泡沫钻进工艺及关键技术分析毕业论文.doc

摘要泡沫钻井是一种新的、用于对付特殊的自然地理环境和复杂的地质条件的钻井技术。它利用均匀稳定的泡沫流体作为钻井时的循环介质，既克服了高密度钻井液体的缺点，同时也克服了雾化及空气钻井的缺点，有效的解决了在干旱缺水地区的钻进难题。同时由于其密度低，在破碎裂隙发育地层、低压油气层中，得到了广泛地应用。另外，由于泡沫流上返速度低，对井壁冲刷作用小，因此在易坍塌、胶结性差的地层中，有效地防治了孔内事故的发生，在钻井领域有着越来越广泛的应用。本文首先介绍了泡沫钻井的钻井泡沫，包括钻井泡沫的的基本概念、基本性能和组成；其次论述了泡沫钻进的基本理论，包括泡沫钻进的工作原理，泡沫钻进的循环方式与灌注方式，钻井设备及钻进中的消泡技术和安全技术；再次介绍了泡沫钻进的钻进工艺参数包括泡沫溶液的浓度、气液比、泡沫质量、钻压、转速、空气量、泡沫灌注量洗井时的注入压力等参数的确定方法以及利用计算机模型计算各流动参数的方法；最后通过小口径金刚石泡沫钻进工程实例来分析泡沫钻井与常规钻井该方法相比较，体现其技术的优越性。在文章的结语部分，对泡沫钻进的技术要点进行总结，并对其发展前景做了展望。关键词：泡沫钻井 钻井泡沫 钻井参数 泡沫性能 ABSTRACTFoam drilling is a kind of new and used to deal with the special natural geographical environment and complex geological conditions of drilling technology. It use uniform stability of foam drilling fluid as the circulation medium, which overcomes the shortcoming of the liquid density of drilling, but also to overcome the shortcomings of drilling and air atomization, effectively solved the problem of water into the drought. Also because of its low density, the fracture strata, low oil layer, had been used widely. In addition, due to low speed on the flow of foam on wall, small, so the flushing action to collapse, cementation of strata, effectively control the hole accidents in drilling area has more and more widely.This paper firstly introduces the foam drilling, including drilling foam drilling bubble of the basic concepts, basic properties and composition, Then discusses the foam drilling the basic theory, including the working principle, foam drilling cycle and the foam drilling, drilling equipment and pouring into the defoaming technology and safety technology, Introduced the foam drilling again into the process parameters including foam solution concentration, gas and liquid foam, quality, than wob, speed, air volume, foam perfusion measure the well-flushing injection pressure parameters determination method of using a computer model and the calculation method of the parameters of each flow, Finally, through drilling engineering examples, the small diamond foam drilling and routine analysis foam drilling method, the comparison of technical superiority. In the article, the key points of foam drilling, and its development prospect.Keywords: foam drilling 、drilling foam 、drilling parameters、 froth performance第一章 绪论本章介绍了本文的研究背景，阐述了本文的研究目的和研究意义。概述了国内外在泡沫钻进方面的发展历程和研究现状。第一节 研究背景、目的和意义1.1.1论文研究的背景我国是一个淡水资源严重缺乏的国家，工业用水在全国水资源消耗总量中所占比例非常大，而钻探（井）工程又是工业用水中的用水大户。钻井过程中，为了冷却钻头、排除岩屑和稳定井壁需要消耗大量的地表水，而钻井又是深入地下勘探和开发能源、解决我国资源、能源短缺不可替代的技术手段，但是能源大多分布在干旱、半干旱的西部地区。因此，在新形势下解决钻探工程缺水的问题刻不容缓。研究适用于干旱缺水地区的节水钻探新技术，不仅可以节约大量宝贵的地表水，在很大程度上缓解水资源短缺问题，同时可以降低钻探成本，具有重要的经济价值和广泛的应用前景。此外在石油领域，目前开发的油田多属于低渗透的油气藏，因此必须尽可能的保护油气层，降低工程施工对油气层的损害，如何从钻井过程就开始保护好油气层，提高油气层渗透系数，降低表皮系数，最大程度地提高采收率也成了工程师们关注的问题， 1.1.2 论文研究的目的和意义泡沫钻进技术是现代钻探技术条件下产生的新技术，在地质勘探、水文水井和石油钻井中会遇到各种各样的地层，为了适应各种条件下的钻井工作，冲洗介质的类型日益增多，除了完整岩层可以使用清水或乳状液外，其它岩层则必须使用泥浆进行钻孔护壁。但对于那些裂隙发育、严重漏失、地层压力较低的生产层,则需要低密度的钻井流体进行冲洗。同时施工地区的条件也是多种多样的，在交通不便、缺水干旱、沙漠地带以及寒冷甚至永冻层进行施工，为适应施工地区的客观条件，需要寻找新型的冲洗介质。随着科学技术的不断进步和钻井工作的迅速发展，钻井研究者为进一步提高工作效率，降低成本，对钻井工作的各个环节进行了广泛的研究，其中也包括冲洗介质。研究发现：冲洗介质的类型及其性能指标等对钻进效率有着重大影响，特别是冲洗介质的固相含量、固相类型、冲洗介质的密度影响更大。虽然泡沫钻井的优点正在被越来越多的人们重视，但目前泡沫钻井还存在不少问题亟待解决。一是泡沫的一次性使用问题，它不仅使泡沫钻井的成本大大增加，同时也带来了严重的环境污染问题；二是泡沫钻井技术理论不成熟，由于泡沫流体的可压缩性，随着地面温度、压力的变化，井下泡沫质量、密度等参数也随之而变化，增加了施工参数设计计算的复杂性。 因此研究好泡沫钻进技术，有着极其重要的意义。 第二节 国内外研究现状1.2.1 国外研究现状泡沫钻进始于20世纪50年代中期当时美国为在干早、缺水、稳定性差的地层中钻进首先在内华达州使用了泡沫钻进。因钻进时泡沫的上返速度仅为空气钻进时空气上返速度的1/101/20，从而有利于井壁岩层的稳定。此后美国又进一步开展了适用于盐层、油层、永冻层钻进的泡沫流体研究，扩大了泡沫钻进的适用范围，取得了很好的经济效益，成为低压油田开发的一种有效手段。泡沫钻井介质可用于井底孔隙压力较低而地面又取水困难的地区。1971年泡沫钻井作业被首次应用于油气开采工程进入20世纪80年代。泡沫钻进得到了突飞猛进的发展，以美国Sondia Nation公司为例，1980年就研制推出了一百多种阳离子、阴离子、两性离子及非离子型泡沫刑。以适应各种复杂地层条件的需要。已初步达到泡沫钻井设备系列化、钻井工艺控制自动化的水平。 苏联在20世纪60年代初开始进行泡沫钻进的试验研究，初期主要用于油田修井和钻井，从70年代开始将泡沫用于小口径金刚石岩心钻探，并且对泡沫流变学，泡沫钻进中的温度、压力等参数展开研究。经过十多年的研究，证明在X组岩层中，泡沫钻进的机械钻速比传统钻井液提高29.7%回次进尺提高22.5，台月效率提高25，金刚石消耗降低282。功率消耗降低231，总体经济效益提高了34.3%。1. 3. 2 国内研究现状我国的泡沫钻进技术起步较晚。20世纪80年代中期，石油部门首先进行泡沫洗井、泡沫钻进的试验研究，研制了F873、TAS等几种泡沫剂，但在理论上探讨不够，还没有真正形成一套用于指导生产的理论体系。“七五”期间，地质矿产部也曾把泡沫钻进技术列为科技攻关项目。十几个科研和生产单位对泡沫钻进的理论与应用进行了卓有成效的研究和探讨，先后研制成功了CDT812、CDT-813、CD1、DF-1、ADF1型泡沫剂。研制和制定了泡沫及泡沫剂检测装置和测量标准，有力地推动了泡沫钻进技术在我国尤其是在地矿系统的发展，先后在甘肃、四川、河南、安徽等省地矿局所属的十几个单位进行了现场试验，总工作量达几万米，取得了良好的经济效益。并总结了一些泡沫钻进的经验。此外，化工、煤炭等系统在泡沫洗井、泡沫钻井方面也取得了长足的进步。国内有些单位还进行了泡沫潜孔锤钻进试验，为扩大泡沫钻进技术的应用领域做了有益的探索。20世纪80年代后期以来，出现了泡沫钻井的另重要应用油气开发作业的欠平衡钻井。研究表明：如果井底钻井液的流体静液柱压力略小于所钻储层的孔隙压力，对储层的石油和天然气开采将更为有效。欠平衡钻井有助于使油气流入环状空间，使自然裂缝和孔隙不受岩屑颗粒和泥饼污染，从而避免了地层损害。近年来、泡沫欠平衡钻井技术开始试用于深水井和环境监测井钻井作业中。同时也应看到，目前我国的泡沫钻进技术与国外先进水平相比还有很大差距。许多现场都是摸索着施工，相当多的单位只是把泡沫作为防止漏失和徘渣的手段，还没有做到合理选择泡沫参数、科学控制泡沫钻进质量，致使泡沫钻进的成本较高。另外，尽管国内已经研制出若干种泡沫剂，但泡沫钻进的理论研究还须进一步深入。 第二章 钻井泡沫第一节 基本概念泡沫是含有大量气泡的气液分散体系。其中气相是分散相，常压下的体积可高达90% ；液相是连续相，一般以水多见，所占的体积较少。因此泡沫的重量比水轻得多。此外，欲形成泡沫还须加入必要的泡沫剂表面活性剂，才能使气泡形成并均匀地分散在液体中。泡沫剂的加量更少，一般只占液体的11%。配制泡沫一般是先将泡沫剂溶入到液相中，形成尚未发泡的基液（泡沫液），然后再与空气混合形成泡沫。 把泡沫在常温常压下的气体体积Q与液体体积Q之比称为充气度或气液比，用=Q/Q表示。稳定泡沫气液比的范围在50300之间。由于含有气体，泡沫的体积受外界压力和温度的影响很大。一般压力大、温度低，泡沫体积缩小。把泡沫在具体压力和温度条件下的气体体积Q与泡沫体积Q之比称为气相饱和度，用= Q/ Q表示。泡沫的气相饱和度可高达0.96。第二节 特点和适用范围2.2.1钻井泡沫的特点国内外泡沫钻井的实践表明，泡沫钻井具有以下特点：(1)与空气和清水比较，由于泡沫的悬碴能力明显提高，因此可用较低的环空上返流（仅为空气的3%6%），对井壁的冲蚀大大降低。（2）要求的风量和相应的风压较低，用同样的压风机可以比空气钻得更深。（3）与液体钻井液相比可以节约大量用水（仅为液体钻井液的1/91/500），可以有效地解决沙漠、高山、寒冻、严重漏失和干旱地区钻进的缺水问题。（4）泡沫比重轻，井内压力小，仅为水的1/201/30，特别适于低压地层钻进。（5）泡沫中的表面活性剂具有润滑性，泡沫具有一定的弹性，有利于减轻钻具的振动，减少回转功率消耗，降低钻具的磨损。（6）泡沫具有一定的吸附性、粘结性和淤塞性，并且由于质量轻而动力惯性小，因此对井壁有较好的保护作用。（7）捕集岩粉效果好，消除了空气钻井时的粉尘污染问题。（8）能防止冻结地层钻进因空气吹洗温度升高而引起的井壁融化坍塌问题。2.2.2空气泡沫钻进适用范围通过以上分析和实钻证明，在下列清况下空气泡沫钻进很有推广价值：1.干旱或半干旱戈壁或沙漠地区或水源距施工场地较远地区2.松散破碎的漏失地层3.高山供水困难的地区;4.具有大量水敏性地层;5.用于保护储层的含油气带;6.矿岩心采取率低的岩金矿;7.遇水贫化的矿种。第三节 泡沫组成及发泡剂2. 3. 1 泡沫组成的气相和液相 用于钻探(井)工业的泡沫流体，其气相多为空气、天然气、氮气以及二氧化碳气。由于空气和天然气存在易燃、易爆等不安全因素，应尽量避免用于油、气井生产作业。此时，一般多采用氮气或二氧化碳作为气相。在泡沫流体钻井中液相基本上可分作水基、醇基、烃基和酸基。水基泡沫配制方便，价格便宜，并且与线性或交联凝胶剂配合易形成稳定的泡沫，除了水敏性特强的地层外，一般均可广泛应用。醇基泡沫适用于极易水锁及强水敏性地层，有利于保护油气层。但此类泡沫基液易燃，成本很高，施工不安全不方便，携岩能力差，且不适应在含沥青、石蜡的油气井中应用；烃基价格较低，但不易形成稳定泡沫；泡沫酸可用于含钙质砂岩或灰岩。2. 3. 2 发泡剂在液相中加入少量的发泡剂，经搅拌或专用混合装置与气体混合即能形成泡沫。发泡剂从原理上看就是气相和液相界面上的表面活性剂。这种表面活性剂的分子一般由两个极性端组成，一端是亲气相结构，而另一端则是亲液相结构，所以在气、液界面上表面张力将大大降低，使气、液相容，从而形成稳定的泡沫。如果没有表面活性剂，强大的表面张力迫使气泡相互聚结而逸出液相。钻井用的发泡剂应具有以下特性：（1）起泡性能好，产生的泡沫量大，体积膨胀倍数高；（2）泡沫稳定，长时间循环不会消泡，受温度影响也较小；（3）抗干扰能力强。遇地下岩土和地下水中的杂质时，仍能维持较稳定的泡沫体系；（4）毒性和腐蚀性均小，凝固点低；（5）配制泡沫时的材料用量少，来源广，成本低。国内外发泡剂的品种较多，从大的类别上可按表面活性剂的电离性分为4类 ，即阴离子型、阳离子型、非离子型和两性型。发泡用的表面活性剂可以是一种，也可以是几种复配的复合剂。试验表明，用复合型活性剂配制的泡沫，力学性能较好，泡沫稳定性高。目前，复配的配方主要通过实验来确定。实验中平衡值的加权方法对用量进行计算。阴离子型的发泡能力强，但抗干扰能力差。非离子型的发泡能力低，但抗干扰能力强。为取二者的优点，往往将阴离子型与非离子型表面活性剂复合使用。在钙、镁离子含量高的干扰性地层中，复合型发泡剂的使用效果较好。2. 3. 3 影响发泡剂发泡性能的主要因素（1）分子结构在表面活性剂中疏水基（非极性基）越小，即：亲水基相对整个分子的中心越近，则表面活性剂的亲水性越强，形成液膜的粘度越高，因此发泡性能也越好。（2）浓度表面活性剂是由较大的非极性基团与极性较强的极性基团组成的分子，在低浓度时，溶液中的表面活性剂分子是以单个分子的状态存在的，随着浓度的增加，溶液表面的吸附也逐渐增加，表面张力逐渐下降，当浓度增加到一定值时，溶液表面就被一层定向排列的表面活性剂分子所覆盖，此时，溶液的表面张力不再继续下降（如图21所示），溶液中的表面活性剂分子已达到一定的浓度，它们通过疏水基的吸引结合成胶团，以降低体系的能量，表面活性剂形成胶团的最低浓度称为临界胶团浓度，常用CMC表示之。CMC图21表面活性剂水溶液表面张力与其浓度关系（3）其它添加剂为了提高泡沫剂的发泡性能，常在其中加入一定量的添加剂。对于离子表面活性剂，在向其溶液中加入无机盐时，溶液的表面活性提高，CMC降低；对于非离子表面活性剂，无机电解质对其性质影响较小，即使盐的浓度较大，其表面活性的变化也较离子表面活性剂的变化小得多。2. 3. 4 稳泡剂稳泡剂是以延长泡沫持久性为目的而加入的添加剂。一些有机化合物和表面活性剂可用作稳泡剂。例如CMC、HEC、和PAM就是很好的有机化合物稳泡剂，而月桂酰二乙醇胺等则是很好的表面活性剂稳泡剂。对于稳泡剂能够使泡沫长期稳定存在，分析其机理之一是稳泡剂的加入显著地增强了液膜的强度。例如CMC长链分子在液膜上的搭桥效应，对稳定泡沫起到良好的保护作用。第四节 钻井泡沫的性能钻井泡沫的性能包括发泡能力、泡沫的稳定性、质量分数、密度、流变性、泡沫的悬浮性和携砂能力。热物理性能、泡沫的腐蚀性与毒性等。2.3.1发泡能力发泡能力是指在标准条件下的发泡的体积量。表面张力越低越有利于起泡，通常加入表面活性剂，即可达到此目的。美国石油学会（API）1966年颁布的评价钻井泡沫剂的标准试验方法已被国内外广泛采用，在这种方法中，一定时间内冲携出的液体越多，泡沫的发泡能力越强。测定发泡能力的方法还有振荡法、搅拌法、吹气法、倒出法、超声法等。2.3.2泡沫的稳定性泡沫稳定性指一定体积的泡沫存在的时间，一般用半衰期来反映泡沫的稳定性。泡沫的半衰期是指从泡沫液中排出一半液体所需的时间，或者泡沫的体积缩减为初始体积一半所用的时间。虽然两种测定值都是半衰期，但其差别非常大，前者一般只有几分钟，而后者则长达几十分钟，甚至更长。半衰期可作为衡量泡沫稳定性的一个重要指标。在钻探过程中，由于有大量的岩屑产生，再加上其它外界因素的干扰，因此使发泡剂产生的泡沫会更加不稳定，为了满足钻探的要求，使生成的泡沫持久，常在发泡剂溶液中加入少量的稳泡剂。在发泡剂溶液中加入稳泡剂，提高了基液粘度，一方面使气泡间的液膜不易流失，另一方面又使气体在液膜中的溶解度降低，从而使溶液起泡能力和泡沫半衰期增大。但聚合物的浓度不能太大，否则膜中起泡剂分子不能自由移动而使起泡能力下降，膜局部受损时，“伤口”不能迅速弥合，气泡容易破裂。稳泡剂可使泡沫寿命显著延长，泡沫的稳定性大大提高。泡沫稳定性的的检测方法为：试验时，在量杯中加入质量浓度为10g/L的泡沫液，在大于的1000r/min转速下搅拌60s，停止转动，立即读取所产生的泡沫体积来表示发泡能力。然后记录从泡沫中析出50mL液体所经历的时间， 称为泡沫的半衰期，反映其稳定性。2.3.3泡沫质量分数泡沫的稳定性和流变性取决于泡沫质量分数。泡沫质量分数即：气体量(气体量十液体量)，或气体体积与泡沫总体积之比。泡沫质量分数用表示，最佳泡沫质量分数为0.98，0.75或含液量225。当气量大于这一范围时，就形成雾。当气量小于45时，在井底容易形成近似牛顿流型的混合体。在这两种情况下泡沫的结构特性差，携带岩屑能力也差。图22和田23表示了不同泡沫质量分数情况下泡沫的结构状况和黏度与动切力的关系。图 22泡沫黏度随泡沫质量分数的变化 图23泡沫屈服值随泡沫质量分数的变化2.3.4泡沫的密度（泡沫质量）泡沫是以气体为内相（非连续相），液体为外相（连续相）的气、液分散体系，大量试验研究结果表明，泡沫质量对泡沫的流变性能有着直接的影响。 目前泡沫钻井广泛应用的泡沫流体是稳定泡沫，它是由空气、液体、发泡剂和稳定剂形成的分散体系。泡沫质量，为在一定的温度和压力下，单位体积的泡沫中所含气体的体积，即泡沫的密度。它取决于气液相的比例泡沫的密度取决于气液相的比例。若已知液相密度，气象密度和气象饱和度，则泡沫密度为： （21）泡沫质量在一口井的各个井段是不同的，因井下位置不同，温度压力不同，泡沫质量也随之发生变化。以排液为主要衰变机理的泡沫，其稳定性随泡沫质量的增加而增加；以气体扩散为衰变机理的泡沫，其泡沫稳定性随泡沫质量增加而降低，膜较厚的泡沫就属于这种情况。前者，因泡沫质量高，气泡半径小，泡沫变薄，排液速度降低；后者由于泡沫质量增加，加速了气体扩散速度，泡沫变得不稳定。2.3.5泡沫的流变性泡沫是气体的聚集体，彼此之间被薄薄的泡沫液膜分隔，泡沫液成为连续相，气体成为非连续相，大量的气体以很小的气泡分散在连续的泡沫液相内。泡沫的流动属于两相流动，但是，当气泡的大小与流动边界的几何尺寸相比较要小得多时，可以把泡沫近似看成均相流体。泡沫具有非牛顿流体特性，它是一种假塑性流体，在低剪切速率下具有很高的表观粘度，其粘度随剪切速率的增加而降低。在一定的剪切速率下，泡沫的表观粘度随泡沫质量的增加而升高。泡沫的流度是描述泡沫流变性的一个参数。泡沫流度定义为通过单位截面积的泡沫总流量与气液同时通过岩样所需的压降之比，单位是泡沫的视粘度定义为岩样的水渗透率与测定的流度之比，单位为mPas。Mitchell通过实验得到如下结论如：（1）泡沫流型，当气相饱和度=00.54时，为牛顿流型；=0.540.96时，为宾汉流型。 （2）关于泡沫的粘度，决定于气体的粘度、液相的粘度和气液比。当=00.54，液相粘度为时，泡沫的粘度为： （22）当=0.540.96时，泡沫的粘度为： （23）（3）几个参数之间的关系是：； （24）2.3.6泡沫的悬浮性和携砂能力泡沫的悬浮和携砂能力是钻井作业要求的重要性能。悬浮性受静切力的影响携砂能力主要受动切力和黏度的影响。前苏联钻探工作者研究了不同类型泡沫流体携带砂岩和碳酸盐岩岩屑的能力，得出如下结论： (1)统计数据表明，稳定的非离子与阳离子复合表面活性剂泡抹携带砂岩颗粒的能力强，而用非离子表面活性剂和阴离子携带碳酸盐岩类砂粒较好。单一表面活性剂稳定的泡沫不如复合表面活性剂泡沫的携砂能力强： (2)泡沫的静切力与湿度有密切关系，利用阴离子表面活性剂做实验得出的数据如表21所示。可以看出，泡沫湿度增加，静切力下降湿泡沫是表面活性剂不足造成的。湿泡沫的出现，导致携砂能力下降。表 21 静切力与湿度的关系湿度/%2.53.94.97.5.82静切力/0.90.810.750.670.58(3)选择合理的表面活性剂含量非常重要。泡沫中表面活性剂含量大于1.5后，静切力不会进一步提高，泡沫中表面活性剂的浓度太高，则泡沫失去均一性，携屑能力会降低。表面活性剂最佳含量应为0.3%0.5%，这时泡沫质量最好。2.3.7 泡沫的滤失性能泡沫具有很好的防滤失特性，在相同条件下可与优质泥浆媲美。究其原因是泡沫的立体网架膜结构在地下孔隙中有效地阻隔了液体的渗流。泡沫的滤失性与泡沫本身的稳定性及地层孔隙结构尺寸有直接关系。泡沫气相与液相间有界面张力，当泡沫进入微细孔隙时需要有较大的能量以克服表面张力使气泡变形。从动态滤失试验的数据可说明这一问题，当岩芯渗透率低于m时，泡沫通过岩芯后完全破坏，分离成气相和液相。随着岩芯渗透率的增加，泡沫成分增加。当渗透率达到m时，渗滤出来的流体都是泡沫。这意味着高渗透介质中，气泡变形很小，或根本不发生变形，以致对滤失控制较小。2.3.8泡沫的热物理性能 稳定的泡沫流体是一种多相体系，因而泡沫热容量取决于其组成并服从叠加法则，可以根据组分热容量与其在多相不均匀体系中的含量成正比来计算泡沫的热容量。由于气体的热容低于液体，所以泡沫的热容低于液体。 （25）式中：、泡沫、液相、气相和表面活性剂的热容，；、各组分的体积含量。为了确定其导热系数，可根据下列公式进行计算： （26）式中：、泡沫、液相、气相的导热系数，； 泡沫中液相充满度，%。九、 泡沫的腐蚀性与毒性在钻探(井)作业中，应考虑到泡沫流体的高腐蚀性，如应该尽可能用不锈钢制造重要部件，并保证零件有聚合物涂尘，停钻后应该用水清洗钻探设备和工具。在泡沫井中加防腐蚀剂亦可降低泡沫的腐蚀性，调整PH到高值范围亦有防腐蚀能力，一般PH值在89左右。泡沫剂的毒性与其类型、分子结构和浓度有关。阳离子型的毒性最大，阴离子型的次之，非离子型的最小。在阴离子表面活性剂中，直链十二烷基苯磺酸钠(LAS)的毒性最大，而烯烃磺酸盐(AOS)的毒性较小。非离子型泡沫剂中脂肪醇聚氧乙烯醚（AEO）的毒性比烷基苯酚与环氧乙烷的缩合物（OP）的小，随着憎水基炭链的增长和环氧乙烷聚合度的增加，毒性降低第三章 泡沫钻进技术的基本理论第一节 泡沫钻进的工作原理与特点3. 1. 1泡沫钻进的工作原理 泡沫是一种由压缩空气(或其他气体)注入到不可压缩的流体中混合而成的特殊钻井介质。为了形成稳定的泡沫，不可压缩的成分通常由处理过的淡水加上泡沫活性剂组成。钻进不太深的钻孔时，泡沫可以在地面预先处理好，然后注入到钻柱内部，进入孔内循环。在深井钻井作业中，钻柱内部的压力过高，以至于泡沫流体只能像充气液一样沿钻柱内部向下流动，当它通过钻头喷嘴时自动转换为泡沫混合物，然后以稳定泡沫状态沿环状空间向上流动。 泡沫与一般充气液明显不同，具有非牛顿流体的特性。泡沫结构具有很好的力学特性弹性、塑性、强度和稳定性。泡沫的静切力可达120Pa，泡沫流动时由于它的弹塑性，使得紊流的脉动现象消失，转变为涡流。岩屑上返速度与泡沫的流速接近。泡沫作为清洗介质，其携岩能力超过一般冲洗液的几倍，降低了比能的消耗。环状间隙内泡沫的流速为0.31.5m/s时，就具有良好的冲洗性能。 泡沫是可压缩的钻井介质，从孔底上返至孔口的速度将随其中气相体积的增加而增加，同时泡沫结构的力学和流变特性也发生变化。在钻孔循环中，泡沫流速最低时，其压力最大。由于泡沫的结构力学性质，使压缩空气的位能能保持很长时间。当关闭循环后，环状间隙中携带岩屑的泡沫还会继续上返。实验证明，在等同的液体消耗量和充气度条件下，泡沫流动循环中的压力低于充气液流动的压力，这表明泡沫是一种均相介质。 当泡沫流向漏失的裂缝和孔隙时，具有表面张力特性的稳定泡沫就会填充裂缝和孔隙，泡沫的气泡封锁、限制或阻止了泡沫流人漏失层，从而使钻井作业得以安全进行。泡沫钻井作业几乎都是正循环作业。3. 1. 2泡沫钻进的优缺点一、泡沫钻进的优点（1）良好的井眼清洗能力：钻井过程中，泡沫的低沉降速度能够提供非常好的岩屑携带能力和运输性能，减少了井眼清洗的问题。另外，泡沫还可提供辅助的润滑性能，使气体处于泡沫溶液，从而减少了井眼阻力，同时也提高了井眼的清洁程度。（2）减少环空流体分离：泡沫系统不仅能有效地清除井底岩屑，而且在循环停止后使岩屑处于悬浮态，减少环空流体的分离，阻止流体在井底形成大的段塞。因此，当采用泡沫系统钻井时就可获得高质量的岩屑样品。大的岩屑更能代表地层，并且大大简化了测井录井的工作。(3)提高机械钻速：与普通钻井液相比，泡沫钻进机械钻速明显增大，在坚硬地层增大34倍，在软地层增大12倍。同时，碎岩工具寿命延长14倍。 (4)节约用水：泡沫钻进克服了高密度钻井液相雾化钻井的缺点。大大减少了钻探过程中的用水量，为缺水、干旱地区及高山、高寒及其他供水困难地区钻进提供了一种有效的钻进手段。 (5)地层适应性广：泡沫的密度低，能够在破碎、裂隙发育地层及低压油气层中广泛应用；泡沫流上返速度低，对井壁冲刷作用小，因此在易坍塌、弱胶结性的地层中，能够有效防止孔内事故的发生；泡沫钻进能够应用于水敏性地层、完全涌失的孔段，减少了堵漏工作；泡沫钻进还适用于常年冻土地区。（6）防止井下着火和爆炸：用稳定的泡沫钻井，由于水的存在和气体被包在泡沫中，所以泡沫钻井通常不会发生井下着火和爆炸。二、泡沫钻进的不足之处（1）设备较多，一次性资金投人大，且有些设备质量和体积大，搬运困难，在一些交通不便的地区实施起来十分困难。（2）工艺技术较复杂，目前还没有完善成熟的钻井工艺系统。（3）部分泡沫具有一定的毒性和腐蚀性，且会对环境造成一定的污染第二节： 泡沫钻进的循环方式与灌注方式3. 2. 1 泡沫钻进的循环方式泡沫钻进的基本循环系统，一路由压风机泵送空气通向泡沫发生器，另一路由输液泵泵送泡沫液通向泡沫发生器，空气与泡沫液在泡沫发生器中剧烈混合形成泡沫，再通往机上钻杆向钻孔内输送。简单的泡沫发生器可以由若干层金属网栅组成，高速气流携带着泡沫液冲打在金属网栅上形成泡沫。根据不同的钻井要求和条件，泡沫钻井循环系统的复杂程度不同。总体上看有两种，即开式系统和闭式系统。开式系统是泡沫携带钻碴至地表后即废弃不再重复使用。这种系统的基本特点是简便、安全。作业中应注意：可任意调节泡沫液的注入量，以适应不同钻井的要求；无论钻杆中的空气压力变高或变低，系统应能保证泡沫液的单位时间注入量不变，以确保良好地排屑；系统必须有足够的压力以保证能把泡沫液注入到钻杆中去。闭式系统是带钻碴的泡沫返出地表后，分离除去钻碴，再回收泡沫重复使用。对于孔深大于150m的钻孔，孔内循环压力较高，这时一般输液泵的能力不足以克服如此高的压力。因此，必须配备升压器及其专用泵，在升压器中泡沫液和压缩空气混合且升压，再输入孔内循环。这种装置可用于孔深达1500m的钻孔。3. 2. 2 泡沫钻进的灌注方法泡沫的灌注方法大体也分两种：一种是间歇式循环，另一种是连续式循环。1间歇式循环为了节省泡沫剂的用量，降低成本，在大口径钻井施工中经常采用这种方法。具体的操作方法是先使用空气钻进，在孔内岩屑不断增多、钻进效率明显下降时，再启动泡沫灌注泵以全泵量集中向孔内灌注泡沫液，待压力达到22.5MPa时，稍提钻具造成孔内的暂时压降。形成瞬时井喷而将孔内的岩渣携带到地表，达到清孔的目的。2连续式循环连续式循环是目前小口径钻进中经常采用的循环方式，它是先以小风量低风压启动泡沫泵，待其工作正常后再输入所需的风量，并控制泡沫的灌注量量，直到一个回次结束。 第三节 泡沫钻进设备空气泡沫钻进采用的设备与常规泥浆钻进相比，只需将循环系统设备改变一下即可，任何一种回转式钻探设备只要摒弃原来以泵为主体的循环设备，换上空压机为主体门泡沫灌注系统，即可进行泡沫钻进。泡沫钻进灌注系统配套设备包括：空气压缩机机、泡沫注入泵、泡沫发生器、孔口密封装置、泡沫增压装置、孔内泡沫钻具等。3.3.1 空气压缩机空压机是泡沫钻进的重要设备之一，由于泡沫有较强的排粉能力，故其在孔内环空上返流速较低约在0.51m/s之间时就可保证孔内干净，而用空气钻进时上返流速要达1525m/s。泡沫钻进对空压机的要求是中压、大风量、体积小、重量轻等。风压主要根据孔深而定，对于常规口径的钻孔，一般风量为1.515，风压为0.44MPa。沫钻进所用的风量小，仅为空气钻进的1/25，但是考虑带动潜孔锤工作，冷却钻头及消泡需要，故选用风量还需大些，可按空气钻进选择，风量为915/min。但由于使用增压装置，可用低压空压机或中压空压机，压力0.71.6MPa。在选择空压机时，其风量、风压应扩大25%左右。当孔径比较大时，可采用几台空压机并联使用。3.3.2泡速灌注泵 泡沫灌注泵是泡沫钻进的又专用设备，其作用是待泡沫液从贮液箱中吸出并注入到泡沫发生器中，使泡沫液与压缩空气在泡沫发生器中混合，形成稳定的泡沫。对泡沫泵的基本要求是：排量为0100L/min，最大压力应比空压机压力高0.51.0MPa，达到45MPa。泡沫泵的类型应是流量可以调节的多缸柱塞泵。根据泡沫钻进时气液比和空气量确定泡沫注入泵的排量，一般为3050L/min，注入泵压力若用泡沫增压装置，压力与增压装置的额定压力相同。3.3.3泡沫发生器泡沫发生器连接在空压机、灌注泵与水龙头之间，它是获取均匀、稳定、连续泡沫的重要部件。泡沫发生器主要类型有（1)空气气流与泡沫溶液液流多次互相撞击而产生泡沫;（2)空气通过泡沫液利用空气的鼓泡作用而产生泡沫:（3)在压力作用下经喷雾器喷在网上产生泡沫;（4)用旋转的叶片式滑轮搅拌而产生泡沫。3.3.4孔口密封装置 对于泡沫回转钻进，由于泡沫液流上升的速度缓慢，一般孔口无喷出现象。对于泡沫冲击回转钻进，由于空气的流量大（约为回转的22.5倍），故在回次钻进中，夹带岩粉的气液混合物会突然喷出。为此需采用密封装置，其主要防止钻进时泡沫从孔口喷出，并且将泡沫引入到消泡器中，要求在提钻时又能及时打开，故可采用半开合式的密封装置。目前所使用的多数都是转盘式的，由于结构和工艺的限制，这些密封装置的使用寿命都不长。另外，在进行泡沫钻进时，对钻具的密封性也有一定的要求，在正常钻进时所使用的钻具不应产生泄漏，否则应采取密封措施。3.3.5泡沫增压装置 泡沫发生器只适用于浅孔且压力不大的情况，而在深孔钻进或孔内有比较大的涌水时，将会使泡沫的循环压力变得很大，此时就必须使用专门的增压型的泡沫增压泵。增压型泡沫增压泵按其结构的不同有两种类型：其一是泡沫注入泵与泡沫发生器为一个整体。这种泡沫增压装置的整体性强，但需专门进行制造，使其成本增加很多，故在施工现场使用得不多；另一种是泡沫钻进中应用得最多的结合型泡沫增压泵，它是利用现有水泵改装，由三个缸套形式做成的压缩腔室组成。缸套被垂直地安装在水泵的三个压送端，每一压缩腔室都有单独的阀组每