泡沫钻井流体消泡技术研究进展

泡沫钻井技术是为勘探开发低压、低渗油气藏，实现欠平衡钻井而发展起来的一项新技术。随着新老油田的开发，以泡沫作循环介质的钻井作业不断增加。泡沫钻井流体虽具有携岩能力极强、钻井周期短、钻头磨损小和防止漏失等优点，但因半衰期长、稳定性高而难以消除的特点制约了其发展和应用。另一方面，如果不能及时消泡，空气泡沫流体仅能一次性使用，配制工作量大，表面活性剂材料消耗多，大幅增加了空气泡沫钻井成本。如何快速消泡、实现泡沫基液的循环利用已成为当前制约空气泡沫钻井技术发展和大面积推广应用的瓶颈技术之一。本文主要介绍了目前国内外泡沫钻井常用的消泡技术和方法。

1、泡沫的形成与消泡机理

泡沫的形成可描述为气体（空气、氮气等）分散在含有少量起泡剂的化学试剂的液体中，被液膜包围起来而形成相互隔离的非均相体系。其中，液体为连续相、气体为离散相。目前，现场使用的泡沫钻

井流体主要是稳定泡沫流体，是由水、气体、发泡剂和稳泡剂配成的分散体系，与各类电解质、原油、天然气及钻井作业过程的污染物配伍性较强，适用范围广。

影响泡沫稳定性的因素是气体扩散作用和液膜的性质，消泡就是通过破坏泡沫稳定性实现的。消泡的过程为：

１）　要加速泡沫气泡间的气体扩散作用。在重力和压力差存在的条件下泡沫的液膜会不均衡地流动排液，气泡中的气体也会因为液膜两边压力差不同的原因而不断地发生扩散渗透，压力高的气泡中的气体向压力低的气泡中扩散，导致大气泡体积不断扩大、小气泡体积不断缩小以至破灭。

２）　通过特定装置产生剪切力、压缩力和冲击力等方式破坏泡沫液膜的强度，或者通过加入消泡剂破坏液膜弹性降低液膜黏度使液膜失去自修复作用，增加液膜的排液速率而达到消泡的目的。因此，根据消泡机理可分为自然消泡、化学消泡和物理消泡。

２、自然消泡法

自然消泡法主要通过泡沫间液膜的排液和气泡间的气体扩散作用使泡沫破裂。通过合理控制泡沫的半衰期，使泡沫流体在钻进过程中保持稳定状态，上返到地面时能够迅速破裂。这种自然消泡方式不需要附加设备，并且相对于其他方式成本也低很多，因此是目前泡沫钻井常用的消泡方法。

显然，自然消泡法的消泡效果关键在于半衰期的控制，由于受地层条件和岩屑的影响，实验室测得半衰期的值与现场实际值有很大误差。且岩屑的混入虽然降低了泡沫的半衰期，但其基液黏度和携岩能力大幅增加，不适合再用半衰期来评价泡沫流体的稳定性。因此，现场严格控制泡沫的半衰期较为困难，为了确保钻井过程中泡沫流体的稳定性，通常采用较大的半衰期，导致自然消泡效果较差。自然消泡法的沉淀池如图１所示，大量的泡沫漂浮在沉淀池里，泡沫基液不能及时循环利用，而且带来了较大的环保压力。因此，自然消泡法仍然需要巨大的沉淀池，占用场地大，消泡所需时间较长，难以满足现场的工况要求。

３、化学消泡法

化学消泡法是目前应用最广泛、消泡效率最高的一种消泡方法，其主要机理是：消泡剂通过与起泡剂发生反应或者直接改变液膜的物理性质，从而改变液膜的状态，降低泡沫稳定性，达到使泡沫破裂的

目的。化学消泡的最大优点在于消泡效率高、使用方便，因此在生物发酵、食品、污水处理等工业得到了广泛的应用。消泡剂的种类繁多，国内常用的消泡剂主要包括聚醚类、有机硅类、聚醚改性硅油消泡剂等。

然而，无论什么类型的消泡剂，都是通过与起泡剂发生反应或者直接改变液膜的物理性质来达到快速消泡的目的，因此易对发泡剂造成污染，影响其再次发泡能力，无法实现泡沫基液的循环利用，且消泡剂消耗量大、成本高。针对这种情况，威德福公司研制了一种新型泡沫剂，当ｐＨ 值为９～１０时发泡，ｐＨ 值为３～４时消泡。因此可以通过加入酸、碱来改变泡沫状态，采用这种消泡方式，泡沫基液可以重复利用十余次。这种泡沫剂已成功应用于多口泡沫钻井中。该方法在一定程度上解决了泡沫基液的循环利用问题，但一方面需要加入大量的酸和碱，成本高；另一方面酸和碱的反复加入，会使泡沫剂产生一定的惰性，发泡能力降低，因此应用前景有限。

４、物理消泡法

物理消泡方法主要通过调节泡沫流体的温度、压力或者利用机械装置对泡沫产生剪切力、压缩力和冲击力等方式来破坏泡沫液膜的强度以达到消泡目的。

４．１　热辐射法

在热辐射消泡过程中，泡沫液膜中的水受热蒸发，液膜变薄；同时气液界面上分子热运动加剧，气体通过气液界面的扩散速率增大；并且泡沫内外存在压力差。在以上几个因素的共同作用下，泡沫得以迅速消除。热辐射消泡装置如图２所示，泡沫通过泡沫入口流入该装置内，经装置上的热辐射部件发出热辐射，使靠近的低密度泡沫破裂，分离出气体从气体出口排出，泡沫基液和泡沫携带的固体从排液排渣口排出。

该类型消泡器消耗功率为６０～１５０ｋＷ，消泡速度为２～４ｍ３／ｍｉｎ。由此可见，热辐射法消泡功率消耗过大，而且反复加热，或许对泡沫剂的发泡能力有一定的影响。

４．２　超声波法

超声波消泡主要是通过在液体中产生空化作用，使得液体中溶解的气体不断凝聚，成为很细小的气泡，最后成为球状气泡脱离液体表面，从而达到液体脱气消泡的目的。

另一方面，超声波产生的高频振动促使了泡沫液膜破裂和排液作用。当超声波通入泡沫中时，由于声波振动，泡沫产生很大的声压作用，使泡沫物质分子压缩和稀疏。如果声波振动使泡沫压缩，则其所受压力增大，促使泡沫破裂；如果声波振动使分子稀疏，则泡沫所受压力小于大气压力，在压力差的作用下而膨胀破裂。

虽然超声波消泡在原理上可行，但是其消泡作用主要是在泡沫生成前期，气泡未大量聚集前对液体进行消泡脱气，而且泡沫流体的流速太快对消泡效果有很大的限制。鉴于这些特点，目前超声波消泡在钻井现场的应用有一定困难。

４．３　真空法

真空法主要通过改变泡沫所处的压力环境，使气泡在内外压差作用膨胀破裂。产生真空的机理不同，消泡方法不同。

真空泵消泡法主要依靠真空泵抽吸气体，在工作室内形成真空，泡沫在负压作用下膨胀破裂。这种方法一方面要求事先清除泡沫中的岩屑等固体颗粒（泡沫状态下清除岩屑难度较大）；另一方面由于

泡沫破裂后产生较多的气体，影响真空度，因此处理量有限。

全苏勘探研究所研制的一种喷射型消泡器如图３所示。气体从轴向喷嘴高速喷出，在高速射流的卷吸作用下，在接受室、承喷管和混合室内形成一定的负压，泡沫从钻孔返出后进入接受室，在气泡内外压差的作用下膨胀破裂。

真空消泡法的另一种形式是缝隙式消泡，如图４所示。压缩空气在消泡器内形成高速射流（超音速），在出口处沿着曲面流动时，在靠近曲面的附近会产生负压，导致流体对曲面产生附壁效应，随着流

体的流动和周围空气的混入，产生负压，将井内返出的泡沫吸入消泡器内，由于泡沫内外压差，使得泡沫膨胀破裂，产生气液分离。在实验室条件下缝隙式消泡器消泡的效率能达到８６％。２００７年在内蒙古进行的野外试验中，缝隙式消泡器取得了良好的消泡效果，效率达到８０％以上，而对于油气井的现场应用效果需要进一步的试验验证。

为了提高消泡效率和泡沫处理量，以满足油气井的泡沫钻井消泡需求，吉林大学研发了如图５所示的环隙式泡沫钻井机械消泡器。压缩气体由进气管分别进入４个空腔，从２个拉伐尔式喷管喷出，在其附近产生较高的真空度，使泡沫在负压作用下膨胀破裂；同时，利用高速气流与低速泡沫流体能量交换产生的剪切力，使泡沫剪切破碎。由于采用了双级环隙式拉伐尔喷管设计，消泡器内部形成较广的真空区和较高的真空度，消泡效率大幅度提高。

４．４　旋转离心法

离心式消泡器如图６所示。从井口返出的泡沫液经壳体入口进入消泡器，在高速旋转的一级叶轮的作用下，泡沫沿着叶片流道由叶轮中心高速甩向边缘，泡沫撞击在隔离衬套上被击碎，空气经排气口

进入大气。部分泡沫破碎后的液体冲过金属滤网沿隔离衬套外壁向下流，其余的泡沫液则经阻流板进入第２、３级叶轮再进行类似处理。最后，经过消泡处理的基液由排液口流入泥桨罐，供再次使用。这种方法的弊端就是泡沫破灭后容易再次起泡，同时消泡效率低，而且需要先除固相，否则固相颗粒沉淀后可能堵塞设备。

４．５　脉冲射流法

中国石油大学（华东）发明的脉冲射流消泡装置如图７所示。泡沫流体自轴向引流通道的出口形成高速射流进入振荡腔，振荡腔内能够形成显著的涡量扰动，激发局部负压和强烈湍流。其中振荡腔内局部负压，使得泡沫膨胀，而强烈的湍流扰动可对泡沫产生挤压、剪切等作用，上述多种作用协同工作，促使泡沫破裂。数值计算与室内试验结果吻合良好，消泡技术可行，但仍然需要进一步在泡沫钻井现场对其消泡效率进行验证。

４．６　空气喷射冲击法

众所周知，稳定的泡沫质量是当空气占整个泡沫体积的50%~95%，此范围内泡沫具有稳定性，并且随着泡沫质量的增加，黏度和稳定性增加。如果泡沫品质低于５０％，由于气泡间没有充分相互作用而产生黏度，气相和液相产生分离。当泡沫质量在９５％以上，尤其在９８％以上时，泡沫流体成分为雾化流体，泡沫的流变性和失水性都会降低，泡沫将会迅速破裂。鉴于上述理论，Billy E H设计了如图８所示的空气喷射器式消泡装置。

压缩空气经过入口从内管上的若干个径向喷嘴充入稳定的泡沫流体，随着泡沫充气饱和，泡沫雾化，稳定性降低，由此达到消泡目的。此外，压缩空气从径向喷嘴喷出，产生的剪切力对泡沫也有一定

的破坏作用。

这种消泡装置结构简单，易于加工制造，现场使用时只需要空压机或者其他供气装置。但是无法用于高黏性的泡沫流体，而且径向喷嘴很容易被一些微小的岩屑堵塞。

４．７　消泡罐

德国ＲＷＥ　ＤＥＡ 公司设计了消泡罐，采用化学—机械联合的方式消泡，如图９所示。消泡罐容积为１０ｍ３，顶部设有若干个喷头，中部安装有消泡板，泡沫从井口返出后直接进入消泡罐，经过消泡板时消泡，同时高速液流从上部喷头喷出，直接喷洒在泡沫上将泡沫击碎；液体采用消泡后的基液以减少水的消耗，同时避免过度稀释基液。为了提高消泡效果，在消泡罐顶部安装１个喷头，向消泡罐内喷洒醋酸，以降低泡沫的ｐＨ 值。基液重复利用时，可以添加氢氧化钾来恢复基液ｐＨ 值。在消泡罐气体出口处再设置１道消泡网，避免泡沫从该出口逸出。破碎后的基液进入振动筛除固相，气体进入点火装置。在消泡罐底部设置喷砂嘴，用于清除底部岩屑。根据消泡情况，还可以设置２个消泡罐进行二级消泡。

４．８　液气分离器消泡

荷兰Shell公司采用气液分离器消泡，首先将空气或其他气体（如氮气等）注入到排砂管内，使泡沫充气饱和，降低泡沫稳定性；然后进入气液分离器内将泡沫除去，并使气体从液相和固相中分离出来；再经过振动筛净化及沉淀池内自然沉降除去岩屑，对泡沫基液进行回收利用。

５、结论

１）　自然消泡方法需要较大的沉淀池，占用场地大，消泡时间长，难以满足现场实际消泡需求。

２）　化学消泡法效率高，消泡速度快，但消泡剂消耗量大、成本高，且影响泡沫剂的重复发泡能力，难以实现泡沫基液的循环利用，且后续污水处理困难。

３）　物理消泡技术主要利用物理或机械的外力作用进行消泡，对环境无污染，成本低，泡沫基液能够重复使用，是目前最具前景的消泡方法；但现有物理消泡装置效率低，泡沫处理量小，还需进一步深入研究和完善。