適合頁巖氣固井的洗油隔離液的研究與應用

劉 偉，劉學鵬，陶 謙

(中石化工程技術研究院，北京 100101)

引 言

頁巖氣儲層多為低孔低滲儲層，需采取水平井鉆井+分段壓裂改造技術增大儲層接觸面積、溝通裂縫，從而實現(xiàn)有效開采，因此，如何確保增產(chǎn)措施的實施，提高頁巖氣水平井固井質量顯得尤為重要[1-4]。頁巖氣水平井全部采用油基鉆井液，這些含有鉆屑的油基鉆井液會牢牢黏附在套管和井壁上，使油基鉆井液比水基鉆井液驅替更加困難，給水基泥漿頂替帶來了很大難度[5-8]，導致水泥環(huán)界面膠結性能變差，從而影響到頁巖氣井的后續(xù)分段壓裂施工，甚至會影響井的后期生產(chǎn)效能。因此，洗油隔離液體系設計在驅替過程中扮演了非常重要的角色。目前，國內許多洗油沖洗液存在用量大、油膜清洗不徹底、無法加重等問題。為此，開展了LWG多功能洗油隔離液的研究，其可有效清洗井筒內外的油基鉆井液，達到提高一、二界面固井膠結質量的目的。

1 LWG洗油隔離液室內研究

1.1 洗油隔離液組分優(yōu)選

頁巖氣水平井鉆井過程中，油基鉆井液的基礎油多采用柴油與白油[9-10]，油水比一般為85∶15～70∶30。在這些組分中為了實現(xiàn)油包水(W/O)乳化體系，親油性物質乳化劑是整個鉆井液體系中乳化體系的主劑[11]。油基鉆井液主要成分除了基礎油外，還含有一定比例的有機土、增黏劑等，因此，要想清除黏附在套管壁和井壁的油泥餅，實現(xiàn)有效潤濕和驅替油基鉆井液，隔離液除需要加入具有潤濕和清洗作用的表面活性劑外，還需加入具有黏彈性、防塌抑制性的助劑，使配置的隔離液密度、黏度介于鉆井液與水泥漿之間。

1.1.1 表面活性劑優(yōu)選

表面活性劑的選擇既要考慮不同HLB值的表面活性劑的作用，又要考慮離子表面活性劑的功效[12-16]。一般陽離子型表面活性劑具有柔軟、殺菌、抗靜電性能，兩性離子表面活性劑價格較高，因此，具有潤濕、清洗和増溶功能的非離子型和陰離子型表面活性劑[17-19]是洗油隔離液的首選。由于非離子表面活性劑具有在水中不電離的特點，與陰離子表面活性劑(帶負電荷)配伍的協(xié)同作用強于與陽離子配伍的協(xié)同作用，具有一定的增溶作用。陰離子表面活性劑易與堿土金屬離子結合，與非離子表面活性劑結合使用，可保證其非離子表面活性劑作用充分發(fā)揮，從而減少了表面活性劑的用量。室內通過將陰、非離子表面活性劑復配，形成復合型表面活性劑LWG-1。隔離液中選用的非離子表面活性劑是以羥基(-OH)或醚鍵(R-O-R')為親水基，以硅氧烷基、直鏈烷基等長鏈烴基為親油基的兩親結構分子，由于羥基和醚鍵的親水性弱，因此，分子中必須含有多個這樣的基團才表現(xiàn)出一定的親水性;選用的陰離子型表面活性劑是以磺酸基(-OSO3)、羧基(-COOH)為親水基。

1.1.2 懸浮劑優(yōu)選

實驗室優(yōu)選出的LWG-2懸浮劑，是利用靜電吸附或氫鍵吸附束縛大量的水分子，使固-固顆粒間距離縮短，形成網(wǎng)狀結構。既增大顆粒間的內摩擦阻力，又增大了液相間黏度，從而增大了隔離液的結構力和懸浮能力。LWG-2除可實現(xiàn)任意加重，滿足高壓氣層的有效壓穩(wěn)要求外，同時還具有攜污作用，在沖洗時LWG-2被吸附在環(huán)空二界面的表面上，使二界面都帶上負電荷，在同性電相互排斥的作用下，已清洗掉的油基鉆井液難以重新再沉積到二界面的表面上。

1.1.3 防塌劑優(yōu)選

鑒于頁巖地層的地質特征，在頁巖氣固井過程中需要與井壁接觸的體系必須具有良好的防塌性[20]。室內對無機和有機防塌劑進行了優(yōu)選，由于無機頁巖防塌劑會大大降低LWG隔離液的黏度，影響隔離液的懸浮穩(wěn)定性，因此，優(yōu)選了LWG-3有機防塌劑。它是一種胺基多功能團化合物，利用低分子聚胺進入頁巖層間后，通過離子交換和靜電作用抑制頁巖水化膨脹。由于隔離液、水泥漿在井筒內與井壁的接觸時間多小于12 h，因此，在做防塌實驗時可模擬固井液在井下實際接觸時間來進行。

利用現(xiàn)場采集的實鉆頁巖巖屑對優(yōu)選的頁巖抑制劑進行防塌性能評價，用6～10目頁巖鉆屑進行回收實驗，通過將一定量的巖屑倒入含有不同頁巖防塌劑的隔離液中，在120℃下熱滾6、12 h后，用60目篩回收，使用石油醚沖洗干凈后，在120±2℃下干燥后稱重，來判斷LWG隔離液對頁巖的抑制性。實驗發(fā)現(xiàn)，在隔離液中加入優(yōu)選的LWG-3防塌劑后，頁巖巖屑滾動回收率達到85%以上，且12 h滾動后的隔離液清洗效果未受到影響。

1.2 LWG洗油隔離液性能評價

1.2.1 LWG洗油隔離液綜合性能

經(jīng)過大量的室內優(yōu)選實驗，復配形成LWG洗油隔離液體系。優(yōu)化的體系配方為:水+(5% ～10%)LWG-1+(1%～2%)LWG-2+(2%～4%)LWG-3+加重劑。隔離液主要性能見表1。

表1 LWG隔離液90℃養(yǎng)護條件下綜合性能

由表1可知，LWG隔離液通過加入一定量的懸浮劑，經(jīng)90℃養(yǎng)護后，24 h沉降穩(wěn)定性好，具有一定懸浮加重能力。

為了測定LWG隔離液的耐溫性，實驗中將密度為1.65 g/cm3的LWG隔離液分別置于60、90、120℃的老化罐中進行16 h老化實驗，并測定老化后隔離液對油基鉆井液的7 min清洗效果。通過實驗發(fā)現(xiàn)，LWG隔離液在經(jīng)過60、90、120℃溫度老化后，對油基鉆井液的7 min清洗效果沒有太大影響，可滿足固井要求，隔離液沉降穩(wěn)定性好。說明隔離液具有良好的耐溫性。由于LWG洗油隔離液中加入了優(yōu)選的表面活性劑、螯合防塌劑等，其與油基鉆井液、水泥漿按一定比例混合后，未發(fā)生增稠和提前稠化現(xiàn)象，具有良好的相溶性，不破壞油基鉆井液的乳化穩(wěn)定性，能有效清除二界面的油膜，可提高環(huán)空頂替效率。

1.2.2 LWG洗油隔離液洗油效果評價

(1)清洗效率評價。采用六速黏度計套筒在液體中旋轉狀況來模擬隔離液在現(xiàn)場不同流速[21]的套管環(huán)空沖洗效果。因現(xiàn)場環(huán)空表面一般是粗糙的，而六速旋轉黏度計套筒為不銹鋼制，表面過于光滑，存在較大的誤差。為了能定性模擬井下清洗情況，實驗前用60目金屬網(wǎng)格套在套筒上，通過在不同套筒轉速情況下測定LWG洗油隔離液達到100%清洗效率所需時間，詳見表2。

表2 LWG洗油隔離液不同轉速情況下達到100%清洗效率所需時間

室內六速旋轉黏度儀的外筒直徑為4.07 cm，周長為12.78 cm，即外筒以300 r/min旋轉表示外筒某點在1 min內運行路程為38.34 cm，接近現(xiàn)場施工上返速度(0.6～0.8 m/s)，故清洗速度控制在300 r/min比較接近現(xiàn)場施工狀態(tài)，可達到一定的物理沖刷效果。從表2可知，轉速越低，要達到100%沖洗效率需要的沖洗時間越長，因此，現(xiàn)場要參考環(huán)空返速確定清洗時間和用量。

(2)LWG洗油隔離液潤濕性能評價。為了測定LWG隔離液是否將套管環(huán)空由油濕變?yōu)樗疂窦茨z結面的表面潤濕性能[22-26]，室內采用美國千德樂公司產(chǎn)的潤濕儀來進行評價。儀器的組成包括雙壁不銹鋼攪拌杯，雙壁之間鑲嵌有電極。儀器內的電極能夠測試潤濕性與電導率之間的關系。將杯中裝滿水基隔離液，沒過電極，當體系為完全水連續(xù)相(為水濕)時，讀數(shù)為1。當體系為完全油連續(xù)相(為油濕)時，讀數(shù)為0，實際測量時，在攪拌杯中加入預定的油基鉆井液，然后倒入LWG隔離液，當加入LWG隔離液量為油基鉆井液量的25%時，讀數(shù)顯示為1，這表示油基鉆井液發(fā)生了潤濕反轉，形成水連續(xù)相，混合液發(fā)生了潤濕反轉。說明LWG隔離液在用量很少時，會使油基鉆井液完全反轉，潤濕性從親油到親水，具有更好的潤濕性。

2 LWG高效洗油隔離液在頁巖氣水平井固井中應用

LWG高效洗油隔離液目前已在彭水、泌陽、涪陵、丁山、南川等地區(qū)采用油基鉆井液的頁巖氣水平井固井中得到應用[27-28]，其中頁巖氣水平井固井10余口，合格率為100%，優(yōu)質率達到80%以上。以DY2HF井為例，該井井深結構為?241.3 mm×?177.8 mm，井深為5 680 m，是中石化在川東南地區(qū)丁山區(qū)塊的重點頁巖氣探井，也是目前已完鉆頁巖氣井最深的井，水平段長為1 034 m，一次封固段為5 660 m，井溫為123℃，鉆井過程中采用柴油基鉆井液，井徑擴大率為5.6%。由于該井較深，水平段較長，為了滿足100%清洗效果，進行潤濕性和清洗效果評價，現(xiàn)場采用加重和具有一定黏切力的LWG隔離液，其具體參數(shù)見表3。

表3 現(xiàn)場實測油基鉆井液和LWG隔離液性能參數(shù)

該井以排量為0.85 m3/min注入LWG隔離液，以1.2 m3/min注入領漿80 m3時(即隔離液出環(huán)空時)，將剩余63 m3尾漿以排量為1.8 m3/min注入，確保環(huán)空水泥漿上返速度達到0.7 m3/min以上，使隔離液能夠有效沖刷油膜，替漿到量后，正常碰壓，碰壓壓力從17 MPa上升至22 MPa，放回水檢查回壓凡爾密封正常。通過觀察現(xiàn)場返漿情況可以看出，油基鉆井液和LWG隔離液、LWG隔離液和水泥漿界面清晰，混漿帶短，無絮凝出現(xiàn)，返出后期隔離液和水泥漿無油膜和油花，無柴油氣味。48 h測固井質量，全井合格率為100%，優(yōu)質率達89%以上。部分頁巖油氣井使用LWG隔離液情況見表4。

表4 LWG隔離液在頁巖氣水平井現(xiàn)場應用的固井效果

3 結論

(1)通過對表面活性劑進行篩選，利用陰、非離子表面活性劑協(xié)同作用復配的LWG隔離液具有較好的洗油潤濕效果，降低了表面活性劑用量。

(2)在LWG隔離液中加入優(yōu)選的懸浮劑，可使隔離液產(chǎn)生較高的內摩擦力和液相黏度，實現(xiàn)任意加重，利于清除黏稠的高密度油基鉆井液。

(3)加入頁巖防塌抑制劑，在一定程度增加了LWG洗油隔離液在頁巖層的防塌能力。

(4)優(yōu)選的LWG隔離液密度范圍可調，對油基鉆井液有較好的隔離效果，較少的加量即可使油基鉆井液發(fā)生潤濕反轉。

(5)LWG高效洗油隔離液已成功在10余口頁巖氣水平井固井現(xiàn)場得到應用，主要油氣層位固井質量合格率達100%，優(yōu)質率達80%以上。

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