泡沫钻井液及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及石油工业的钻井领域，具体涉及泡沫钻井液及其制备方法和应用。

背景技术

近年来，随着油气资源的深度开采，低压及超低压油气层，枯竭层和较为敏感的储层越来越多，这类油气井有一个共同特点，其地层压力普遍较低，常规水基钻井液或油基钻井液的使用会导致非常严重的漏失问题。泡沫钻井液是一种以水作连续相，气体作分散相，发泡剂和稳泡剂作为处理剂的钻井液体系。其具有低密度，高粘度，高润滑和低损伤的优良特性，可以很好地解决以上问题。

但是从热力学和动力学角度考虑，泡沫本质上属于不稳定体系，加之地层高温高矿化度的严苛环境，使其更加难以稳定存在。发泡剂和稳泡剂作为泡沫钻井液体系的核心处理剂发挥着重要的作用。泡沫钻井液的使用主要面临着两方面的难点：高温和高矿化度。体系中处理剂受到高温影响发生热降解而失去原有结构，从而导致性能变差甚至失效，进而使体系性能变差或失去作用；高温环境下，处理剂可能会发生分散或聚并现象，导致其在泡沫液膜上的附着和排列状态发生变化，这可能会导致泡沫稳定性降低，使体系的作用大幅度削弱。针对抗高温泡沫钻井液体系的研究开始较早，时至今日，已经有众多学者和专家研发出性能较好的抗高温发泡剂和稳泡剂，王腾达等发现纳米硅酸镁铝作为稳泡剂的泡沫体系可以抗温达320℃。在钻采过程中，地层矿化度亦是必须要考虑的一个问题。地层中的钠离子和钙离子会中和体系所带电荷，使泡沫液膜吸附电荷浓度减小，两侧斥力减弱，进而导致双电子层结构被破坏，液膜厚度变薄，排液速度加快，使泡沫稳定性大大降低；此外地层的盐离子与发泡剂分子发生化学反应，生成不溶或难溶盐，使发泡剂分子结构遭到破坏，活性不同程度变差甚至失活，进而影响到泡沫钻井液体系的性能。通过发泡剂的复配可以提高体系耐盐性，如将阴离子发泡剂和两性离子发泡剂复配可一定程度上提高泡沫体系的抗盐抗钙性能，但是效果有限。Du.Eric Dickinson用二氯二甲硅烷对纳米二氧化硅颗粒进行疏水改性，改性后的疏水型二氧化硅颗粒用作体系的泡沫稳定剂，该体系可抗1.8-2.0wt％NaCl；Bernard P.Binks等采用纳米二氧化硅颗粒作为稳泡剂，表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)作为发泡剂，该体系仅可耐0.8wt％NaCl。现有针对抗盐抗钙性的研究很难同时满足抗盐钙效果、环保性和成本低廉的条件。

纤维素是世界上储量最大的天然高分子材料，它来源丰富、价格低廉、可再生、环保、强度高、具有良好的生物相容性，而且它具有丰富的极性羟基(-OH)活性基团，其主链骨架又是疏水的，因而其本身具有两亲性，这对于稳定泡沫具有天然优势。此外，其丰富的羟基和分子间范德华力有利于纤维素形成三维网状结构，这对于稳泡同样起到促进作用。近年来，利用纤维素及其衍生物用于稳定泡沫和乳液的研究有很多报道。蔚云平等研究了水溶液体系中疏水改性羟乙基纤维素(HMHEC)与SDS、CTAB的相互作用，并考察了二者复配体系对乳状液稳定性的影响，并且对比了与两个体系的性质。提出了HMHEC/表面活性剂协同稳定乳液的机理。用HMHEC与表面活性剂复配体系制备乳状液可以大大减少表面活性剂的用量，具有低毒环保的优点；Zhen Hu等研究发现纤维素纳米晶体(CNC)的加入会大大提高甲基纤维素(MC)稳定水性泡沫的性能，并得出在2.0wt％CNC和0.5wt％MC互相混合时，泡沫密度达到最低，稳定性最好。

但是上述现有技术仍然存在工艺复杂、成本过高或改性用化学试剂造成环境污染等问题。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的泡沫钻井液的抗盐抗钙性能不佳且制备方法不够环保的问题。

为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种泡沫钻井液，所述泡沫钻井液含有纤维素微米纤维稳泡剂和有机硅类阴离子发泡剂；

其中，所述纤维素微米纤维稳泡剂与所述有机硅类阴离子发泡剂的含量之比为100mL：(30-50)g；所述纤维素微米纤维稳泡剂中含有木材纤维和水；所述木材纤维的平均长度不大于50μm；所述纤维素微米纤维稳泡剂中水的含量使得所述木材纤维的质量浓度为0.5-2wt％。

本发明第二方面提供一种制备第一方面所述的泡沫钻井液的方法，所述方法包括：

(1)将纤维素微米纤维稳泡剂与有机硅类阴离子发泡剂接触进行低速搅拌，得到发泡基液；

(2)将所述发泡基液进行高速搅拌。

本发明第三方面提供第一方面所述的泡沫钻井液在地热井钻探中的应用。

通过上述技术方案，本发明提供的泡沫钻井液含有纤维素微米纤维稳泡剂和有机硅类阴离子发泡剂；其中，所述纤维素微米纤维稳泡剂与所述有机硅类阴离子发泡剂的含量之比为100mL：(30-50)g；所述纤维素微米纤维稳泡剂中含有木材纤维和水；所述木材纤维的平均长度不大于50μm；所述纤维素微米纤维稳泡剂中水的含量使得所述木材纤维的质量浓度为0.5-2wt％。该纤维素微米纤维稳泡剂中含有的木材纤维可以较好地分散于水中，其本身仅带有微弱的电负性，配合有机硅类阴离子发泡剂，在泡沫钻井液中展现出良好的稳泡性能，且具有较好的抗盐钙能力以及抗温能力，抗盐可达6.0wt％，抗钙可达0.25wt％，抗温可达120℃。

此外，该纤维素微米纤维稳泡剂由天然的木材纤维原料结合粉碎、打浆、均质处理等而得，该制备方法绿色环保。

总之，本发明提供的泡沫钻井液不含任何有毒有害元素，完全满足绿色环保的要求以及高温高矿化度条件下的泡沫钻井需求，并且其配制工序简单、成本较低，有利于工业化应用。

附图说明

图1是本发明制备例2得到的纤维素微米纤维稳泡剂的显微镜照片。

具体实施方式

在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。

除非另外明确说明，否则在本发明中，所用的术语“任选地”是指进行或者不进行该操作，或者是指加入或者不加入该物料。

本发明中，未作相反说明的情况下，所述常温或室温均表示25±2℃。

本发明第一方面提供一种泡沫钻井液，所述泡沫钻井液含有纤维素微米纤维稳泡剂和有机硅类阴离子发泡剂；

其中，所述纤维素微米纤维稳泡剂与所述有机硅类阴离子发泡剂的含量之比为100mL：(30-50)g；所述纤维素微米纤维稳泡剂中含有木材纤维和水；所述木材纤维的平均长度不大于50μm；所述纤维素微米纤维稳泡剂中水的含量使得所述木材纤维的质量浓度为0.5-2wt％。

根据本发明的一些实施方式，所述纤维素微米纤维稳泡剂中水的含量使得所述木材纤维的质量浓度为0.5-2wt％，例如可以为0.5wt％、1wt％、1.5wt％、2wt％以及这些数值中的任意两个所构成的范围中的任意数值。

根据本发明的一些实施方式，优选地，所述木材纤维的平均长度为30-50μm。采用上述优选实施方式有利于进一步提高泡沫钻井液的抗盐钙能力以及抗温能力。

根据本发明的一些实施方式，优选地，所述有机硅类阴离子发泡剂为AD300。特别优选地，所述有机硅类阴离子发泡剂为购自山东东营奥达石化有限公司的AD300。采用上述优选实施方式特别有利于提高泡沫钻井液的抗盐钙能力以及抗温能力。

本发明第二方面提供一种制备第一方面所述的泡沫钻井液的方法，所述方法包括：

(1)将纤维素微米纤维稳泡剂与有机硅类阴离子发泡剂接触进行低速搅拌，得到发泡基液；

(2)将所述发泡基液进行高速搅拌。

根据本发明的一些实施方式，所述纤维素微米纤维稳泡剂可商购得到，也可以参照现有技术公开的方法制备得到，对此没有特别的限制，只要能够满足上述要求即可在一定程度上实现本发明的发明目的。为了进一步提高泡沫钻井液的抗盐钙能力以及抗温能力，同时满足绿色环保的要求，优选地，制备步骤(1)中的所述纤维素微米纤维稳泡剂的方法包括：

(a)将木材纤维原料进行粉碎，得到纤维素粉末；所述纤维素粉末中的木材纤维的平均长度不超过0.5cm；

(b)将所述纤维素粉末与水接触进行打浆，得到浆液；所述浆液中的木材纤维的平均长度小于0.5mm；所述浆液的表观粘度为70-80mPa·s；

(c)将所述浆液进行均质处理；

任选地，进行所述均质处理之前，步骤(c)还包括将所述浆液进行稀释。

根据本发明的一些实施方式，优选地，步骤(a)中，所述粉碎的条件包括：转速为3000-5000r/min，时间为1-3h。采用上述优选实施方式，有利于使得所述纤维素粉末中的木材纤维的平均长度满足上述要求。

根据本发明的一些实施方式，优选地，步骤(b)中，所述纤维素粉末与所述水的用量使得所述浆液中的木材纤维的浓度为2-3wt％，例如可以为2wt％、2.5wt％、3wt％以及这些数值中的任意两个所构成的范围中的任意数值。

根据本发明的一些实施方式，优选地，步骤(b)中，所述打浆的条件包括：温度为23-27℃，负荷为5-9kg，转速为300-500r/min。采用上述优选实施方式，有利于使得所述浆液中的木材纤维的平均长度以及所述浆液的表观粘度满足上述要求。

根据本发明的一些实施方式，优选地，步骤(c)中，所述均质处理的条件包括：均质温度为25-35℃，均质压力为67-70MPa，均质次数为2-4次。采用上述优选实施方式，有利于使得所述纤维素微米纤维稳泡剂中的木材纤维的平均长度满足上述要求。

根据本发明的一些实施方式，步骤(c)中，当需要的纤维素微米纤维稳泡剂中的木材纤维的质量浓度低于所述浆液中的木材纤维的浓度时，在进行所述均质处理之前，步骤(c)还包括将所述浆液进行稀释，以得到目标质量分数的纤维素微米纤维稳泡剂。优选地，使用蒸馏水进行所述稀释；所述蒸馏水的用量使得得到的纤维素微米纤维稳泡剂中，木材纤维的质量浓度为0.5-2wt％。

根据本发明的一些实施方式，所述纤维素微米纤维稳泡剂不同于现有的改性纳米纤维素，所述纤维素微米纤维稳泡剂本身仅带有微弱的电负性，这有利于促进泡沫钻井液抗盐抗钙性能的提高。

根据本发明的一些实施方式，为了促进发泡的均匀性，优选地，步骤(1)中进行所述接触之前，先将所述纤维素微米纤维稳泡剂进行预搅拌；优选地，所述预搅拌的条件包括：转速为400-600r/min，搅拌时间为8-12min。

根据本发明的一些实施方式，优选地，步骤(1)中所述低速搅拌的条件包括：转速为400-600r/min，搅拌时间为8-12min。对所述预搅拌和所述低速搅拌的设备没有特别的限制，可以采用本领域常规使用的搅拌设备，例如恒温磁力加热搅拌器。

根据本发明的一些实施方式，步骤(1)中，所述纤维素微米纤维稳泡剂与所述有机硅类阴离子发泡剂的用量使得得到的泡沫钻井液中，所述纤维素微米纤维稳泡剂与所述有机硅类阴离子发泡剂的含量之比为100mL：(30-50)g。

根据本发明的一些实施方式，步骤(2)中，所述高速搅拌可以参照现有技术进行，例如，可以将所述发泡基液置于高搅杯中，然后将盛有所述发泡基液的高搅杯放置于数显强力恒速电动搅拌机中进行所述高速搅拌。优选地，所述高速搅拌的条件包括：转速为10000-12000r/min，搅拌时间为1-2min。

本发明第三方面提供第一方面所述的泡沫钻井液在地热井钻探中的应用。

以下将通过实施例对本发明进行详细描述。以下实施例和对比例中，若没有特别说明，所使用的原料和仪器均为市售品，其中：

木材纤维原料购自福建神箭竹木有限公司；

发泡剂AD300购自山东东营奥达石化有限公司；

超微粉碎机：WFJ-32常州市聚美设备有限公司；

槽式瓦利打浆机：FFiber Beating 30弗艾博浆纸科技发展(广东)有限公司；

游离度仪：P41510 E000奥地利PTI有限公司；

智能型正置式荧光显微镜：DM4M上海莱卡显微镜系统有限公司；

旋转粘度计：ZNN-D6L青岛同春石油仪器有限公司；

数显强力恒速电动搅拌机：TYSH110-S韬越机械科技有限公司；

恒温磁力加热搅拌器：54-2常州市亿能实验仪器厂；

纤维素粉末中的木材纤维的平均长度、浆液中的木材纤维的平均长度，以及纤维素微米纤维稳泡剂中的木材纤维的平均长度通过显微镜照片得到；

浆液的表观粘度通过旋转粘度计测得。

制备例1-4用于说明本发明提供的纤维素微米纤维稳泡剂及其制备方法。

制备例1

(a)将木材纤维原料进行粉碎，得到纤维素粉末；该纤维素粉末中的木材纤维的平均长度为0.45cm；其中，粉碎在超微粉碎机中进行；粉碎的条件为：转速为4000r/min，时间为2h；

(b)将纤维素粉末与水接触进行打浆，得到浆液；该浆液中的木材纤维的平均长度为0.40mm；该浆液呈现乳白色粘稠状，其表观粘度为75mPa·s；

其中，纤维素粉末与水的用量使得该浆液中的木材纤维的浓度为2.5wt％；打浆在槽式瓦利打浆机中进行；打浆的条件为：温度为25℃，负荷为7.0kg，飞刀辊的转速为400r/min；在打浆的过程中，使用游离度仪跟踪测试浆液中的木材纤维的长度，每隔20min测试一次，直至浆液中的木材纤维的长度小于0.5mm；

(c)将该浆液依次进行稀释和均质处理，得到纤维素微米纤维稳泡剂；

其中，使用蒸馏水进行稀释；均质处理在高压均质机中进行，均质处理的条件为：均质温度为30℃，均质压力为68.9MPa，均质次数为3次。

该纤维素微米纤维稳泡剂中，木材纤维的平均长度为30μm；该纤维素微米纤维稳泡剂中水的含量使得木材纤维的质量浓度为0.5wt％。

制备例2

按照制备例1的方法，不同的是，步骤(c)中，控制进行稀释使用的蒸馏水的量，使得得到的纤维素微米纤维稳泡剂中，木材纤维的质量浓度为1.0wt％，其余均相同，得到纤维素微米纤维稳泡剂。该纤维素微米纤维稳泡剂的显微镜照片如图1所示，从图中可知，纤维素微米纤维呈现出短纤维状并交互排列，形成一张近似的网状结构，该排列方式为其良好的稳泡效果奠定了基础。

制备例3

按照制备例1的方法，不同的是，步骤(c)中，控制进行稀释使用的蒸馏水的量，使得得到的纤维素微米纤维稳泡剂中，木材纤维的质量浓度为1.5wt％，其余均相同，得到纤维素微米纤维稳泡剂。

制备例4

按照制备例1的方法，不同的是，步骤(c)中，控制进行稀释使用的蒸馏水的量，使得得到的纤维素微米纤维稳泡剂中，木材纤维的质量浓度为2.0wt％，其余均相同，得到纤维素微米纤维稳泡剂。

实施例1-4用于说明本发明提供的泡沫钻井液及其制备方法。

实施例1

(1)将制备例1得到的纤维素微米纤维稳泡剂进行预搅拌，然后将预搅拌后的纤维素微米纤维稳泡剂与有机硅类阴离子发泡剂接触进行低速搅拌，得到发泡基液；

其中，有机硅类阴离子发泡剂为AD300；使用恒温磁力加热搅拌器进行预搅拌和低速搅拌，预搅拌的条件为：转速为500r/min，搅拌时间为10min；低速搅拌的条件为：转速为500r/min，搅拌时间为10min；纤维素微米纤维稳泡剂与有机硅类阴离子发泡剂的用量之比为100mL：40g；

(2)将发泡基液置于高搅杯中，然后将盛有发泡基液的高搅杯放置于数显强力恒速电动搅拌机中进行高速搅拌，得到的泡沫钻井液记为S1；

其中，高速搅拌的条件为：转速为11000r/min，搅拌时间为1min。

实施例2

按照实施例1的方法，不同的是，步骤(1)中，纤维素微米纤维稳泡剂为制备例2得到的纤维素微米纤维稳泡剂，其余均相同，得到的泡沫钻井液记为S2。

实施例3

按照实施例1的方法，不同的是，步骤(1)中，纤维素微米纤维稳泡剂为制备例3得到的纤维素微米纤维稳泡剂，其余均相同，得到的泡沫钻井液记为S3。

实施例4

按照实施例1的方法，不同的是，步骤(1)中，纤维素微米纤维稳泡剂为制备例4得到的纤维素微米纤维稳泡剂，其余均相同，得到的泡沫钻井液记为S4。

对比例1

按照实施例1的方法，不同的是，将100mL的纤维素微米纤维稳泡剂替换为100mL的去离子水，其余均与实施例1相同，得到的泡沫钻井液记为D1。

对比例2

按照实施例1的方法，不同的是，将100mL的纤维素微米纤维稳泡剂替换为100mL的羟乙基纤维素溶液(羟乙基纤维素的质量浓度为0.1wt％)，其余均与实施例1相同，得到的泡沫钻井液记为D2。

测试例1

本测试例用于测试常温下泡沫钻井液的发泡性能和稳泡性能。

分别将实施例和对比例得到的泡沫钻井液迅速转移至量筒中，立即开始计时并观察泡沫，记录初始体积V

表1

通过上表的结果可以看出，纤维素微米纤维稳泡剂中，随着木材纤维的质量浓度的增大，得到的泡沫钻井液的泡沫体系，其初始体积不断减小，而半衰期不断增大，即泡沫体系的发泡性能逐渐变差，而稳泡性能逐渐提升。综合考虑泡沫体系的发泡性能和稳泡性能，实施例2得到的泡沫体系为最佳。

测试例2

本测试例用于测试泡沫钻井液的抗盐性能。

按照实施例2的方法制备泡沫钻井液，不同的是，步骤(1)中，进行预搅拌之后，向预搅拌后的纤维素微米纤维稳泡剂中加入NaCl(其用量分别如表2所示)，然后继续搅拌10min至NaCl完全溶解，再将得到的混合物与有机硅类阴离子发泡剂接触进行低速搅拌，其余均相同，根据不同的NaCl用量，分别将得到的泡沫钻井液记为A1-A6；将其迅速转移至量筒中，立即开始计时并观察泡沫，并记录初始体积V

对比测试例1

按照对比例2的方法制备泡沫钻井液，不同的是，步骤(1)中，进行预搅拌之后，向预搅拌后的羟乙基纤维素溶液中加入NaCl(其用量分别如表2所示)，然后继续搅拌10min至NaCl完全溶解，再将得到的混合物与有机硅类阴离子发泡剂接触进行低速搅拌，其余均相同，根据不同的NaCl用量，分别将得到的泡沫钻井液记为DA1-DA6；将其迅速转移至量筒中，立即开始计时并观察泡沫，并记录初始体积V

表2

注：当NaCl用量为0时，初始体积V

通过上表的结果可以看出，随着NaCl浓度的不断增加，S2泡沫体系的初始体积仅有微弱的减小，而半衰期则不断增大，说明NaCl用量在6.0wt％以内时，NaCl的加入会增强泡沫的稳定性，这是由于盐(NaCl)的加入使得纤维素微米纤维的三维网状结构得到增强导致的。

而作为对比的D2中，羟乙基纤维素作为稳泡剂时，当NaCl用量增加至6.0wt％时，体系发不起泡，显然其对于盐的耐受程度不如本发明的纤维素微米纤维稳泡剂。

测试例3

本测试例用于测试泡沫钻井液的抗钙性能。

按照实施例2的方法制备泡沫钻井液，不同的是，步骤(1)中，进行预搅拌之后，向预搅拌后的纤维素微米纤维稳泡剂中加入CaCl

对比测试例2

按照对比例2的方法制备泡沫钻井液，不同的是，步骤(1)中，进行预搅拌之后，向预搅拌后的羟乙基纤维素溶液中加入CaCl

表3

/>

注：当CaCl

通过上表的结果可以看出，随着CaCl

而作为对比的D2中，羟乙基纤维素作为稳泡剂时，其最高仅能抵抗0.15wt％CaCl

测试例4

本测试例用于测试泡沫钻井液的抗温性能。

按照实施例2的方法制备泡沫钻井液，不同的是，步骤(1)中，纤维素微米纤维稳泡剂与有机硅类阴离子发泡剂的用量之比为350mL：140g，其余均相同，得到发泡基液I；

将发泡基液I转移至老化罐，然后放置于滚子炉中，设置温度为120℃，热滚16h之后，将产物取出并冷却至室温，然后将冷却产物放置于磁力搅拌机，设置转速为500r/min，搅拌10min，至冷却产物均匀，得到发泡基液II；

向100mL发泡基液II中加入NaCl或CaCl

将发泡基液III置于高搅杯中，然后将盛有发泡基液III的高搅杯放置于数显强力恒速电动搅拌机中进行高速搅拌，得到泡沫钻井液；

其余均相同，根据不同的NaCl或CaCl

表4

通过上述结果可以看出，本发明提供的泡沫钻井液经过120℃热滚之后，泡沫体系的发泡性能略微提升，稳泡性能略微下降，在加入6.0wt％NaCl时，泡沫体系的半衰期仍然能够达到1149s；在加入0.25wt％CaCl

综上，本发明提供的泡沫钻井液的泡沫体系展现出良好的稳泡性能，其可抗6.0wt％NaCl以及0.25wt％CaCl

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。