泡沫钻井液以其独有的低密度等特点,在开发低压、易漏油气藏、保护油气层方面具有重要的应用前景。本文针对泡沫钻井中的泡沫循环过程,将钻井泡沫分为泡沫生成、泡沫注入、泡沫返排和消泡四个技术环节进行考察,提炼出各技术环节中的关键理论问题,在每一个具体环节中都有针对性地建立了相应的理论和实验研究方法,考察体系的性能和影响因素,研究取得的创新机制和理论认识,指导了应用技术的创新。本文采用椰油酰胺丙基甜菜碱(CAPB)和十二烷基二甲基羟丙基磺基甜菜碱(DSB)为主要泡沫剂,考察泡沫的性能以及添加剂对泡沫性能的影响;研究泡沫的携液和析液机制,提出了泡沫入井前预析液提高钻井效率的新技术;利用自行设计组装的模拟井简装置等评价泡沫在钻井过程中的携液携固能力和泡沫的动态稳定性;通过pH调控和热辐射消泡实现泡沫基液的循环利用。关于泡沫的生成过程,重点关注起泡能力以及泡沫的性质。采用多种实验方法,系统研究了多种表面活性剂的起泡能力,泡沫稳定性及添加剂对泡沫稳定性的影响;在综合考察泡沫性质及防膨等其他功能的情况下,确定了钻井泡沫基液的组成,考察了与钻井泡沫功能密切相关的重要性质,为确定适宜于现场应用的最优配方奠定了基础。关于注入过程中泡沫的性质,重点考察了新鲜泡沫在注入过程中的析液现象。现有的泡沫钻井现场工艺中,泡沫是通过高速气流与泡沫剂溶液在孔隙介质中混合形成,实验表明,在能够形成连续泡沫流体的条件下,高速气流促使泡沫的机械夹带效应显著,形成的泡沫含有大量自由水,泡沫自身析液将在井下形成积液,很容易造成井下积液和井壁坍塌等事故,也不能有效携带钻屑,若与井下钻屑混合后粘附在井壁上,更容易造成钻井事故,这与泡沫从井下携液的目标背道而驰。该发现提出了一个影响钻井泡沫应用效果的关键技术环节,到目前为止尚未见文献报道。本文考察了影响泡沫携液和析液过程的因素,提出了利用入井前析液技术解决前述问题。在泡沫返排过程中,重点关注泡沫的流动能力、在流动过程中及钻杆剪切条件下的动态稳定性及携水、携固能力;采用测定旋转剪切扰动下测定泡沫表观粘度的手段,定量给出前述泡沫性能变化,探索影响因素,为确定最优钻井泡沫配方提供依据。关于消泡过程,主要关注泡沫出井后消泡及基液循环利用。如何实现大量钻井泡沫的快速消除,避免泡沫在矿场堆积,并有效实现泡沫基液的循环利用,是影响泡沫钻井现场应用效果的重要问题。本文考察了pH对泡沫剂性能的影响,通过调节pH可实现泡沫循环,并创新性地提出利用热辐射消泡的新技术和新工艺,探索了泡沫品质对消泡效率的影响。本文对以CAPB为主要泡沫剂的泡沫体系,进行了系统的性能评价和机制研究,提出了影响工艺效果的理论机制和关键技术,对实现泡沫钻井技术完善配套,促进泡沫钻井技术的发展具有重要意义。本论文的主要创新点:1、本文将泡沫钻井循环过程分成四个技术环节,针对每一个具体环节提炼理论问题,建立有针对性的研究方法,并提出关键性能参数。2、以界面生成能量考察泡沫生成能力,特别提出以泡沫液膜总面积衡量钻井泡沫的生成能力。3、自行设计模拟井简装置,模拟考察泡沫在钻井循环过程中的运移,提出钻井泡沫关键性能和影响因素。4、分子模拟和实验技术相结合,建立泡沫析液模型,确立泡沫析液机制,并提出泡沫入井前析液提高钻井效率的新技术。5、提出采用热辐射的方法实现钻井泡沫的快速消除和基液循环利用,初步考察了泡沫品质对消泡效率的影响。