朱文茜，鄭秀華

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083)

微泡鉆井液(CGA Drilling Fluids)最早是由美國(guó)MI鉆井液公司和Acti Systems公司共同研制的一種全新的、在近平衡鉆井中使用的鉆井液體系，這種由粒徑在10～100 μm的獨(dú)立剛性微泡組成的鉆井液體系，能夠建立起一個(gè)非侵入的、近平衡的環(huán)境，阻止或延緩鉆井液進(jìn)入地層[1-2]。國(guó)內(nèi)外鉆井現(xiàn)場(chǎng)的使用經(jīng)驗(yàn)表明微泡鉆井液既能解決嚴(yán)重漏失地層的堵漏問(wèn)題，也經(jīng)受住地層溫度、壓力、鹽膏層、泥頁(yè)巖水化等問(wèn)題的考驗(yàn)，滿足綠色安全的鉆井生產(chǎn)要求。據(jù)統(tǒng)計(jì)，至2007年，北美、南美已有約300口井使用微泡鉆井液體系順利施工，國(guó)內(nèi)如彩南油田、四川玉皇1井、中原油田文23氣田等使用微泡鉆井液體系成功解決了低壓低滲透儲(chǔ)層的嚴(yán)重漏失、儲(chǔ)層傷害、鉆速慢、鉆井難度大等問(wèn)題[1,3-4]。

泡沫是熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，這限制了在微泡鉆井液在高溫深井鉆探中的應(yīng)用，為滿足鉆探現(xiàn)場(chǎng)日益增長(zhǎng)的鉆井深度和儲(chǔ)層溫度的需求，近年來(lái)開(kāi)發(fā)抗溫微泡鉆井液體系成為研究的熱點(diǎn)。本文從微泡的結(jié)構(gòu)與尺寸、穩(wěn)定性、架橋封堵機(jī)理、流變性四個(gè)方面歸納介紹了該技術(shù)國(guó)內(nèi)外最新的理論研究進(jìn)展，以時(shí)間為線索綜述了該技術(shù)在鉆井現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用特性與效果，并展望了這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展。

1 微泡特性研究

1.1 微泡的結(jié)構(gòu)與尺寸

微泡具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和尺寸大小，在水基鉆井液中使用親水型表面活性劑制備，Sebba于1987年首次提出微泡是一種“一核三膜”的結(jié)構(gòu)，即微泡的中心是氣核，外部有兩層表面活性劑膜和一層粘性水膜[5-6]。2000年，Jaurgi等使用電子顯微鏡和X射線衍射來(lái)確定表面活性劑殼的厚度和存在于微泡結(jié)構(gòu)中的表面活性劑層的數(shù)量，進(jìn)一步支持了Sebba的假設(shè)[7]。2008 年，鄭力會(huì)等推測(cè)了“一核兩層三膜”的微泡微觀結(jié)構(gòu)，即認(rèn)為微泡由氣核、高黏水層、聚合物高分子和表面活性劑濃度過(guò)渡層、氣液表面張力降低膜、高黏水層固定膜、水溶性改善膜組成。2010年，鄭力會(huì)等利用醫(yī)學(xué)顯微鏡研究的室內(nèi)配制微泡鉆井液、現(xiàn)場(chǎng)用微泡鉆井液以及藥用微泡的微觀結(jié)構(gòu)研究新進(jìn)展，印證了“一核兩層三膜”推測(cè)基本正確[8]。

微泡的直徑在10～100 μm之間，實(shí)驗(yàn)室常用光學(xué)顯微鏡和分析軟件研究微泡的粒徑。圖1為典型的微泡粒徑分布圖像，微泡的平均直徑為 69.3 μm[9]。

圖1 微泡尺寸分布[9]Fig.1 Size distribution of aphrons

Kuru等的研究結(jié)果顯示，微泡的粒徑不受表面活性劑加量的影響，同時(shí)聲明該結(jié)果僅限于本實(shí)驗(yàn)所對(duì)比的兩種表面活性劑HTAB和DDBS[10]。2014年，Milad Arabloo等的研究得出了不同的結(jié)論[11]，即微泡的尺寸隨著聚合物濃度的增加而減小，隨著表面活性劑濃度的增加而增加，當(dāng)表面活性劑濃度達(dá)到一定值時(shí)，平均氣泡尺寸沒(méi)有顯著增加。此外，耿向飛等的研究表明，攪拌速度也會(huì)影響微泡粒徑的大?。寒?dāng)攪拌速率由4 000 r/min增至10 000 r/min時(shí)，微泡平均粒徑由142.82 μm降至71.87 μm，當(dāng)攪拌速率繼續(xù)增至11 000 r/min時(shí)平均粒徑基本不變[12]。這與Paula Jauregi等1997年提出的制備Aphron的臨界速度為5 000 r/min的結(jié)論一致[13]。而攪拌時(shí)間對(duì)平均粒徑幾乎無(wú)影響，但考慮到攪拌時(shí)間太短，可能會(huì)造成表面活性劑溶解不完全，而攪拌時(shí)間太長(zhǎng)則會(huì)使體系溫度升高，因此在制備微泡流體時(shí)通常以高于5 000 r/min的速度高速攪拌2 min。

1.2 微泡的穩(wěn)定性

普通泡沫大都成六邊形，氣泡膜之間存在Plateau邊界，而微泡體系中泡沫成大小不等的圓球體，以單個(gè)懸浮方式存在于體系中，氣泡膜之間連接處不存在Plateau邊界，因此壓差排液和氣泡合并這兩種普通泡沫的破裂方式對(duì)于微泡沫而言并不顯著。導(dǎo)致其破壞的主要原因是重力排液，即液體因自身重力下降使液膜變薄，當(dāng)液膜變薄至一定程度時(shí)，泡沫破裂[9,12]。微泡的穩(wěn)定性取決于封裝殼的厚度和粘度。如果殼的厚度小于4 μm或大于10 μm，則微泡不穩(wěn)定。同時(shí)為了減弱“Marangoni效應(yīng)”的影響，殼必須具有一定的粘度，避免水從殼轉(zhuǎn)移到基液中，破壞微泡單體的穩(wěn)定性[14]。

微泡在高溫高壓環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定存在對(duì)微泡鉆井液在現(xiàn)場(chǎng)成功應(yīng)用有重要意義。研究表明，微泡Aphrons能承受至少4 000 psi(約27.6 MPa)的壓力，比常規(guī)氣泡可以承受的最高壓力高出10倍[15]。Mohsen Pasdar等使用高壓顯微鏡，以可視化的方法觀察到微泡在2 000 psi的環(huán)境下穩(wěn)定存在。Zhu等[16]對(duì)120 ℃老化16 h的微泡鉆井液進(jìn)行顯微觀測(cè)，結(jié)果表明在所觀測(cè)的60 min內(nèi)，微泡始終穩(wěn)定地存在，以上均證明了微泡的高穩(wěn)定性能。

1.3 微泡的封堵與架橋機(jī)理

研究表明，微泡鉆井液具有獨(dú)特的架橋堵漏機(jī)制控制鉆井流體對(duì)地層的侵入，達(dá)到保護(hù)儲(chǔ)層的作用。微泡鉆井液在井內(nèi)循環(huán)時(shí)，微泡在壓差作用下進(jìn)入低壓孔隙或裂縫，微泡在損失區(qū)的移動(dòng)速度高于基漿流體，并集中在流體前沿，此時(shí)微泡能夠起到架橋粒子及變形填充粒子的作用，隨著微泡和徑向流動(dòng)的進(jìn)行，流體速度降低，微泡在低剪切速率下粘度迅速上升，加劇了泡沫的吸附聚集,使堵漏效果增強(qiáng)，直到某一臨界值，流體基本停止。由這種現(xiàn)象產(chǎn)生的微環(huán)境形成一種無(wú)固相的橋，稱之為漏失層的架橋作用，有效阻止或減緩了流體通過(guò)滲透介質(zhì)的速度，減小了鉆井液對(duì)地層的損害[15,17-19]。

2011年，N Bjorndalen等[20]采用蝕刻玻璃板模型模擬微泡流體在多孔介質(zhì)中的流動(dòng)與封堵，實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖像和壓降的明顯增加都證明了微泡流體在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)能夠?qū)Χ嗫捉橘|(zhì)實(shí)現(xiàn)封堵，且該過(guò)程是可逆的，在后期進(jìn)行開(kāi)采時(shí)，微泡流體可成功被水所驅(qū)除，從而降低了與刺激過(guò)程相關(guān)的成本。2014年，H N Bjorndalen等[21]采用向沙包中注入微泡流體和飽和流體的實(shí)驗(yàn)，以注入微泡流體前后的壓降表明微泡的封堵性能，研究了地層流體類型、地層滲透性、潤(rùn)濕性等因素對(duì)微泡鉆井液封堵性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明微泡流體的存在能夠產(chǎn)生更多的壓降，進(jìn)一步證實(shí)了微泡堆積能夠?qū)Φ貙訉?shí)施有效的封堵。

1.4 微泡鉆井液流變性

微泡鉆井液具有極高的低剪切粘度(LSRV=Low Shear Rate Viscosity)，有利于攜帶巖屑，清潔井筒。Ivan等[22]使用布氏粘度計(jì)觀察到3 s-1剪切速率下微泡鉆井液的粘度高達(dá)1.5×105cP，并認(rèn)為這是常規(guī)微泡鉆井液體系能夠達(dá)到的一個(gè)數(shù)值，并不罕見(jiàn)。Khamehchi Ehsan等[23]的研究中在低剪切速率下微泡鉆井液的粘度亦可達(dá)3×105cP。

微泡鉆井液是典型的非牛頓流變，冪律模型與赫-巴流變模型能夠準(zhǔn)確地描述其流變模式。2005年，詹美萍等[24]在關(guān)于微泡鉆井液的流變性研究中指出：冪律模式與赫-巴流變模式能較真實(shí)地反映泡沫的流動(dòng)特性。實(shí)際中究竟采用哪種流變模式描述微泡鉆井液的流變規(guī)律,取決于微泡鉆井液體系及其內(nèi)部組分的相對(duì)含量。2007年，王洪軍等[25]研究了高溫高壓(60 ℃/20 MPa、100 ℃/30 MPa、120 ℃/36 MPa)下微泡流體的流變性，得出類似的結(jié)論，冪律模式及赫-巴流變模式均能較真實(shí)地反映泡沫的流動(dòng)特性，冪律模式簡(jiǎn)單、使用方便，擬合效果與赫-巴模式相當(dāng)。2016年，KHAMEHCHI Ehsan等[23]分別測(cè)試了微泡鉆井液在49 ℃(API 流變性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)溫度)、71 ℃(環(huán)空中流動(dòng)的鉆井液溫度)、93 ℃(油田常用的低溫常壓黏度計(jì)進(jìn)行流變性測(cè)試的最大許可溫度，也是避免聚合物降解的最大許可溫度)的流變參數(shù)并進(jìn)行擬合。再一次證明了Herschel-Bulkley模型是適合描述微泡形成前后鉆井液流變性的流變模型，結(jié)果顯示：隨著溫度的升高，流動(dòng)特性指數(shù)n值降低，稠度系數(shù)K增大，屈服應(yīng)力降低。值得注意的是，在Amir Hossein和Zhu等[16,26]的研究中，赫-巴流變模式在擬合疏水性納米粒子和凹凸棒土基微泡鉆井液時(shí)出現(xiàn)了負(fù)的動(dòng)切力參數(shù)，違背了赫-巴模型的先決條件，因此在選擇流變模型時(shí)需要綜合對(duì)比冪律模型和赫-巴模型的擬合優(yōu)度及參數(shù)值。

2 抗溫微泡鉆井液體系的優(yōu)化與應(yīng)用進(jìn)展

文中第一部分關(guān)于微泡鉆井液體系的性能研究從理論上證明了微泡鉆井液優(yōu)異的穩(wěn)定性、流變性、攜巖帶砂能力和防漏、堵漏效果，而在實(shí)際鉆井現(xiàn)場(chǎng)微泡鉆井液也已經(jīng)有了較大的發(fā)展，通常人們認(rèn)為泡沫流體的耐溫性較差，高溫環(huán)境下泡沫不穩(wěn)定易破滅，然而近期的研究結(jié)果顯示，隨著微泡鉆井液體系的開(kāi)發(fā)，其耐溫性已有了大大的提高，且在現(xiàn)場(chǎng)中也有諸多應(yīng)用的實(shí)例。

微泡鉆井液最早使用是在美國(guó)得克薩斯西部的Fusselman 油田[27-28]。在側(cè)鉆一口水平井時(shí)，在造斜段發(fā)生了漏失，正在用一種黃原膠體系進(jìn)行造斜段的鉆進(jìn)工作。隨著鉆頭接近井底，產(chǎn)生了微泡。微泡從鉆頭噴出后，泵壓馬上開(kāi)始增加，這表明該鉆井液并沒(méi)有漏入裂縫，鉆進(jìn)逐步恢復(fù)，在該井的全部剩余部分，鉆井均順利進(jìn)行，無(wú)任何損失。之后在得克薩斯北部有兩口井鉆入了一條白云巖的礦脈地帶,由于該地帶地下裂口大，而且鉆井液循環(huán)損失嚴(yán)重，在使用微泡體系之后，這兩口井都以無(wú)任何損失的方式鉆進(jìn)成功。除得克薩斯油田以外，國(guó)外微泡鉆井液成功應(yīng)用于鉆井現(xiàn)場(chǎng)的案例還有很多[15,29]，如伊朗TBK氣田嚴(yán)重漏失和嚴(yán)重坍塌地層、2001年委內(nèi)瑞拉西北部老油田、2002年北海荷蘭區(qū)塊、2003年墨西哥Poza Rica油田、2008年加拿大亞伯達(dá)等等，至2007年，北美、南美已有約300口井使用微泡鉆井液體系順利施工。

國(guó)內(nèi)，早在1996年，宮新軍等[30]為解決了鉆進(jìn)古潛山構(gòu)造地層時(shí)常出現(xiàn)的嚴(yán)重井漏問(wèn)題，將鉆井液密度控制在1.0 g/cm3以下，以起泡膠體基漿配合MMH正電膠研制出“可循環(huán)泡沫鉆井液”，并在勝利油田草古102-斜3井、孤南7-61井等五口井現(xiàn)場(chǎng)成功使用。此時(shí)人們對(duì)微泡鉆井液的認(rèn)識(shí)還不足，在現(xiàn)場(chǎng)中稱為泡沫、微泡沫、可循環(huán)微泡沫等，2001年，徐同臺(tái)等才將中國(guó)的可循環(huán)微泡沫體系同國(guó)外的“Aphrons”視為同一種鉆井液體系，并統(tǒng)稱為“微泡鉆井液”，隨后，微泡鉆井液體系隨著鉆探需求演變出適應(yīng)不同鉆探條件的配方，其耐溫性、穩(wěn)定性、抗污染能力得到極大改善。

2001年，羅健生等[31]提出在海上油田鉆井中使用微泡鉆井液，使用海水配制了黏土相微泡鉆井液，同時(shí)還提出了在微泡鉆井液中加入正電膠(MMH)或聚陰離子纖維素(PAC-HV)，得到另外兩種淡水微泡鉆井液配方。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在80 ℃下熱滾16 h后，或加入20%煤油進(jìn)行污染處理，鉆井液常規(guī)性能均十分穩(wěn)定，密度稍有增加，濾失量控制在5 mL內(nèi)。

2004年，張毅等[3]制備的含固、液、氣三相的微泡鉆井液在80 ℃和5%NaCl污染下性能穩(wěn)定，成功解決了彩南油田多口井的嚴(yán)重漏失問(wèn)題。張振華[32]合成了發(fā)泡劑MF-1,發(fā)泡量大于500 mL，半衰期大于60 min，該發(fā)泡劑抗溫150 ℃，抗鈣5 g/L， 抗鹽大于10%，抗油能力大于15%。將其應(yīng)用于微泡鉆井液中，得到最優(yōu)體系配方，該配方在120 ℃條件下熱滾24 h后，微泡沫鉆井液的密度0.65 g/cm3，濾失量為9.6 mL，高溫處理后微泡鉆井液的性能也能達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)要求。在120 ℃條件下進(jìn)行動(dòng)態(tài)巖心污染實(shí)驗(yàn)，恢復(fù)率也能達(dá)到80%以上。

2005年，吉永忠等[4]為解決川東北地區(qū)鉆井工程中鉆遇長(zhǎng)段低壓漏失帶或破碎性地層而引起的嚴(yán)重井漏問(wèn)題，使用羧甲基纖維素和HYF(發(fā)泡劑)制備了密度控制范圍0.75～0.96 g/cm3微泡鉆井液，有效解決了該地區(qū)井漏，同時(shí)微泡鉆井液良好的攜巖性解決了大尺寸井眼的攜砂問(wèn)題，與鄰區(qū)同類井相比，鉆井速度提高了3～7倍，縮短鉆井時(shí)間29.5 d，鉆機(jī)作業(yè)費(fèi)按4萬(wàn)元/d計(jì)，則取得的直接經(jīng)濟(jì)效益100萬(wàn)元以上。

2010年，王桂全等[33]從5種發(fā)泡劑中優(yōu)選出DF-1制備了密度為0.82～0.94 g/cm3微泡鉆井液，在吉林油田海 39 井三開(kāi)井段(1 430～2 239 m)應(yīng)用,現(xiàn)場(chǎng)施工表明，微泡沫鉆井液能夠滿足易塌地層(姚家組)的鉆井施工要求，與常規(guī)水基鉆井液對(duì)比，微泡沫鉆井液能夠明顯提高機(jī)械鉆速及測(cè)井的一次成功率，機(jī)械鉆速由8.3 m/h提高至13.4 m/h。

2012年，辛寅昌等[34]使用DM5512、甜菜堿、烷基糖苷復(fù)配了起泡劑 QR-1，將3種添加劑HPMC、SMP-2、SP-8復(fù)配了穩(wěn)定劑WD-1，使用QR-1、WD-1、粘土制得微泡鉆井液，具有很好的耐鹽性，在礦化度為 10×104mg/L的基液中還能保持很好的性能，在130 ℃以內(nèi)具有良好的起泡能力和穩(wěn)定性，泡沫半衰期可達(dá)219 min。

2014年，謝建宇等[35]以膨潤(rùn)土、Foam-1、黃原膠為主要材料開(kāi)發(fā)的耐高溫微泡鉆井液，在50,80,120,135 ℃老化16 h后，其粘度、切力、密度均無(wú)較大變化。楊鵬等[36]針對(duì)頁(yè)巖氣成藏特點(diǎn)及鉆井過(guò)程中可能出現(xiàn)的井漏、頁(yè)巖水化膨脹導(dǎo)致井壁垮塌等問(wèn)題，開(kāi)展了油基可循環(huán)微泡沫鉆井液技術(shù)研究。對(duì)制備的油基可循環(huán)微泡沫鉆井液進(jìn)行抗污染評(píng)價(jià)，研究結(jié)果顯示，該體系抗水侵15%，抗鈣侵10%，濾失量小于3 mL，頁(yè)巖回收率90%以上，在150 ℃、6 MPa壓差下，鉆井液無(wú)漏失，承壓能力較強(qiáng)，能夠有效封堵漏失地層，極壓潤(rùn)滑系數(shù)為0.046，具有良好的潤(rùn)滑性，該體系不僅可滿足頁(yè)巖氣井鉆井的需求，而且還可應(yīng)用于低壓低滲透儲(chǔ)層和低壓鹽膏層鉆井。肖昌等[37]優(yōu)選出了降低水鎖損害的表面活性劑 KZ，改以ABS 和SDS 的復(fù)配物作發(fā)泡劑，使用HV-CMC和PAC-141作穩(wěn)泡劑制備微泡鉆井液，優(yōu)化后的微泡沫鉆井液流變性能好，濾失量低，抑制性強(qiáng)。在海拉爾-塔木察格盆地塔南區(qū)塊6口易漏易塌井中應(yīng)用，平均井徑擴(kuò)大率降低了6.17%，平均機(jī)械鉆速提高了15.5%，且具有良好的儲(chǔ)層保護(hù)效果。

2015年，宋霏[17]以AOS+OB-2復(fù)配發(fā)泡劑、PAC+XC復(fù)配穩(wěn)泡劑所研制的無(wú)黏土相微泡鉆井液配方，在120 ℃顯示了良好的耐溫性。同時(shí)對(duì)該微泡鉆井液進(jìn)行抗污染評(píng)價(jià)，當(dāng)NaCl的侵入量在0～6.0%時(shí)，體系的密度以及流變性基本沒(méi)有變化，微氣泡的大小以及尺寸分布基本不變，說(shuō)明微氣泡鉆井液體系表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗無(wú)機(jī)鹽污染的能力，同時(shí)指出這與發(fā)泡劑AOS的主要成分有關(guān)，AOS是鏈烯基磺酸鹽和羥基基鏈烷磺酸鹽，分子中存在雙鍵或羥基，它們與磺酸基一起對(duì)金屬離子有螯合作用，表現(xiàn)出很好的抗鹽能力。用煤油(C5～C16)考察了微泡沫鉆井液體系抗油污染的能力，結(jié)果顯示該微泡鉆井液抗油能力能夠達(dá)到9%。

2016年，王曉軍[38]利用合成的發(fā)泡劑LF-2與穩(wěn)泡劑HMC-1配制了密度在0.85～0.95 g/cm3可調(diào)的抗溫抗鹽無(wú)固相微泡沫鉆井液，室內(nèi)研究表明：該鉆井液的巖屑回收率和巖心滲透率恢復(fù)率達(dá)88.7%和88.87%，在40/80目砂石構(gòu)成的漏失層中30 min漏失量?jī)H為1.8 mL，具有較強(qiáng)的封堵能力。在150 ℃熱滾后流變性能變化不大，濾失量始終在7.4 mL以內(nèi)，重新攪拌后，泡沫穩(wěn)定時(shí)間大于48 h，具有高溫穩(wěn)定性。無(wú)固相微泡沫鉆井液在茨采、沈采和冷家油田21口井的欠平衡鉆井中進(jìn)行了應(yīng)用，鉆進(jìn)井段為2 785～4 005 m，井底最高溫度達(dá)141.5 ℃。應(yīng)用結(jié)果表明，與鄰井相比，同層段機(jī)械鉆速提高70%，油氣顯示活躍，多次點(diǎn)火成功，火焰高達(dá)6 m，表明無(wú)固相微泡鉆井液有利于提高勘探開(kāi)發(fā)成功率，儲(chǔ)層保護(hù)效果明顯。

2017年，郭金愛(ài)等[39]研制出黏彈性表面活性劑VES-1，使用該發(fā)泡劑制備的微泡鉆井液具有良好的性能：在0.01 r/min 低剪切速率下黏度可達(dá)100 000 mPa·s，120 ℃老化16 h及5%鹽水處理，對(duì)微泡鉆井液的密度、粘度、切力均無(wú)較大影響。2018年，該體系成功應(yīng)用于低壓低滲枯竭型砂巖氣藏——文23氣田三開(kāi)井段(2 835.0～3 105.0 m)的鉆進(jìn)[1]。羅淮東等[9]自主合成了耐溫150 ℃的發(fā)泡劑GWFOM-LS，用XG和LV-PAC作穩(wěn)泡劑制備了密度為0.73 g/cm3微泡鉆井液，該鉆井液顯示了良好的抗壓性和抗污染性，在21 MPa 時(shí)，仍可保持密度在 0.82～0.84 g/cm3之間，抗鹽10%，抗鈣0.5%。微泡鉆井液成功應(yīng)用于裂縫發(fā)育豐富的Bongor盆地乍得潛山層三開(kāi)油井(1 341～1 510 m) 鉆探，解決了乍得潛山層嚴(yán)重井漏的問(wèn)題，濾失量小于5 mL，在鉆進(jìn)過(guò)程中，微泡鉆井液性能穩(wěn)定，攜巖能力強(qiáng)，在潛山段鉆進(jìn)、起下鉆正常，無(wú)起下鉆阻卡現(xiàn)象。

2018年，姚金星等[40]從優(yōu)化泡沫分子構(gòu)成的思路出發(fā)，向AOS和瓜膠微泡鉆井液中加入0.12%～0.18%納米SiO2顆粒，得到聚合物納米組裝微泡沫鉆井液體系，該鉆井液在160 ℃老化，及加入4%～8%KCl 溶液或 0.4%～0.8%CaCl2溶液后，仍具有良好的發(fā)泡能力和泡沫形態(tài)，進(jìn)一步提高了微泡的高溫穩(wěn)定性。張海忠等[41]使用發(fā)泡劑TSB和穩(wěn)泡劑PAC制備微泡鉆井液，在克孜沃爾達(dá)市中科氣田>2 055 m井段應(yīng)用，結(jié)果顯示，該鉆井液密度低、懸浮攜帶能力強(qiáng)；井壁穩(wěn)定，起下鉆無(wú)劃眼、遇阻現(xiàn)象，電測(cè)、下套管順利；抑制性良好，抗污染能力強(qiáng)，鉆遇大段泥巖、膏巖、膏質(zhì)泥巖層(鹽含量最高達(dá)15%以上)，鉆井液性能無(wú)大波動(dòng)，無(wú)明顯膨脹現(xiàn)象。張曉東等[42]自主研發(fā)了流型調(diào)節(jié)劑BZ-LXJ和發(fā)泡劑MFN-1形成了密度在0.85～1.00 g/cm3可控的弱凝膠微泡鉆井液配方，該鉆井液在委內(nèi)瑞拉東南部的奧里諾科重油帶AYACUCHO區(qū)塊長(zhǎng)水平井MFM-62三開(kāi)井段(853～2 086 m)使用，施工過(guò)程順利，無(wú)明顯的起下鉆遇阻、黏卡等現(xiàn)象，鉆進(jìn)周期僅為鄰井(使用常規(guī)混油聚合物鉆井液)的1/3，完井后試油，測(cè)試產(chǎn)量高出鄰井平均產(chǎn)油量20～30 twd-1。

2019年，王亮[43]合成了表面活性劑QF-1和QF-2，并優(yōu)選了70%XG和30% PAC-LV作穩(wěn)泡劑制得微泡鉆井液，該鉆井液的密度在 0.90～1.04 g/cm3， 滾動(dòng)回收率為 93.26%，抗鹽3%和抗劣土20%。在大慶油田“低壓、低滲、低豐度”油藏區(qū)塊多口井中應(yīng)用，以其中一口水平采油井F172-平1井為例，在該井三開(kāi)水平段1 200～1 970 m (垂深1 020～1 120 m)鉆井過(guò)程中全井無(wú)復(fù)雜事故發(fā)生，微泡鉆井液的API濾失量在3 mL 以內(nèi)，機(jī)械鉆速比鄰井提高114%。張磊等[44]使用復(fù)合發(fā)泡劑FP-123制備了密度在0.3～1 g/cm3， 在150 ℃以內(nèi)可穩(wěn)定發(fā)泡，在造裂縫較為發(fā)育的吉蘭泰潛山 JHZK2(720～1 176 m)和JHZK4(1 000～1 372 m) 井二開(kāi)潛山目的層段設(shè)計(jì)采用了可循環(huán)微泡沫鉆井液體系，整個(gè)鉆井期間井壁穩(wěn)定，均未發(fā)生井漏現(xiàn)象，測(cè)得表皮系數(shù)為 1.489，遠(yuǎn)低于其他井段的12.94，說(shuō)明地層幾乎無(wú)污染，與采用常規(guī)低固相鉆井液鉆進(jìn)的鄰井相比，采用微泡鉆井液后機(jī)械鉆速平均提高了15%～50%。

2020年，李志勇等[45]根據(jù)煤層表面負(fù)點(diǎn)性特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種易于在煤層表面脫附的陰離子雙子型表面活性劑ULT-1，與市售常用陰離子型表面活性劑 SDS、ABS和SAS相比，易發(fā)泡，半衰期是常規(guī)起泡劑的3倍以上，能夠滿足鉆井工程需要。ULT-1與甜菜堿、生物聚合物、瓜膠、褐煤樹(shù)脂、銨鹽和聚丙烯酸鉀配得微泡沫鉆井液體系，評(píng)價(jià)了該體系對(duì)恩洪區(qū)塊宣威組煤芯污染前后的封堵效果和滲透率恢復(fù)率，結(jié)果顯示，該鉆井液的巖屑回收率保持在92%以上，有助于抑制地層分散，鉆井液對(duì)巖芯的封堵率和返排后的滲透率恢復(fù)值都保持在90%以上，具有良好的儲(chǔ)層保護(hù)效果。

綜合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果，微泡鉆井液有以下顯著優(yōu)勢(shì)：①與常規(guī)欠平衡鉆井技術(shù)相比，微泡鉆井液現(xiàn)場(chǎng)配制維護(hù)工藝簡(jiǎn)單，通過(guò)鉆頭噴嘴處的高速剪切可產(chǎn)生微泡，無(wú)需添加空壓機(jī)等注氣設(shè)備，降低設(shè)備預(yù)算；②有效解決鉆遇長(zhǎng)段低壓漏失帶或裂隙發(fā)育、破碎性地層而引起的嚴(yán)重井漏問(wèn)題；③儲(chǔ)層保護(hù)效果明顯，有利于提高勘探開(kāi)發(fā)成功率，降低生產(chǎn)成本；④與使用常規(guī)水基鉆井液相比，懸浮攜帶能力強(qiáng)，井徑擴(kuò)大率降低；⑤施工過(guò)程中井壁穩(wěn)定，起下鉆無(wú)劃眼、遇阻現(xiàn)象，電測(cè)、下套管順利，無(wú)卡鉆、黏卡現(xiàn)象；⑥機(jī)械鉆速提高，縮短鉆井周期，顯著降低鉆探成本。

隨著鉆遇地層的變化，不斷優(yōu)化微泡鉆井液的配方，得到了密度可控的抗溫、抗污染(鈣/鹽/油污染)微泡鉆井液體系，耐溫性由最初的80 ℃提高至160 ℃，廣泛應(yīng)用于油氣田及煤層氣勘探與開(kāi)發(fā)，應(yīng)用井深可至4 005 m，顯示出巨大的開(kāi)發(fā)潛力與應(yīng)用前景。

3 結(jié)論與展望

綜合目前國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展，我們對(duì)微泡的特性有了以下認(rèn)知：

(1)微泡鉆井液體系通過(guò)高速攪拌表面活性劑與增粘劑，生成粒徑10～100 μm的獨(dú)立剛性微泡，微泡已被證實(shí)具有獨(dú)特的“一核三膜”結(jié)構(gòu)，且膜具有一定厚度和粘度，這使得微泡能夠在高溫/高壓環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間存活。然而目前仍缺少溫度壓力聯(lián)合作用下，微泡的微觀特性與穩(wěn)定性研究。

(2)徑向過(guò)濾實(shí)驗(yàn)表明這種高穩(wěn)定性泡沫在井內(nèi)壓差作用下可進(jìn)入低壓孔隙/裂縫，并匯聚在流體前沿，起到架橋粒子及變形填充粒子的作用，微泡的架橋封堵機(jī)制有效阻止或減緩了流體侵入。因此，微泡鉆井液技術(shù)已經(jīng)成為控制嚴(yán)重井漏和降低儲(chǔ)層傷害的重要方法。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用效果，總的來(lái)講，微泡鉆井液體系在鉆井施工過(guò)程中性能穩(wěn)定，有效解決嚴(yán)重井漏難題，具有優(yōu)異的抗污染能力和抑制防塌性能，鉆進(jìn)速度快，儲(chǔ)層保護(hù)效果明顯，有效降低了鉆探成本及采油的成本。

鑒于泡沫流體的熱力學(xué)不穩(wěn)定性及鉆井現(xiàn)場(chǎng)需求，開(kāi)發(fā)抗溫微泡鉆井液成為研究熱點(diǎn)，綜合歷年來(lái)微泡鉆井液配方優(yōu)化與應(yīng)用情況可以看出，微泡鉆井液體系的研究溫度與應(yīng)用井深逐漸提高，2016年之前提高鉆井液性能的主要手段是篩選復(fù)配市售發(fā)泡劑/穩(wěn)泡劑，2016年之后，研究方向轉(zhuǎn)變?yōu)樽灾骱铣商幚韯┘耙胄滦图{米材料，進(jìn)一步提高微泡的穩(wěn)定性與抗溫性。目前微泡鉆井液的最高應(yīng)用井深為4 005 m，其耐溫性研究少有超出160 ℃，隨著油氣、地?zé)徙@探向深井、高溫井轉(zhuǎn)變，更耐高溫的微泡鉆井液體系仍需要突破。筆者認(rèn)為，對(duì)常規(guī)表面活性劑與增粘劑的優(yōu)選與復(fù)配已不能完全滿足現(xiàn)場(chǎng)鉆井需求，研發(fā)制備新型綠色環(huán)保、可降解的耐高溫表面活性劑與穩(wěn)定增粘劑，或是進(jìn)一步提高微泡鉆井液體系耐溫性的關(guān)鍵。