高密度泥浆起泡机理及消泡技术

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1、1高密度泥浆起泡机理及消泡技术1.1泡沫及消泡1.1.1泡沫泡沫是气体分散于液体中的分散体系。其中，气体是分散相，液体是分散介质。由于气体与液体的密度相差很大，因此，泡沫中的气泡会很快上升至液面，形成被一薄层液膜隔开的气泡聚集体，即通常所说的泡沫。由于气泡的紧密堆积和气体极易变形，因此，作为分散相的气泡一般以多面体的形态而存在。泡沫的形成是十分简单的：它只需要向气流里注入一种活性剂，活性剂可以充分降低水的表面张力。但是由于体系的表面自由能降低了，在钻井选择一种发泡剂时必须考虑其耐性。所以泡沫短时间内倾向于破裂。由于纯液体不能形成稳定的泡沫，能

2、形成稳定泡沫的液体，至少必须有两个以上的组分。因此，从广义上讲，能形成稳定泡沫的液体统称为泡沫剂，如表面活性剂水溶液是典型的易产生泡沫的体系。除此之外，一些非水溶液也常产生稳定的泡沫。在泡沫钻进过程中，不仅要求泡沫剂产生大量的泡沫，而且还要求其产生的泡沫必须能保持一定的时间，具有足够的稳定性。泡沫的稳定性就是指泡沫存在“寿命”的长短、发泡剂在一定条件下具有良好的起泡能力，产生大量的泡沫，但泡沫存在的寿命有长有短。由于气泡破裂之后，体系液体的总表面积大大减小，固体系能量降低，因此，就其本质而言，泡沫是热力学不稳定体系，泡沫破坏主要由于液膜排液变

3、薄和泡内气体的扩散。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。另一方面，由于钻井液处理剂许多都是表面活性剂，因而在循环过程中容易发泡。为了消除钻井液中的泡沫，以保证液柱压力能够平衡地层压力，防止井喷，通常需要加入一些消泡剂。1.1.2发泡水基钻井液在钻井实际应用中一直占据主导地位，由于水基钻井液组分较为复杂。属于多相胶态体系。其体系中即使不含有易发泡的物质，但由于其它各类添加剂的加入，体系中总要存在某种表面活性物质

4、，水基钻井液的表面张力必然较纯水低。因此在各种环境因素(如搅拌、流动等)的作用下，钻井液中总会有气泡生成，由于气体密度低，在液面上便形成分布大的球状气泡的聚集体—泡沫。当钻井液中不含有易发泡物质时，这些泡沫极不稳定，极易消失。但是若水基钻井液中某些添加剂(如木质素磺酸盐、石油磺酸盐等)含有易发泡的组分时，其憎水基伸向气泡内部气体，亲水基伸向气泡外流体，从而在气泡表面形成液膜，使泡沫稳定性增强。这就是我们常常看到的钻井液的发泡现象。1.1.1消泡由于起泡体系和使用条件不同，所用的消泡剂亦不尽相同，为满足各种需要，应生产出品种多样、性质各异的消泡

5、剂。消泡剂在其物理及化学性质方面应符合以下条件：1.消泡剂对起泡体系有高效的消泡作用，比起泡介质更低的表面张力，不溶于起泡介质，且不受起泡体系增容作用和降解作用的影响；2.消泡剂对起泡体系是惰性的，不起化学反应，对最终产物无副作用，不影响产品性能和外观；3.还要满足钻井过程特殊条件，如pH值和温度的要求；4.消泡剂在使用时操作方便，易处理、自身有较好的贮存稳定性、长期存放不变质，对人、畜和自然环境安全。1.2泡沫性质及稳定性影响因素1.2.1泡沫质量参数泡沫是不溶性(或微溶)气体分散于液体中形成的多相分散体系，其中液体是连续相(分散介质)，气

6、体是非连续相(分散相)。因此，泡沫中的气泡会很快上升至液面，形成被一薄层液膜隔开的气泡聚集体，即通常所说的泡沫。由于气泡的紧密堆积和气体极易变形，因此，作为分散相的气泡一般以多面体的形态而存在。由于纯液体不能形成稳定的泡沫，能形成稳定泡沫的液体，至少必须有两个以上的组分。因此，从广义上讲，能形成稳定泡沫的液体统称为泡沫剂，如表面活性剂水溶液是典型的易产生泡沫的体系。除此之外，一些非水溶液也常产生稳定的泡沫。泡沫具有很大的表面自由能，在破泡之后体系液体的总表面积大大减少，即能量降低，因而，它是一种热力学上的不稳定的体系，但在一定条件下，采取合适

7、的措施，可以保持一定的稳定性。为了表征这种混合体系中相的状态，最常用的两种方法是卡扎科夫法和米切尔法。卡扎科夫采用泡沫倍数值Kr，即泡沫的体积Vr与液体体积Vl之比为：Kr=Vr/Vl(11)当Kr<3.8时，这种混合体系被认为是液体中的气体乳化物，当Kr>3.8时为稳定泡沫。泡沫的稳定性的流变性变化取决于泡沫质量参数。泡沫质量参数即：气体量/(气体+液体量)，或气体体积与泡沫总体积之比。用τ表示。最佳泡沫质量参数为0.98-0.75，或含液量为2-25%。泡沫质参参数在一口井的各个井段(井口与井底)是不相同的，这是因为不同位置时温度压力不

8、同，气体体积是个变数。所谓最佳泡沫质量参数范围，即在这个范围内真正形成钻探(井)作业时所需的稳定泡沫，此时，泡沫的结构特点最优越，粘度和动切力最佳，携带井下钻屑能力