DF_1型泡沫剂的研制和应用

DF_1型泡沫剂的研制和应用 () [ 文章编号 1005 29539 19990220199204 Ξ 21 型 泡 沫 剂 的 研 制 和 应 用D F 陈礼仪费立朱宗培 ()成都理工学院勘察与机电工程系, 成都 610059 [ 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——21 型泡沫剂。用该泡沫剂配制的低密 D F 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。 应用结果还明, 21 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 D F 好的应用效果。 [ 关键词 ] 泡沫剂; 泡沫泥浆; 泡沫钻进 [ 分类号 ] P 634. 6 [ 文献标识码 ] A () , 必须有优良的泡沫剂。原料 助剂, 以补偿主剂的不足。21 型泡沫剂复 要成功地实现泡沫钻进 D F 配工艺如图 1 所示。钻进用泡沫剂的性能应从发泡能力、泡沫稳定性、携 1. 2 21 型泡沫剂性能评价岩能力、抗污染等几个方面考虑。 众所周知, 泡沫剂 D F 的主要成分是表面活性剂, 但钻进用的泡沫剂不能 21 型泡沫剂的发泡能力和稳定性采用罗斯 D F 米尔泡沫仪进行测定。 将泡沫剂分别用自来水、1‰ 简单地选用某一种表面活性剂, 必须采用复配技术, 2+ 才能配制成满足钻进要求的泡沫剂。水、10%盐水配制成泡沫液, 测试在温度 C aN aC l 为 40???条件下的发泡能力、稳定性、抗, 60, 80C C C 1 21 型泡沫剂的研制D F 盐钙污染能力和抗温能力, 泡沫剂加量为 0. 4% 。实 1. 1 21 型泡沫剂的组分及复配 验结果表明: 21 型泡沫剂具有良好的发泡能力和 D F D F 泡沫剂组分的选择除满足性能要求外, 还应考 稳定性以及较强的抗盐、抗钙、抗温能力。 虑原料来源和价格, 利于推广应用。直链烷基苯磺酸 泡沫剂的携岩能力采用单槽浮选机测定。 将不() 钠 是一种发泡率高、生产工艺成熟、价格便宜L A S 0. 1, 0.的颗粒, 用清同岩石研磨成粒度为 25 mm 的阴离子表面活性剂, 选择它为泡沫剂的主要原料 水与不同的岩粉组成矿浆, 固相含量为 20% , 泡沫 ( ) 主剂, 改善其不足是研制适合于钻进要求泡沫剂 剂加量分别为 0. 15% 和 0. 4% , 搅拌 5 , 充气刮 m in 的 要点; 因此应选择其他的表面活性材料作为辅助 泡, 计算携岩量。实验结果表明: 21 型泡沫剂对三D F 种不同岩粉的携量优于国产泡沫剂, 与美国 2泡 能影响极大, 由此应针对不同情况控制各处理剂的加Q F 沫剂相当。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: () 21 型泡沫剂采用美国石油协会 推荐 D F A P I 基浆视粘度: = 25, 20 〃; Γa m P as的进行评价, 这种方法可近似模拟钻孔和钻进 基浆切力: > 2. 25 , > 4. 5 ; Σ初P a Σ终P a条件来评价泡沫剂性能。 通过测定一定量泡沫液在 3 3 () 泡沫泥浆密度: =Θ k g ƒm ; 0. 55, 0. 85×10 一定时间内的返出量了解泡沫剂性能, 返出量越多, 泡沫泥浆动塑比: = 0. 36, 0. 48 〃ƒƒ;Σo Γp P a m P as 泡沫剂性能越好。 测试结果见表 1, 由此可以看出 泡沫泥浆流性指数: n = 0. 4, 0. 7。21 型泡沫剂性能达到并超过了 的性能 D F A P I 2. 1. 2 现场应用 标准。 2. 1. 2. 1 在地质勘探中的应用 泡沫泥浆是在低固相表 1 仿 方法的泡沫剂性能评价结果A P I 聚合物泥浆的基础上, 加入 T ab le 1 P rop e r t ie s o f th e fo am agen t to u se th e in st rum en t 泡沫剂和稳泡剂而形成的低密度钻井介质, 它除具有 o f im ita t ing A P I standa rd 标准溶液 低固相泥浆的一般优点外, 其最大特点是密度小, 液柱 ? I? 2+ 压力低, 能实现低压平衡钻进, 提高机械钻速, 防止或 成 分 淡水 10% 盐水 1‰水C a 减少因压差而造成的漏失。含有气泡的钻进流体, 呈密 蒸馏水 4000 3800 3995 集的泡沫群体结构, 具有高的结构粘度和低的上返流 ƒ400 N aC lg 速, 悬浮和携带岩屑能力很强, 为低固相泥浆的 3, 5 〃2ƒC aC l2 H 2O g 倍。 泡沫泥浆形成的泥饼, 具有疏水性和粘弹性, 大大 14. 7 限制了自由水的渗透, 减小了流体对孔壁的扰动, 保护 () 泡沫剂浓度 体积ƒ% 0. 15 0. 75 0. 5 了孔壁。 1510 1420 1515 实 测 泡沫泥浆在四川地矿局 113 队、202 队、205 队、携液量〃 ƒmL - 11525 1430 1535 () 10 m in 109 队、404 队等单位应用, 成功地解决了钻进过程中 平 均 1518 1425 1525 漏失、长孔段坍塌、沉砂高达五六十米的复杂情况。 在 推荐的标准值A P I 1400 1350 1400 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 2 21 型泡沫剂的应用D F 壁稳定, 使定向造斜顺利完成, 提高了钻井效率和岩矿 2. 1 在泡沫泥浆钻进中的应用 芯采取率。 泡沫泥浆与低固相泥浆钻进的经济效益对 泡沫泥浆是一种由微细气泡和粘土颗粒同时分散 () 比见四川地矿局 113 队提供的试验数据 表 2。在水中形成的多相分散体系。 它具有密度低、结构致 2. 1. 2. 2 在地热田钻井中的应用 西藏地热资源十分密、流体粘稠的特性。 用于不稳定地层, 有护壁防塌作 丰富, 地热田上部的第四系地 用。在渗透、裂隙地层有防漏和消除漏失的效能。在高 层以砂砾岩为主, 裂隙发育, 下部是花岗岩, 断层多, 区 山、缺水地区使用可减少用水量, 同时满足携岩和护壁 域热蚀变的地层破碎, 孔隙率高。在钻井中常遇到钻井 的要求。尤其在地热井耐高温, 灾害治理对滑面分层的 液漏失, 引起井壁坍塌、卡钻、埋钻、井涌、井喷等一系 评价和解决岩芯“混层”有独特效果。 列井下事故, 且多数井漏属于压差性漏失, 漏失强度 2. 1. 1 室内配方研究 泡沫泥浆性能取决于泥浆组大。 为了解决钻井液漏失, 减少井下事故, 取全取准地 成和气液的相对含 质资料, 提高钻井效益, 将泡沫泥浆钻进工艺应用于西 量。要使泡沫泥浆体系稳定, 首先要解决的是使气泡能藏羊八井和拉多岗地热田钻井。应用结果表明, 泡沫泥 稳定地存在于泥浆中。泡沫的形成和稳定与表面张力、 浆低的密度, 良好的携岩排粉能力, 护壁、防漏治漏等 表面粘度、膜的强度等因素有关, 泡沫的稳定性随表面 优点。达到了在低压或无压漏失地层的平衡钻进, 取得 粘度、膜强度增加而增加。因此应加入能提高液相粘度 了明显的技术经济效益。 和膜强度的稳泡剂。一般来说, 泡沫泥浆应由下列组分 拉多岗热田 井在 400 以上井段使用普 206 ZK m 组成: 3 3 ( ) 通泥浆 密度为 1. 15×10左右出现井漏, 地 ƒk g m ) ( 人工钠土 4% 或钙土+ 纯碱+层有 0. 2, 0. 25 的裂缝存在, 漏失严重, 采用多种m () 稳泡剂 CM C 012% 或 PH P 0. 2‰+ 泡沫剂 011% 方法堵漏, 收效甚微。 在 400 以下井段换用泡沫m 根据正交设计分析得出, 各因素对于泡沫泥浆性 表 2 四川地矿局 113 地质队孔经济效益分析 T ab le 2 T h e ana ly sis o f eco nom ic benef it abo u t fo am d r illing f rom N o. 113 geo lo g ica l team 经 济 效 益 对 比 孔深ƒ孔 号 泥浆类型 m - 1- 1每台月效ƒ时效ƒ〃纯钻率 孔内事故ƒ% 泥浆成本ƒ元〃m m h m 低固相泥浆 15301ZK 152. 23 272 100 1. 23 100 31 100 24 15. 88 100 泡沫泥浆 14302265. 65 511 187. 96 1. 55 126. 02 45 145. 16 0 3. 61 22. 73 ZK 泡沫泥浆 404. 53 330 121. 32 1. 31 106. 50 35 112. 90 0 5. 4 34. 01 14503ZK 泥浆钻进, 治住了井段多点漏失, 顺利地钻到941. 40关键是泡沫质量, 即确保钻进时泡沫处于最佳状态。 终孔, 台月效率达到 655.62 , 比普通泥浆提高它取决于泡沫剂性质和气液比, 以及配制时泡沫浓 m m 66. 2% , 缩短了钻井周期, 节约钻井成本费用数万度和泵入量。现场应用表明, 优质的 21 型泡沫剂 D F 元。在多次处理钻杆脱扣事故中, 停泵达 10 以上,对 泡 沫 质 量 提 供 了 先 决 条 件, 气 液 比 一 般 控 制 在 h 井底始终保持干净, 无沉砂埋钻现象, 这在以往施工 100?1, 300?1 范围时, 应根据不同钻进情况调整 中是少有的。这也充分体现了泡沫泥浆护壁好, 排砂 和控制泡沫的质量, 使泡沫液结构致密、流变性好, 能力强的优越性。 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 2. 1. 2. 3 在地质灾害治理中的应用 孔, 泡沫剂浓度在 1‰, 1. 5‰, 泵量在 40 较 ƒ自 1993 年以来, 南江水文队在重庆北碚施家梁 L m in 治理滑坡勘察施工中, 为解决第四系崩塌体发生滑 为合适; 对潮湿孔, 泡沫剂浓度为 2‰, 泵量在 15, 20 为宜; 有孔内涌水时, 泡沫剂浓度和泵量 ƒ坡造成钻孔漏失、垮塌和岩屑过多, 残留孔底下钻不L m in ( ) 到位, 取出岩心“混层”等难题, 在该地区首次采用了与涌水量直接相关, 对小涌水 1 以下, 泡沫剂ƒth 21 型泡沫剂和防塌防漏型泡沫泥浆配方, 在 5 个 2‰, 2.2‰, 泵量为 15, 18 对中涌浓度为 ƒ; D F L m in (钻孔中施工试验累计进尺 380. 3 。 由于充气泡沫) m 水 8 ƒ泡沫剂浓度 3‰, 4‰, 泵量为 15, 25 ƒ , th L ( ) 泥浆属“气、液、固”三相泡沫流体, 具有表面张力大,m in; 对 大 涌 水 > 18 tƒh , 泡 沫 剂 浓 度 应 不 低 于 流体聚结结构强, 带砂携岩能力很强, 且在孔壁形成 5‰, 泵量不小于 20 ƒ当孔内积水过多, 发生 ; L m in ( ) 了疏水性、粘弹性的泡沫吸附壁, 具有防塌防漏的特 堵塞时, 可直接在孔中注入高浓度泡沫剂 > 5‰, 殊作用。 因此, 使用该泥浆后每次下钻能够顺利到 以消除积水和堵塞。在钻进时, 可观察返出孔口的泡 底沫状态及时调整泡沫剂的浓度和泵量。 泡沫的最佳 , 钻孔垮塌、漏失也有明显改观, 泥浆消耗量大大 状态为泡沫外观似刮脸膏状、底部有少量水, 能够自 减少, 孔内卡钻事故下降 40%, 50% , 钻探台效由 原来 200 台月提高到 480 台月, 实现了安全 行流动, 其携岩能力很好。 若泡沫为稀泡沫, 含液量 ƒƒm m 顺利钻进。更重要的是孔内清洁下钻到底, 避免了钻 大, 底部有大量水, 泡沫流动性好, 携岩效果不好。若 进取芯过程对岩芯的扰动, 使取出的岩芯完整。原状 泡沫为浓泡沫, 泡沫流动性差, 虽携岩效果好, 但不 岩芯对滑面及滑带上的划分、分层与评价提供了有 经济。 效的方法和手段, 解决了过去岩芯“混层”的难题。因 通过在河北涉县、河南新乡、重庆等地区进行的 此, 认为泡沫泥浆在治理地质灾害解决滑坡勘察中 高风压、低风压的泡沫潜孔锤水井钻进, 经历了干 应用效果显著, 有推广价值。 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 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 断灌注和连续 灌 注 方 法, 顺 利 地 完 成 了 约 2500 m的, 是介于空气和清水之间的冲洗介质, 具有液柱压 水井钻探任务。 实践表明, 21 型泡沫剂有泡沫结 D F 力低、结构粘度高、润滑减阻、捕集排粉好、环境污染构致密、稳定性好、捕集排粉能力强的特性, 较好地 () 制 []1 成都理工学院学报, 1998, 25 3: 467, 472. J [ 参 考 文 献 ] 4 王秉晋 1 应用充气泡沫泥浆成效显著 [] 1 探矿工程,J 1 耿瑞伦, 陈星庆 1 多工艺空气钻探 [] 1 北京: 地质出版 M () 1993, 2: 7, 14.社, 1996. 5 邓泽穆 1 充气泡沫泥浆在地热钻井中的试验应用 [] 1 J 2 胡耿寰, 等 1 我国钻井液技术发展近况 [] 1 探矿工程, J () 西部探矿工程, 1994, 6 6: 67, 70() 1992, 3: 64, 68. 3 陈礼仪, 费立, 朱宗培 126 型油井水泥降失水剂的研PA - 1 PREPA RA T IO N A ND A PPL ICA T IO N O F D FFOAM A GENT , , C h en L iy iF e i L iZh u Zo n gp e i(), C h eng d u U n iv e rs ity of T ech nology C h ina A bstra c t: , S ta r t t in g f rom th e tech no lo g ic requ irem en t s o f im p ro v in g th e d r illin g eff ic ien cyex t rac t in g ra2 t io o f d r ill co re an d p ro tec t in g ho le w a lls in geo lo g ic d r illin g, a n ew typ e fo am agen t D F 21 is p re2 . 2. p a redIt is sp ec ia lly u sed to com po u n d fo am f lu id an d fo am m u d in ve r sa t ile a ird r illin g sT h e low den sity 21 , d r illin g f lu id sy stem m ade up b y D F fo am agen t is adap ted to com p lex d r illin g co n d it io n ssu ch a s th e 2, . leak age o f d r illin g f lu id u n de r a low p re ssu reu n stab lity o f ho le w a ll an d sho r tage o f w a te rT h e app lied 21 , ach ievem en t s dem o st ra te th a t th e D F fo am agen t h a s goo d effec t s in th e geo th e rm a l d r illin gh yd ro lo g i2 , .ca lw e ll d r illin g an d th e en g in ee r in g o f co n t ro llin g geo lo g ic d isa ste r s Key word s: fo am agen t; fo am m u d; fo am d r illin g