巖屑對泡沫劑性能影響的試驗研究

王艷麗

（中國地質科學院勘探技術研究所，河北 廊坊 065000）

泡沫劑的發泡性能主要取決于發泡劑。要使泡沫穩定，必須在溶劑水中加入發泡劑（表面活性劑），再向溶劑水中充氣即可。因為表面活性劑的存在不僅使起泡變得容易而且起泡速度超過破泡速度，從而得到穩定的泡沫。實際生產和實驗證實，無機電解質的加入會影響發泡劑的發泡性能。在泡沫鉆進過程中，由于巖粉的帶入，一些可溶的無機電解質溶解到泡沫液中，會使發泡劑的發泡性能降低。因此有必要研究巖屑對泡沫劑性能的影響，為實際生產提供指導。

1 試驗

1．1 試驗藥品與儀器

（1）試驗藥品：乙氧基化烷基硫酸鈉，簡稱AES、α－烯基磺酸鹽 AOS、ADF－3泡沫劑（復合型發泡劑），5、10、50、100、150和200目的砂巖巖屑、灰巖巖屑、頁巖巖屑。

（2）儀器：攪拌器，托盤天平，量筒：100 和250mL；燒杯：1000mL；玻璃棒；秒表，恒溫加熱器。

1．2 試驗泡沫液的配置

試驗在室溫下采用自來水配置試驗溶液。

（1）0．4%AES＋自來水；

（2）0．4%AOS＋自來水；

（3）0．4%ADF－3＋自來水。

1．3 試驗方法

試驗采用Waring Blender攪拌法，在有刻度的1000mL攪拌杯內盛入100mL試液，以11000r／min的速度攪拌60s，停止攪拌后，記下杯內泡沫體積V0（mL）和時間，用V0來衡量試液的起泡能力，泡沫排出50mL液體的時間T（s）叫做半衰期，用τ來衡量泡沫的穩定性。顯然V0愈大，T越長，泡沫性能就越好。除特別指出的外，所有測試均在40℃的溫度下進行。

2 巖屑粒徑對泡沫劑性能影響

以砂巖為例，將分成5、10、50、100、150和200目的巖屑分別加入配置好的泡沫液（泡沫液配方為0．4%ADF－3＋自來水），采用攪拌法分別對加入這幾種不同粒徑巖屑的泡沫液進行有關發泡量和半衰期的試驗，觀察泡沫液的變化情況，記錄發泡體積和半衰期。

圖1 巖屑直徑對發泡量的影響

通過對試驗數據的觀察分析，可以看出，當巖屑直徑為50目時，泡沫液的發泡量和半衰期都比較大，隨著巖屑直徑的增大，發泡量先減小而后增大，而半衰期一直變小。在鉆井過程中，巖屑隨著泡沫液上返，在上返的過程中巖屑受自身的重力和泡沫浮力作用，當巖屑顆粒較大，巖屑自身的重力大于浮力作用，巖屑的相對運動破壞泡沫本身的結構，從而導致發泡量和半衰期變小。

圖2 巖屑直徑對半衰期的影響

3 巖屑濃度對泡沫性能的影響

試驗分三輪進行，第一輪進行AES發泡劑，第二輪進行AOS試驗，第三輪進行ADF－3泡沫劑試驗。每輪試驗共分三組。第一組為灰巖試驗，第二組頁巖試驗，第三組為砂巖試驗，發泡劑濃度均為0．4%。每組配制7個100mL的試樣，7個試樣中巖粉含量依次為0%，0．2%，0．4%，0．6%，0．8%，1．0%和1．2%，靜置12h后待用。試驗發泡量結果如圖3、4、5所示，半衰期如圖6、7、8所示。

圖3 AOS在不同巖屑濃度下發泡量

圖4 AES在不同巖屑濃度下發泡量

圖5 ADF－3在不同巖屑濃度下發泡量

圖6 AOS在不同巖屑濃度下的半衰期

圖7 AES在不同巖屑濃度下的半衰期

圖8 ADF－3在不同巖屑濃度下的半衰期

試驗結果分析：

（1）發泡量：由圖3、4、5可以看出，隨著巖屑濃度的增大，三種泡沫劑的發泡量均在減小，而灰巖巖屑引起的發泡量下降幅度最大。在不同種類和不同濃度巖屑濃度下，ADF－3泡沫劑的發泡能力優于AOS、AES?；規r，是以方解石為主要成分的碳酸鹽巖，在泡沫劑溶液中，部分碳酸鹽溶于水，從而增加溶液中無機鹽、弱酸根離子的含量，降低發泡劑中表面活性劑的活性，因而嚴重降低了發泡劑的發泡量。ADF－3泡沫劑是復配型陰離子和非離子表面活性劑，抗鹽、抗酸性高，泡沫劑的發泡性能好。

（2）半衰期：由圖6、圖7、圖8可以看出，泡沫液高速攪拌起泡后，隨著巖屑含量的增加，三種發泡劑的半衰期均呈減小趨勢。原因是起泡后，巖屑微小顆粒分散在泡沫中，這些小顆粒充當了泡沫中的“固相”，形成三相泡沫。而巖屑大大降低了泡沫液膜的穩定，使泡沫穩定性顯著降低，當膜局部受損時，“傷口”不能迅速彌合，氣泡容易破裂，進而降低了泡沫穩定性。

4 結論

（1）隨著巖屑濃度和巖屑粒徑的增大，發泡劑的發泡性能和半衰期均降低。在實際鉆進過程中，要提高泡沫劑的添加比例，以保證攜屑過程中泡沫量滿足要求。

（2）灰巖對泡沫劑性能的影響較大，因此在鉆進灰巖地層時，要適當增加泡沫劑的添加比例。

（3）ADF－3復合泡沫劑的發泡性和穩定性優于單一發泡劑，可在多種復雜地層條件的空氣泡沫鉆進、潛孔錘鉆進中應用。

（4）泡沫鉆進成功與否關鍵取決于泡沫，泡沫的產生來源于發泡濟。

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