油基鉆井液用沖洗液PC-W31L 的制備及性能研究

陳小華， 張福銘， 趙 琥， 代 丹， 王雪山

（1. 中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)事業(yè)部，河北三河 065201；2. 中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)研究院，河北三河065201）

使用油基鉆井液鉆進(jìn)井段，由于井壁和套管壁上黏附著一層油基鉆井液、油膜，導(dǎo)致固井時水泥環(huán)界面膠結(jié)性能較差，嚴(yán)重影響固井質(zhì)量。因此，固井成功的關(guān)鍵是注水泥前用沖洗液將黏附在井壁和套管上的油基鉆井液、油膜沖洗干凈[1-3]。國外石油技術(shù)服務(wù)公司主要采用在隔離液中加入表面活性劑的方法，使膠結(jié)面潤濕性發(fā)生反轉(zhuǎn)，來提高油基鉆井液鉆進(jìn)井段的固井質(zhì)量，如斯倫貝謝公司的SEM-8TMEmulsifier，主要用來評價隔離液與油基鉆井液的相容性、水潤濕能力（用潤濕測定儀測定）以及對黏附在旋轉(zhuǎn)黏度計轉(zhuǎn)子上油基鉆井液的沖洗效率。國內(nèi)油基鉆井液用沖洗液主要有表面活性劑型沖洗液（表面活性劑為主劑）和乳液型沖洗液（溶劑為主劑）2 種：BCS-020L 沖洗液屬于表面活性劑型沖洗液，由陰離子表面活性劑、非離子表面活性劑、清洗助劑和加重劑等組成[4]，利用旋轉(zhuǎn)黏度計測試其沖洗效果，使用Easy Drop 接觸角測定儀測試其改變固井界面潤濕性的效果；PC-W21L 沖洗液（油水雙效）屬于乳液型沖洗液，是在有機(jī)溶劑和水的混合物中加入復(fù)合表面活性劑和其他助劑形成的水包油型乳狀液[5]，采用砂紙模擬井壁評價其沖洗能力，該沖洗液沖洗效果良好[6-8]，采用水滴法測試沖洗后砂紙界面的潤濕性為水潤濕，但用潤濕測定儀檢測不到混合液電導(dǎo)率的變化。近年來，國外石油公司注重用潤濕測定儀測試油基鉆井液用沖洗液的水潤濕能力。因此，筆者綜合考慮國內(nèi)外油基鉆井液用沖洗液的特點，研發(fā)了既能將黏附在砂紙上的油基鉆井液沖洗干凈，又能用潤濕測定儀測試其水潤濕能力的油基鉆井液用沖洗液PC-W31L。

1 PC-W31L 的制備及作用機(jī)理

1.1 制備方法

水包油型油基鉆井液用沖洗液無法用潤濕測定儀檢測混合液電導(dǎo)率的變化，因此通過優(yōu)選復(fù)配合適的表面活性劑和溶劑得到主劑A，并引入含氮類聚合物（輔劑B），制備了沖洗液PC-W31L。基礎(chǔ)配方為水+0.2% 消泡劑+主劑A+輔劑B+重晶石。配制時先將輔劑B 溶于水，再加入主劑A。

1.1.1 主劑A 的制備

將600 g 閃點為60 ℃的脫芳烴溶劑油加入2 L的燒杯中，再向燒杯中分別加入100 g 二乙二醇單丁醚、90 g 異構(gòu)十三醇聚氧乙烯醚、90 g 潤濕性反轉(zhuǎn)劑和20 g 穩(wěn)定劑，用攪拌器攪拌均勻。異構(gòu)十三醇聚氧乙烯醚和潤濕性反轉(zhuǎn)劑主要起滲透、乳化和潤濕反轉(zhuǎn)的作用。脫芳烴溶劑油起溶解和降低油基鉆井液黏度的作用。二乙二醇單丁醚是良好的互溶劑。穩(wěn)定劑能夠顯著減弱非離子表面活性劑濁點效應(yīng)造成的黏度升高現(xiàn)象。

1.1.2 輔劑B

輔劑B 為含氮類聚合物，主要由AM、AMPS 和DMAA 等共聚而成，具有螯合、懸浮等功能。

1.2 作用機(jī)理

1.2.1 滲透乳化、潤濕反轉(zhuǎn)

沖洗液中的表面活性劑復(fù)配使用具有良好的滲透乳化、潤濕反轉(zhuǎn)作用。如圖1[9]所示，油基鉆井液首先被有機(jī)溶劑溶解、降黏；隨后復(fù)合表面活性劑迅速滲透并破壞油基鉆井液的油包水狀態(tài)，表面活性劑親油鏈（如直鏈烷基、硅氧烷基等）吸附在界面油相上，親水基團(tuán)圍繞在周圍，將油基鉆井液中的礦物油、油性添加劑變?yōu)樗蜖顟B(tài)，進(jìn)而溶解在水基體系中[10]。膠結(jié)面上的油膜、油基鉆井液經(jīng)過溶解、滲透、乳化和潤濕反轉(zhuǎn)，可被迅速清除，并將膠結(jié)面由油潤濕轉(zhuǎn)變?yōu)樗疂櫇瘛?/p>

圖 1 沖洗機(jī)理Fig. 1 Flushing mechanism

1.2.2 螯合、懸浮

沖洗液中的輔劑B 為含氮類聚合物，具有螯合高價金屬離子的作用，可與油基鉆井液中的Ca2+、Mg2+和Fe3+等金屬離子形成配位鍵，生成穩(wěn)定的、可溶于水或呈膠狀懸浮狀態(tài)的二元或多元絡(luò)合物，并且對固體污垢有抗凝聚作用或分散作用，防止污垢再沉積[3]，能把金屬離子“束縛”住，避免金屬離子與表面活性劑反應(yīng)產(chǎn)生沉淀，使表面活性劑活性降低。另外，輔劑B 還具有協(xié)同增效、輔助沖洗的功能[1]。由于輔劑B 為聚合物，其具有良好的懸浮性能，能防止沖洗液高溫失穩(wěn)沉降。

2 PC-W31L 配方的確定

配制密度為1.20 和1.80 kg/L 的油基鉆井液（配方為白油+25%氯化鈣+2%有機(jī)膨潤土+5%乳化劑+3%氧化鈣+1%降濾失劑+重晶石），在溫度150 ℃下老化16 h 備用。

以密度1.20 kg/L 的沖洗液沖洗密度1.20 kg/L的油基鉆井液，根據(jù)沖洗效果確定主劑A 和輔劑B的加量。

將主劑A 溶解在水中，改變主劑A 的加量，考察沖洗效果，結(jié)果見圖2。由圖2 可知，隨著主劑A 加量的增大，沖洗效果明顯提高，這是因為主劑A 中有機(jī)溶劑有效濃度增大，溶解速率加快，同時表面活性劑有效濃度升高也使?jié)B透、乳化和潤濕反轉(zhuǎn)的速度加快。綜合考慮沖洗效果和經(jīng)濟(jì)性等因素，確定主劑A 的加量為25%。

根據(jù)主劑A 和輔劑B 加量的優(yōu)選結(jié)果，確定PC-W31L 的配方為水+0.2%消泡劑+25.0%主劑A+0.7%輔劑B+重晶石。

3 性能評價

圖 2 主劑A 加量對沖洗效果的影響Fig. 2 Influence of the dosage of main agent A on the flushing effect

確定主劑的加量為25% 后，改變輔劑B 的加量，考察沖洗效果，結(jié)果見圖3。

圖 3 輔劑B 加量對沖洗效果的影響Fig. 3 Influence of the dosage of assisting agent B on flushing effect

由圖3 可知：隨著輔劑B 加量的增大，沖洗效果明顯提高。分析認(rèn)為，輔劑B 可絡(luò)合油基鉆井液中的Ca2+，加快了混合液相反轉(zhuǎn)的速度，同時也提高了表面活性劑的效率。綜合考慮沖洗效果和經(jīng)濟(jì)性等因素，確定輔劑B 的加量為0.7%。

3.1 評價方法

“油井水泥試驗方法”（GB/T 19139—2012）[11]中沒有評價油基鉆井液用沖洗液性能的方法，只有水潤濕能力和相容性評價方法。因此，筆者結(jié)合國外油田技術(shù)服務(wù)公司通用的操作規(guī)范，提出了適用于油基鉆井液用沖洗液PC-W31L 性能的評價方法。評價試驗中，所用油基鉆井液都經(jīng)過高溫老化，沖洗液都按照測試溫度進(jìn)行了養(yǎng)護(hù)。

3.1.1 沖洗效果

1）將砂紙裁剪成132.0 mm×55.0 mm 的小塊，并固定在六速旋轉(zhuǎn)黏度計外筒上。

2）將300 mL 油基鉆井液倒入六速旋轉(zhuǎn)黏度計測量杯中，將測量杯置于測量臺上，淹沒砂紙的下2/3 部分。六速旋轉(zhuǎn)黏度計以600 r/min 的轉(zhuǎn)速模擬油基鉆井液造壁，造壁時間10 min。

3）停機(jī)后，取下裝有油基鉆井液的測量杯，同時將300 mL 養(yǎng)護(hù)后的沖洗液倒入另一干凈的測量杯中，將測量杯置于測量臺上，淹沒砂紙的下1/3 部分。六速旋轉(zhuǎn)黏度計以200 r/min 的轉(zhuǎn)速模擬沖洗液沖洗井壁的過程，沖洗時間為5 min。

4）沖洗試驗結(jié)束后，將砂紙（未沖洗砂紙的界面為油潤濕狀態(tài)）輕輕取下平鋪在桌面上，并用水滴法測試沖洗區(qū)、污染區(qū)的潤濕性。

3.1.2 水潤濕能力

按照“油井水泥試驗方法”（GB/T 19139—2012）中的方法，測試沖洗液的潤濕反轉(zhuǎn)性能。

3.1.3 相容性

按照“油井水泥試驗方法”（GB/T 19139—2012）測定沖洗液與油基鉆井液、水泥漿在體積比5∶95，25∶75，50∶50，75∶25 和95∶5 下的流變性。用R表征不同流體的相容程度，R為不同流體按比例混合后在六速旋轉(zhuǎn)黏度計轉(zhuǎn)速為100 r/min 下的讀數(shù)減去單一流體（沖洗液、油基鉆井液或水泥漿）相同轉(zhuǎn)速下讀數(shù)較大一組的數(shù)值。R≤0 時，相容性非常好；0＜R≤40 時，輕度不相容；41＜R≤70 時，不相容；R＞70 時，極其不相容。

3.2 評價結(jié)果分析

3.2.1 沖洗效果

圖4 為不同密度PC-W31L 沖洗相應(yīng)密度油基鉆井液的效果。從圖4 可以看出，沖洗效果良好。

圖 4 不同密度PC-W31L 沖洗相應(yīng)密度油基鉆井液的效果Fig. 4 The effect of oil-based drilling fluid with different densities flushed by PC-W31L flushing fluids with corresponding density

圖5 為不同密度PC-W31L 沖洗對應(yīng)密度油基鉆井液的沖洗界面水潤濕性評價結(jié)果。從圖5 可以看出，沖洗界面呈水潤濕狀態(tài)。

圖 5 不同密度PC-W31L 沖洗油基鉆井液后的界面水潤濕效果Fig. 5 Interface water wetting effect of oil-based drilling fluid flushed by PC-W31L flushing fluids with different densities

3.2.2 水潤濕能力

油基鉆井液系不導(dǎo)電，當(dāng)沖洗液將其變?yōu)樗蜖顟B(tài)時，整個混合液變?yōu)閷?dǎo)電狀態(tài)，利用Fann C1001 潤濕測定儀能夠檢測這個過程。測量前先用沖洗液標(biāo)定出基準(zhǔn)值，然后將沖洗液滴加到油基鉆井液中，油基鉆井液由不導(dǎo)電逐漸變?yōu)閷?dǎo)電狀態(tài)，當(dāng)測量值超過基準(zhǔn)值且穩(wěn)定后[12]，表明油基鉆井液由油連續(xù)相狀態(tài)完全潤濕反轉(zhuǎn)為水連續(xù)相狀態(tài)，此時沖洗液體積分?jǐn)?shù)的合理范圍為30%～70%。

將密度1.20 和1.80 kg/L 的PC-W31L 加入到對應(yīng)密度的油基鉆井液中，測定其表觀潤濕性，結(jié)果如圖6 所示。從圖6 可以看出，2 種密度的PC-W31L使對應(yīng)密度的油基鉆井液潤濕性完全反轉(zhuǎn)時的體積分?jǐn)?shù)都在40%～60%。試驗結(jié)束后，用水滴法測試混合液的潤濕性，界面呈水潤濕狀態(tài)，杯壁用水沖洗后，表面干凈無油膜。評價結(jié)果表明，PC-W31L能將油基鉆井液從油連續(xù)相轉(zhuǎn)變?yōu)樗B續(xù)相。

圖 6 不同密度PC-W31L 對相應(yīng)密度油基鉆井液的水潤濕能力Fig. 6 The water wetting ability of PC-W31L flushing fluids with different densities for oil-based drilling fluid with corresponding density

3.2.3 相容性

相容性評價包括沖洗液與油基鉆井液、水泥漿的流變相容性和沖洗液對水泥漿稠化時間、強(qiáng)度的影響。

1）PC-W31L 與油基鉆井液的流變相容性。將密度為1.20 和1.80 kg/L 的PC-W31L 與對應(yīng)密度的油基鉆井液按不同體積比混合，然后在70 ℃下測定其流變性，計算相容程度R，結(jié)果見表1 和表2。由表1 和表2 可知，PC-W31L 與油基鉆井液的流變相容性良好。

表 1 密度1.20 kg/L 的PC-W31L 與相同密度油基鉆井液的流變相容性Table 1 Rheological compatibility of PC-W31L flushing fluid with density of 1.20 kg/L and oil-based drilling fluid of the same density

表 2 密度為1.80 kg/L 的PC-W31L 與相同密度油基鉆井液的流變相容性Table 2 The rheological compatibility of PC-W31L flushing fluid with density of 1.80 kg/L and oil-based drilling fluid with the same density

2）PC-W31L 與水泥漿的流變相容性。將密度為1.20 和1.80 kg/L 的PC-W31 分別與密度為1.50 和1.90 kg/L 的水泥漿按不同體積比混合，然后在70 ℃下測定其流變性，計算相容程度R，結(jié)果見表3 和表4。由表3 和表4 可知，PC-W31L 與水泥漿的流變相容性良好。其中，密度1.50 kg/L 水泥漿的配方為G 級水泥+25.00%增強(qiáng)劑+10.00%微硅粉+7.50%漂珠+87.50%水+0.50%消泡劑+8.00%降濾失劑+0.75% 緩凝劑；密度1.90 kg/L 水泥漿的配方為G 級水泥+35.00%硅粉+47.83% 水+0.20% 消 泡 劑+5.00% 降 濾 失 劑+5.00%防竄增強(qiáng)劑+1.00%緩凝劑。

3）PC-W31L 對水泥漿稠化時間和強(qiáng)度的影響。在密度為1.50 和1.90 kg/L 的水泥漿中分別加入密度為1.20 和1.80 kg/L 的PC-W31L，測試其稠化時間和水泥石的24 h 抗壓強(qiáng)度，結(jié)果見表5 和表6。

表 3 密度為1.20 kg/L 的PC-W31L 與密度為1.50 kg/L水泥漿的流變相容性Table 3 Rheological compatibility of PC-W31L flushing fluid with density of 1.20 kg/L and cement slurry with density of 1.50 kg/L

表 4 密度為1.80 kg/L 的PC-W31L 與密度為1.90 kg/L水泥漿的流變相容性Table 4 The rheological compatibility of PC-W31L flushing fluid with density of 1.80 kg/L and cement slurry with density of 1.90 kg/L

表 5 密度為1.20 kg/L 的PC-W31L 對密度為1.50 kg/L水泥漿稠化時間及抗壓強(qiáng)度的影響Table 5 Effect of PC-W31L flushing fluid with density of 1.20 kg/L on the thickening time and compressive strength of cement slurry with density of 1.50 kg/L

表 6 密度為1.80 kg/L 的PC-W31L 對密度為1.90 kg/L水泥漿稠化時間及抗壓強(qiáng)度的影響Table 6 Effect of PC-W31L flushing fluid with density of 1.80 kg/L on the thickening time and compressive strength of cement slurry with density of 1.90 kg/L

從表5 和表6 可以看出，PC-W31L 對水泥漿稠化時間和抗壓強(qiáng)度的影響均在可控范圍之內(nèi)，不會對固井作業(yè)造成影響。

4 結(jié) 論

1）針對現(xiàn)用油基鉆井液用水包油型沖洗液無法用潤濕測定儀測定其水潤濕能力的問題，制備了油基鉆井液用沖洗液PC-W31L，其沖洗油基鉆井液的作用機(jī)理主要為溶解、滲透、乳化、潤濕反轉(zhuǎn)和螯合。

2）室內(nèi)性能評價結(jié)果表明，沖洗液PC-W31L對油基鉆井液的沖洗效果良好，沖洗界面為水潤濕狀態(tài)，能使油基鉆井液由油連續(xù)相完全轉(zhuǎn)變?yōu)樗B續(xù)相；而且，該沖洗液與油基鉆井液、水泥漿的流變相容性良好，對水泥漿稠化時間和強(qiáng)度的影響均在可控范圍內(nèi)。