随着我国石油需求的不断增长及已探明储量的深度开采，油气勘探开发逐步向深层、复杂地层发展，钻遇高温高压高盐地层的概率逐渐增大，采用常规钻井液打开储层，不但钻速低、经常发生漏失，而且极易对储层造成严重的伤害，导致探井的勘探成功率低^[1]。为提高钻井效率，及时准确地发现油气层，提高油气井产能，采用欠平衡钻井是一种理想的解决方案，而无固相微泡沫钻井液为气、液、固三相分散体系，是实施欠平衡钻井最理想的低密度钻井液^{[2, 3]}。基浆中加入发泡剂和稳泡剂等表面活性剂后经过物理、化学作用，形成有多层膜包裹并以均匀、非聚集、非连续态存在的微气泡，可配制出无固相微泡沫钻井液，其密度可调，且可多次循环使用，但存在抗温抗盐性能不足、稳泡效果差等问题。

笔者针对常规无固相微泡沫钻井液存在的问题，在分析微泡沫结构和性能的基础上，合成了性能优良的微泡沫发泡剂LF-2和稳泡剂HMC-1，并优选增黏剂和降滤失剂等其他处理剂，配制了抗温抗盐无固相微泡沫钻井液，在茨采、沈采和冷家油田的21口井欠平衡钻井施工中进行了应用，提速和储层保护效果明显。

常规泡沫钻井液的发泡剂(如VF-1、SJ-6和K₁₂等)抗温、抗盐能力较差，为此，笔者合成了一种同时含羟基和磺酸基的长碳链阴离子表面活性剂LF-2，在分子结构中引入磺酸基团，提高了表面活性剂的抗温性；同时，分子中的羟基与磺酸基对金属离子有螯合作用，可改善表面活性剂的耐盐性。采用基液膨胀率和析液半衰期来评价发泡剂的发泡、抗温和抗盐能力，基液膨胀率是指泡沫体积与基液体积的比值，析液半衰期是指泡沫析出液量达到基液体积一半所需的时间，结果见表1和表2。

从表1和表2可以看出，发泡剂LF-2不但抗高温、抗盐能力强，而且发泡量大、半衰期长，性能明显优于其他发泡剂。

微泡沫钻井液是一种热力学不稳定体系，微泡沫的稳定性取决于表面张力、内外压差和液膜强度，而液膜表面黏度是影响液膜强度的关键因素。表面黏度增大，液膜不易在外力作用下破裂，液膜的排液速度和气体穿过液膜的能力均减小，微泡沫稳定性增强^{[4, 5, 6, 7]}。因此，为提高泡沫稳定性、延长泡沫寿命，需加入提高液膜强度的稳泡剂,经过室内大量的合成试验，研制了黏稠状乳白色稳泡剂HMC-1，属于高相对分子质量、复合网络状分子结构的阴离子聚合物。相对分子质量大的聚合物热稳定性能相对较好，而相比链状分子结构，网络状分子结构聚合物的稳泡性能更好。以水+0.2%Na₂CO₃+0.4%LF-2为基液，加入不同量的稳泡剂，在3 000 r/min下高速搅拌10 min，观察发泡情况及泡沫稳定情况，结果见表3。

从表3可以看出，加入稳泡剂后基液的泡沫稳定性都有不同程度的提高，但HMC-1的稳泡效果更好，抗温能力更强，使微泡沫钻井液能满足更大井深的使用要求，性能明显优于其他稳泡剂。

无固相微泡沫钻井液需要性能较好的增黏剂来提高体系的黏度和切力，以保证钻屑的悬浮与携带。为此,进行了增黏剂优选试验。选取常用的4种增黏剂PAC-HV、HT-XC、HV-CMC和HEC，以常规加量0.3％加入到基浆中，测定基浆的主要性能参数，结果见表4。

由表4可知，只有添加抗高温生物黄原胶HT-XC的基浆老化前后的黏度、切力及动塑比均符合性能要求。分析认为，这是因为HT-XC是在常规黄原胶聚合物中引入了刚性基团，改善了其抗温性能，因此选择HT-XC作为钻井液的增黏剂。

以水+0.2%Na₂CO₃+0.5%LF-2+1.0% HMC-1+0.3% HT-XC作为基浆，分别将加量4.0％的降滤失剂KH-931、SMP-Ⅱ和SPNH，以及这3种降滤失剂分别以2.0%的加量两两复配后，与基浆搅拌均匀，分别在室温及150 ℃条件下老化16 h后测试其滤失量，结果见表5。

由表5可知，3种降滤失剂单一加入到无固相微泡沫钻井液后效果都不理想，高温老化后的滤失量都很快超过15.0 mL，而KH-931与SMP-Ⅱ复配后的降滤失效果明显，能够满足现场使用要求。因此，优选降滤失剂KH-931与SMP-Ⅱ复配后作为无固相微泡沫钻井液的降滤失剂。

在优选出各种处理剂的基础上，经优化完善，最终形成了抗温能力达150 ℃的无固相微泡沫钻井液，配方为水+0.15%Na₂CO₃+0.30%～0.50%LF-2+0.50%～1.00%HMC-1+0.15%～0.30%HT-XC+2.00%～4.00%KH-931+2.00%～4.00% SMP-Ⅱ 。通过调整发泡剂LF-2和稳泡剂HMC-1的加量，该钻井液的密度可控制在0.85～0.95 kg/L。

室内对无固相聚合物钻井液和抗温无固相微泡沫钻井液的流变性能进行了测试，结果见表6。从表6可看出，与常规无固相聚合物钻井液相比，无固相微泡沫钻井液密度低、黏度高、滤失量低。

分别在室温和150 ℃条件下对不同密度的无固相微泡沫钻井液的流变性能进行了测试，结果见表7。

从表7可以看出，无固相微泡沫钻井液热滚前后的流变性能变化不大，高温老化后钻井液仍具有良好的流变性和较低的滤失量。另外，重新搅拌后，泡沫稳定时间长于48 h，说明该钻井液有较好的抗温稳定性能。

在室内评价了密度0.90 kg/L的无固相微泡沫钻井液老化(老化条件150 ℃下滚动16 h)的抗盐性能和抗岩屑污染性能，结果见图1和图2。

图1 无固相微泡沫钻井液抗盐性能 Fig.1 The salt tolerance of solid-free micro-foam drilling fluids

图选项

图2 无固相微泡沫钻井液抗岩屑污染性能 Fig.2 The cutting contamination resistance of solid-free micro-foam drilling fluids

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由图1可知，随着NaCl加量的增加，无固相微泡钻井液滤失量有所上升，黏度相应下降，但整体流变性能变化幅度不大，说明抗温无固相微泡沫钻井液具有良好的抗盐性能。

由图2可知，无固相微泡沫钻井液中的茨110井沙4段泥质砂岩岩屑侵入量达到20%时仍具有良好的流变性及较低的滤失量，说明该钻井液的抗岩屑污染能力强。

岩屑的毛细管吸入时间越短，滚动回收率越高，表明钻井液抑制岩屑分散的能力越强。测试过100目筛的岩屑在3种常见的无固相钻井液中的毛细管吸入时间和40目岩屑在150 ℃下滚动16 h后的回收率，结果见表8。

从表8可以看出，与另外2种无固相钻井液相比，无固相微泡沫钻井液的毛细管吸入时间最短、滚动回收率最高，表明其抑制性和控制泥页岩水化分散的能力更好。分析认为，这是因为：无固相微泡沫钻井液中自由水含量相对较低；另外，微泡沫钻井液中的发泡剂和稳泡剂是具有强吸附基团的表面活性物质，可以在地层岩石表面吸附成膜，且吸附基团往往为亲水基团，朝向钻井液的一端为憎水端，阻止了泥页岩与钻井液的进一步接触，从而抑制了泥页岩的水化^{[8, 9, 10]}。

在静滤失仪杯中预先放入200 g不同粒度的砂石，加入密度0.90 kg/L微泡沫钻井液，测定微泡沫钻井液在25 ℃、0.7 MPa压力下的漏失量随时间的变化情况。试验结果表明，微泡沫钻井液在80/120目砂石构成的漏层中完全没有漏失，在40/80目砂石构成的漏层中30 min漏失量仅为1.8 mL，表明无固相微泡沫钻井液具有较强的封堵能力。分析认为，这是因为：1)微泡沫在向漏层渗透的过程中，在孔隙喉道处被捕集，可以阻缓钻井液液柱压力向地层传递；2)贾敏效应的叠加作用大大增加了泡沫钻井液向漏层流动的阻力，防止了钻井液继续漏失^{[11, 12, 13, 14]}。

为了保证无固相钻井液储层动态损害试验的平行性，便于比较3种无固相钻井液的储层保护效果，选用孔隙度、渗透率差别较小的3块岩心进行渗透率恢复试验，结果见表9。

由表9可知，微泡沫钻井液对岩心渗透率损害最小，渗透率恢复率为88.87%，说明微泡沫钻井液对储层产生的损害小，具有良好的储层保护特性。分析认为：微泡沫钻井液不但不含固相，而且密度较低，有效降低了钻井液进入储层对其造成的损害^{[15, 16, 17]}；另一方面，泡沫具有可变形特性及封堵作用，降低了钻屑微粒及滤液进入储层的概率。

抗温抗盐可循环微泡沫钻井液在茨采、沈采和冷家油田21口井的欠平衡钻井中进行了应用，应用结果表明，钻速提高效果和储层保护效果明显。

茨120井是部署在渤海湾盆地辽河凹陷东部茨榆坨构造带中部茨110区块的一口重点预探井，主要目的层为太古界的潜山储层，岩性以花岗岩、片麻岩、混合岩类为主。根据邻井地层压力预测结果，该井完钻层位预测地层压力系数为1.032。该井二开钻至井深2 785.00 m时已经进入潜山地层，取心显示较好，提前585.00 m中完，为了及时准确地发现和保护油气层，决定在目的层段采用抗温抗盐无固相微泡沫钻井液进行欠平衡钻井施工，钻井液配方为清水+0.20%～0.40%LF-2+0.30%～0.50%HMC-1+0.15%～0.30%HT-XC+0.20%～0.40%KH-931+0.20%～0.40%SMP-Ⅱ+0.15%Na₂CO₃+2.00%～3.00%润滑剂，钻进井段为2 785.00~4 005.00 m，井底最高温度达141.5 ℃。不同井深处钻井液的主要性能见表10。

茨120井欠平衡井段地层的岩性为片麻岩、花岗岩，平均机械钻速达4.41 m/h，与采用无固相聚合物钻井液钻进的邻井茨110井和茨16井相比，相同层段的机械钻速提高70%以上，大大缩短了钻井周期(见表11)。

抗温抗盐无固相微泡沫钻井液在茨120井长达1 220.00 m的欠平衡裸眼段钻井施工过程中，始终保持良好的性能，滤失量较低，动塑比较高，泡沫循环持续性好，钻井泵上水正常，未出现由于浸泡时间较长导致的井塌掉块等井下故障，测井施工顺利，井径规则，平均井径扩大率为3.97%，小于邻井6.87%的井径扩大率。该井欠平衡钻进与循环过程中油气显示活跃，全烃值最高达100%，并多次点火成功，火焰最高达6 m，及时发现和保护了油气层，说明抗温无固相微泡沫钻井液对油层损害小，有利于提高勘探开发成功率及油气采收率。

1) 室内合成的发泡剂LF-2和稳泡剂HMC-1具有良好的抗温抗盐性能，配制的微泡沫钻井液密度在0.85～0.95 kg/L范围内可调，抗温、抗污染能力强，抑制性、封堵能力好，并具有良好的储层保护特性，能够满足复杂地层的施工要求。

2) 现场应用结果表明，抗温抗盐无固相微泡沫钻井液在高温下的性能稳定、抑制性强，在提高钻速的同时储层保护效果好，完全满足辽河油田低压裂缝性潜山地层的勘探开发需要。

3) 为了适应页岩油气井及水敏地层等复杂井安全快速钻井的需要，下一步应开展油基发泡剂、稳泡剂等处理剂的优选或研制工作。