高密度抗鹽隔離液BH-HDS的研制與應(yīng)用

齊奔， 劉文明， 付家文， 林志輝， 孫勤亮， 王圣明， 宗勇

（渤海鉆探第二固井分公司，天津 300280）

高密度抗鹽隔離液BH-HDS的研制與應(yīng)用

齊奔， 劉文明， 付家文， 林志輝， 孫勤亮， 王圣明， 宗勇

（渤海鉆探第二固井分公司，天津 300280）

高密度、鹽膏層井對提高頂替效率的固井隔離液提出了更高的要求。通過選用生物質(zhì)聚合物、無機(jī)懸浮物以及無機(jī)鹽復(fù)合材料作為懸浮劑，陰離子聚合物作為稀釋劑，重晶石作為加重劑，配制出一種新型隔離液。研究表明，該隔離液體系在1.50～2.40 g/cm3范圍內(nèi)具有良好的流變性能和沉降穩(wěn)定性能，并且該體系具有良好的抗溫性能，當(dāng)溫度達(dá)到180℃時(shí)，1.80 g/cm3隔離液的上下密度差為0.06 g/cm3，2.20 g/cm3隔離液的密度差為0.03 g/cm3；此外，該隔離液抗鹽能達(dá)半飽和，半飽和鹽水隔離液具有良好的懸浮穩(wěn)定性和流變性。測試了隔離液與鉆井液、隔離液與水泥漿、隔離液與鉆井液、水泥漿3種混合液的相容性能，研究表明隔離液具有良好的相容性，加入隔離液的水泥漿的稠化時(shí)間較純水泥漿稠化時(shí)間長。該高密度抗鹽隔離液在伊拉克高壓鹽膏層應(yīng)用2井次、在大港油田中深層油層現(xiàn)場應(yīng)用1井次，固井質(zhì)量1口合格，2口優(yōu)質(zhì)。

高密度；抗鹽； 隔離液 ；固井； 固井質(zhì)量；相容性

隔離液因其具有隔離鉆井液與水泥漿，避免水泥漿的污染、壓穩(wěn)地層和提高頂替效率等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于固井施工作業(yè)中[1-15]。隨著勘探開發(fā)的不斷深入，深井、超深井、大位移水平井、調(diào)整井越來越多，鉆井液密度越來越高，為提高頂替效率，改善固井質(zhì)量，需要使用抗高溫高密度隔離液體系。目前，伊拉克哈法亞、米桑區(qū)塊使用鉆井液密度達(dá)到2.20 g/cm3以上，并且含有鹽膏層，為了提高頂替效率，必須采用高密度抗鹽隔離液體系。高密度抗鹽隔離液較常規(guī)隔離液具有更高的性能要求：①為了保證鹽膏層井壁穩(wěn)定性，須采用半飽和鹽水隔離液體系，要求隔離液在高濃度含鹽條件下具有良好的穩(wěn)定性；②高密度含鹽隔離液由于含鹽，會造成漿體變稠，因此要求隔離液具有良好的流變性能以及與高密度鉆井液、水泥漿具有良好的相容性能。目前，關(guān)于高密度抗鹽隔離液的報(bào)道比較少見[16-18]，由生物發(fā)酵制備的高分子聚合物、天然礦物和無機(jī)鹽的復(fù)合懸浮劑配制了一種隔離液，在加入少量的液體降失水劑后，該隔離液失水量可控制在120 mL以下，而且隔離液具與水泥漿、鉆井液具有優(yōu)異的相容性，是一類使用密度范圍廣、適應(yīng)鉆井液、水泥漿種類多，耐鹽、抗高溫的廣普型隔離液體系。

1 高密度抗鹽隔離液的作用機(jī)理及配方優(yōu)選

1.1 隔離液懸浮劑

隔離液懸浮劑包括膨潤土和海泡石等天然礦物、文萊膠和無機(jī)鹽。海泡石在高溫下比較穩(wěn)定，而且在高溫下其結(jié)構(gòu)不會發(fā)生改變，膨潤土在低于100 ℃下，具有良好的懸浮穩(wěn)定性能，但隨著溫度的升高，其本身的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，導(dǎo)致其懸浮性能變差，將2者混合使用可以起到懸浮穩(wěn)定性互相補(bǔ)充和協(xié)調(diào)增加體系穩(wěn)定性的效果。文萊膠是發(fā)酵制得的生物聚合物，用量很少便能形成高黏度溶液，而且其溶液黏度隨溫度的變化較小，特別是在高溫下具有良好的懸浮性能。無機(jī)鹽為三聚磷酸鈉和水玻璃的混合物，水玻璃在使用的過程中具有保護(hù)井壁垮塌的作用，三聚磷酸鈉和水玻璃具有良好的清洗井壁的效果，而且可以增加隔離液與水泥漿、鉆井液的相容性能。通過上述材料混合制備的懸浮劑命名為BH-S101，添加有3%BH-S101的水溶液的懸浮性能如表1所示。從表1中可以看出，BH-S101在常溫下具有良好的懸浮能力，而且在半飽和鹽水的條件下，溶液的稠度增加，而且隨著溫度的升高，BH-S101也表現(xiàn)出一定的“熱稀釋效應(yīng)”，但是，即使在180 ℃下，該懸浮劑仍然有良好的懸浮性能。

表1 3%懸浮劑BH-S101溶液的懸浮性能

1.2 稀釋劑

稀釋劑主要由能夠離解出磺酸鹽陰離子基團(tuán)的2種聚合物組成，大分子量的陰離子基團(tuán)被吸附到加重劑顆粒表面，從而在加重劑顆粒表面形成一層溶劑化的單分子膜，使加重劑顆粒間的凝聚作用減弱，顆粒的摩擦阻力減小，因而顆粒得以分散，流動(dòng)性得到改善。配制的稀釋劑命名為BHD211L。向3%的BH-S101水溶液中加入5%的BH-D211L，測試其流變參數(shù)為68/46/37/27/10/7，這說明BH-D211L具有較好的稀釋效應(yīng)。

加重劑選用重晶石，其密度要求為4.20～4.50 g/cm3，并且過孔徑為0.076 mm的篩余小于5%。此外，如果對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)井，需要加入一定量的降失水劑降低隔離液體系的失水量，如果固井施工時(shí)間長，為了保證施工安全，需要加入一定量的緩凝劑，這需要在做混漿污染實(shí)驗(yàn)的時(shí)候確定其加量。

2 實(shí)驗(yàn)部分

按照配方稱取一定量的水（或者鹽水）、液體降失水劑BH-F201L，在4 000 r/min攪拌下緩慢加入一定量的懸浮劑BH-S101，然后繼續(xù)攪拌2 min，并加入少量消泡劑；然后加入稀釋劑BH-D211，繼續(xù)攪拌1 min；最后加入加重劑攪拌1 min，即得所制備的隔離液BH-HDS。通過調(diào)節(jié)各種外加劑的加量，優(yōu)化了1.50～2.40 g/cm3隔離液的配方。當(dāng)隔離液密度在1.50～1.80 g/cm3時(shí)，配制的隔離液流變性能良好，不需要加入稀釋劑；當(dāng)密度在1.90～2.40 g/cm3時(shí)，隔離液的流變性能變差，因此需要加入一定量的稀釋劑，來滿足隔離液的流變性能。

2.1 不同密度隔離液的流變性、沉降穩(wěn)定性和失水量的評價(jià)

表2考察了不同密度隔離液在常溫下的流變性能和沉降穩(wěn)定性，可以看出，隨著密度的增加，由于固相含量的增加，流變性能變差，但是漿體的流性指數(shù)均大于0.6，滿足安全泵送的要求。1.50～2.40 g/cm3隔離液的密度差均小于0.01 g/cm3。這說明制備的隔離液可以在泵送入井之前穩(wěn)定存放，基本不會發(fā)生沉降，滿足施工要求。

表2 不同密度隔離液在室溫（25 ℃）下的流變和沉降穩(wěn)定性能

加重隔離液的穩(wěn)定性對于阻止鉆井液和水泥漿混合起到關(guān)鍵的作用。若隔離液的穩(wěn)定性差，容易產(chǎn)生固相沉降致使隔離液上部密度降低，就不能有效懸浮鉆井液，同時(shí)下部密度增大，與水泥漿的密度差減小，使水泥漿不能有效懸浮隔離液，導(dǎo)致頂替效率下降。在80 ℃下常壓攪拌20 min后，測試其流變性能，沉降2 h測試其穩(wěn)定性，結(jié)果如表3所示。從表3可以看出，1.50～2.40 g/cm3隔離液的密度差均小于0.03 g/cm3，析水小于0.3%，而且漿體的流性指數(shù)均大于0.6，滿足施工要求。對比2.20 g/cm3淡水和半飽和鹽水的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，鹽水的流變性能會變差，這主要是由于氯化鈉溶液中Na+和Cl-會和懸浮穩(wěn)定劑中的文萊膠進(jìn)行絡(luò)合作用，造成了漿體變稠。

隔離液的失水量過大勢必會影響隔離液的性能，污染井壁，嚴(yán)重時(shí)可能造成井筒垮塌。標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5480—2007中規(guī)定，當(dāng)固井溫度小于103 ℃時(shí)，失水量小于250 mL，當(dāng)固井溫度大于103 ℃時(shí)，要控制失水量小于150 mL/30 min。由于懸浮穩(wěn)定劑是膨潤土和海泡石等天然礦物和文萊膠等組成，其本身具有一定的降失水性能，1.70 g/cm3的隔離液在不加液體降失水劑的情況下，失水量為170 mL（80 ℃），通過加入一定量的 AMPS 類的降失水劑BH-F201L，控制隔離液的失水量均小于120 mL。

表3 不同密度隔離液在80 ℃下的流變和沉降穩(wěn)定性能

2.2 隔離液的抗溫性能

一般的隔離液懸浮劑如羧甲基纖維素、黃原膠等天然有機(jī)物，隨著溫度達(dá)到某一點(diǎn)，其黏度和懸浮能力迅速下降，不能滿足深井、高溫井的施工要求?？疾炝?1.80 g/cm3和 2.20 g/cm3的隔離液在80～180 ℃下的沉降穩(wěn)定性情況。從表4可以看出，隨著溫度的增加，隔離液穩(wěn)定性能略有下降，即使溫度達(dá)到180 ℃，1.80 g/cm3隔離液的上下密度差為 0.06 g/cm3，2.20 g/cm3隔離液的密度差為 0.03 g/cm3。因此，隔離液在高溫下整體性能穩(wěn)定，可以保證其在深井超深井施工時(shí)保持良好的沉降穩(wěn)定性和泵送性能，滿足施工安全。

表4 不同密度隔離液的抗溫性能

2.3 相容性能評價(jià)

隔離液在使用過程中，與鉆井液和水泥漿接觸，如若2者在接觸過程中發(fā)生絮凝或者稠度增加較大，會影響施工，降低隔離液的頂替效率。采用1.80 g/cm3隔離液、1.45 g/cm3硅基鉆井液和 1.90 g/cm3水泥漿進(jìn)行相容性實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表5和表6。

表5 隔離液與鉆井液相容性實(shí)驗(yàn)（80 ℃）

表6 隔離液與水泥漿相容性實(shí)驗(yàn)（80 ℃）

從表5和表6可以看出，隔離液與鉆井液、水泥漿相混后，均具有良好的相容性，有利于提高頂替效率?？紤]到頂替不充分時(shí)，鉆井液、隔離液和水泥漿3者可能同時(shí)混合，如表7所示，3相摻混時(shí)，沒有出現(xiàn)增稠現(xiàn)象。因此，隔離液與鉆井液和水泥漿具有良好的相容性，能夠有效地頂替鉆井液，并避免3相接觸污染，保證現(xiàn)場施工安全。

表7 水泥漿、隔離液與鉆井液相容性實(shí)驗(yàn)（80 ℃）

水泥漿、隔離液與鉆井液混漿稠化實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表8和圖1、圖2。

表8 水泥漿、隔離液與鉆井液混漿稠化實(shí)驗(yàn)（160 ℃）

圖1 水泥漿的稠化曲線

圖2 摻有5%隔離液的水泥漿的稠化曲線

由表8可知，隔離液與水泥漿以不同比例混合后，混合漿體的稠化時(shí)間均有一定時(shí)間的延長，從圖1、圖2可以看出，摻有5%隔離液的水泥漿的稠化時(shí)間較純水泥漿延長49 min，而且當(dāng)水泥漿∶隔離液∶鉆井液為7∶2∶1時(shí)，稠化時(shí)間延長50 min以上，隔離液對水泥漿起到緩凝作用，滿足現(xiàn)場安全施工的要求。從表8中可以看出，混入隔離液的水泥石抗壓強(qiáng)度有所下降，但即使是含有50%隔離液的水泥漿在24 h的抗壓強(qiáng)度達(dá)到5.1 MPa，說明隔離液與水泥漿具有良好的相容性能，且不會發(fā)生超緩凝的現(xiàn)象，保證了固井水泥漿的膠結(jié)質(zhì)量。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

研制的高密度抗鹽隔離液在伊拉克哈法亞油田高壓鹽膏層以及大港油田中深層油層進(jìn)行了固井作業(yè)，應(yīng)用3井次，結(jié)果見表9，固井質(zhì)量全部合格。其中HF133 -M133D2和HF058-M058H1井位于伊拉克哈法亞油田，均為五開定向井，鉆至四開有鹽膏層。鉆井液采用的是BH-KSM鉆井液，密度為2.23 g/cm3，隔離液采用鐵礦粉加重，水泥漿采用鹽水水泥漿體系，配方如下。

1#隔離液 水+265%鐵礦粉+7%BH-F201L+1.2%BH-S101+0.6%緩凝劑+15%NaCl，密度為2.25 g/cm3

1#水泥漿 阿曼G級水泥+90%鐵礦粉+15%錳礦粉+8% BH-F201L+6%分散劑BZGF-1+緩凝劑 BH-R101L+15% NaCl+ 水， 密度為 2.28 g/cm3

港深1604井位于大港油田，井深4 228 m，屬于中深層調(diào)整井，采用密度為1.55 g/cm3的硅基鉆井液，隔離液采用重晶石加重，配方如下。

2#隔離液 水 +1.5%BH-S101+4%BH-F201L+138% 重晶石，密度為 1.80 g/cm3

2#水泥漿 華銀G級水泥+35%硅粉+2%微硅+2% 膨脹劑G401+2%降失水劑G33S+0.2%分散劑BZGF-1+緩凝劑GH-9+水， 密度為1.90 g/cm3

表9 高密度抗鹽隔離液的現(xiàn)場應(yīng)用

由此可見，高密度抗鹽隔離液具有應(yīng)用范圍廣，隔離效果好的特點(diǎn)，解決了伊拉克高壓鹽膏層以及大港油田中深層調(diào)整井固井的難題。

4 結(jié)論

1.新型隔離液BH-HDS密度調(diào)節(jié)范圍大，可在1.50～2.40 g/cm3之內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，流變性能良好，沉降穩(wěn)定性能好，在80 ℃下沉降2 h，其上下密度差小于 0.03 g/cm3。

2.該隔離液具有良好的降濾失性能，可以控制失水量小于120 mL，抗溫達(dá)到180 ℃以及具有抗半飽和鹽水的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)溫度達(dá)到180 ℃時(shí)，密度為1.80 g/cm3隔離液的上下密度差為 0.06 g/cm3，密度為 2.20 g/cm3隔離液的密度差為 0.03 g/cm3。

3.該隔離液與水泥漿以及鉆井液均具有良好的相容性能，均沒有發(fā)生絮凝增稠現(xiàn)象，這樣可以大幅度提高隔離液的頂替效率，改善井壁結(jié)構(gòu)，提高固井質(zhì)量。并且混有隔離液的水泥漿稠化時(shí)間會增長，但是不會導(dǎo)致水泥漿超緩凝，保證了固井施工安全，并且提高了固井質(zhì)量。

4.高密度抗鹽隔離液在伊拉克、大港油田現(xiàn)場應(yīng)用3井次，應(yīng)用效果良好。

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Development and Application of High Density Salt Resistant Spacer BH-HDS

QI Ben, LIU Wenming, FU Jiawen, LIN Zhihui, SUN Qinliang, WANG Shengming, ZONG Yong
(The Second Cementing Branch of CNPC Bohai Drilling Engineering Company Limited, Tianjin 300280)

Wells drilled with high density drilling fl uids and wells penetrating formations with salt and gypsum impose stricter requirements on the increase of displacement ef fi ciency of spacers during well cementing. A spacer was formulated with a selected biopolymer, an inorganic suspended matter and compounded inorganic salts as suspending agent, an anionic polymer as thinner, and barite as weighting agent. Study showed that the spacer, with its density adjustable between 1.50 g/cm3and 2.40 g/cm3, had good rheology and sedimentation stability, and superior high temperature performance. At 180 ℃, the spacer of 1.80 g/cm3had density difference of 0.06 g/cm3between the upper and lower parts of the spacer; when the density of the spacer was 2.20 g/cm3, the density difference became 0.03 g/cm3.Furthermore, this spacer is resistant to the contamination from saltwater of semi-saturation; spacers formulated with saltwater of semi-saturation had good suspension stability and rheology. Good compatibility of the spacer with drilling fl uid and cement slurry was obtained by mixing the spacer with drilling fl uid, with cement slurry and mixing the space with drilling fl uid and cement slurry to test its compatibility. Cement slurries containing the spacer had longer thickening time than pure cement slurries.BH-HDS has been used in high-pressure formations with salt and gypsum (Iraq) and mid-deep reservoir(Dagang oil fi eld),gaining good operation achievements.

High density; Salt resistant; Spacer; Well cementing; Cementing quality; Compatibility

齊奔，劉文明，付家文，等.高密度抗鹽隔離液BH-HDS的研制與應(yīng)用[J].鉆井液與完井液，2017， 34（5）：73-78.

QI Ben， LIU Wenming， FU Jiawen，et al.Development and application of high density salt resistant spacer BH-HDS[J].Drilling Fluid & Completion Fluid，2017，34（5）：73-78.

TE256

A

1001-5620（2017）05-0073-06

10.3969/j.issn.1001-5620.2017.05.014

中國石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司重大研發(fā)項(xiàng)目“油田化學(xué)固井添加劑研制”（2016ZD07K）。

齊奔，高級工程師，博士，1986年生，畢業(yè)于南開大學(xué)材料物理與化學(xué)專業(yè)，現(xiàn)在從事固井外加劑研發(fā)及技術(shù)研究工作。電話 （022）25961706；E-mail：benqi2007@163.com。

2017-4-11；HGF=1704M7；編輯 馬倩蕓）