用于三气裸眼开采的泡沫钻井液的配制方法及配制设备与流程

本发明涉及钻井开采技术领域，具体涉及一种用于三气裸眼开采的泡沫钻井液的配制方法及配制设备。

背景技术：

三气裸眼开采是指砂岩气、煤层气、页岩气等三种非常规天然气多层合采时，以裸眼完井方式实现开发的模式。目前以致密砂岩气、页岩气、煤层气为代表的非常规气开发用钻井液主要以聚合物、无机盐钻井液为主，密度可调，但始终大于1.00g/cm³，面对多类型储层，钻井液密度过大易产生漏失，大量钻井液进入气层后伤害地层气体流动能力，得不偿失。

以泡沫、可循环微泡为代表的钻井液能够实现密度低于1.00g/cm³，但密度调整困难，钻井过程中，面对不同类型储层要求密度范围不同，无法兼顾多类型储层要求，且该类型体系稳定性较差，使用效果不佳，另外，现有技术中，现场配制钻井液需大型空气泵、耐高压混合系统以及耐高压管线等，设备昂贵、工艺复杂。

因此，如何配置用于三气裸眼开采水平井的泡沫钻井液，便于在现场配制泡沫钻井液并使其密度低于1.00g/cm³且可调、可兼顾多类型储层要求、有效提高体系稳定性，是本领域技术人员需要解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于三气裸眼开采的泡沫钻井液的配制方法及配制设备，使得泡沫钻井液的密度能够低于1.00g/cm³且密度可调，可兼顾多类型储层要求，有效提高体系稳定性。

为解决上述技术问题，本发明提供一种用于三气裸眼开采的泡沫钻井液的配制方法，其包括如下步骤：

包括如下步骤：

s1：分别准备清水、处理剂和稳定剂，其中，所述处理剂包括稳泡剂和发泡剂，所述稳泡剂包括羧甲基淀粉、羧乙基淀粉和羧甲基纤维素，所述发泡剂包括十二烷基苯磺酸钠、三甲基乙内酯和十八醇；

所述羧甲基淀粉、所述羧乙基淀粉、所述羧甲基纤维素、所述十二烷基苯磺酸钠、所述三甲基乙内酯和所述十八醇的质量比为：(7～13)：(7～13)：(3～7)：(3～5)：(4～8)：(0.5～2)；

s2：将所述清水加入配浆罐内；

s3：向步骤s2中的所述配浆罐内加入所述稳泡剂，持续混合并进入步骤s4；

s4：向所述配浆罐内加入所述发泡剂和所述稳定剂。

泡沫钻井液包括清水、处理剂和稳定剂，其中，处理剂包括稳泡剂和发泡剂，稳泡剂中的羧甲基淀粉溶于水后具有良好的增稠、稳定、保水、成膜、悬浮的效果，并且使用方便，安全环保；羧乙基淀粉起到分离抑制的作用，发泡剂在发泡过程中，羧乙基淀粉的能够使发泡过程稳定；羧甲基纤维素的水溶液具有增稠、成膜、黏接、水分保持、胶体保护、乳化及悬浮等作用，含有羧甲基纤维素的泡沫钻井液能够使得井壁形成薄而坚、渗透性低的滤饼，降低该泡沫钻井液对储层的污染，减小其对渗透率的影响。上述三种稳泡剂按照上述配比，可使泡沫钻井液可在发泡剂发泡过程中密度稳定减小，并可提高发泡剂发泡后泡沫结构的稳定性，使得各气泡之间彼此分离，此时的气泡类似于气球，结构稳定性好。

发泡剂中的十二烷基苯磺酸钠作为一种阴离子表面活性剂，具有良好的表面活性，亲水性较强，用作加气剂；三甲基乙内酯是常用的发泡剂；十八醇，乳化性能好，上述三种发泡剂按照上述配比，能够在水基环境中发泡，以使得处理剂在溶于清水后所得的泡沫钻井液的密度比清水的密度低，即达到1.00g/cm³以下的效果，同时，可保证发泡效果处于合理范围，能够满足气泡钻井液的密度需求。

详细的讲，该泡沫钻井液的配制是在配浆罐内进行的，便于实现现场配制，在配制过程中，全程需要混合装置对配浆罐内的液体进行持续的混合操作。向配浆罐内加入处理剂时，需先缓慢的加入稳泡剂(羧甲基淀粉、羧乙基淀粉和羧甲基纤维素)，稳泡剂加完后持续混合使得稳泡剂能够充分的溶于清水内，为后续加入的发泡剂提供一个稳定的发泡环境；然后缓慢的加入发泡剂(十二烷基苯磺酸钠、三甲基乙内酯、十八醇)和稳定剂，并持续混合至发泡剂能够充分溶于水并充分发泡，泡沫能够在稳泡剂的作用下使得各气泡相互分离并提高各气泡的稳定性。全程需要混合操作能够使得发泡更完全、泡沫稳定性更好，进而保证该泡沫钻井液能够同时对钻头起到降温作用、具有较高的携岩能力等。

可选地，所述清水为现场取水，所述稳定剂为碳酸氢钠。

可选地，步骤s1中，所述清水、所述处理剂和所述稳定剂的质量比为(700～1300)：(25～45):(0.5～2)。

可选地，在所述步骤s4后还包括以下步骤：

s5：检测所述配浆罐内的泡沫钻井液的密度及流变性指标是否达到各自的目标值；

若所述密度及流变性指标达到各自的目标值，所述泡沫钻井液的配制完成；

若所述密度及流变性指标未达到各自的目标值，则进行步骤s6；

s6：若所述密度高于所述目标值，所述流变性指标低于所述目标值，则按步骤s1中的质量配比向所述配浆罐内加入各所述处理剂；

若所述密度低于所述目标值，所述流变性指标高于所述目标值，则向所述配浆罐内加入所述清水。

可选地，所述密度的目标值为0.75g/cm³～1.00g/cm³；所述流变性指标的目标值包括：表观粘度15mpa·s～35mpa·s，塑性粘度8mpa·s～25mpa·s，动切力10mpa·s～25mpa·s以及动塑比0.6pa/(mpa·s)～1.0pa/(mpa·s)。

可选地，步骤s3中，向所述配浆罐内加入稳泡剂包括向所述配浆罐内依次加入所述羧甲基淀粉、所述羧乙基淀粉和所述羧甲基纤维素；步骤s4中，向所述配浆罐内加入发泡剂包括向所述配浆罐内依次加入所述十二烷基苯磺酸钠、所述三甲基乙内酯和所述十八醇。

可选地，步骤s3中，加入稳泡剂后持续混合第一预设时间后，进入步骤s4；步骤s4中，加入发泡剂后持续混合第二预设时间。

可选地，所述第一预设时间和所述第二预设时间为20min～30min。

另外，本发明还提供了一种用于三气裸眼开采水平井的泡沫钻井液的配制设备，基于如上所述的泡沫钻井液的配制方法，其包括配浆罐和混合装置，所述混合装置用于对所述配浆罐内的液体进行混合操作。

基于如上所述的泡沫钻井液的配制方法的配制设备，其技术效果与上述配制方法的技术效果类似，为节约篇幅，在此不再赘述。

可选地，所述混合装置为设于所述配浆罐内的搅拌装置；或所述混合装置包括流体泵和管线，所述流体泵设于所述配浆罐的外侧，所述管线与所述配浆罐连通，并形成循环流体管路，所述循环流体管路内的液体可在所述流体泵的作用下循环。

可选地，所述配浆罐的体积不小于10m³，若所述混合装置为搅拌装置，则搅拌速度不小于70r/min，若所述混合装置包括所述流体泵和所述管线，则所述流体泵的排量不小于12m³/h。

附图说明

图1是本发明实施例所提供的用于三气裸眼开采的泡沫钻井液的配制方法的流程框图；

图2是是本发明实施例所提供的用于三气裸眼开采的泡沫钻井液的配制方法的详细流程框图；

图3是本发明实施例所提供的用于三气裸眼开采的泡沫钻井液的配制设备的结构示意图；

图4是本发明实施例所提供的用于三气裸眼开采的泡沫钻井液的配制设备的另一种结构示意图。

附图1-4中，附图标记说明如下：

1-配浆罐；2-搅拌装置；31-管线，32-流体泵，33-漏斗，4-加料装置。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

请参考图1-4，图1是本发明实施例所提供的用于三气裸眼开采的泡沫钻井液的配制方法的流程框图；图2是是本发明实施例所提供的用于三气裸眼开采的泡沫钻井液的配制方法的详细流程框图；图3是本发明实施例所提供的用于三气裸眼开采的泡沫钻井液的配制设备的结构示意图；图4是本发明实施例所提供的用于三气裸眼开采的泡沫钻井液的配制设备的另一种结构示意图。

本发明实施例提供了一种用于三气裸眼开采的泡沫钻井液的配制方法和配制设备，其中，三气裸眼开采是指砂岩气、煤层气、页岩气等三种非常规天然气多层合采时，以裸眼完井方式实现开发的模式。

本实施例中的泡沫钻井液的配制方法包括如下步骤：

s1：分别准备清水、处理剂和稳定剂，其中，所述处理剂包括稳泡剂和发泡剂，所述稳泡剂包括羧甲基淀粉、羧乙基淀粉和羧甲基纤维素，所述发泡剂包括十二烷基苯磺酸钠、三甲基乙内酯和十八醇；

所述羧甲基淀粉、所述羧乙基淀粉、所述羧甲基纤维素、所述十二烷基苯磺酸钠、所述三甲基乙内酯和所述十八醇的质量比为：(7～13)：(7～13)：(3～7)：(3～5)：(4～8)：(0.5～2)；

s2：将上述清水加入配浆罐1内；

s3：向步骤s2中的配浆罐1内加入稳泡剂，持续混合并进入步骤s4；

s4：向配浆罐1内加入发泡剂和稳定剂。

相应的，本实施例中的基于上述配制方法的配制设备包括配浆罐1和混合装置，其中，混合装置用于对配浆罐1内的液体进行混合操作。

泡沫钻井液包括清水、处理剂和稳定剂，其中，处理剂包括稳泡剂和发泡剂，稳泡剂中的羧甲基淀粉溶于水后具有良好的增稠、稳定、保水、成膜、悬浮的效果，并且使用方便，安全环保；羧乙基淀粉起到分离抑制的作用，发泡剂在发泡过程中，羧乙基淀粉的能够使发泡过程稳定；羧甲基纤维素(cmc)的水溶液具有增稠、成膜、黏接、水分保持、胶体保护、乳化及悬浮等作用，含有羧甲基纤维素(cmc)的泡沫钻井液能够使得井壁形成薄而坚、渗透性低的滤饼，降低该泡沫钻井液对储层的污染，减小其对渗透率的影响。上述三种稳泡剂按照上述配比，可使泡沫钻井液可在发泡剂发泡过程中密度稳定减小，并可提高发泡剂发泡后泡沫结构的稳定性，使得各气泡之间彼此分离，此时的气泡类似于气球，结构稳定性好。

发泡剂中的十二烷基苯磺酸钠作为一种阴离子表面活性剂，具有良好的表面活性，亲水性较强，用作加气剂；三甲基乙内酯是常用的发泡剂；十八醇，乳化性能好，上述三种发泡剂按照上述配比，能够在水基环境中发泡，以使得处理剂在溶于清水后所得的泡沫钻井液的密度比清水的密度低，即达到1.00g/cm³以下的效果，同时，可保证发泡效果处于合理范围，能够满足气泡钻井液的密度需求。

详细的讲，该泡沫钻井液的配制是在配浆罐1内进行的，便于实现现场配制，在配制过程中，全程需要混合装置对配浆罐1内的液体进行持续的混合操作。向配浆罐内加入处理剂时，需先缓慢的加入稳泡剂(羧甲基淀粉、羧乙基淀粉和羧甲基纤维素)，稳泡剂加完后持续混合使得稳泡剂能够充分的溶于清水内，为后续加入的发泡剂提供一个稳定的发泡环境；然后缓慢的加入发泡剂(十二烷基苯磺酸钠、三甲基乙内酯、十八醇)和稳定剂，并持续混合至发泡剂能够充分溶于水并充分发泡，泡沫能够在稳泡剂的作用下使得各气泡相互分离并提高各气泡的稳定性。全程需要混合操作能够使得发泡更完全、泡沫稳定性更好，进而保证该泡沫钻井液能够同时对钻头起到降温作用、具有较高的携岩能力等。

上述泡沫钻井液中，清水为现场取水，稳定剂为碳酸氢钠，取材方便且经济性好。当然，本实施例中，稳定剂还可以选用碳酸钠，而碳酸氢钠溶于水后能够电离出氢离子，使溶液呈弱碱性，为发泡剂提供一种适合发泡的环境。

上述步骤s1中，清水、处理剂和稳定剂的质量比为(700～1300)：(25～45)：(0.5～2)。保证按照步骤s1-s4配制的泡沫钻井液的密度及流变性指标能够更接近目标值。

进一步的，步骤s1中，处理剂中的各组分处理剂中羧甲基淀粉、羧乙基淀粉、羧甲基纤维素、十二烷基苯磺酸钠、三甲基乙内酯和十八醇的质量比为：(9.8～10.2)：(9.8～10.2)：(4.8～5.2)：(3.8～4.2)：(5.8～6.2)：(0.8～1.2)。使得稳泡效果和发泡效果更好。同时，步骤s1中，清水、处理剂和稳定剂的质量比为(700～1300)：(25～45)：(0.5～2)，保证按照上述步骤s1-s4配制的泡沫钻井液的密度和流变性指标满足目标值，可有效减小调节次数。

在上述配制方法中，在步骤s4后还可以包括以下步骤：

s5：检测配浆罐1内的泡沫钻井液的密度及流变性指标是否达到目标值；

若密度及流变性指标达到目标值，泡沫钻井液的配制完成；

若密度及流变性指标未达到目标值，则进行步骤s6；

s6：若所述密度高于所述目标值，所述流变性指标低于所述目标值，则按步骤s1中的质量配比向所述配浆罐1内加入各处理剂；

若所述密度低于所述目标值，所述流变性指标高于所述目标值，则向所述配浆罐1内加入所述清水。

此时，相应的，配制设备包括检测装置，用于检测泡沫钻井液的密度和流变性指标，具体的，对于检测装置的设置不做具体要求，同时如何通过检测装置检测泡沫钻井液的密度和流变性指标，为本领域技术人员所熟知的现有技术，为节约篇幅，在此不再赘述。

对于上述初步配制(按步骤s1-s4配制)的泡沫钻井液进行检测，由于现场环境不同，对泡沫钻井液的密度及流变性需求不同，步骤s5确认当前的该泡沫钻井液的密度及流变性指标是否达到各自的目标值(即密度达到密度目标值，流变性指标达到流变性指标目标值)以当前工况的需求，若达到各自的目标值则该泡沫钻井液配制完成，若未达到各自的目标值则可通过步骤s6对泡沫钻井液的密度及流变性指标进行调节直至达到各自的目标值。

具体可针对不同需求对清水或各处理剂的加入量进行调节。在开采现场制备泡沫钻井液时，由于储层类型的不同，对泡沫钻井液的密度范围要求不同，可根据现场具体工况对清水和处理剂的加入量进行调整，使得该泡沫钻井液能够适用于不同类型的储层，适用性好。

在上述实施例中，密度的目标值为0.75g/cm³～1.00g/cm³；流变性指标的目标值包括：表观粘度15mpa·s～35mpa·s，塑性粘度8mpa·s～25mpa·s，动切力10mpa·s～25mpa·s以及动塑比0.6pa/(mpa·s)～1.0pa/(mpa·s)。密度和流变性指标达到上述目标值的泡沫钻井液能够满足正常情况下的不同储层的需求。

在上述实施例中，如图2所示，在步骤s3中，向配浆罐内加入稳泡剂包括向配浆罐内依次加入羧甲基淀粉、羧乙基淀粉和羧甲基纤维素；步骤s4中，向配浆罐内加入发泡剂包括向配浆罐内依次加入十二烷基苯磺酸钠、三甲基乙内酯和十八醇。限定个稳泡剂和各发泡剂的加入顺序，可保证发泡效果更为稳定。

在上述实施例中，如图2所示，步骤s3中，加入稳泡剂后持续混合第一预设时间后，进入步骤s4；步骤s4中，加入发泡剂后持续混合第二预设时间。第一预设时间的设置可保证稳泡剂充分溶于水，并且可为发泡剂的发泡提供一个更为稳定的发泡环境，而第二预设时间的设置可保证各发泡剂能够充分溶于水，并且能够发泡完全，保证发泡效果。

在上述实施例中，第一预设时间和第二预设时间为20min～30min。其中，第一预设之间和第二预设时间可以相同也可以不同，在此不做具体限制，20min～30min中的混合操作可保证稳泡剂和发泡剂能够充分作用以提高发泡效果和稳定性。

本实施例中对混合操作不做具体限制，本实施例中，该混合作用为搅拌或循环流体作用。相应的，当混合作用为搅拌时，配制设备的混合装置为设于配浆罐1内的搅拌装置2，当混合作用为循环流体作用时，混合装置包括流体泵32和管线31，其中。流体泵32设于配浆罐1的外侧，管线31与配浆罐1连通并形成循环流体回路，循环流体管路内的液体可在流体泵32的作用下循环，也就是说，流体泵32能够带动循环流体回路中的液体循环，以对配浆罐1内的液体进行混合操作。而在配制过程中，加料装置4可以向配浆罐1的顶端开口直接加入无机盐和清水，或者加料装置4通过设于管线31的漏斗33加料。

另外，现场配制泡沫钻井液时，配浆罐1的体积不小于10m³，以满足现场施工需求，同时，可直接使用现有的配浆罐1，无需另设，经济性好。若混合操作为搅拌，则搅拌装置2的搅拌速度不小于70r/min，若所述混合操作为循环流体作用，则流体泵32的排量不小于12m³/h，以实现对配浆罐1内的液体进行充分的混合。

以下是本实施例中通过上述配制方法和配制设备在配制泡沫钻井液在的过程中，调整清水或处理剂的加入量后泡沫钻井液的密度变化情况。

(一)制备泡沫钻井液，按梯度调节发泡剂的加入比例，其中，a点的密度为各组分按照如下质量比：清水1000、羧甲基淀粉10、羧乙基淀粉10、羧甲基纤维素5、十二烷基苯磺酸钠4、三甲基乙内酯6、十八醇1、碳酸氢钠1配制的泡沫钻井液的密度，以0.25、0.5、0.25的间隔逐渐提高发泡剂中的十二烷基苯磺酸钠、三甲基乙内酯、十八醇的加入量，并连续记录b、c、d、e共4个点，具体的讲，各组分的质量比在清水1000、羧甲基淀粉10、羧乙基淀粉10、羧甲基纤维素5、碳酸氢钠1不变的基础上，b点的发泡剂为十二烷基苯磺酸钠4.25、三甲基乙内酯6.5、十八醇1.25；c点的发泡剂为十二烷基苯磺酸钠4.5、三甲基乙内酯7、十八醇1.5；d点的发泡剂为十二烷基苯磺酸钠4.75、三甲基乙内酯7.5、十八醇1.75；e点的发泡剂为十二烷基苯磺酸钠5、三甲基乙内酯8、十八醇2。

再用密度秤分别测量b点、c点、d点、e点的泡沫钻井液的密度，对比5个点的泡沫钻井液的密度分布，见表1。

表1泡沫钻井液的密度分布一

(二)制备泡沫钻井液，按梯度调节清水的加入量，在上述a点的基础上，以50的间隔逐渐增加清水的加入量，以稀释a点的泡沫钻井液，并连续记录f、g、h、j共4个点(清水的加入量依次为1050、1100、1150、1200)，再用密度秤分别测量f点、g点、h点、j点的泡沫钻井液的密度，对比5个点的泡沫钻井液的密度分布，见表2。

表2泡沫钻井液的密度分布二

可以看出，通过调整无固相泡沫钻井液处理剂比例，能够实现密度在0.75～1.00g/cm³范围内调整。具体的，通过上述表1可以看出，增大泡沫钻井液中的发泡剂的配比，可降低泡沫钻井液的密度；通过上述表2可以看出，增大泡沫钻井液中的清水的配比，可增大泡沫钻井液的密度。并且，随着发泡剂的加入，制得的泡沫钻井液的密度变化稳定，便于控制以获得具有目标密度的泡沫钻井液。

由于该泡沫钻井液的配制过程中，无固相材料，使得该泡沫钻井液对地层的渗透率影响较小，能够有效保护储层，不会影响三气的开采量。

以下是对本实施例中通过上述配制方法和配制设备所配制的泡沫钻井液对不同岩心类型(即不同储层)污染程度的试验，其中，岩心类型包括致密砂岩、煤层以及页岩，试验中，将不同的岩心类型设置成尺寸为38mm×70mm的柱塞。参照国家标准sy/t5336-1996，设置驱压为2mpa，围压为2.5mpa。分别用标准盐水测定岩心气体原始渗透率以及本实施例中的泡沫钻井液污染后的气体渗透率，并计算污染后的渗透率恢复率，结果见表3。

表3泡沫钻井液对不同岩心类型的污染程度

可见，本实施例所提供的泡沫钻井液污染致密砂岩、煤层、页岩等三种类型岩心柱塞后，柱塞渗透率恢复率分别为91.67％、93.55％、84.21％，渗透率恢复效果理想，表明该泡沫钻井液面对三种类型储层控漏效果理想，对地层污染程度较低。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。