岩屑对泡沫剂性能影响的试验研究

王艳丽

（中国地质科学院勘探技术研究所，河北 廊坊 065000）

泡沫剂的发泡性能主要取决于发泡剂。要使泡沫稳定，必须在溶剂水中加入发泡剂（表面活性剂），再向溶剂水中充气即可。因为表面活性剂的存在不仅使起泡变得容易而且起泡速度超过破泡速度，从而得到稳定的泡沫。实际生产和实验证实，无机电解质的加入会影响发泡剂的发泡性能。在泡沫钻进过程中，由于岩粉的带入，一些可溶的无机电解质溶解到泡沫液中，会使发泡剂的发泡性能降低。因此有必要研究岩屑对泡沫剂性能的影响，为实际生产提供指导。

1 试验

1．1 试验药品与仪器

（1）试验药品：乙氧基化烷基硫酸钠，简称AES、α－烯基磺酸盐 AOS、ADF－3泡沫剂（复合型发泡剂），5、10、50、100、150和200目的砂岩岩屑、灰岩岩屑、页岩岩屑。

（2）仪器：搅拌器，托盘天平，量筒：100 和250mL；烧杯：1000mL；玻璃棒；秒表，恒温加热器。

1．2 试验泡沫液的配置

试验在室温下采用自来水配置试验溶液。

（1）0．4%AES＋自来水；

（2）0．4%AOS＋自来水；

（3）0．4%ADF－3＋自来水。

1．3 试验方法

试验采用Waring Blender搅拌法，在有刻度的1000mL搅拌杯内盛入100mL试液，以11000r／min的速度搅拌60s，停止搅拌后，记下杯内泡沫体积V0（mL）和时间，用V0来衡量试液的起泡能力，泡沫排出50mL液体的时间T（s）叫做半衰期，用τ来衡量泡沫的稳定性。显然V0愈大，T越长，泡沫性能就越好。除特别指出的外，所有测试均在40℃的温度下进行。

2 岩屑粒径对泡沫剂性能影响

以砂岩为例，将分成5、10、50、100、150和200目的岩屑分别加入配置好的泡沫液（泡沫液配方为0．4%ADF－3＋自来水），采用搅拌法分别对加入这几种不同粒径岩屑的泡沫液进行有关发泡量和半衰期的试验，观察泡沫液的变化情况，记录发泡体积和半衰期。

图1 岩屑直径对发泡量的影响

通过对试验数据的观察分析，可以看出，当岩屑直径为50目时，泡沫液的发泡量和半衰期都比较大，随着岩屑直径的增大，发泡量先减小而后增大，而半衰期一直变小。在钻井过程中，岩屑随着泡沫液上返，在上返的过程中岩屑受自身的重力和泡沫浮力作用，当岩屑颗粒较大，岩屑自身的重力大于浮力作用，岩屑的相对运动破坏泡沫本身的结构，从而导致发泡量和半衰期变小。

图2 岩屑直径对半衰期的影响

3 岩屑浓度对泡沫性能的影响

试验分三轮进行，第一轮进行AES发泡剂，第二轮进行AOS试验，第三轮进行ADF－3泡沫剂试验。每轮试验共分三组。第一组为灰岩试验，第二组页岩试验，第三组为砂岩试验，发泡剂浓度均为0．4%。每组配制7个100mL的试样，7个试样中岩粉含量依次为0%，0．2%，0．4%，0．6%，0．8%，1．0%和1．2%，静置12h后待用。试验发泡量结果如图3、4、5所示，半衰期如图6、7、8所示。

图3 AOS在不同岩屑浓度下发泡量

图4 AES在不同岩屑浓度下发泡量

图5 ADF－3在不同岩屑浓度下发泡量

图6 AOS在不同岩屑浓度下的半衰期

图7 AES在不同岩屑浓度下的半衰期

图8 ADF－3在不同岩屑浓度下的半衰期

试验结果分析：

（1）发泡量：由图3、4、5可以看出，随着岩屑浓度的增大，三种泡沫剂的发泡量均在减小，而灰岩岩屑引起的发泡量下降幅度最大。在不同种类和不同浓度岩屑浓度下，ADF－3泡沫剂的发泡能力优于AOS、AES。灰岩，是以方解石为主要成分的碳酸盐岩，在泡沫剂溶液中，部分碳酸盐溶于水，从而增加溶液中无机盐、弱酸根离子的含量，降低发泡剂中表面活性剂的活性，因而严重降低了发泡剂的发泡量。ADF－3泡沫剂是复配型阴离子和非离子表面活性剂，抗盐、抗酸性高，泡沫剂的发泡性能好。

（2）半衰期：由图6、图7、图8可以看出，泡沫液高速搅拌起泡后，随着岩屑含量的增加，三种发泡剂的半衰期均呈减小趋势。原因是起泡后，岩屑微小颗粒分散在泡沫中，这些小颗粒充当了泡沫中的“固相”，形成三相泡沫。而岩屑大大降低了泡沫液膜的稳定，使泡沫稳定性显著降低，当膜局部受损时，“伤口”不能迅速弥合，气泡容易破裂，进而降低了泡沫稳定性。

4 结论

（1）随着岩屑浓度和岩屑粒径的增大，发泡剂的发泡性能和半衰期均降低。在实际钻进过程中，要提高泡沫剂的添加比例，以保证携屑过程中泡沫量满足要求。

（2）灰岩对泡沫剂性能的影响较大，因此在钻进灰岩地层时，要适当增加泡沫剂的添加比例。

（3）ADF－3复合泡沫剂的发泡性和稳定性优于单一发泡剂，可在多种复杂地层条件的空气泡沫钻进、潜孔锤钻进中应用。

（4）泡沫钻进成功与否关键取决于泡沫，泡沫的产生来源于发泡济。

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