泡沫钻井.doc

泡沫钻井泡沫是一种分散的均匀流体，但它具有自己独特的结构特点。认识这种流体的特性，如：粘度、静悬浮能力、动切力等，对我们了解泡沫在井内的流通规律，然后建立正确合理的泡沫钻井模型是十分必要的。一、泡沫流体的有关术语1、 泡沫质量在一定的温度和压力下，泡沫流体中的气体体积与泡沫体积之比即定义为泡沫质量（又称泡沫干度）式中：FQ泡沫质量；Vg气体体积；Vm泡沫体积；Vl液体体积。2、 泡沫的稳定性泡沫的稳定性是泡沫组成部分（单个气泡、簿膜）或一定体积泡沫存在的时间，即指生成泡沫的持久性，也即泡沫寿命的长短。3、 溶液的起泡能力溶液的起泡能力即起泡数量，系指一定的时间内，遵守一定的条件下，一定量的溶液体积所形成的泡沫体积。4、 泡沫膨胀系数泡沫体积与产生泡沫的液体体积的比值。5、 泡沫的分散度指泡沫单位体积内气泡的平均大小及不同大小泡沫的分布规律，或用气液界面大小来确定。6、 泡沫的半衰期泡沫的半衰期是指泡沫析出一半液体所需要的时间，半衰期是衡量泡沫稳定性的一个重要指标。二、泡沫流体的特性研究1、 泡沫的流变性1.1 泡沫的流变性研究回顾泡沫的流变性研究是于1934年由西布里（Sibree）开创的。随后由雷查（Raza）和米切尔(Mitchell)以及贝劳尔（Blauer）、温得福（Wendreff），和罗斯（Ross） 等人加以发展和 完善。不同的研究者都提出了不同模式来说明泡沫的流变特性。1.1.1 雷泽 等人在玻璃管里对结构优良的泡沫流动进行了试验，结论是：当泡沫质量在7096范围内，认为泡沫具有假塑性流动性质，他们在半径0.010.06英寸的毛细管中进行试验，发现了泡沫的视粘度随着泡沫质量的增加而增加，剪切速率范围从102105秒-1 ，粘度范围在15255厘帕(1510-322510-3Pa.s)。但他们的试验没有考虑到泡沫流体在管壁上的滑动及泡沫的可压缩性。1.1.2 戴维(David)等人考虑了泡沫在毛细管内流动的滑动和可压缩性，并推导出了一些方程式。他们得出的结论是：当泡沫质量 参数范围在8096时，剪切速率从 10-17105秒-1 ，管子直径范围为0.0150.030英寸。他们从试验中推断出在这一质量范围泡沫的流动具有假塑性流体的性质，而静止的泡沫具有适度的静切力，静切力的大小随着泡沫质量的增加而增加。3、 米切尔和贝劳尔等人在他们的理论基础上加已发展和完善，提出以下研究成果：l 在高速剪切速率下的泡沫粘度只与质量有关。l 对于一定的剪切速率来说，泡沫的粘度是随着泡沫质量的增加而增加的。l 泡沫质量低于54时，泡沫具有牛顿流体的特性，此时泡沫的流变性类似于他们的液相，泡沫质量大于96时，泡沫将转成雾。l 对不同的流动管径和不同的泡沫质量而言，在临界剪切速率（临界剪切速率取决于泡沫质量和管径等参数）下，此时剪切应力和剪切速度的关系的斜率等于1，并处于宾汉层流状态，即呈现出宾汉塑性流体的行为特征，突出地表现为在泡沫静止时具有一定的屈服值，差屈服值会阻止泡沫从管线和容器中流出，一旦超出宾汉屈服值，它的层流压降将是流速的一个线形函数。当泡沫质量范围在5495% 时，其屈服值在02磅 /英尺2范围内变化。数值见表。泡沫的屈服值序号泡沫质量(%)塑性粘度(厘帕)10-3Pa.s屈服值(磅/英尺2)1654.00.152704.60.253755.40.404806.450.605858.10.8269011.41.0379520.72.00在临界剪切速度以上时，剪切力和剪切速率关系的斜率值在1.862.01之间，可近似地认为2，此时泡沫处于紊流状态。当高于临界速率时对所有的剪切速率来说，视粘度是恒定的。4 温得福等人认为在低剪切速率条件下，即90420秒-1范围内时，泡沫具有假塑性流体特征，在高剪切速率下具有宾汉流体的特征。5 桑格哈尼(Sanghani)和艾科卡(Ikoku)用接近模拟实际井眼条件下的同轴环状粘度计进行泡沫流变性研究。泡沫是靠同时向管内注入空气、发泡剂和水溶液，并使它们通过泡沫发生器而产生的。泡沫产生后从一直径为1.5英寸的内管注入，经4英寸的外管返出。在此条件下，他们得出了泡沫质量参数和剪切速率的变化范围分别为6598%和1001000秒-1。计算得到的有效粘度范围为60500厘帕。6 我国华东化工学院流体流变性研究室和北京石油勘探开发研究院也层对泡沫的流变性进行过研究，他们的结论和桑格哈尼和艾科卡的结论相似。综上所述，目前得到较多人所供认的论点如下：1、 流体在泡沫质量低于54时，泡沫流体具有牛顿流体的流体特征。2、 在剪切速率低于1000秒-1时，流动的泡沫流体没有屈服值，可看着是假塑性流体，也可用宾汉流体模式表示，但不如假塑性流体与试验数据相符。尤其是在剪切速率90420秒-1范围内时，用假塑性流体模式更合适。3、 在剪切速率大于103秒-1，而低于临界流速时，此时的泡沫流体为宾汉塑性层流流态，具有宾汉塑性流体的行为特征，突出表现为有较小的屈服值，高于临界流速时，泡沫处于紊流状态。4、 与宾汉模式相比，假塑性模式预测的压力剃度较高，而宾汉模式预测的井口压力较低，因此用假塑性模式较为安全。速率粘度质量1002003004005006007008009001000有效粘度(厘帕)0.99852.428.119.515.112.310.59.18.17.36.60.970289.4181.4138.1113.797.886.578.071.265.861.30.950341.7208.9156.5127.7109.095.885.878.171.866.60.920530.7302.1217.3172.0143.4123.7109.197.989.081.60.900492.9283.1204.7162.6136.0117.5103.993.485.078.10.850437.7253.2183.8146.4122.8106.394.184.777.271.00.800349.4209.2155.0125.3106.292.882.875.068.763.60.750307.6189.3142.6116.699.787.878.871.786.161.40.700292.7180.2135.6110.994.983.575.068.362.158.40.670284.1173.7130.3106.290.679.671.465.060.055.4剪切速率秒-1；有效粘度厘帕10-3Pa.s；泡沫质量(FQ) 小数。二、泡沫流变性的影响因素泡沫流体属于一种非常复杂的非牛顿流体，它们的流动特性受许多可变因素的影响和控制，影响流变性的主要因素如下：1、 内相气体的性质和粘度；2、 外相液体的性质和粘度；3、 气相与液相的相对体积（即泡沫质量）；4、 表面活性剂的类型、浓度和泡沫界面薄膜性质；5、 电力特性；6、 剪切速率；7、 温度、压力等参数。A、 泡沫质量泡沫的温度性及其流变性均与泡沫质量关系非常密切。稳定泡沫的最低质量范围是5570%，取决与表面活性剂的性质和浓度。1、 泡沫质量在054%时，气体是以球形气泡分散于液体中，此时气泡之间布发生接触，在此范围内，泡沫呈现出一种牛顿液体的流动特征。2、 当泡沫质量在5474%的范围内时，稳定的泡沫为球形并逐渐被聚结成为多边形，气泡开始发生干扰和冲突，粘度和屈服值都显示适度的增加。3、 当泡沫质量在7496之间时，稳定的泡沫由于泡沫互相接触不再以球形状态成在，而最终由十二面体变为平等六面体，此时的流动特征类似于宾汉假塑性流体，其塑性粘度和屈服值迅速增加。4、 当泡沫质量达到96以上时，此时，薄的液膜不足已包容较大的气体体积，因此泡沫中的气泡对固定的泡沫质量参数，有效粘度随着剪切速率的增加而降低。剪切速率低于500秒-1以下，有效粘度随泡沫质量的增加而增加，在极低剪切速率下增加明显。泡沫质量参数在6598之间时流态指数n从0.1870.326，这一事实意味着直到至少雷诺数为3000时，都会出现层流，而通常钻井，修井和洗井等作业常用的剪切速率一般在5001000秒-1范围，也就是说许多修井、洗井作业都可以在层流范围内进行。试验得到的有关泡沫质量与流变参数的关系如图所示。综上所述，泡沫流体的流变性，在不同的泡沫质量参数和剪切速率条件下是有所不同的，因而不能孤立对待。表：不同质量参数的流动性质质量参数K磅力.秒n/英尺2K磅力.秒n-2/英尺2nFQ范围FQ平均值0.960.9770.970.09462.5660.3260.940.960.950.12283.3230.2900.910.920.9150.22626.1550.1870.890.910.900.20795.6470.2000.840.860.850.18284.9580.2140.790.810.800.13443.6350.2620.770.780.7750.12363.3430.2730.740.760.750.10782.9180.2950.720.730.7150.10612.87160.2930.69 0.710.700.10262.7770.2950.650.690.670.10222.7660.290FQ泡沫质量；K广义流体稠度系数（磅力.秒n/英尺2）；K磅力.秒n-2/英尺2；n广义流体流态指数（无因次）。B 剪切速率对泡沫流变性的影响 泡沫是一种与剪切过程有关的流体，剪切速率一定时，气泡的大小和气泡的分布将处于一种稳定的状态，但这种稳定状态的维持取决于剪切作用的时间，在低剪切速率下，泡沫具有幂律假塑性流体的特性；而在高速剪切率下，泡沫 表现为宾汉假塑性流体。 泡沫的表观粘度比其任何一组分的表观粘度都高，而且随着剪切速率的增加而增加，当剪切速率超过某一临界值后，其表观粘度几乎维持不变。剪切速率一定时，泡沫粘度随着泡沫质量的增加而增加，泡沫质量低时，粘度大小取决于泡沫质量和剪切速率；剪切速率高时，泡沫粘度只与泡沫质量有关，此时产生的泡沫结构更细。泡沫在井下除流动外，在管壁处还存在滑动现象，随着剪切速率的提高，这种滑动更为明显。C 温度、压力对泡沫流变性的影响 由于泡沫的可压缩性，温度和压力对泡沫的流变性有很大的影响。 通过对N2泡沫、CO2泡沫和胶凝压裂泡沫的研究，结果表明，温度对胶凝泡沫会产生稀化效果，而且这种作用具有不稳定性。在较低的泡沫质量下，24149 oC温度对泡沫的稀化影响比高泡沫质量下更大。也就是说，胶凝泡沫流体比没有发泡的胶凝液体在高温下维持粘度的能力更好，抗高温稀化能力更强。增温引起流性指数的增幅，泡沫质量低者要比泡沫质量高者为大。增温引起稠度指数的降幅，泡沫质量低者要比泡沫质量高者为大。 泡沫的表观粘度不稳定地随着温度的升高而降低，达到某一温度极限后，表观粘度的变化就小多了。 泡沫的高温动态温度性取决于表面活性剂的类型和浓度，而不受胶凝剂的影响。 在低剪切速率范围内，增加压力会显著增加泡沫流体的表观粘度；在高剪切速率范围内，这种影响显著减弱。三、泡沫的压缩性由于泡沫由可压缩气相（如N2、CO2和空气等）与液相组成，所以它具有可压缩性，因此，当它作为钻井流体在井内循环时的任何深度下，由于温度和压力的变化，泡沫的体积和密度等一系列参数也会随之发生变化，这些变化给泡沫钻井参数的设计与井下压力的预测带来了一系列的困难。在热力学理论中，认为理想气体是一种分子间不存在吸引力的气体，理想气体的体积、温度和压力关系通常用理想气体状态方程来描述：式中： P1、P2气体所受的压力； T1、T2气体温度； V1、V2气体体积。 真实的气体分子间是存在一定的吸引力的，体积、温度和压力之间的关系不符合理想气体状态方程，固引入气体偏差系数，已反映其偏差程度。通常用Z表示，气体 偏差系数的一般表示形式为：式中：Z真实气体偏差； 气体密度； P气体压力； R通用气体常数； T气体温度。气体偏差系数的计算方法很多，通常用Hall-Yarborough方法，该方法引入气体简化密度的概念，关系式如下： 式中：b “范得华氏”余容积； y 简化密度； Pc 临界压力； Tc 临界温度； T 简化温度，其值为； Tpc 虚临界温度；T 温度。计算气体偏差系数的方法：计算气体的临界温度Tc(oC)、临界压力Pc（Mpa）以及简化温度t和简化压力Pr ； 式中：气体比重，无因次； P 压力，Mpa； T 温度，oC；计算与温度有关的中间参数； 用Newton-Raphson方法计算简化密度y；借助于计算机就可以很快完成此计算，或采用图解法也可以求出气体偏差系数Z，当然在计算泡沫气体压缩性时，气体偏差系数Z值还有很多不同的计算方法，其计算结构也非常接近。四、泡沫粘度当把泡沫看成一一个单相流体时，该流体中的粘度比两相中的任何一相的粘度都要大得多。图：泡沫质量对粘度的影响泡沫的质量主要由泡沫的质量和和液相性质所决定，泡沫质量越高 ，气泡越密切，它们之间发生干扰、冲突更为严重，因此泡沫的视粘度随着泡沫质量的增加而增加，一般泡沫质量达到7585%时，粘度最大，此后随着泡沫质量的增加而降低。见图？由于高质量的泡沫属牛顿流体在剪切率不太高的情况下，表现为假塑性流体的行为特征，所以其视粘度随着剪切速率的变化而变化，一般来说随着剪切速率的增加而下降。当泡沫质量在5496%时，由于气泡间的相互作用，使得泡沫流体起动和维持流动需要额外作功，象宾汉塑性流体一样，它有一个屈服值，其屈服值阻止泡沫流体流动，因此在泡沫流动前，所施加的外力必须超出此值。随着泡沫温度的增加，液相粘度下降，泡沫的视粘度也随之下降，在液相中加入适当的增稠剂，高质量的泡沫仍然能保持较高的粘度。对于不同泡沫质量可以用以下公式计算泡沫的粘度。1、 当泡沫质量在054%时 2、 当泡沫质量在5474%时 3、 当泡沫质量在7496%时 根据试验结果，米切尔在此基础上提出了两个试验公式：1、 当泡沫质量为054%时 2、 当泡沫质量为54 96%时 四、泡沫的滤失性能1、 影响泡沫滤失性能的主要因素1） 岩心试样的深透率对泡沫滤失量的影响最大，当岩样渗透率增加到两个数量级时，泡沫的滤失系数即增加一个数量级。2） 泡沫的液相粘度对泡沫的滤失有着至关重要的影响，随着液相中增稠剂浓度的增加（液相粘度的增加），泡沫的滤失系数将明显下降。3） 温度对泡沫的滤失系数也有直接的影响，随着温度增加时，滤失量缓慢增加，使泡沫液相稀释。4） 当泡沫中含有聚合物增稠剂时使泡沫具有造壁性能，可进一步控制液相滤失，同时还可以控制气体一些变量的变化，即使泡沫质量和压差有较明显的变化时，对泡沫的滤失也没有明显的影响。5） 泡沫的结构及气泡尺寸分布的变化对液体滤失也有一定的影响。6） 表面活性剂的种类对泡沫的滤失没有明显的影响。2、 泡沫的滤失机理对于其他流体来说，泡沫的抗滤失性能很好。在相同条件下，泡沫的滤失系数比水、胶联冻胶要小。泡沫流体滤失系数低是由于它本身的独特结构决定了它本身具有良好的抗滤失能力，这主要是泡沫的液相和气相之间的界面张力造成的。当泡沫流体进入微孔隙时，需要有较大的能力克服表面张力和气泡的变型。因为当泡沫流体进入微细孔隙之前，它的曲率半径必须减少到微孔隙直径的一半。具有微细结构的泡沫在微细孔隙中形成复式薄膜面，它将产生很高的压差，并进一步阻止液相的滤失。从泡沫的动态试验中可以观察到当岩心试样渗透率低于110-3m2 时，泡沫通过岩心后安全破坏，变成气相和液相。当渗透率高于110-3m2，少量泡沫存在于液相之中，随着岩心渗透率的增加，所测到的泡沫组分也相对增加，当岩心渗透率大于510-3m2，泡沫的增加比液体的增加要快得多，当岩心渗透率达到7010-3m2时，则泡沫不会被破坏。这意味着在高渗透率介质中，气泡变型很小；或根本不发生变型，以至于泡沫滤失也将会大大减少。总之，泡沫的滤失量是非常小的。它的这一特性表明了泡沫具有一定的封堵能力和良好的保护储层的能力。在对于泡沫钻井来说是很重要的。五、泡沫的封堵能力实验研究为了得到泡沫体系的封堵压力及对储层的伤害程度。作者利用如图装置对泡沫的封堵能力进行了实验研究。图：泡沫滤失实验装置测试方法首先将岩心（见表？）饱和蒸馏水，测定其在饱和蒸馏水中的渗透率值。然后采用N2驱泡沫进入岩心，观察泡沫通过岩心的驱替压力。最后测定泡沫返排后，岩心的渗透率恢复值。实验泡沫也配方：清水1ABS0.5%+CMC1%（CMC:SY-5）基液性能：粘度17.17mPa.s； 半衰期40min；泡沫质量：75现象：1） 尽管有些岩心未返出泡沫，但返排都有泡沫排出；2） CMC在岩心端面形成冻胶层，所以滤失时间久了以后，完全封堵了，无液体排出；3） 返排时泡沫非常容易返出，但返出是间断的。结论：1） 泡沫流体对地层的伤害不大，渗透率恢复值平均在80左右。分析其原因是多空介质中残留有泡沫。残留的泡沫影响了渗透率的恢复值，而要将残留泡沫驱替出来，需高压和长时间 的作用。表？ 岩心在蒸馏水中的渗透率值岩心编号长度cm直径cm渗透率测定值Kw10-3m2234.232.4952.45354.102.5025.3364.732.5181.2884.352.489.70124.222.4930.15784.612.487.33624.332.5023.29渗透率值计算公式：式中：K渗透率，10-3m2； Q流量，ml/min； M粘度，Mpa.s； L岩心长度，cm； D岩心直径，cm； P岩心两端的压差，Mpa。表？ 泡沫封堵和返排试验结果岩心编号封堵压力Mpa流量ml时间s渗透率恢复值测定Kw10-3m2现象235.30.116036.25出泡 351.8 4.36.56.5000.660.713513513516517.13少量出泡66.32.050061.05未出泡86.33.18006.14未出泡126.33.660018.25未出泡786.33.87005.16未出泡626.52.760017.19未出泡2） 泡沫的封堵压力较大，并且泡沫的强度越大，封堵压力越高。3） 在进行泡沫封堵实验时，随着时间的增加，聚合物在岩心的端面形成冻胶层，阻止滤失和泡沫进入岩心。这解释了实验时间的增加，滤失量变得越来越少，直至完全无滤失现象发生。六、泡沫对地层的伤害研究由于稳定泡沫中液相成分很少，仅占535%；且泡沫钻井时量密度很低（0 .150.45），因此可大大减少液相进入地层，避免了地层粘土矿物的膨胀和迁移，或发生液堵的可能性。若液相为氮气则属于惰性气体，只微溶于地层中的流体，因此不会发生乳化或沉淀堵塞现象。同时泡沫本身的特殊结构能够控制滤失，可使液体滤失降低到最低限度。作者在室内进行了泡沫队岩心的污染实验。实验过程如下：强制泡沫通过岩心，然后再通氮气进行渗透率恢复。结果证明被泡沫污染的岩心可恢复到原始渗透率的9195，即使泡沫液相中加入0.51%的泡沫稳定剂，对渗透率的恢复仍然没有明显的影响，岩心渗透率恢复值如表？。表？ 岩心渗透率恢复值（4小时以后）泡沫类型原始渗透率渗透率恢复值发泡剂0.5%溶液0.39597发泡剂0.5%+0.5%CMC溶液0.39395发泡剂0.5%+1%CMC溶液0.39194又由于氮气的可压缩性，泄压后气体以很高的速度膨胀，迅速地从地层返排，因此侵入地层的少量泡沫滤液于地层的接触时间是很短暂的，固造成地层污染的可能性也降低到最小限度。泡沫在返排的同时又可携带出地层孔隙及裂缝中的固体不溶物及淤渣。使地层孔隙和淤渣得到彻底的净化和疏通，从而提高了地层的导流能力，因此，泡沫流体即使含有泡沫稳定剂其对地层的伤害也是极其轻微的。七：泡沫携带岩屑研究用图？所示装置，从泡沫基液入口A加入染色硅胶颗粒（模拟岩屑），泡沫配方为发泡剂0.5%+CMC0.5%水溶液，实验结果见表？和表？图？：泡沫流体试验评价装置 表？：实验结果配 方次数尺寸加入硅胶颗粒数泡沫带出颗粒数时间（S）发泡剂0.5%1小202060发泡剂0.5%2小303080发泡剂0.5%3大252576发泡剂0.5%+CMC0.5%1小202055发泡剂0.5%+CMC0.5%2小303077发泡剂0.5%+CMC0.5%3大252570 注：大颗粒直径约3mm，小颗粒直径约0.5mm表？：实验结果配 方次数尺寸加入硅胶颗粒数泡沫带出颗粒数时间（S）发泡剂0.5%1小202050发泡剂0.5%2小323086发泡剂0.5%3大2525106发泡剂0.5%+CMC0.5%1小202065发泡剂0.5%+CMC0.5%2小303069发泡剂0.5%+CMC0.5%3大151585 注：采用循环使用4次后的泡沫结论：在API装置进行携带岩屑，其原始基液发泡或重复使用后的泡沫基液发泡，其携带岩屑的能力都是可行的，能够将井底的岩屑全部带出地面。携水实验研究（增加研究内容：抗盐、抗油）方案：采用API装置进行携水实验，结果如下：泡沫配方加入水量结果发泡剂0.5%(600ml)500ml完全带出发泡剂0.5%+CMC0.5%(600ml)500ml完全带出结论：泡沫的携水能力很强。从上述研究可知，泡沫流体具有许多优点，如：良好的封堵性能，低滤失性，对储层伤害小及强大的携带岩屑和水的能力。它的这些优点，对进行泡沫钻井来说是非常有利的。泡沫钻井流体的理论模型 泡沫钻井时，其环空流态的理论模型的建立基于质量守恒和动量守恒方程，但其在井内流动过程中，可以认为是均匀的流动。首先假设：1） 泡沫流体从钻具上部注入；2） 井眼可以是直井，定向井和水平井；3） 当泡沫质量大于55%时，泡沫流体为假塑性幂律流体，当泡沫质量小于55时，泡沫流体为牛顿流体；4） 当泡沫质量大于96时，泡沫就变成了雾；5） 泡沫的可压缩性完全取决于泡沫内气相的可压缩性；6） 泡沫流场的温度变化按被钻井的地温梯度计算。由于泡沫钻井时泡沫流体在钻具内、钻头和环空的流动状态各不相同，因此，在计算时因分别建立相应的理论模型。1、钻具内1） 质量守恒方程 即：ConstZ值的计算采用Hall-Yarborough方法，与充气钻井时气体压缩因子的计算方法相同。2）动量守恒方程式中：为混合物的密度，g/cm3。A. 为加速度压降，一般很小，可以忽略；B. Fr为局部压力损耗，Mpa；它主要是考虑泡沫钻井时钻具上安装的回压凡尔上的压力损耗。 单相液体流过回压凡尔时的压力损失系数；混合物的密度；混合物的流