1、1ADF 系列泡沫剂的研究与应用中国地质调查局勘探技术研究所 苏长寿 地址: 河北省廊坊市金光道 77 号电话: 0316 2096344 13803227586 http: Email: 2ADF 系列泡沫剂的研究与应用一、概述ADF 系列泡沫剂是原地矿部攻关项目“多工艺空气钻进技术的开发研究”的专题子项目。ADF 系列泡沫剂是无毒、无污染、可生物降解的复配型液体表面活性剂，其主要技术性能已达到国外同类产品水平，获地矿部科技进步奖。已广泛应用于地矿、石油、水利等部门，并应用于非洲及东南亚地区的水井承包工程。经过多年的推广使用以及不断的性能改进，使之性能更加完善，现在已经过外贸代理商成功地销往
2、东南亚地区。ADF 泡沫剂主要分为三大类：空气泡沫钻进泡沫剂；用于油气田的泡沫剂（即化排剂） ；GF-1 气田泡沫排水棒（即固体泡沫剂） 。泡沫钻进技术是空气钻进技术向纵深发展的结果，它不仅扩展了介质密度范围，而且成为空气钻进衍生的重要配套工艺技术。泡沫流体的应用，对解决和克服空气循环所遇到的困难和问题，对改善和提高空气钻进技术的应变能力，有着十分重要的意义。泡沫流体兼备液体与气体的良好性能，可增强洗井能力和洗井效果，具有稀释、减阻、增浮、降压、润滑等作用，可用于干旱缺水地区、低压地层、漏失层和不稳定地层的潮湿孔洗井和干风防尘处理等。泡沫流体比热低，故可用于钻进永冻层。特别适于西部干旱缺水地区
3、的各类工程井施工及油田采油后期井。空气泡沫是低密度介质，能降低液柱压力，有利于提高钻速；空气泡沫能有效冷却钻头，排屑干净；3在水井、油、气钻进遇低压时，有利于保护产层，实现高速负压钻进。在油井的漏失层冲洗井作业中，能实现快速冲砂，洗井干净，有利于修井作业中，延长冲砂周期；二、泡沫流体的基本物理性质钻进流体以“液相”原则分类，有水基、油基和低密度的气基。气基钻进流体又可分为空气（或天然气） 、雾化、泡沫和充气泥浆。流体密度范围分类如图 1 所示：（ 气体和液体一样，对侵入其中的物体都施加压力，都没有一定的形状，而且都容易流动，所以把它们统称为流体。）图 1 流体密度范围分类表泡沫流体：在空气流中
4、注入一定量的泡沫液，使介质在循环中产生大量的稳定泡沫，在气液两相介质中，液体为连续相，气体为非连续相。如在泡沫液中含有机物或坂土，则称为胶汀泡沫或硬泡沫。泡沫流体可增强洗井能力和洗井效果，它比雾化有较多优点。泡沫钻进中多以阴离子表面活性剂，非离子表面活性剂或它们的复合剂作为泡沫剂。为改善泡沫流体性能，在泡沫剂的基础上还可加入提高泡沫稳定性的稳定剂，防止腐蚀的抑蚀剂、润湿剂等。4由于在钻进过程中，泡沫形成的复杂性，它受到物理、化学以及技术因素的诸多影响，以致必须研究泡沫系统的性质，如发泡能力、泡沫稳定性、流变性、泡沫携带岩屑能力，热物理性质及润滑性等。1、发泡剂的发泡能力。这是在一定时间和一定条
5、件下（温度 、压力等） ，由一定容积的表面活性剂溶液所形成的泡沫体积量或泡沫液高度。泡沫是气相分散于液相中的分散体系，气泡之间有液膜或泡壁）而不能彼此连通，泡沫剂产生的泡沫越多，发泡能力越强。评价这个指标，可采用一系列方法。如振荡法、打击法、搅拌法、吹风法、超声波法、模拟法等。更精确的是用 ASTM 标准的罗氏米尔仪（ ROSSMiles）和API 标准泡沫实验装置进行测定。影响泡沫剂溶液发泡能力的因素是表面活性剂的分子结构、溶液浓度、温度、表面张力及添加剂的类别等。阴离子表面活性剂与非离子表面活性剂复配的泡沫剂具有良好的起泡性能；表面活性剂的浓度只有在稍高于临界胶束浓度时（即 C、M、C 值
6、） ，才能充分显示其作用，达到一定浓度范围后，发泡能力不再继续增长，表面活性剂的临界胶束一般在 0.0010.2g 分子 /L，即 0.020.4 ；泡沫剂的发泡能力随温度上升而增加，当温度较高时，发泡能力下降，这是由于液膜强度降低造成的；当溶液含有盐时，亦影响发泡能力。2、泡沫稳定性：表示泡沫寿命与泡沫结构强度，其为保持泡沫总体积、分散组分与防止液体析出的能力。作为泡沫稳定性的单位可采用泡沫总体积或它的一部分单独成膜或发泡存在的时间来评价，测定稳定性亦可用罗氏米尔仪。5欲得到温定泡沫，对泡沫剂的要求是：1）降低表面张力：泡沫剂形成泡沫时，泡沫体系的面积必然增加，体系的自由能也随之增加，从热力
7、学观点来看，这样的特性是不稳定的，泡沫易于破碎，要使体系稳定，液气界面应有低的表面张力；2）在气泡周围形成坚固的膜：仅降低体系的表面张力，尚不足于使泡沫稳定，泡沫易于受到周围外力影响，因此泡沫必须具有一定的机械强度。从这一因素出发，泡沫剂分子应是长链形的，碳氢链越长，链间的范德华吸力也越大，泡沫的机械强度也越高。有些物质表面活性不大，但能形成牢固的泡沫，如羧甲基纤维素等。3）要有适当的表面粘度：气泡间的液膜受到两种作用力，即地心吸引力于曲面压力，其结果都促使气泡间的液体析出，膜壁越来越薄而使气泡破裂。如果泡沫液膜有较大粘度，液体就不易析出，但液体粘度过大又会防碍气泡升至液面，因此对粘度的要求是
8、液体的粘度要小，而膜的表面粘度要大。3、泡沫流体的流变性：泡沫流体的下列物理特性影响流变性。1）内相的气体粘度；2）外相的液体粘度；3）气相与液相的相对体积浓度；4）表面活性剂的类型与泡沫的界面薄膜性质；5）电动势；6）泡沫大小分布等。4、泡沫的携带岩削能力：钻井液有效地输送岩屑到地面的能力叫6它的携带能力。由于固体颗粒总是以恒定速度从钻井液中沉淀出来，一般称为最终沉降速度或下滑速度。任何颗粒的最终速度取决于许多因素，如流体的密度和流动性质、颗粒的体积、密度、形状等。泡沫流体携带岩屑能力取决于泡沫的环空速度与流变性能，表面活性剂对岩屑的润滑作用等。泡沫流体具有较强的携带岩屑能力，大约为水的几倍
9、。此外泡沫流体中的表面活性物质对岩屑的润湿作用，改变了岩屑的界面性质，形成了吸附层，也提高了泡沫流体的携带岩屑能力。5、热物理性质：泡沫流体是一个多相系统，计算泡沫系统的比热应视为多相不均匀系统中他们组分含量的累计比热。目前确定热传导系数有一系列不同公式，泡沫流体由于有气相存在而使它们的热传导性降低。6、润滑性：表面活性剂是泡沫流体的组分之一，在钻进过程中，表面活性剂吸附在钻具与岩石上，从而降低摩擦而起到润滑作用，另外表面活性剂吸附在岩屑表面上而防止了它们结团。泡沫流体的减振与润滑，为高转速的金刚石泡沫钻进展示了良好的应用前景。ADF 系列泡沫剂的基本性能ADF-1、ADF-2 与 ADF-3
10、 型泡沫剂均为复配型阴离子和非离子表面活性剂。近几年来，ADF-3 型泡沫剂，主要技术性能经不断的改进、完善、抗高温及稳泡性都有很大的提高。见图 3 示意。7图 3 泡沫剂照片A 技术性能指标项目 指标 项目 指标外观 淡黄色H0起泡力（罗氏法）mmH10185180ADF-1 80密度 g/cm3 1.05 抗温ADF-3 120PH 值 810 抗 NaCl% 10浊点 95 抗 Ca2 mg/L 1000B、GF-1 气田泡沫排水棒GF-1 气田泡沫排水棒是以表面活性剂、稳定剂及多种助剂按独特工艺技术配制而成的复合型棒状泡沫排水剂。它具有发泡能力强、泡沫稳定性好、携液量大、抗油、抗盐、抗
11、钙、抗硫、抗高温及溶解性好、与缓释剂配伍性好，使用方便等特点。见图 4 示意。8图 4 泡沫排水棒技术性能项 目 指 标 项 目 指 标外 观 白色圆柱体 抗油 V/V % 25密 度 g/cm3 1.16 抗盐 % 10PH 值 89 抗 Ca2 mg/L 1000发 泡 力（罗 氏 法）mm H0 190 ；H10188；抗 Ba2 mg/L 1000抗温 120 抗 Cl-mg/L 44000排 水 棒 尺 寸 mm 35400三、空气及泡沫携屑的基本特性（一）空气的特性：从气体的物理特性来看，气体与液体一样对侵入其中的物体都施加压力，都没有一定的形状，而且都喜欢流动，所以把他们统称为流
12、体，同时共同遵循这些特性的规律，如确定流体浮力大小的阿基米德定律，表征流体传递压强的巴斯葛定律等。但是由于气体分子的分布和运动情况跟液体中的分子不一样，因此气体还有不同于液体的性质，也有一些定律只适用于气体而不适用于液体。对于气体来说，压强和温度的变化，对它的体积有十分显著的影响，气体受热时体积的膨胀要比液体大的多，同时压强增加，体积就缩小，9这说明气体的压强、体积和温度是密切联系的。因此气体的压强、温度和体积表明了气体状态，对一定质量的气体来说，如果这三个量都不改变，我们就说气体处于一定的状态中，如果其中任何一个量改变，这时气体的状态就改变了。具体来说，在标准状态下（0 0C,一个大气压）
13、，空气密度为1.29Kg/m3,只相当于水的八百分之一，而水为 1000Kg/m3。同时空气的粒度也很小，在同样的条件下，动力粘滞系数只有水的五十五分之一。（二）气举作用及运动状态在干孔纯空气洗井中携带岩屑的作用，是属于气力输送问题。岩屑在空气介质中，因本身的粒度、密度和形状不同而有不同的沉降速度，这种差异归根结底是由介质的浮力和阻力所引起的。所以研究浮力和阻力就成为探讨岩屑运动差异的基本问题，而沉降也有二种不同的型式，一是自由沉降，即单个岩屑在空气中的独立沉降，此时岩屑除受有重力、浮力和阻力作用外，不受其他因素影响；二是干涉沉降，即单个岩屑在岩屑群中的沉降，成群的岩屑（包括岩粉）和介质组成分
14、散的悬浮体，这时岩屑间的碰撞及悬浮体平均密度的增大，使个别颗粒的沉降速度降低了。干涉沉降是空气洗井过程中的基本形式。但为了便于研究和分析问题，常把岩屑的沉降作为单体对待。（三）岩屑的沉降速度及悬浮速度的计算岩屑具有各种形状，为了便于研究和分析问题，假定岩屑为球体，首先研究岩屑在静止空气介质中的运动规律。设岩屑颗粒的质量为 M，在空气介质中借有效重力 G 的作用开始自10由沉降，根据浮力原理其公式为：G=W1-W2(Kg) (1)式中：W 1岩屑自重 （Kg）W2- 所受浮力（Kg）然后通过球体积即浮力的基本换算，可得下式：G= （Kg ） （2 ）式中： d1-岩屑颗粒直径 （m）r-岩屑的比
15、重 （Kg/m 3）r2-空气的比重（Kg/m 3） （0.00129g/cm 3 = 1.29kg/m3）沉降时，还要受到阻力 F 的影响，其值由牛顿自由落体运动公式得：F=C1 A1 V21 (Kg) (3)式中： C1-岩屑在空气中以速度 V1 运动时的阻力系数：A1岩屑在运动方向的投影面积（m 2）g-重力加速度（m/S 2）然后再根据牛顿第二定律，求得岩屑在空气中沉降的运动方程：G-F=M (4)依次将（2） 、 （3）式代入上式得：(r1-r2)/r1-C1 3r2 r21/4gd1r1=M (5)当阻力达到使岩屑沉降的重力时，运动出现平衡，进行等速沉降，而等速沉降的速度称为岩屑的
16、沉降速度，以 V1 表示，如下图 5 所示。11图 5 岩屑的运动状态如岩屑在孔内均匀气流的作用下，设气流速度为 V2，则岩屑运动的绝对速度 V3 为：V3=V2-V1 (m/s) (6)当 V2 V1 时 则 V3=0这时岩屑处于静止状态，其气流速度为岩屑的悬浮速度，其值等于沉降速度。=0即可根据公式（5）的关系式，求得岩屑的悬浮速度值 V4，因为V1=V4 所以：V 4 (7)式中 C1 系数值，可根据有关文献介绍的方法，近似地表示为：C1=式中： K-系数岩屑在流体中运动时的雷诺数。原因岩屑颗粒比较大，因此可以认为阻力系数与雷诺数关系不大，12故如果选系数 K=0.44，则 C10.44
17、。又因 r2r1,然后再将有关值代入（7） ，即可得下式：V4=5.45 (m/S) (8)这就是计算岩屑在气流中悬浮速度的基本公式。当空气的温度、压力变化时，空气的比重可按下式换算。R2=1.29* * (Kg/m2) (9)式中： t空气温度，P空气的绝对压力， 毫米汞柱从（8）式可以清楚地看出，岩屑在空气流中的悬浮速度，不仅和岩屑本身的大小及比重有关，而且和空气流的密度有关。（四）排屑速度的确定空气洗井携带岩屑的原理是属于气举，因此当岩屑在孔内受到向上气流的作用下，只要气流速度大于岩屑的悬浮速度，岩屑就被气流举起，并随着气流向上运动。所以空气洗井携带岩粉能力的大小，是如何选取比悬浮速度大
18、的排屑速度 V5.V5=K1V4(m/s) (10)在确定 K1系数时，要注意考虑以下几个问题：1、岩屑形状的不规则性；2、岩屑在排屑过程中的干涉对沉降因数的岩屑；3、岩屑结团现象的影响；4、钻孔的异常扩张和漏气；135、管道的漏气及其它因素等。因此，系数 K1的选定在满足基本要求的基础上，可适当加大。在风速不足情况下的，即所采取的上返速小于排屑速度时，采用泡沫钻进将大大有助于空气钻进的洗井效果，增加排屑能力，保持孔底清洁，改善钻头的工作环境和提高钻头的使用寿命。因为泡沫流体具有泡包气的气、液两相结构，其中液相是连续相，固相是非连续相。这样的泡沫群体，就有效地形成了泡沫的结构粘度和结构强度。而
19、在泡沫群体结构中，还具有和岩屑（岩粉）亲合吸附能力，从而形成了结构稳定，携带能力强的气、液、固 三相一体的包裹流体，这样的流体，具有比重轻、接触面积大、携带岩粉能力强的的结构特性。泡沫钻进的上返速度和环空压力问题：通过现场试验充分说明泡沫钻进有助于降低上返风速和减少供风量，也就是有助于降低对空压机的能量要求。排屑能力相当于减少三分之一的供风量和上返流速。也就是说，泡沫钻进的上返速度只相当于干空气钻进的 60。因此，所选用泡沫剂性能的好坏，直接影响着泡沫钻进的效果，但也不能忽视上返速度的作用。同样，在使用同一类泡沫剂时，应用上返速度不同。其所取得的钻进效果也不同。上返速度快，则钻进效率就高。见图
20、 6 示意。14图 6 不同环空上返速度和钻进效率的关系而循环压力则是升高趋势，其升高幅度约为干空气钻进的 1.5 倍。它与以下因素有关：（1）环孔上返速度的降低，主要是由于泡沫结构粘度和强度以及表面活性的作用和泡沫循环流体的悬浮性而造成的。从而改变了空气排屑的单一速度条件。（2）循环压力的升高，则是和循环阻力、背压升高有关。因泡沫流体是属于气液两相介质，其不仅密度有所增加，而且粘度也高，更重要的是在循环过程中，泡沫流体中包裹有大量的岩粉（屑） ，从而实际形成了气、液、固三相混合流体，而这种混合流体的流动性和干空气相比就有很大降低， 因此循环压力必然升高。见图 7 示。图 7 不同介质的循环压
21、力不同的上返速度，其所能携带的岩屑粒径大小也不同。见图 8 示15（五）流速与孔深的关系研究流速与孔深的关系，必须首先研究洗井过程中的压力损失，因为任何流体在流动过程中都有能量消耗，所以在某种情况下。虽然供风量能够满足计算的要求，但如果所用风压不足以克服洗井过程中的压降损失，这时输入钻孔的实际风量也不可能达到计算的数值。因此，要保证空气洗井的正常进行，不仅要考虑到风量的需求，而且还要考虑到洗井循环系统压降所需要的风压。如图 9 所示。图 9 风压与孔深的关系曲线 图 9 曲线条件为：供风量：56m 3/min: 钻头 MP2 型112mm：钻杆：63mm: 岩心管：108mm当然随着钻孔条件的
22、不同，其压力损失也变化不一，但就其变化规律来看，如孔内不发生异状，例如遇到地下水或钻孔缩径等现象，总是处于缓慢上升的状态，这就是干孔纯空气洗井时压力损失的基本特性，由于洗井循环系统压力损失的理论计算比较复杂，同时和实际情况出入也大，因此在实际工作中，常以实测资料为参考，一般来说，在岩心钻探的钻具匹配结构的条件下，每 m 孔深的压力损失值大约为图 8 不同环空上返速度与所携岩屑粒径大小的关系160.010.02Kg/Cm 2。同样随着压力损失的增加，空气的流速也在逐渐下降，因为流速与风压的平方根成正比，所以随着孔深的增加，压力损失增大，流速减慢，因而所携带的岩屑直径也在逐渐减少，如图 10 所示
23、。图 10 孔深与携带岩屑直径的关系四、泡沫泥浆钻进的特点及应用范围（一）泡沫泥浆的特点及应用范围：泡沫泥浆是在优质低固相泥浆基础上加入泡沫剂，进行充气发泡而配制成的一种新型低密度冲洗液。它是气体分散在泥浆中的气液固三相流体，其最大特点是密度1，液柱压力低，可实现负压平衡钻进提高机械钻速和台月效率，减少孔内事故，降低成本。在渗透裂隙地层、不稳定地层以及煤层、松散矿层等用合金、PDC、天然表镶金刚石钻头和绳索取心钻进，有防漏、护壁、保护岩心作用。（二）泡沫泥浆的主要功能：1.防漏堵漏作用；2. 防塌护壁作用； 3.润滑减阻作用；4. 携屑作用。（三）泡沫泥浆的应用范围：1、在完整、孔壁稳定的地层
24、，采用泡沫泥浆作冲洗液实现平衡钻进和负压钻进，可以提高钻进效率。2、在较完整，有轻度坍塌、漏失的地层，采用泡沫剂泥浆做冲洗液17较其它任何冲洗液在防塌防漏方面有优越性。3、在破碎、裂隙发育、掉块、坍塌或中等程度漏失的地层，采用泡沫泥浆作冲洗液，可在配方中加 2-3%的磺化沥青强化孔壁，起到抑制破碎岩层掉快、坍塌、并减少冲洗液的漏失。4、在胶结性很差的松散覆盖层，或第四系未固结不稳定地层中采用泡沫泥浆作冲洗液，由于其流变性为平板性层流，保持孔壁相对稳定，靠低返速高结构粘度有效地携带岩粉。5、对片岩、千枚岩、页岩、粘土等水敏性底层，遇水膨胀、剥落，引起缩径、掉块、坍塌、超径地层，采用泡沫泥浆作冲洗
25、液，因失水量小，且泡沫的吸附能力又强，防塌能力可提高 58%左右。6、岩盐、钾盐、芒硝等水溶性地层，孔壁易超径，泥浆性能受到破坏。在这类地层中钻进，在泡沫泥浆中加 2XC，可提高抗盐、抗污染能力，代替饱和盐水泥浆，预防岩盐地层的溶蚀。7、在大裂隙和岩溶等洞隙性地层，冲洗液全部流失，必须先采用堵漏、充填、或套管封闭等措施后，才能使用泡沫泥浆。（四）泡沫泥浆的配制：在基浆内加入处理剂（稳泡剂 CMC、PHP） ，高速搅拌约 5 分钟，再加入泡沫剂 ADF-3，经过高速搅拌或喷射发泡，就制得泡沫泥浆。附：发泡方式有两种：（1）有空压机时，由空压机引出压缩空气至高压管线的气液混合器，高压气流和高速液流
26、在混合中形成泡沫进入孔内。 （2）无空压机时，分为两种方式：一种使用专用气液混合器，该方法适用于地质钻探野外作业，对高山、缺电、缺水干旱地区施工容易18实现；另一种方式用一种专用高速搅拌装置，转速 3000r/min 左右，该方法的优点是简单易行，使用方便，但发泡量有限，且不能连续作业，有一定的局限性。（五） 、泡沫钻进（充气钻进）设备（见下图 11 示意）泡沫钻进是改善和提高潜孔锤钻进效果的重要配套工艺方法，因此在组合潜孔锤钻进设备时就要有所准备，应配备的主要有：泡沫剂、泡沫泵、泡沫液箱、管道、混合器及节门和测试仪表等。图 11 泡沫钻进设备布置1、空压机； 2、阀； 3、放气管； 4、转子
27、流量计 5、压力表6、三通管； 7、泡沫剂液箱；8、泡沫泵； 9、高压胶管； 10、钻机；11、钻杆； 12；孔口密封导流装置；13、井口管；14、排风管（六） 、泡沫剂的注入技术注入技术是应用好泡沫剂钻进工艺的重要条件之一，在实际工作中，如何充分发挥泡沫钻进的作用，这不仅和泡沫剂本身的物化性能有关，而且和所采用的注入工艺有很大关系。明前基本采用以下二种方法：1） 、间隙注入：把配制好的泡沫剂在每次加钻杆前从管内倒入，每钻进 2m 左右放喷一次，强排孔内岩屑清孔。这种方法具有不用设备投入，方便简单的优点。但存在以下几个问题：a、钻速不能保持稳定正19常，严重影响钻速提高；b、孔内积沙（存留岩粉）太多，这样不仅回转阻力增大，还易产生卡钻事故；c、循环压力高； d、钻头工作环境恶化；e、岩屑重复破碎严重；f、不能充分发挥泡沫钻进技术的优越性。2） 、连续注入：采用泡沫泵（小泵量泥浆泵 1015l/min ）把配制好的泡沫剂通过空气管路三通连续注入。可有效的发挥泡沫钻进技术的优越性，克服间隙注入所存在的不足。泡沫泵见图 12 示意。图 12 PMB-40；PMB-50 泡沫灌注泵五、应用效果（略，见幻灯介绍）
