表面活性劑型可加重固井前置液作用機(jī)理及應(yīng)用

姜濤

（大慶鉆探鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江大慶 163413）

固井前置液通常使用無(wú)機(jī)或高分子聚合物類懸浮劑來(lái)懸浮加重材料。高分子聚合物和無(wú)機(jī)懸浮劑的加入，混配時(shí)間長(zhǎng)、工藝復(fù)雜、對(duì)前置液和鉆井液、水泥漿的相容性產(chǎn)生不良影響，且流變性能不宜調(diào)節(jié)，另外，高分子聚合物和無(wú)機(jī)懸浮劑也影響前置液本身的沖洗效果及界面潤(rùn)濕能力，降低水泥環(huán)的膠結(jié)質(zhì)量[1-4]。針對(duì)這些問(wèn)題，開發(fā)出了一種表面活性劑型可加重固井前置液體系，該體系適用溫度較廣，最大為150 ℃；能夠同時(shí)適用于油基鉆井液和水基鉆井液；且能夠依據(jù)不同的井況和施工工藝，對(duì)密度和流變性能進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)整，使之實(shí)現(xiàn)最佳的頂替流態(tài)，從而達(dá)到良好的沖洗頂替效果，為水泥環(huán)提供良好的界面膠結(jié)環(huán)境，提高封固質(zhì)量。

1 作用機(jī)理

1.1 懸浮機(jī)理

研制的前置液體系采用了表面活性劑懸浮技術(shù)。表面活性劑分子具有親水、親油的雙親結(jié)構(gòu)性質(zhì)。在水基體系中，表面活性劑親水的極性基團(tuán)伸展于水中，使表面活性劑溶于水，隨著表面活性劑的濃度增大，體系傾向于形成膠束，即親水的極性基團(tuán)向著水，疏水的碳?xì)滏I聚集在一起形成疏水內(nèi)核的有序組合體，膠束的形狀隨濃度、電解質(zhì)和增稠劑的加入，表現(xiàn)出不同的膠束形態(tài)，如圖1所示。膠束的形狀不同，使物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的阻力不同， 不同的膠束形態(tài)具有不同的黏稠度。棒狀膠束所形成的黏稠度較大，六角形膠束的黏稠度更大，成果凍狀；當(dāng)膠束形狀變?yōu)閷訝?，物質(zhì)的相對(duì)滑動(dòng)容易，體系的黏稠度反而會(huì)下降[5-7]。

圖1 表面活性劑在水中形成的不同膠束形態(tài)

表面活性劑在形成膠束的同時(shí)，其親水基團(tuán)通過(guò)水耦合相互連接，膠束和這種親水基團(tuán)的鏈接相互搭建纏繞而形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使體系的黏稠度增加，如圖2、圖3所示。在該體系中加有固相顆粒時(shí)，由于固相顆粒（如重晶石和鐵礦粉）等屬于惰性材料，表面活性劑的疏水基團(tuán)易于吸附在固相顆粒的表面，從而形成以固相顆粒為中心，被表面活性劑形成的膠束所包裹的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)（如圖3所示），阻止固相顆粒的沉降。

圖2 表面活性劑的水耦合示意圖

圖3 表面活性劑在水相中的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)（左）和其與固相顆粒的作用圖（右）

1.2 沖洗機(jī)理

1.2.1 滲透溶脹作用

前置液中的表面活性劑會(huì)在油基鉆井液的泥餅表面吸附，其疏水基一端吸附泥餅的表面，親水一端伸入水中，這樣一來(lái)，油基鉆井液泥餅表面覆蓋了一層表面活性劑分子。由于吸附層中的表面活性劑分子的親水基伸入水中，所以油基鉆井液具有了親水性能，使前置液中的溶劑和水易在油基鉆井液泥餅的表面滲入，產(chǎn)生溶脹作用，削弱油基泥餅的結(jié)構(gòu)力，同時(shí)也削弱油基泥餅和套管之間的作用力，然后在前置液的沖刷下，一方面油基泥餅會(huì)被逐漸剝離，另一方面，油基泥餅會(huì)逐漸卷起，在卷起過(guò)程中形成的新表面立即有表面活性劑分子吸附上去，產(chǎn)生新的潤(rùn)濕和溶脹作用，最終油基泥餅從界面上徹底卷起，沖掉的油基鉆井液被前置液中的表面活性劑分子形成的膠束包裹，分散到前置液中。

1.2.2 表面張力作用

對(duì)油基鉆井液的沖洗與表面活性劑能降低表面張力密切相關(guān)。

油基鉆井液在套管表面有一接觸角θ，如果水中沒有表面活性劑存在，那么平衡時(shí)，則潤(rùn)濕方程表述為：

σws-σos=σowcosθ

式中，σws、σos、σow分別是水與套管之間、油污與套管之間、油污與水之間的界面張力；θ是接觸角。當(dāng)水中有表面活性劑時(shí)，由于表面活性劑的吸附，導(dǎo)致σws、σow降低，而油污與套管之間的界面上沒有吸附表面活性劑，所以，油污與套管之間的界面張力σos保持不變。這樣一來(lái)，根據(jù)潤(rùn)濕方程，原來(lái)的平衡被打破，即油污各處的受力情況發(fā)生了變化，為了保持新的平衡，油污就會(huì)發(fā)生變形，接觸角θ發(fā)生變化，依據(jù)潤(rùn)濕方程，當(dāng)σws、σow變小時(shí)，cosθ應(yīng)該變小，接觸角θ必然變大，才能保持潤(rùn)濕方程重新相等，油滴發(fā)生變形，以達(dá)到新的平衡。宏觀上表現(xiàn)為油滴發(fā)生卷曲，如圖4（a）所示。理論上，當(dāng)接觸角接近180°時(shí)，油污會(huì)卷曲成油珠，從套管表面脫落而除去。如果接觸角介于90°～180°之間時(shí)，油污雖然不能自發(fā)地從套管表面脫落，但是也可以被水流從套管壁表面沖洗下來(lái)，如圖4（b）所示。當(dāng)油污與表面的接觸角小于90o時(shí)，則即使有運(yùn)動(dòng)液流的沖擊，也仍然有小部分油污殘留于表面，如圖4（c）所示。這就需要前置液具有良好的物理沖刷作用，清除剩余的油污殘留物。

圖4 油性污垢與套管之間接觸角不同時(shí)的狀態(tài)

依據(jù)滲透溶脹和表面張力的原理，將常溫沖洗懸浮劑C-01、高溫沖洗懸浮劑C-03和流型調(diào)節(jié)劑（有機(jī)溶劑）按一定比例配制成基液，并把黏上油基鉆井液的套管浸泡其中，如圖5所示?？梢钥闯?，套管上的油漿逐漸卷曲、 脫落， 3 min后，只剩下少量的殘留物。這也正驗(yàn)證了滲透溶脹和表面張力的作用機(jī)理在對(duì)油基鉆井液的沖洗上是可行的[8-13]。

圖5 黏油基鉆井液的套管在基漿中浸泡后的狀態(tài)

2 流變性能控制

前置液的流變性能是影響頂替效率的重要因素，隨著井的類型、井眼擴(kuò)大率、套管偏心度等井況不同，對(duì)前置液流變性能的要求也不同[14-17]，因此在研制前置液過(guò)程中選用了一種流型調(diào)節(jié)劑，能夠根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的要求，有針對(duì)性地調(diào)節(jié)前置液的流變性能。室內(nèi)進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表1。

表1 前置液的流變數(shù)據(jù)

圖6 調(diào)節(jié)劑不同加量下前置液的流變曲線

實(shí)驗(yàn)表明，隨著調(diào)節(jié)劑加量的變化，前置液的流變性能變化明顯，但根據(jù)數(shù)據(jù)繪制的流變曲線（圖6）顯示，前置液的流型比較穩(wěn)定，為賓漢流體。

層流、塞流、紊流各有特點(diǎn)，但實(shí)踐表明，固井前置液在注替過(guò)程中，應(yīng)盡量實(shí)現(xiàn)紊流或者塞流，避免層流[1]。前置液通過(guò)流型調(diào)節(jié)劑加量的變化調(diào)節(jié)流變性能，使其能夠根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工中實(shí)現(xiàn)紊流或塞流頂替。

以φ215 mm鉆頭、 φ139.7 mm套管為例， 不同調(diào)節(jié)劑加量的前置液臨界排量計(jì)算結(jié)果見表2。由表2可以看出，前置液具有如下特點(diǎn)：當(dāng)調(diào)節(jié)劑加量較少，切力較大時(shí)，利于塞流頂替，當(dāng)調(diào)節(jié)劑加量較大，切力較小時(shí)，易實(shí)現(xiàn)紊流頂替。因此，可依據(jù)實(shí)際井況，通過(guò)合理的流變?cè)O(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)不同的頂替流態(tài)，提高前置液的頂替效率。

表2 前置液環(huán)空臨界返速計(jì)算

3 前置液綜合評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

3.1 流型調(diào)節(jié)劑對(duì)沉降穩(wěn)定性的影響

流型調(diào)節(jié)劑能夠調(diào)節(jié)前置液的流變模式，但是隨著調(diào)節(jié)劑加量的增加，前置液的切力和黏度在降低，為了驗(yàn)證調(diào)節(jié)劑對(duì)前置液沉降穩(wěn)定性能的影響，同時(shí)確定調(diào)節(jié)劑的允許最大加量，對(duì)前置液加入調(diào)節(jié)劑后的沉降穩(wěn)定性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，見表3。

表3 不同調(diào)節(jié)劑加量下的懸浮穩(wěn)定性

由表3可知， 當(dāng)調(diào)節(jié)劑加量小于4%時(shí)， 沉降穩(wěn)定性能良好， 加量大于4%時(shí)， 沉降穩(wěn)定性能變差，因此在配制前置液時(shí)控制調(diào)節(jié)劑加量小于4%。

3.2 相容性評(píng)價(jià)

3.2.1 流變性相容性

實(shí)驗(yàn)鉆井液選用的是取自現(xiàn)場(chǎng)的油基鉆井液和水基鉆井液，實(shí)驗(yàn)水泥漿為丁苯膠乳體系，密度為1.90 g/cm3。參照GB/T 19139—2003標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)價(jià)前置液與水泥漿和現(xiàn)場(chǎng)鉆井液的相容性，結(jié)果見表4。可以看出，他們之間的相容性很好。

表4 前置液與鉆井液和水泥漿相容性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.2.2 抗污染稠化相容性

進(jìn)行了丁苯膠乳水泥漿與前置液以不同比例混合后進(jìn)行的150 ℃稠化實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表5。

表5 抗污染稠化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表5可知，前置液與水泥漿混合后，在150℃下，稠化時(shí)間延長(zhǎng)，且無(wú)閃凝現(xiàn)象出現(xiàn)，滿足現(xiàn)場(chǎng)施工的安全要求。

3.3 沖洗效果

采用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)裝置進(jìn)行沖洗評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)[4]，結(jié)果見表6。從表6可以看出，前置液對(duì)油基鉆井液和水基鉆井液具有良好的沖洗效果。

表6 前置液沖洗效果評(píng)價(jià)結(jié)果

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

該前置液體系目前已應(yīng)用170多口井，多為水平井、深井及特殊工藝井。依據(jù)不同的工況，對(duì)前置液流變進(jìn)行設(shè)計(jì)，使其達(dá)到最佳的沖洗頂替及壓穩(wěn)效果。下面以2口井為例，介紹前置液設(shè)計(jì)的流變數(shù)據(jù)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況。

4.1 長(zhǎng)水平段水平井流變?cè)O(shè)計(jì)

某井開采油層為扶余油層，屬于致密油水平井，井深為4 300 m，水平段長(zhǎng)為2 660 m，所用鉆井液為油基鉆井液，其井眼擴(kuò)大率只有4.8%，且是一次性全封，固井施工時(shí)間長(zhǎng)，不易使用塞流頂替，因此在這口井中，把前置液設(shè)計(jì)成紊流的形式，紊流流體能夠抑制由于套管偏心引起的偏流。前置液密度為1.40 g/cm3，漏斗黏度為37 s，流變數(shù)據(jù)φ600/φ300/φ200/φ100/φ6/φ3為 57/40/29/18/5/4，紊流臨界排量為1.36 m3/min。

該井井口返出水泥漿34 m3，從返出的流體狀態(tài)來(lái)看，前置液界面清晰，與油基鉆井液、DSJ水泥漿的摻混段流動(dòng)狀態(tài)良好，無(wú)增稠絮凝現(xiàn)象，按水泥漿填充環(huán)空量計(jì)算，頂替效率為90.8%。說(shuō)明通過(guò)對(duì)前置液合理的流變?cè)O(shè)計(jì)，加上其良好的相容性能，達(dá)到了良好的沖洗頂替效果。

4.2 特殊工藝井流變?cè)O(shè)計(jì)

某井為深層氣井， 井深為4 911 m， 垂深為3 862 m，水平段長(zhǎng)為974 m，循環(huán)溫度為130 ℃，采用水平段裸眼分段完井，在固井前，需要把裸眼段的鉆井液用沖洗隔離液頂替到井深3 100 m擴(kuò)張式封隔器上面，水平段用完井液填充，直到固井前，沖洗隔離液需要在井深3 100 m（靜止溫度為120℃）處?kù)o止4 d左右，考慮到?jīng)_洗隔離液要具有良好的抗溫沉降穩(wěn)定性和沖洗效果，使用了該前置液。

由于該井在水平段用完井液置換鉆井液的頂替過(guò)程中，使用小排量頂替（0.2 m3/min左右），頂替時(shí)間長(zhǎng)達(dá)14 h，為了最大限度地提高頂替效果和減少摻混量，把前置液設(shè)計(jì)成塞流頂替模式，前置液密度為1.20 g/cm3，漏斗黏度為70 s，φ600/φ300/φ200/φ100/φ6/φ3為 103/81/69/57/23/20，塞流臨界排量為0.52 m3/min，實(shí)際頂替排量為0.1～0.3 m3/min。

該體系在井深3 100 m處?kù)o止9 d，在固井施工時(shí)，注沖洗液和注灰壓力正常，井口返出漿體狀態(tài)良好，說(shuō)明該體系具有良好抗高溫沉降穩(wěn)定性能。

5 結(jié)論

1.表面活性劑型可加重固井前置液適應(yīng)密度范圍寬、懸浮穩(wěn)定性能好，最高抗溫可達(dá)150 ℃，具有良好的流動(dòng)性能，與鉆井液和水泥漿具有良好的相容性，有很好的沖洗效果，能夠改善環(huán)空界面的膠結(jié)環(huán)境，兼具有隔離作用，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用范圍廣。

2.該前置液可針對(duì)不同工況，改變其流變性能，使體系保持較低的黏度，實(shí)現(xiàn)紊流或塞流頂替，最大程度地提高沖洗頂替效果，從而提高水泥環(huán)的界面膠結(jié)質(zhì)量，為固井質(zhì)量提供了保障。

3.經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，該體系流動(dòng)狀態(tài)良好，抽注順利；從固井質(zhì)量上看，該前置液表現(xiàn)出了良好的沖洗頂替和壓穩(wěn)效果，有助于固井質(zhì)量的提高。

參 考 文 獻(xiàn)

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