率，%泡沫半衰期，分表面张力，dyne/cm211#基液+0.5%SJ-111063.521#基液+0.5%PF/PRD3.50.50

26、74.631#基液+0.5%SOLTEX1.51.510166.441#基液+0.5%CX-21610256569.351#基液+0.5%SJ-1+0.5%CX-216175.55272.661#基液+0.5%PF/PRD+0.5%CX-216177.5654074.271#基液+0.5%SOLTEX+0.5%CX-216102.560570.582#基液+0.5%PF/PRD40.50074.592#基液+0.5% SOLTEX1.51.533285.8102#基液+0.5% CX-21691836066.4112#基液+0.5% PF/PRD+0.5%CX-2161626722072.51#基液：自来水+7%KCL+15%NaCL，密度1.13g/cm2。2#基液：自来水+7%KCL+15%NaCL+20%CaCL2，密度1.22g/cm2。从上表数据可以看出，深井磺化钻井液使用的处理剂相当一部份都含有起泡的表面活性材料。这些具有表面活性作用的材料，随在钻井液中加量增加，钻井液起泡率增加。2007-08表5 Na2CO3、 NaOH加量对钻井液起泡率影响数据表碱名称，加量%Na2CO3NaOH0.10.20.30.40.50.00.10.20.30.4起泡率，%3028282730302518128PH999101099.5101112