固井工作液-隔離液及配套外加劑研究進(jìn)展

王 浩，李 明

西南石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，成都 610500

隨著油氣資源需求的急劇增加，對(duì)深部油氣藏、低滲透油氣藏、海洋油氣藏和非常規(guī)油氣資源的勘探開發(fā)力度隨之加大。提高上述井的固井質(zhì)量對(duì)延長(zhǎng)油氣井生產(chǎn)壽命和保證油氣生產(chǎn)及增產(chǎn)至關(guān)重要。隔離液技術(shù)在提高固井質(zhì)量中發(fā)揮著重要作用。隔離液指用于分隔井下鉆井液與水泥漿這兩種不能相混的流體的工作液，配套外加劑包括降濾失劑、懸浮穩(wěn)定劑、防污染劑和表面活性劑等。它是用于提高固井質(zhì)量的油井工作液，如穩(wěn)定隔離水泥漿與鉆井液，能夠防止兩相接觸污染，或?qū)缑鏆埩舻膹?qiáng)抑制性高效油基鉆井液進(jìn)行高效清洗，從而提高固井質(zhì)量。

1 鉆井液與水泥漿的接觸污染研究現(xiàn)狀

鉆井液與水泥漿相接觸，由于其物理化學(xué)性質(zhì)的差異，如鉆井液外加劑與水泥漿外加劑混合時(shí)發(fā)生纏繞絮凝，鉆井液中黏土晶體對(duì)水泥漿中高價(jià)金屬離子的吸附，都會(huì)發(fā)生不同程度的接觸污染。接觸污染使得混漿段會(huì)出現(xiàn)“假凝”現(xiàn)象，水泥漿稠化變快、鉆井液絮凝變稠；而混漿的絮凝物會(huì)進(jìn)一步包裹自由水分子或水泥顆粒，使得絮凝物凝結(jié)成塊，而外部水泥顆粒水化延緩導(dǎo)致水泥環(huán)強(qiáng)度降低。接觸污染也會(huì)導(dǎo)致“灌香腸”或“插旗桿”事故，導(dǎo)致重大經(jīng)濟(jì)損失，如塔河油田TP239井“插旗桿”事故[1]、四川X區(qū)塊深井固井高塞事故[2]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)接觸污染及其機(jī)理進(jìn)行了大量研究。李靜[3]、楊香艷[4]等指出，在水基鉆井液情況下，水泥水化高價(jià)金屬離子與黏土水化晶體發(fā)生電荷交換形成的不穩(wěn)定的Ca2+結(jié)構(gòu)黏土分子機(jī)理。劉世彬[5]等提出，這種離子交換會(huì)導(dǎo)致黏土分子的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性被破壞，極易聚結(jié)形成絮凝物質(zhì)，并導(dǎo)致接觸污染加劇。李明[6]等指出，鉆井液處理劑也是造成水泥漿與鉆井液接觸污染的直接原因之一。水、油基鉆井液都會(huì)因水泥漿水化產(chǎn)物，尤其是高價(jià)金屬離子與其處理劑之間的吸附行為，或使處理劑溶解度降低而在漿體中絮凝或因橋接形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使得水泥漿受到不同程度的污染破壞。鉆井液與水泥漿的不相容更是造成兩相接觸污染的根本原因之一，而油基鉆井液與水泥漿的不相容性最為普遍。CAMPOS[7]等指出，鹽類物質(zhì)是造成水泥漿受污染的影響因素，它會(huì)促使水泥漿快速凝膠化，使水泥漿出現(xiàn)沉降、泵送過(guò)程中流動(dòng)性降低等問(wèn)題。

井下流體相容性評(píng)價(jià)方法是評(píng)價(jià)水泥漿與鉆井液接觸污染嚴(yán)重程度的通常做法，包括常規(guī)污染試驗(yàn)和污染稠化實(shí)驗(yàn)。主要包括：1)國(guó)際公認(rèn)的API RP 10B或國(guó)標(biāo)GB/T 19139—2012現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)方法；2)川渝深井污染試驗(yàn)法。李靜與劉世彬等[3, 5]采用水浴鍋等設(shè)備，對(duì)井下流體實(shí)際混漿情況模擬流體接觸，直觀反映鉆井液及隔離液對(duì)水泥漿流動(dòng)性能的影響。此外，SOARES[8]等對(duì)接觸污染進(jìn)行量化評(píng)價(jià)，從混漿相容性、流變性能、水泥石抗壓強(qiáng)度、水泥漿沉降密度差、水泥漿稠化時(shí)間、結(jié)晶與微觀形態(tài)表征、XRD分析、掃描電鏡和Zeta電位等方面充分分析水泥漿與鉆井液的接觸污染程度。對(duì)于接觸污染，在研究水泥漿污染、外加劑不相容問(wèn)題的基礎(chǔ)上，需要針對(duì)水泥漿水化產(chǎn)物對(duì)鉆井液性能的影響、鉆井液對(duì)水泥漿的直接影響、鉆井液處理劑對(duì)水泥漿性能的影響等問(wèn)題進(jìn)行深入研究。

2 水基鉆井液用隔離液的研究現(xiàn)狀

2.1 評(píng)價(jià)方法

對(duì)于混漿流體相容性評(píng)價(jià)。楊香艷[9]等在相容性評(píng)價(jià)中參考了流變性、混漿水泥石抗壓強(qiáng)度、混漿API濾失量、稠化時(shí)間一系列評(píng)價(jià)指標(biāo)，全面剖析隔離液與鉆井液、水泥漿的相容性。王翀[10]等提出水泥漿的頂替效率評(píng)價(jià)重在流變相容性評(píng)價(jià)和稠化相容性評(píng)價(jià)。對(duì)于隔離液濾失量評(píng)價(jià)。一般可采用API RP 10B相關(guān)評(píng)價(jià)方法進(jìn)行濾失量評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)[11]。此外，姚曉[12]等提出“U型管法”室內(nèi)評(píng)價(jià)法、井眼模擬裝置對(duì)API濾失量進(jìn)行評(píng)價(jià)。OSODE[13]等利用界面張力、模擬井下高壓環(huán)境的隔離液濾失量與濾餅清洗量等評(píng)價(jià)參數(shù)整體評(píng)價(jià)非反應(yīng)性隔離液。對(duì)于隔離液懸浮穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，一般可采用密度差法[11-12]。李明[14]等對(duì)此采用了旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)法，LI[15]等則進(jìn)一步利用超高溫高壓旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)評(píng)價(jià)隔離液懸浮穩(wěn)定性。隨著評(píng)價(jià)體系的發(fā)展，新的評(píng)價(jià)參數(shù)逐漸增多。楊香艷[16]等在龍17井隔離液配制設(shè)計(jì)中提出了直角稠化污染稠化評(píng)價(jià)參數(shù)，保證了混漿段水泥漿的稠化膠凝性能，而王樂(lè)[17]等在研究中引入游離液等參考指標(biāo)。

2.2 應(yīng)用現(xiàn)狀

隔離液可調(diào)密度范圍應(yīng)較為寬廣[18-19]，國(guó)外的ZEPEDA[20]設(shè)計(jì)出密度略低于水的低密度隔離液。國(guó)內(nèi)的賈永江[21]等設(shè)計(jì)出密度低于1.50 g/cm3的淡水基體系，林輝[22]等設(shè)計(jì)的1.03 g/cm3低密度沖洗隔離液體系，進(jìn)一步擴(kuò)大了國(guó)內(nèi)隔離液的應(yīng)用范圍。其次，是功能型隔離液。針對(duì)清洗效率，肖偉[23]等開發(fā)出YA-13L清洗型隔離液，中國(guó)石油大學(xué)[24]設(shè)計(jì)出NMS-1納米基隔離液。而對(duì)于接觸污染，楊香艷、李靜[3-4]等指出，防止接觸污染要有效控制水泥漿水化產(chǎn)生的金屬離子。李慕君[25]等則在隔離液中加入金屬離子螯合劑成功地處理了接觸污染。同時(shí)，對(duì)于隔離液的抗溫性能，目前的應(yīng)用溫度約180 ℃[26]。而復(fù)合功能型隔離液也獲得成功，如西南石油大學(xué)[27]研究的2.15 g/cm3高密度可固化隔離液，懸浮穩(wěn)定性可達(dá)120 ℃，兼具可固化性能，可有效改善界面封固質(zhì)量。

2.3 現(xiàn)有研究的不足

首先，井下流體相容性評(píng)價(jià)方法尚待改進(jìn)。目前提出的標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)價(jià)方法對(duì)鉆井液與水泥漿的直接接觸污染、水泥漿水化產(chǎn)物的影響以及鉆井液、水泥漿與鉆井液三相之間不相容性等問(wèn)題的研究沒有實(shí)際幫助。具體地說(shuō)，如API RP 10B中雖提及3種流體混漿的常壓流變性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)，但井下環(huán)境相對(duì)復(fù)雜，3種流體間的污染稠化評(píng)價(jià)并未規(guī)范化。而川渝深井污染試驗(yàn)法雖然能夠定性描述3種流體間的接觸污染，但不能獲得稠化時(shí)間、混漿流體可泵性參數(shù)，不利于指導(dǎo)實(shí)際的固井作業(yè)；其次，鉆井液置換驅(qū)替機(jī)理等研究比較弱。一般使用六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)等簡(jiǎn)單模擬，方法相對(duì)單一?？傮w而言，隔離液的研發(fā)較缺乏接觸污染作用機(jī)理和井下流體相容性評(píng)價(jià)方法的指導(dǎo)。

3 油基鉆井液用隔離液的研究現(xiàn)狀

3.1 評(píng)價(jià)方法

對(duì)于油基鉆井液用隔離液，童杰[28]等采用界面沖洗效率評(píng)價(jià)方法和相容性評(píng)價(jià)方法結(jié)合混漿水泥石抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)來(lái)量化評(píng)價(jià)相容性。齊靜[29]等采用流速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)模擬模擬現(xiàn)場(chǎng)套管環(huán)空中隔離液的沖洗隔離作用，通過(guò)水泥石膠結(jié)現(xiàn)象與剪切膠結(jié)強(qiáng)度對(duì)隔離液的除油頂替效率進(jìn)行量化評(píng)價(jià)。MASERATI[30]等在API RP 10B標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，采用膠結(jié)剪切試驗(yàn)和潤(rùn)濕角實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)隔離液的清洗效率。FARAHANI[31]等采用水泥膠結(jié)測(cè)井儀(SBT)檢驗(yàn)水泥石封固質(zhì)量，可通過(guò)固井質(zhì)量間接反映隔離液清洗效率。

3.2 應(yīng)用現(xiàn)狀

隔離液密度對(duì)其使用性能有重要影響，廖志昊[32]等研究了密度范圍為1.10 g/cm3～2.2 g/cm3的GWY -100L隔離液，劉荊成等配制了2.50 g/cm3高密度隔離液[33]。隔離液應(yīng)用性能一般以提高清洗效率和潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)能力為主要性能指標(biāo)。如CHEN等[34]研究了有利于防止流體相容性問(wèn)題和提高混漿段流變性的兩性離子型黏彈性表面活性劑，VAN ZANTEN[35]等設(shè)計(jì)了低用量、高水潤(rùn)濕性的納米表面活性劑，劉偉[36]等研究了頁(yè)巖氣用高密度防塌LWG洗油隔離液，QUINTERO[37]等提出的納米基乳化隔離液，李早元[38]等配制的60～140 ℃油基鉆井液用可固化隔離液。

3.3 目前研究的不足

在隔離液清洗效率方面，通常通過(guò)隔離液基漿與表面活性劑的配用、乳化隔離液的使用等提高對(duì)鉆井液濾餅的清除能力。然而，由于并未能夠建立可模擬井下環(huán)境的清洗效率評(píng)價(jià)方法，無(wú)法準(zhǔn)確有效地評(píng)價(jià)井下環(huán)境隔離液對(duì)油基鉆井液泥餅的清洗效率。而對(duì)復(fù)雜井況，如大肚子井段等特殊情況，未能全面考慮，或是由于模擬界面物理化學(xué)性質(zhì)與實(shí)際井下環(huán)境的差異，不利于正確設(shè)計(jì)隔離液，甚至在實(shí)際應(yīng)用時(shí)導(dǎo)致固井失敗。

在乳化隔離液的應(yīng)用上，油包水型乳化隔離液與水包油型乳化隔離液都通過(guò)改變殘留鉆井液的黏附程度和對(duì)鉆井液的親和吸附作用攜帶走井內(nèi)殘留鉆井液。然而，乳化隔離液的應(yīng)用情況雖然較為普遍，但是乳化隔離液體系的性能水平仍有停滯。乳化體系本身暴露的高溫不穩(wěn)定缺陷，常常會(huì)導(dǎo)致破乳極限降低、隔離液保持乳液形態(tài)的時(shí)間縮短，同時(shí)也會(huì)因破乳行為的發(fā)生使得隔離液體系的黏度與切力大幅增大，導(dǎo)致隔離液性能降低，甚至沒有應(yīng)用效果?？傮w上，該類型隔離液的研究局限于獲得穩(wěn)定的塑性黏度、通過(guò)乳化劑與表面活性劑的復(fù)配使用得較高的清洗效率以及保持較高的再生利用，綜合性能有待提高。

4 隔離液用外加劑研究現(xiàn)狀

隔離液用外加劑，最早借鑒于油井水泥外加劑和鉆井液處理劑，在發(fā)展中逐漸形成了獨(dú)立的隔離液外加劑體系，主要包括懸浮穩(wěn)定劑、防污染劑、降失水劑以及表面活性劑。

懸浮穩(wěn)定劑的研究重點(diǎn)在于抗高溫懸浮穩(wěn)定劑，如林榮壯[39]等配制的抗200 ℃懸浮穩(wěn)定劑，LI[15]等開發(fā)的熱穩(wěn)定性高達(dá)約205 ℃的懸浮穩(wěn)定外加劑體系。2017年，林子旸[40]等則創(chuàng)新性地提出復(fù)配型懸浮穩(wěn)定劑，一定程度上同時(shí)滿足隔離液的流變性和懸浮性要求。

TARAFDAR[41]等提出使用表面活性劑改善界面膠結(jié)質(zhì)量，而歐紅娟[42]等進(jìn)一步將表面活性劑作為防污染劑，用于改善水泥漿與鉆井液的接觸污染問(wèn)題，此類外加劑又叫做防污染劑。目前，防污染劑主要以金屬離子螯合劑為主[25]。

至于降失水劑，目前的研究仍然以降低體系自由水濾失量為主。對(duì)于隔離液的濾失量控制，成膜外加劑的效果較好。如路志平[43]等使用的抗150 ℃非滲透劑FSAM，90 ℃以下10%用量、15 ℃以下11% ～ 13%用量，可控制濾失量在50 mL以下，并可有效防止水泥漿滲漏。

表面活性劑的效果以清洗效率和界面潤(rùn)濕性為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)。VAN ZANTEN[35]等在乳化隔離液中使用的納米級(jí)表面活性劑，Vsurfactant/V隔離液基液=10/90情況下，接觸時(shí)間少于5 min，而對(duì)多種鉆井液的清洗效率都超過(guò)98%；而界面潤(rùn)濕性能優(yōu)異，用量卻可少于隔離液體積的0.5%。

此外，目前更是出現(xiàn)了新的自愈合效應(yīng)外加劑，通過(guò)隔離液體系流動(dòng)滲透時(shí)成分的可固化特性[27]或促進(jìn)水泥漿體系中成分凝膠化的特性[44]提高界面封固質(zhì)量。

5 結(jié)語(yǔ)與展望

1)對(duì)于接觸污染機(jī)理，需要重點(diǎn)從水泥漿水化產(chǎn)物(尤其是水化產(chǎn)生的高價(jià)金屬離子)與鉆井液中的聚合物處理劑的相互作用著手，深入探究各個(gè)單一組分間的不相容行為對(duì)流體間相容性的影響程度，從而全面評(píng)價(jià)不同井下流體之間的不相容問(wèn)題。

2)對(duì)于隔離液的研究，要考慮水基鉆井液和油基鉆井液兩種情況。水基鉆井液的問(wèn)題在于頂替效率和鉆井液與水泥漿的接觸污染；而油基鉆井液的問(wèn)題則在于置換驅(qū)替困難，易造成接觸污染以及界面水潤(rùn)濕性差。因此，針對(duì)水泥漿和鉆井液的使用，隔離液的密度可調(diào)范圍和隔離穩(wěn)定性依然是首先需要考慮的問(wèn)題，這是保證順利頂替的前提。同時(shí)，滿足抗溫抗鹽等參數(shù)要求是隔離液發(fā)揮正常應(yīng)用性能的前提。

3)就隔離液組成來(lái)看，隔離液具備優(yōu)異性能首先需要考慮添加性能優(yōu)異的外加劑，如適用于高溫環(huán)境的溫敏締合物型懸浮穩(wěn)定劑，具有降濾失、防滲漏協(xié)同作用的新型降失水劑。而對(duì)于專用外加劑，如防污染劑，需要充分地分析污染機(jī)理，希望通過(guò)防污染劑的使用盡可能降低接觸污染對(duì)水泥漿強(qiáng)度的影響。而表面活性劑，則需要針對(duì)油基鉆井液高粘不相容的缺陷，提高表面活性劑的驅(qū)替效率和潤(rùn)濕能力。