泡沫鉆井技術(shù)是為勘探開發(fā)低壓、低滲油氣藏，實(shí)現(xiàn)欠平衡鉆井而發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)。隨著新老油田的開發(fā)，以泡沫作循環(huán)介質(zhì)的鉆井作業(yè)不斷增加。泡沫鉆井流體雖具有攜巖能力極強(qiáng)、鉆井周期短、鉆頭磨損小和防止漏失等優(yōu)點(diǎn)，但因半衰期長(zhǎng)、穩(wěn)定性高而難以消除的特點(diǎn)制約了其發(fā)展和應(yīng)用。另一方面，如果不能及時(shí)消泡，空氣泡沫流體僅能一次性使用，配制工作量大，表面活性劑材料消耗多，大幅增加了空氣泡沫鉆井成本。如何快速消泡、實(shí)現(xiàn)泡沫基液的循環(huán)利用已成為當(dāng)前制約空氣泡沫鉆井技術(shù)發(fā)展和大面積推廣應(yīng)用的瓶頸技術(shù)之一。本文主要介紹了目前國(guó)內(nèi)外泡沫鉆井常用的消泡技術(shù)和方法。

1、泡沫的形成與消泡機(jī)理

泡沫的形成可描述為氣體（空氣、氮?dú)獾龋┓稚⒃诤猩倭科鹋輨┑幕瘜W(xué)試劑的液體中，被液膜包圍起來而形成相互隔離的非均相體系。其中，液體為連續(xù)相、氣體為離散相。目前，現(xiàn)場(chǎng)使用的泡沫鉆

井流體主要是穩(wěn)定泡沫流體，是由水、氣體、發(fā)泡劑和穩(wěn)泡劑配成的分散體系，與各類電解質(zhì)、原油、天然氣及鉆井作業(yè)過程的污染物配伍性較強(qiáng)，適用范圍廣。

影響泡沫穩(wěn)定性的因素是氣體擴(kuò)散作用和液膜的性質(zhì)，消泡就是通過破壞泡沫穩(wěn)定性實(shí)現(xiàn)的。消泡的過程為：

１）　要加速泡沫氣泡間的氣體擴(kuò)散作用。在重力和壓力差存在的條件下泡沫的液膜會(huì)不均衡地流動(dòng)排液，氣泡中的氣體也會(huì)因?yàn)橐耗蛇厜毫Σ畈煌脑蚨粩嗟匕l(fā)生擴(kuò)散滲透，壓力高的氣泡中的氣體向壓力低的氣泡中擴(kuò)散，導(dǎo)致大氣泡體積不斷擴(kuò)大、小氣泡體積不斷縮小以至破滅。

２）　通過特定裝置產(chǎn)生剪切力、壓縮力和沖擊力等方式破壞泡沫液膜的強(qiáng)度，或者通過加入消泡劑破壞液膜彈性降低液膜黏度使液膜失去自修復(fù)作用，增加液膜的排液速率而達(dá)到消泡的目的。因此，根據(jù)消泡機(jī)理可分為自然消泡、化學(xué)消泡和物理消泡。

２、自然消泡法

自然消泡法主要通過泡沫間液膜的排液和氣泡間的氣體擴(kuò)散作用使泡沫破裂。通過合理控制泡沫的半衰期，使泡沫流體在鉆進(jìn)過程中保持穩(wěn)定狀態(tài)，上返到地面時(shí)能夠迅速破裂。這種自然消泡方式不需要附加設(shè)備，并且相對(duì)于其他方式成本也低很多，因此是目前泡沫鉆井常用的消泡方法。

顯然，自然消泡法的消泡效果關(guān)鍵在于半衰期的控制，由于受地層條件和巖屑的影響，實(shí)驗(yàn)室測(cè)得半衰期的值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際值有很大誤差。且?guī)r屑的混入雖然降低了泡沫的半衰期，但其基液黏度和攜巖能力大幅增加，不適合再用半衰期來評(píng)價(jià)泡沫流體的穩(wěn)定性。因此，現(xiàn)場(chǎng)嚴(yán)格控制泡沫的半衰期較為困難，為了確保鉆井過程中泡沫流體的穩(wěn)定性，通常采用較大的半衰期，導(dǎo)致自然消泡效果較差。自然消泡法的沉淀池如圖１所示，大量的泡沫漂浮在沉淀池里，泡沫基液不能及時(shí)循環(huán)利用，而且?guī)砹溯^大的環(huán)保壓力。因此，自然消泡法仍然需要巨大的沉淀池，占用場(chǎng)地大，消泡所需時(shí)間較長(zhǎng)，難以滿足現(xiàn)場(chǎng)的工況要求。

３、化學(xué)消泡法

化學(xué)消泡法是目前應(yīng)用最廣泛、消泡效率最高的一種消泡方法，其主要機(jī)理是：消泡劑通過與起泡劑發(fā)生反應(yīng)或者直接改變液膜的物理性質(zhì)，從而改變液膜的狀態(tài)，降低泡沫穩(wěn)定性，達(dá)到使泡沫破裂的

目的。化學(xué)消泡的最大優(yōu)點(diǎn)在于消泡效率高、使用方便，因此在生物發(fā)酵、食品、污水處理等工業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。消泡劑的種類繁多，國(guó)內(nèi)常用的消泡劑主要包括聚醚類、有機(jī)硅類、聚醚改性硅油消泡劑等。

然而，無論什么類型的消泡劑，都是通過與起泡劑發(fā)生反應(yīng)或者直接改變液膜的物理性質(zhì)來達(dá)到快速消泡的目的，因此易對(duì)發(fā)泡劑造成污染，影響其再次發(fā)泡能力，無法實(shí)現(xiàn)泡沫基液的循環(huán)利用，且消泡劑消耗量大、成本高。針對(duì)這種情況，威德福公司研制了一種新型泡沫劑，當(dāng)ｐＨ 值為９～１０時(shí)發(fā)泡，ｐＨ 值為３～４時(shí)消泡。因此可以通過加入酸、堿來改變泡沫狀態(tài)，采用這種消泡方式，泡沫基液可以重復(fù)利用十余次。這種泡沫劑已成功應(yīng)用于多口泡沫鉆井中。該方法在一定程度上解決了泡沫基液的循環(huán)利用問題，但一方面需要加入大量的酸和堿，成本高；另一方面酸和堿的反復(fù)加入，會(huì)使泡沫劑產(chǎn)生一定的惰性，發(fā)泡能力降低，因此應(yīng)用前景有限。

４、物理消泡法

物理消泡方法主要通過調(diào)節(jié)泡沫流體的溫度、壓力或者利用機(jī)械裝置對(duì)泡沫產(chǎn)生剪切力、壓縮力和沖擊力等方式來破壞泡沫液膜的強(qiáng)度以達(dá)到消泡目的。

４．１　熱輻射法

在熱輻射消泡過程中，泡沫液膜中的水受熱蒸發(fā)，液膜變薄；同時(shí)氣液界面上分子熱運(yùn)動(dòng)加劇，氣體通過氣液界面的擴(kuò)散速率增大；并且泡沫內(nèi)外存在壓力差。在以上幾個(gè)因素的共同作用下，泡沫得以迅速消除。熱輻射消泡裝置如圖２所示，泡沫通過泡沫入口流入該裝置內(nèi)，經(jīng)裝置上的熱輻射部件發(fā)出熱輻射，使靠近的低密度泡沫破裂，分離出氣體從氣體出口排出，泡沫基液和泡沫攜帶的固體從排液排渣口排出。

該類型消泡器消耗功率為６０～１５０ｋＷ，消泡速度為２～４ｍ３／ｍｉｎ。由此可見，熱輻射法消泡功率消耗過大，而且反復(fù)加熱，或許對(duì)泡沫劑的發(fā)泡能力有一定的影響。

４．２　超聲波法

超聲波消泡主要是通過在液體中產(chǎn)生空化作用，使得液體中溶解的氣體不斷凝聚，成為很細(xì)小的氣泡，最后成為球狀氣泡脫離液體表面，從而達(dá)到液體脫氣消泡的目的。

另一方面，超聲波產(chǎn)生的高頻振動(dòng)促使了泡沫液膜破裂和排液作用。當(dāng)超聲波通入泡沫中時(shí)，由于聲波振動(dòng)，泡沫產(chǎn)生很大的聲壓作用，使泡沫物質(zhì)分子壓縮和稀疏。如果聲波振動(dòng)使泡沫壓縮，則其所受壓力增大，促使泡沫破裂；如果聲波振動(dòng)使分子稀疏，則泡沫所受壓力小于大氣壓力，在壓力差的作用下而膨脹破裂。

雖然超聲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，氣泡未大量聚集前對(duì)液體進(jìn)行消泡脫氣，而且泡沫流體的流速太快對(duì)消泡效果有很大的限制。鑒于這些特點(diǎn)，目前超聲波消泡在鉆井現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用有一定困難。

４．３　真空法

真空法主要通過改變泡沫所處的壓力環(huán)境，使氣泡在內(nèi)外壓差作用膨脹破裂。產(chǎn)生真空的機(jī)理不同，消泡方法不同。

真空泵消泡法主要依靠真空泵抽吸氣體，在工作室內(nèi)形成真空，泡沫在負(fù)壓作用下膨脹破裂。這種方法一方面要求事先清除泡沫中的巖屑等固體顆粒（泡沫狀態(tài)下清除巖屑難度較大）；另一方面由于

泡沫破裂后產(chǎn)生較多的氣體，影響真空度，因此處理量有限。

全蘇勘探研究所研制的一種噴射型消泡器如圖３所示。氣體從軸向噴嘴高速噴出，在高速射流的卷吸作用下，在接受室、承噴管和混合室內(nèi)形成一定的負(fù)壓，泡沫從鉆孔返出后進(jìn)入接受室，在氣泡內(nèi)外壓差的作用下膨脹破裂。

真空消泡法的另一種形式是縫隙式消泡，如圖４所示。壓縮空氣在消泡器內(nèi)形成高速射流（超音速），在出口處沿著曲面流動(dòng)時(shí)，在靠近曲面的附近會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓，導(dǎo)致流體對(duì)曲面產(chǎn)生附壁效應(yīng)，隨著流

體的流動(dòng)和周圍空氣的混入，產(chǎn)生負(fù)壓，將井內(nèi)返出的泡沫吸入消泡器內(nèi)，由于泡沫內(nèi)外壓差，使得泡沫膨脹破裂，產(chǎn)生氣液分離。在實(shí)驗(yàn)室條件下縫隙式消泡器消泡的效率能達(dá)到８６％。２００７年在內(nèi)蒙古進(jìn)行的野外試驗(yàn)中，縫隙式消泡器取得了良好的消泡效果，效率達(dá)到８０％以上，而對(duì)于油氣井的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果需要進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證。

為了提高消泡效率和泡沫處理量，以滿足油氣井的泡沫鉆井消泡需求，吉林大學(xué)研發(fā)了如圖５所示的環(huán)隙式泡沫鉆井機(jī)械消泡器。壓縮氣體由進(jìn)氣管分別進(jìn)入４個(gè)空腔，從２個(gè)拉伐爾式噴管噴出，在其附近產(chǎn)生較高的真空度，使泡沫在負(fù)壓作用下膨脹破裂；同時(shí)，利用高速氣流與低速泡沫流體能量交換產(chǎn)生的剪切力，使泡沫剪切破碎。由于采用了雙級(jí)環(huán)隙式拉伐爾噴管設(shè)計(jì)，消泡器內(nèi)部形成較廣的真空區(qū)和較高的真空度，消泡效率大幅度提高。

４．４　旋轉(zhuǎn)離心法

離心式消泡器如圖６所示。從井口返出的泡沫液經(jīng)殼體入口進(jìn)入消泡器，在高速旋轉(zhuǎn)的一級(jí)葉輪的作用下，泡沫沿著葉片流道由葉輪中心高速甩向邊緣，泡沫撞擊在隔離襯套上被擊碎，空氣經(jīng)排氣口

進(jìn)入大氣。部分泡沫破碎后的液體沖過金屬濾網(wǎng)沿隔離襯套外壁向下流，其余的泡沫液則經(jīng)阻流板進(jìn)入第２、３級(jí)葉輪再進(jìn)行類似處理。最后，經(jīng)過消泡處理的基液由排液口流入泥槳罐，供再次使用。這種方法的弊端就是泡沫破滅后容易再次起泡，同時(shí)消泡效率低，而且需要先除固相，否則固相顆粒沉淀后可能堵塞設(shè)備。

４．５　脈沖射流法

中國(guó)石油大學(xué)（華東）發(fā)明的脈沖射流消泡裝置如圖７所示。泡沫流體自軸向引流通道的出口形成高速射流進(jìn)入振蕩腔，振蕩腔內(nèi)能夠形成顯著的渦量擾動(dòng)，激發(fā)局部負(fù)壓和強(qiáng)烈湍流。其中振蕩腔內(nèi)局部負(fù)壓，使得泡沫膨脹，而強(qiáng)烈的湍流擾動(dòng)可對(duì)泡沫產(chǎn)生擠壓、剪切等作用，上述多種作用協(xié)同工作，促使泡沫破裂。數(shù)值計(jì)算與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，消泡技術(shù)可行，但仍然需要進(jìn)一步在泡沫鉆井現(xiàn)場(chǎng)對(duì)其消泡效率進(jìn)行驗(yàn)證。

４．６　空氣噴射沖擊法

眾所周知，穩(wěn)定的泡沫質(zhì)量是當(dāng)空氣占整個(gè)泡沫體積的50%~95%，此范圍內(nèi)泡沫具有穩(wěn)定性，并且隨著泡沫質(zhì)量的增加，黏度和穩(wěn)定性增加。如果泡沫品質(zhì)低于５０％，由于氣泡間沒有充分相互作用而產(chǎn)生黏度，氣相和液相產(chǎn)生分離。當(dāng)泡沫質(zhì)量在９５％以上，尤其在９８％以上時(shí)，泡沫流體成分為霧化流體，泡沫的流變性和失水性都會(huì)降低，泡沫將會(huì)迅速破裂。鑒于上述理論，Billy E H設(shè)計(jì)了如圖８所示的空氣噴射器式消泡裝置。

壓縮空氣經(jīng)過入口從內(nèi)管上的若干個(gè)徑向噴嘴充入穩(wěn)定的泡沫流體，隨著泡沫充氣飽和，泡沫霧化，穩(wěn)定性降低，由此達(dá)到消泡目的。此外，壓縮空氣從徑向噴嘴噴出，產(chǎn)生的剪切力對(duì)泡沫也有一定

的破壞作用。

這種消泡裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工制造，現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)只需要空壓機(jī)或者其他供氣裝置。但是無法用于高黏性的泡沫流體，而且徑向噴嘴很容易被一些微小的巖屑堵塞。

４．７　消泡罐

德國(guó)ＲＷＥ?。模牛?公司設(shè)計(jì)了消泡罐，采用化學(xué)—機(jī)械聯(lián)合的方式消泡，如圖９所示。消泡罐容積為１０ｍ３，頂部設(shè)有若干個(gè)噴頭，中部安裝有消泡板，泡沫從井口返出后直接進(jìn)入消泡罐，經(jīng)過消泡板時(shí)消泡，同時(shí)高速液流從上部噴頭噴出，直接噴灑在泡沫上將泡沫擊碎；液體采用消泡后的基液以減少水的消耗，同時(shí)避免過度稀釋基液。為了提高消泡效果，在消泡罐頂部安裝１個(gè)噴頭，向消泡罐內(nèi)噴灑醋酸，以降低泡沫的ｐＨ 值。基液重復(fù)利用時(shí)，可以添加氫氧化鉀來恢復(fù)基液ｐＨ 值。在消泡罐氣體出口處再設(shè)置１道消泡網(wǎng)，避免泡沫從該出口逸出。破碎后的基液進(jìn)入振動(dòng)篩除固相，氣體進(jìn)入點(diǎn)火裝置。在消泡罐底部設(shè)置噴砂嘴，用于清除底部巖屑。根據(jù)消泡情況，還可以設(shè)置２個(gè)消泡罐進(jìn)行二級(jí)消泡。

４．８　液氣分離器消泡

荷蘭Shell公司采用氣液分離器消泡，首先將空氣或其他氣體（如氮?dú)獾龋┳⑷氲脚派肮軆?nèi)，使泡沫充氣飽和，降低泡沫穩(wěn)定性；然后進(jìn)入氣液分離器內(nèi)將泡沫除去，并使氣體從液相和固相中分離出來；再經(jīng)過振動(dòng)篩凈化及沉淀池內(nèi)自然沉降除去巖屑，對(duì)泡沫基液進(jìn)行回收利用。

５、結(jié)論

１）　自然消泡方法需要較大的沉淀池，占用場(chǎng)地大，消泡時(shí)間長(zhǎng)，難以滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際消泡需求。

２）　化學(xué)消泡法效率高，消泡速度快，但消泡劑消耗量大、成本高，且影響泡沫劑的重復(fù)發(fā)泡能力，難以實(shí)現(xiàn)泡沫基液的循環(huán)利用，且后續(xù)污水處理困難。

３）　物理消泡技術(shù)主要利用物理或機(jī)械的外力作用進(jìn)行消泡，對(duì)環(huán)境無污染，成本低，泡沫基液能夠重復(fù)使用，是目前最具前景的消泡方法；但現(xiàn)有物理消泡裝置效率低，泡沫處理量小，還需進(jìn)一步深入研究和完善。