泡沫鉆井技術是為勘探開發(fā)低壓、低滲油氣藏，實現(xiàn)欠平衡鉆井而發(fā)展起來的一項新技術。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、鉆井周期短、鉆頭磨損小和防止漏失等優(yōu)點，但因半衰期長、穩(wěn)定性高而難以消除的特點制約了其發(fā)展和應用。另一方面，如果不能及時消泡，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、實現(xiàn)泡沫基液的循環(huán)利用已成為當前制約空氣泡沫鉆井技術發(fā)展和大面積推廣應用的瓶頸技術之一。本文主要介紹了目前國內(nèi)外泡沫鉆井常用的消泡技術和方法。

1、泡沫的形成與消泡機理

泡沫的形成可描述為氣體（空氣、氮氣等）分散在含有少量起泡劑的化學試劑的液體中，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，適用范圍廣。

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

１）　要加速泡沫氣泡間的氣體擴散作用。在重力和壓力差存在的條件下泡沫的液膜會不均衡地流動排液，氣泡中的氣體也會因為液膜兩邊壓力差不同的原因而不斷地發(fā)生擴散滲透，壓力高的氣泡中的氣體向壓力低的氣泡中擴散，導致大氣泡體積不斷擴大、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作用，增加液膜的排液速率而達到消泡的目的。因此，根據(jù)消泡機理可分為自然消泡、化學消泡和物理消泡。

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，使泡沫流體在鉆進過程中保持穩(wěn)定狀態(tài)，上返到地面時能夠迅速破裂。這種自然消泡方式不需要附加設備，并且相對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鍵在于半衰期的控制，由于受地層條件和巖屑的影響，實驗室測得半衰期的值與現(xiàn)場實際值有很大誤差。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價泡沫流體的穩(wěn)定性。因此，現(xiàn)場嚴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，占用場地大，消泡所需時間較長，難以滿足現(xiàn)場的工況要求。

３、化學消泡法

化學消泡法是目前應用最廣泛、消泡效率最高的一種消泡方法，其主要機理是：消泡劑通過與起泡劑發(fā)生反應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，達到使泡沫破裂的

目的。化學消泡的最大優(yōu)點在于消泡效率高、使用方便，因此在生物發(fā)酵、食品、污水處理等工業(yè)得到了廣泛的應用。消泡劑的種類繁多，國內(nèi)常用的消泡劑主要包括聚醚類、有機硅類、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)生反應或者直接改變液膜的物理性質(zhì)來達到快速消泡的目的，因此易對發(fā)泡劑造成污染，影響其再次發(fā)泡能力，無法實現(xiàn)泡沫基液的循環(huán)利用，且消泡劑消耗量大、成本高。針對這種情況，威德福公司研制了一種新型泡沫劑，當ｐＨ 值為９～１０時發(fā)泡，ｐＨ 值為３～４時消泡。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，泡沫基液可以重復利用十余次。這種泡沫劑已成功應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加入，會使泡沫劑產(chǎn)生一定的惰性，發(fā)泡能力降低，因此應用前景有限。

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、壓力或者利用機械裝置對泡沫產(chǎn)生剪切力、壓縮力和沖擊力等方式來破壞泡沫液膜的強度以達到消泡目的。

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?。煌瑫r氣液界面上分子熱運動加劇，氣體通過氣液界面的擴散速率增大；并且泡沫內(nèi)外存在壓力差。在以上幾個因素的共同作用下，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，而且反復加熱，或許對泡沫劑的發(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，成為很細小的氣泡，最后成為球狀氣泡脫離液體表面，從而達到液體脫氣消泡的目的。

另一方面，超聲波產(chǎn)生的高頻振動促使了泡沫液膜破裂和排液作用。當超聲波通入泡沫中時，由于聲波振動，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液體進行消泡脫氣，而且泡沫流體的流速太快對消泡效果有很大的限制。鑒于這些特點，目前超聲波消泡在鉆井現(xiàn)場的應用有一定困難。

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)形成一定的負壓，泡沫從鉆孔返出后進入接受室，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時，在靠近曲面的附近會產(chǎn)生負壓，導致流體對曲面產(chǎn)生附壁效應，隨著流

體的流動和周圍空氣的混入，產(chǎn)生負壓，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。在實驗室條件下縫隙式消泡器消泡的效率能達到８６％。２００７年在內(nèi)蒙古進行的野外試驗中，縫隙式消泡器取得了良好的消泡效果，效率達到８０％以上，而對于油氣井的現(xiàn)場應用效果需要進一步的試驗驗證。

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，吉林大學研發(fā)了如圖５所示的環(huán)隙式泡沫鉆井機械消泡器。壓縮氣體由進氣管分別進入４個空腔，從２個拉伐爾式噴管噴出，在其附近產(chǎn)生較高的真空度，使泡沫在負壓作用下膨脹破裂；同時，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。由于采用了雙級環(huán)隙式拉伐爾噴管設計，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)殼體入口進入消泡器，在高速旋轉(zhuǎn)的一級葉輪的作用下，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)阻流板進入第２、３級葉輪再進行類似處理。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備。

４．５　脈沖射流法

中國石油大學（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入振蕩腔，振蕩腔內(nèi)能夠形成顯著的渦量擾動，激發(fā)局部負壓和強烈湍流。其中振蕩腔內(nèi)局部負壓，使得泡沫膨脹，而強烈的湍流擾動可對泡沫產(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)值計算與室內(nèi)試驗結果吻合良好，消泡技術可行，但仍然需要進一步在泡沫鉆井現(xiàn)場對其消泡效率進行驗證。

４．６　空氣噴射沖擊法

眾所周知，穩(wěn)定的泡沫質(zhì)量是當空氣占整個泡沫體積的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。當泡沫質(zhì)量在９５％以上，尤其在９８％以上時，泡沫流體成分為霧化流體，泡沫的流變性和失水性都會降低，泡沫將會迅速破裂。鑒于上述理論，Billy E H設計了如圖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)生的剪切力對泡沫也有一定

的破壞作用。

這種消泡裝置結構簡單，易于加工制造，現(xiàn)場使用時只需要空壓機或者其他供氣裝置。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ＲＷＥ?。模牛?公司設計了消泡罐，采用化學—機械聯(lián)合的方式消泡，如圖９所示。消泡罐容積為１０ｍ３，頂部設有若干個噴頭，中部安裝有消泡板，泡沫從井口返出后直接進入消泡罐，經(jīng)過消泡板時消泡，同時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個噴頭，向消泡罐內(nèi)噴灑醋酸，以降低泡沫的ｐＨ 值。基液重復利用時，可以添加氫氧化鉀來恢復基液ｐＨ 值。在消泡罐氣體出口處再設置１道消泡網(wǎng)，避免泡沫從該出口逸出。破碎后的基液進入振動篩除固相，氣體進入點火裝置。在消泡罐底部設置噴砂嘴，用于清除底部巖屑。根據(jù)消泡情況，還可以設置２個消泡罐進行二級消泡。

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（如氮氣等）注入到排砂管內(nèi)，使泡沫充氣飽和，降低泡沫穩(wěn)定性；然后進入氣液分離器內(nèi)將泡沫除去，并使氣體從液相和固相中分離出來；再經(jīng)過振動篩凈化及沉淀池內(nèi)自然沉降除去巖屑，對泡沫基液進行回收利用。

５、結論

１）　自然消泡方法需要較大的沉淀池，占用場地大，消泡時間長，難以滿足現(xiàn)場實際消泡需求。

２）　化學消泡法效率高，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發(fā)泡能力，難以實現(xiàn)泡沫基液的循環(huán)利用，且后續(xù)污水處理困難。

３）　物理消泡技術主要利用物理或機械的外力作用進行消泡，對環(huán)境無污染，成本低，泡沫基液能夠重復使用，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，還需進一步深入研究和完善。