國內(nèi)外隔離液研究進展

王有偉，黃峰

國內(nèi)外隔離液研究進展

王有偉，黃峰

（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）

伴隨油氣勘探逐步向深部地層拓展，非常規(guī)井、復(fù)雜地質(zhì)情況迅速增加，對作業(yè)中固井技術(shù)提出了更高的要求。隔離液作為固井作業(yè)中的重要一環(huán)，影響著油氣井壽命和長期生產(chǎn)安全。通過梳理近些年國內(nèi)外隔離液類型、外加劑選擇、性能要求、評價方法研究進展，為隔離液后續(xù)進一步研發(fā)升級提供了思路，同時也對固井隔離液的發(fā)展遠景提出了建議。

隔離液類型； 外加劑； 性能要求； 評價方法

隔離液主要用于水泥漿、鉆井液之間，隔離兩者相互接觸，作用是防止兩者接觸后增稠乃至假凝、閃凝現(xiàn)象發(fā)生和沖刷井壁上殘留泥餅來改善固井二界面膠結(jié)質(zhì)量[1-2]。在固井施工中，高溫高壓井、深水井、非常規(guī)井、復(fù)雜鹽膏層固井作業(yè)日益增多，這對鉆井液、沖洗液、隔離液、水泥漿等入井流體性能提出了更高的要求[3-5]。在作業(yè)需求增加的影響下，科研人員研制出來多種功能性隔離液體系來滿足要求，同時外加劑選擇、性能要求、評價方法等方面日益完善起來。

1 隔離液類型

1.1 耐高溫隔離液

隨著鉆井深度越來越高，井下溫度也越來越高，井下高溫容易導(dǎo)致入井流體黏度異常、沉降嚴重[6-7]。給耐高溫隔離液設(shè)計帶來了很大的挑戰(zhàn)。

2007年，楊智光[8]利用遇水伸展交叉的高分子改性懸浮劑和抗高溫的硅藻土提高體系的懸浮能力，構(gòu)建出耐溫150 ℃、密度1.1～1.8 g·cm-3、失水量低的DCG-150型高溫隔離液。

2009年，石鳳岐等[9]室內(nèi)研發(fā)出密度達2.40 g·cm-3，耐溫達到175 ℃的隔離液體系，主要由高分子聚合物、輔助高溫穩(wěn)定劑組成，在鉆井液密度達2.05 g·cm-3的現(xiàn)場井中應(yīng)用成功，固井質(zhì)量合格。

2011年，王廣雷等[10]選用散熱效應(yīng)和熱穩(wěn)定效應(yīng)好的海泡石族黏土礦物作為穩(wěn)定劑、具有耐高溫特性的水溶性高分子三元共聚物作為懸浮劑、石棉纖維作為懸浮助劑，構(gòu)建出一套耐180 ℃高溫的隔離液體系，該體系具有流變性穩(wěn)定、相容性良好的優(yōu)點。

2015年，于永金等[11]利用黏土物質(zhì)、溫輪膠、黃原膠、無機鹽、高分子聚合物組成了一種耐高溫懸浮穩(wěn)定劑，可耐溫150 ℃，可用于密度1.10～2.50 g·cm-3的隔離液體系，能夠?qū)崿F(xiàn)紊流頂替。

2016年，Li Li等[12]使用生物可降解聚合物構(gòu)建了耐高溫新型隔離液體系，該體系是由提供黏度的膠凝材料、清潔鉆井液和潤濕表面的表面活性劑、加重材料組成，耐溫可達204 ℃，密度1.20～2.28 g·cm-3，具有良好的控失水性能，并能有效改善與合成/油基鉆井液、水泥漿的相容性。

2017年，齊奔等[13]采用天然礦物、文萊膠、三聚磷酸鈉和水玻璃的混合物作為懸浮穩(wěn)定劑，配以稀釋劑和重晶石，開發(fā)出耐溫180 ℃，密度達2.40 g·cm-3的耐高溫抗鹽高密度隔離液體系。

2018年，Angela Doan等[14]通過調(diào)整聚合物粒徑研制出新型延遲水化的高溫懸浮穩(wěn)定劑，該懸浮劑在高溫條件下具有優(yōu)良的懸浮性能，構(gòu)建出耐溫可達204 ℃隔離液體系，該體系具有良好的穩(wěn)定性、潤濕性和相容性。

1.2 可固化隔離液

通常情況下，隔離液在水泥漿頂替結(jié)束后被頂替出井筒，進行進一步處理。研究人員基于改善界面膠結(jié)質(zhì)量和環(huán)境保護的考慮，研制出既可隔離又能自身固化的隔離液體系。

2006年，楊香艷等[15]采用具有潛在水化活性的材料和優(yōu)選的激活劑，配合膨潤土預(yù)水化，研制出一種可固化隔離液，密度在1.2～1.9 g·cm-3內(nèi)可調(diào)，具有良好的控失水性能和流變調(diào)節(jié)性能，固化后強度至少0.77 MPa。

2012年，鄧慧等[16]使用隔離劑GYW-301、膨潤土基漿、固化劑、激活劑、早強劑等材料構(gòu)建出一套可固化隔離液體系。該體系密度在1.3～2.4 g·cm-3范圍內(nèi)可調(diào)，流變性能可調(diào)，在50～90 ℃下養(yǎng)護24 h，抗壓強度大于8 MPa，與鉆井液、水泥漿的相容性好，并可實現(xiàn)與鉆井液和水泥漿的整體固化膠結(jié)，三者混合養(yǎng)護后仍有較高強度。

2016年，李早元等[17]研制出一種可固化隔離液，主要成分為懸浮劑、固化劑、激活劑，其中懸浮劑由聚合物增黏劑、鈉基膨潤土組成，固化劑選用具有潛在火山灰活性的S95級礦渣粉為固化劑，激活劑選用堿性材料為激活劑，密度可在1.40～1.80 g·cm-3范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，流變性穩(wěn)定，受鉆井液污染后仍能固化。

2020年，房恩樓等[18]為實現(xiàn)海上固井零排放，減少環(huán)空套管暴露長度，選用S95礦渣和激發(fā)劑為主劑，加入一定量的促凝劑、早強劑、懸浮劑等外加劑，研制出低溫低密度條件下可固化的隔離液LL-CSF。該體系與鉆井液和水泥漿具有良好的相容性，固化體強度大于0.5 MPa，在低溫條件下不僅具有較高的抗壓強度，也能顯著提高固井二界面抗剪切強度。

2020年，諶德寶[19]研發(fā)出一種可固化隔離液體系，主要由生物膠類懸浮劑、JHJ-4鈉離子激活劑、有機硅改性表明活性劑、活性系數(shù)1.805的礦渣粉配制而成。相比常規(guī)固化隔離液體系，激活劑能在高溫下激活礦渣發(fā)生固化，而在常溫下卻處于惰性狀態(tài)，抗壓強度可達3.8 MPa，并能溶蝕泥餅中的黏土礦物，從而起到增強作用。

1.3 可壓縮隔離液

在深水固井作業(yè)后，水泥漿通常并不都會返高至井口，這就造成井內(nèi)存在一段充滿流體的圈閉環(huán)空，套管圈閉環(huán)空內(nèi)存在的流體會因溫度升高而引起壓力上升，壓力過高時常常會擠毀或脹裂套管。目前，密閉環(huán)空壓力的調(diào)控措施依照機理可分為五種類型，分別是提高井身結(jié)構(gòu)強度、消除環(huán)空、釋放環(huán)空壓力、提高環(huán)空液體壓縮性和隔熱技術(shù)[20]。部分研究人員嘗試從隔離液角度出發(fā)來提高環(huán)空液體壓縮性消除或減弱。

2017年，Animesh Kumar等[21]介紹了在印度常規(guī)油氣區(qū)塊使用的泡沫隔離液的開發(fā)、現(xiàn)場測試和施工情況。論述了在生產(chǎn)套管中應(yīng)用泡沫隔離液技術(shù)所需的設(shè)備、工藝及應(yīng)用的優(yōu)點。泡沫隔離液一方面通常具有較高的屈服點(YP)，有助于進行適當?shù)哪酀{清除。另一方面泡沫會增加隔離液的體積，增加的體積帶來了更長的接觸時間，從而提高泥漿驅(qū)替量和有助于腐蝕套管井中泥餅。此外泡沫良好的壓縮性能夠減弱套管內(nèi)持續(xù)壓力作用，減少套管破壞。

2019年，郭永賓等[22]使用殼體材料、增韌劑、發(fā)泡劑研制出了一種彈性球體材料，充入氫氣提高彈性材料的壓縮性，以此構(gòu)建了一套彈性隔離液體系，該彈性體系具有高彈性、抗壓縮性，外界壓力移除后，彈性恢復(fù)率能達100%，與鉆井液、水泥漿互混后，流變性滿足入井流體要求。

2021年，韋江雄等[23]研制了一種受熱可壓縮彈性材料，該材料由橡膠粉、石蠟混合物包裹的無機多孔材料和高強度中空顆粒組成，用此材料配制的受熱壓縮彈性隔離液能夠很好地減緩環(huán)空壓強升高，經(jīng)25％鉆井液污染后，降壓性能稍微下降，其循環(huán)使用的性能不受影響，與其他流體相容性良好。

1.4 油基/合成鉆井液用隔離液

2013年，A.Brandl[24]介紹了一種微乳隔離液，該微乳隔離液由水、消泡劑、氯化鉀、聚合物類增黏劑、表面活性劑、重晶石組成，該體系具有高油溶性、高擴散系數(shù)和降低有機與有機之間的界面張力水相接近于零的特點。

2014年，郭文猛等[25]采用Micromax微錳粉代替鐵礦粉加重，構(gòu)建出沖洗型加重隔離液體系，Micromax（Mn3O4）是一種小粒徑、粒度分布集中的球形加重材料，該體系具有高溫下懸浮穩(wěn)定性好、潤濕反轉(zhuǎn)效果強、示蹤效果好等優(yōu)點。

2016年，歐紅娟[26]從表面活性劑的離子類型、親水親油平衡值、表面張力及臨界膠束濃度4方面自身物理特性出發(fā)，優(yōu)選出FPC型復(fù)配表面活性劑和清洗效率較高的清洗助劑，構(gòu)建出高效隔離液。該體系有良好的懸浮穩(wěn)定性，與油基鉆井液和固井水泥漿具有良好的相容性，對油基鉆井液的清洗效率高，且能有效的潤濕反轉(zhuǎn)膠結(jié)界面，提高膠結(jié)強度。

1.5 堵漏隔離液

2011年，A.Brandl等[27]使用含有生物可降解成分堵漏材料制備出新型隔離液，該體系耐溫可達204 ℃，抗鹽污染，對普通砂巖地層無傷害，同時可以減少脆弱、松散和裂縫性地層的井漏問題，加強井壁，對多孔地層形成有效密封。

貝克休斯公司[28]研制出SealBond隔離液，該隔離液包含可降解有機物和混合堵漏材料，能夠減少地層損害和防止漏失。相比傳統(tǒng)的隔離液，SealBond隔離液的隔離和封堵能力提高1倍，在高溫下仍具有良好的流變性，與鉆井液的配伍性好。該隔離液可用于高溫、高滲透和承壓能力低的地層。

斯倫貝謝研[29]發(fā)出Losseal增強復(fù)合堵漏劑，該材料是由纖維和固體結(jié)合而成的特殊柔性纖維添加劑，將該材料加入到隔離液中可配制成堵漏隔離液，該隔離液體系能夠利用纖維和固體的物理特性之間協(xié)同作用，封堵漏失，適用于5 mm以下的縫寬堵漏。

2021年，李成等[30]研制出一種信心封堵型隔離液體系，該體系采用聚合物、復(fù)核膠粒、鋸末復(fù)配成堵漏材料，采用QD-2堵漏儀評價堵漏效果，結(jié)果顯示堵漏效果良好，對孔隙型地層有良好的封堵能力。

1.6 其他類型

1）雙效隔離液

雙效隔離液通常是指兼顧沖洗、隔離作用的隔離液體系，能夠減少作用流體的使用，降低現(xiàn)場作用費用。

2015年，李治等[31]針對長慶儲氣庫固井存在地層壓力系數(shù)低、易垮易漏及固井時不易壓穩(wěn)、易發(fā)生竄流等復(fù)雜問題，通過引入特殊不規(guī)則棱形加重材料DRW-2S和高效沖洗劑DRY-100L而研究出具有沖洗／隔離一體化的、穩(wěn)定性強和流變性好的DY高效沖洗隔離液體系。室內(nèi)研究表明，該體系適用溫度可達150 ℃以上，穩(wěn)定性好，高溫沉降穩(wěn)定性不大于0.03 g·cm-3；對鉆井液沖洗效率達到100%，界面膠結(jié)強度明顯提高，且與鉆井液、水泥漿具有良好的相容性；通過調(diào)整加重劑加量可配制密度在1.05～2.40 g·cm-3范圍內(nèi)任意可調(diào)的高效沖洗隔離液，可實現(xiàn)高效沖洗、頂替和平衡壓力固井的目的。

2）納米Fe2O3隔離液體系

2018年，C.Vipulanandan等[32]介紹一種采用納米Fe2O3配制的隔離液體系，研究了磁場強度和溫度對納米Fe2O3隔離液電阻率和流變性能的影響。流變學(xué)性質(zhì)也與電阻率有關(guān)。實驗發(fā)現(xiàn)，納米Fe2O3隔離液是一種壓阻流體，電阻率的變化可以用于現(xiàn)場作業(yè)期間監(jiān)測隔離液中的壓力和清洗效率，同時納米Fe2O3的加入能夠提高隔離液的污油清洗效率。

3）磁流變隔離液

2013年，徐加放等[33]向隔離液中加入適量易磁化材料和合適的表面活性劑制備出一種磁流變隔離液，通過增加磁場強度能夠改變磁流變液的剪切應(yīng)力，從而改善頂替效率。

4）非滲透隔離液

2012年，路志平等[34]開展了非滲透隔離液室內(nèi)研究，對懸浮穩(wěn)定劑、非滲透劑等外加劑進行了優(yōu)選和復(fù)配，形成一套非滲透隔離液體系，該體系流變性、懸浮穩(wěn)定性、相容性良好，失水量小，耐溫可達150 ℃，能夠在井壁上形成一層薄而韌的非滲透膜，從而起到穩(wěn)定井壁和防止漏失的作用。

5）無固相隔離液

2017年，劉文明等[35]針對隔離液中的固相對油氣層造成損害的問題，開發(fā)出一種無固相的清洗型隔離液BH-HDF，優(yōu)選了多種可溶性加重劑和復(fù)配多種兩性表面活性劑形成清洗劑，密度在1.0～1.8 g·cm-3之間可調(diào)，沉降穩(wěn)定性強，耐溫180 ℃，耐鹽達飽和，流變性良好，紊流頂替易實現(xiàn)；與鹽水鉆井液和抗鹽水泥漿具有良好的相容性；虛泥餅及油污清洗效果強，并形成有利于提高水泥膠結(jié)質(zhì)量的水濕環(huán)境，提高固井質(zhì)量。

2 隔離液外加劑選擇和性能要求

外加劑的選擇直接隔離液的性能，關(guān)系著固井質(zhì)量。隨來多年來的發(fā)展，研究人員對于外加劑基礎(chǔ)材料選擇和性能要求有了深入的認知。

2.1 外加劑選擇

隔離液所使用外加劑材料早期從鉆井液處理劑、水泥漿外加劑中篩選，隨著近年來的研究，逐漸構(gòu)建出單獨的外加劑體系。雖然隔離液體系眾多，但主要成分主要為懸浮穩(wěn)定劑、降失水劑、流型調(diào)節(jié)劑、表面活性劑、消泡劑、加重材料。

懸浮穩(wěn)定劑一般由無機材料和有機材料組成。無機材料主要是抗鹽類污染強的黏土礦物，這是因為水泥漿中的鈣離子含量高，若黏土礦物抗鹽污染能力弱，極易導(dǎo)致絮凝物質(zhì)產(chǎn)生。有機材料主要有生物膠、高分子聚合物增黏劑，生物膠具有高黏度、用量小、屈服應(yīng)力高等優(yōu)點，而高分子聚合物增黏劑具有抗高溫和抗鹽能力，極大地改善隔離液體系的溫度范圍。

降失水劑主要是為控制隔離液體系失水量，多為纖維素衍生物、AMPS類聚合物為主，要求所用降失水劑具有良好的抗鹽效果。

流型調(diào)節(jié)劑主要是為了調(diào)節(jié)隔離液流變性能，使其滿足作業(yè)的流變性能要求，通常選用磺化單寧、木質(zhì)素磺酸鈉等材料。

表面活性劑主要是用于提高沖洗效率和界面潤濕性能。

加重材料多為重晶石、鐵礦粉等惰性加重材料。

針對鉆井液、水泥漿接觸污染問題，部分研究人員研發(fā)出防污染劑，主要有表面活性劑、金屬離子螯合劑、Na2CO3等材料[36]。

2.2 性能要求

對于隔離液性能要求主要是要起到提高頂替效率、界面膠結(jié)質(zhì)量的作用。

1）相容性：與鉆井液、水泥漿具有良好的相容性。

2）懸浮性能：能夠懸浮巖屑，保證不同溫度下加重材料不沉降。

3）紊流隔離液用于紊流頂替，具有低黏度和紊流臨界返速。

4）黏性隔離液用于塞流、有效層流頂替，需要保證鉆井液、隔離液、水泥漿之間存在摩擦壓力梯度、啟動壓力梯度、驅(qū)替速度[37]。

5）密度：調(diào)節(jié)容易，隔離液密度介于鉆井液、水泥漿之間。

6）失水量：隔離液體系的低失水量有助于減少井壁垮塌和地層損害。

7）潤濕性：可將油基泥漿接觸過的井壁、套管壁由油潤濕轉(zhuǎn)變?yōu)樗疂櫇?，便于水泥石膠結(jié)。

8）腐蝕性：隔離液應(yīng)該做到盡量不腐蝕套管。

3 隔離液評價方法

在API標準中，隔離液評價測試通常包括隔離液與鉆井液、水泥漿以不同比例混合后測試的混合流體的流變性能、稠化時間、抗壓強度、固相懸浮和膠凝強度、表面活性劑清洗測試。

除此之外，近些年來，部分研究者也進一步完善了隔離液評價的方法。

1）動態(tài)沉降測試

2018年，Angela Doan等[14]評價隔離液沉降穩(wěn)定性時，改造了稠化儀漿杯的金屬漿葉使其底部能夠承接沉降物，利用稠化儀模擬隔離液在井下流動狀態(tài)下的沉降情況，同時也拓展了沉降穩(wěn)定性測試的溫度范圍，設(shè)備如圖1所示。

圖1 用于動態(tài)沉降測試的漿杯和漿葉[14]

2）高溫高壓流變性測試

2014年，Seyyed Shahab[38]在優(yōu)化高溫高壓井下用的隔離液體系時，采用高溫高壓流變儀，測試在各種溫度條件下隔離液的流變性，更好地反應(yīng)了流體在地下的真實情況。

3）界面膠結(jié)質(zhì)量測試

2019年，焦利賓等[39]利用X衍射和掃描電鏡測試等方法，開展了礦渣、重晶石等不同固相材料形成的隔離液對固井界面膠結(jié)質(zhì)量的影響評價，并從界面膠結(jié)機理的出發(fā)，對不同材料影響的實質(zhì)進行了分析。

4 結(jié)束語

1）隔離液體系可以根據(jù)不同的井況、地層條件、作業(yè)需求來進行研發(fā)，做到能夠“一液多能”和“一液多用”。

2）隔離液體系外加劑選擇和性能要求首先滿足外加劑能夠與鉆井液、水泥漿具有良好的相容性，其次在高溫高鹽等復(fù)雜情況下保持體系性能穩(wěn)定，最后也應(yīng)該能夠高效頂替泥漿和清除殘余泥餅，保證固井質(zhì)量。

3）隨著評價方法和手段的日益增加，隔離液體系性能的評價需要盡可能地真實地模擬井下流體情況，同時也要完善對固井界面膠結(jié)質(zhì)量影響研究。

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Research Progress of Domestic and Foreign Spacer Fluid

,

（Oilfield Chemistry Research Institute, China Oilfield Services Limited, Sanhe Hebei 065201, China）

With the gradual expansion of oil and gas exploration to deep strata, unconventional wells and complex geological conditions are increasing, which puts forward higher requirements for cementing technology. As an important part of cementing operations, spacer fluid affects the life of oil and gas wells and long-term production safety. In this paper,the research progress of domestic and foreign spacer fluid types, additive selection, performance requirements and evaluation methods in recent years was reviewed, which can provide ideas for further development and upgrading of spacer fluids, and suggestions for the development prospects of cementing spacer fluids were also puts forward.

Spacer fluid types; Additive selection; Performance requirements; Evaluation methods

2022-01-14

王有偉（1991-），男，山西省朔州市人，初級工程師，碩士研究生，2017年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）油氣井工程專業(yè)，研究方向：油氣井固井技術(shù)和固井材料開發(fā)。

TE256

A

1004-0935（2022）06-0800-05