160 ℃無固相氯化鈣沖洗隔離液體系的構建*

潘麗娟，方俊偉，鄧小剛，石 鑫，胡廣強，胡正文，林 凌，王 靜

（1.中國石化西北油田分公司石油工程技術研究院，新疆烏魯木齊 830011；2.中國石化縫洞型油藏提高采收率重點實驗室，新疆烏魯木齊 830011；3.西南石油大學化學化工學院，四川成都 610500）

0 前言

隨著油氣開發(fā)向深層超深層拓展，以及非常規(guī)油氣的開發(fā)，為了防止破碎地層坍塌失穩(wěn)等問題，油基鉆井液應用越來越廣泛，與傳統(tǒng)水基鉆井液體系不同，油基鉆井液的固井和完井工程面臨許多問題，如頂替效率低、管柱界面油潤濕、固相殘留、混漿膠凝等，直接影響水泥膠結質(zhì)量和完井液使用效果。沖洗隔離液的使用是解決這些問題的主要技術手段，同時，井溫高達160 ℃以上、所用高密度無固相完井液礦化度高，對完井隔離液抗溫、抗鹽能力提出更高要求。目前對隔離液的研究基本集中在固井前置隔離液上［1-9］，主要考察增黏劑、加重劑、懸浮劑及表面活性劑對固井前置隔離液體系的影響。而完井隔離液是固井后的鉆井液與完井液之間的隔離液體系，主要以無固相鹽水隔離液為主，隔離液必須能高效頂替鉆井液，避免鉆井液對后續(xù)完井工作帶來污染。因此提高隔離液對鉆井液的替漿效率是隔離液建設的重要指標之一，要想實現(xiàn)高效的替漿效率［10-13］，隔離液必須具有相對較高的黏度和密度，形成平面推進頂替油基鉆井液，其中較高的黏度主要通過聚合物實現(xiàn)，較高的密度主要通過添加可溶性鹽實現(xiàn)，因此聚合物溶液在高溫高鹽條件下的性能就是決定隔離液頂替效果的關鍵。隨著油基鉆井液的廣泛使用，現(xiàn)有的完井隔離液無法對油基鉆井液實現(xiàn)良好的沖洗效果，造成固相殘留和混漿問題，影響完井質(zhì)量。針對這種情況，本文研制了一種無固相耐溫高效沖洗隔離液，評價了該隔離液體系的抗溫性能、流變性能、配伍性能和沖洗效果。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

高黏聚陰離子纖維素（HV-PAC）、高黏羧甲基纖維素（HV-CMC）、羥乙基纖維素（HEC），山東高密銀鷹新材料股份有限公司；兩性離子聚合物FA-367，榮盛化工有限公司；黃原膠（XC），中軒生化股份有限公司；磺基琥珀辛酯磺酸鈉水溶液（快T，50%），江蘇海安石油化工廠；甲酸鈉、氧化鈣、無水氯化鈣、氫氧化鈉，成都科龍試劑有限公司；油基鉆井液油相為柴油，所用有機土、主乳化劑、輔乳乳化劑、降濾失劑和重晶石均購于四川泓華油氣田工程科技有限公司；隔離液和油基鉆井液配液用水為自來水。

XGRL-4型高溫滾子爐、六速旋轉(zhuǎn)黏度計，青島海通達專用儀器有限公司；7600 型高溫高壓流變儀，美國千德樂公司；沖洗效率評價裝置，自制。

1.2 實驗方法

1.2.1 隔離液的配制

按照配方向一定量的水中加入計量好的氯化鈣，攪拌充分溶解，再加入除氧劑甲酸鈉和pH值調(diào)節(jié)劑，在低速攪拌下緩慢加入計量好的聚合物，然后繼續(xù)攪拌30 min，即得所制備的無固相隔離液。

1.2.2 性能測試

（1）流變性能的測試

采用六速旋轉(zhuǎn)黏度計在溫度為25 ℃、剪切速率為600、300 r/min下測定隔離液的黏度。

（2）抗溫性能的測試

將300 mL的待測試隔離液裝入高溫老化罐中，充氮氣1 MPa，放入滾子爐中，在160 ℃下滾動老化6 h，測定隔離液老化前后的流變性能。

（3）高溫高壓流變性能的測試

將待測隔離液裝入7600 型高溫高壓流變儀的高壓容器中，在工區(qū)井底溫度壓力條件（160 ℃，加壓70 MPa）下，測試隔離液在升溫和降溫過程中的流變性能。

（4）相容性的測試

將油基鉆井液與隔離液按不同比例混合，在轉(zhuǎn)速為1000 r/min 下攪拌3 min 使其混合均勻，在25 ℃下測試隔離液與油基鉆井液混合液的流變性能。將隔離液與完井液按不同比例混合，在攪拌速率為1000 r/min 下攪拌3 min 使其混合均勻，在160 ℃下滾動老化6 h，在25 ℃下測試老化前后隔離液與完井液混合液的流變性能。

（5）沖洗性能的測試

采用基于剪切速率相等原理（模擬井內(nèi)頂替剪切速率）的自制沖洗效率評價裝置，自制沖洗效率評價裝置主要由機械攪拌器和模擬管道的鋼管組成，通過控制攪拌槳大小，攪拌速率和鋼管尺寸，有效模擬井內(nèi)頂替時流體的剪切速率。沖洗實驗具體步驟如下：將干凈鋼管稱重（記作m1）；將鋼管浸泡于油基鉆井液中6 h，取出鋼管后靜置5 min，并擦去鋼管外側(cè)油基鉆井液，稱重（記作m2）；將鋼管置于盛有隔離液的搪瓷杯中，調(diào)整攪拌槳使其位于鋼管中心，以600 r/min的攪拌速率攪拌沖洗5 min，取出鋼管并擦拭鋼管外層液體，靜置5 min，稱重（記作m3），按（m2-m3）/（m2-m1）計算沖洗效率。

2 結果與討論

2.1 隔離液體系的構建

與可含固相的固井前置隔離液相比，完井隔離液必須盡量避免固相對儲層的污染，完井隔離液通常采用無固相體系。為了獲得對油基鉆井液的良好頂替效率，與油基鉆井液和氯化鈣完井液具有良好的隔離效果，隔離液必須具備足夠的黏度和良好的相容性，因此選擇合適聚合物在高溫、高鈣條件下提高體系黏度是隔離液能否獲得良好性能的關鍵。本文優(yōu)選了抗溫抗鈣聚合物，考察了pH值、除氧劑和聚合物濃度對160 ℃老化后隔離液流變性能的影響。

2.1.1 聚合物的優(yōu)選

選用HV-PAC、HV-CMC、FA367、XC 和HEC 5種增黏聚合物，測試聚合物抗溫抗鈣性能。首先將質(zhì)量分數(shù)為0.5%的聚合物溶液在160 ℃下老化6 h，測試聚合物溶液流變性能，為了抑制聚合物氧化降解，加入1%的除氧劑甲酸鈉，實驗結果如表1 所示。由表1 可知，老化前HV-PAC、HV-CMC和HEC具有良好的增黏提切效果，質(zhì)量分數(shù)為0.5%的聚合物溶液的動切力均大于15 Pa，但老化后只有HV-PAC和HEC 溶液的動切力高于15 Pa，老化后HV-CMC溶液的黏度和動切力均有較大幅度下降，這是因為HV-CMC發(fā)生高溫氧化降解。XC溶液老化前后的動切力均能保持在10 Pa左右。因此后續(xù)實驗選用聚合物HV-PAC、XC和HEC進行抗鈣性能測試。

表1 聚合物溶液老化前后的流變性能

向質(zhì)量分數(shù)為0.5%的聚合物HV-PAC、XC 和HEC 溶液中分別加入30%的氯化鈣和2%的甲酸鈉，考察在160 ℃下老化6 h前后聚合物溶液的流變性能，結果如表2 所示。由表2 可知，老化前，加入氯化鈣后的XC和HEC聚合物溶液均保持較好的抗鈣性能，這主要是因為XC 和HEC 為非離子型聚合物，鈣離子對聚合物溶液流變性能影響較?。籋V-PAC 溶液的黏度明顯小于未加氯化鈣時的，說明高濃度鈣離子對離子型聚合物溶液黏度影響非常顯著。老化后，只有聚合物HEC溶液保持較好的黏度和動切力；而加入氯化鈣后的XC 溶液的黏度和動切力顯著降低。因此后續(xù)實驗選用HEC 作為增黏聚合物，進一步對pH值、除氧劑加量及聚合物濃度進行優(yōu)化。

2.1.2 pH值的影響

向HEC 質(zhì)量分數(shù)為0.5%、氯化鈣質(zhì)量分數(shù)為30%、甲酸鈉質(zhì)量分數(shù)為2%的密度為1.3 g/cm3的隔離液中加入一定量的氫氧化鈉溶液調(diào)整體系pH值，考察隔離液老化后流變性能，結果如圖1 所示。由圖1 可知，隨pH 值的增大，老化后隔離液的表觀黏度（AV）略有增加，而塑性黏度（PV）幾乎未變，動切力明顯增大。pH值為8時，老化后隔離液的動切力只有3 Pa 左右，當pH 值增至9.5 時，動切力（YP）達到10 Pa。這是因為pH值的升高更有利于除去溶液中的溶解氧，從而可以抑制聚合物的高溫氧化降解，同時也有利于抑制氯離子腐蝕。此外，隨著pH的提高，大量的OH-對HEC的水化有促進作用。但繼續(xù)增大pH 值會導致溶液中鈣離子出現(xiàn)沉淀，因此pH值控制在9.5～10較為合適。

圖1 pH對隔離液老化后流變性能的影響

2.1.3 除氧劑的影響

向HEC 質(zhì)量分數(shù)為0.5%、氯化鈣質(zhì)量分數(shù)為30%、pH 值為9.5、密度為1.3 g/cm3的隔離液中加入一定量的除氧劑甲酸鈉，考察隔離液老化后的流變性能，實驗結果如圖2所示。由圖2可知，當甲酸鈉加量小于2%時，隨著甲酸鈉加量增加，隔離液老化后黏度和動切力明顯增加，這主要是因為甲酸鈉具有還原性，在隔離液體系中可清除水相中的溶解氧。當甲酸鈉加量大于2%時，隔離液老化后的動切力達到11 Pa，聚合物高溫氧化降解得到較好的抑制，繼續(xù)增加甲酸鈉對隔離液黏度提升較小，因此甲酸鈉加量以2%為宜。

圖2 除氧劑甲酸鈉加量對隔離液老化后流變性能的影響

2.1.4 聚合物濃度的影響

向氯化鈣質(zhì)量分數(shù)為30%、除氧劑甲酸鈉質(zhì)量分數(shù)為2%、pH 值為9.5、密度為1.3 g/cm3的隔離液中加入一定量的HEC，考察隔離液老化后流變性能，實驗結果如圖3所示。由圖3可知，隨著HEC加量的增大，隔離液老化后的表觀黏度、塑性黏度和動切力均呈線性增加的趨勢，當HEC 加量為0.5%時，隔離液老化后的動切力可達11 Pa。說明在此條件下，HEC 高溫降解得到較好的控制，因此可以通過調(diào)整HEC濃度來控制老化后隔離液的流變性能。

圖3 聚合物HEC加量對隔離液老化后流變性能的影響

2.2 隔離液的高溫高壓流變性能

HEC 質(zhì)量分數(shù)為0.5%、氯化鈣質(zhì)量分數(shù)為30%、甲酸鈉加量為2%、pH 值為9.5、密度為1.3 g/cm3的隔離液在160 ℃老化，將老化后動切力為11 Pa的隔離液進行高溫高壓流變性能測試，結果如圖4所示。由圖4可知，隨著溫度升高、壓力增加，體系黏度明顯下降，塑性黏度基本降至1 mPa·s 左右。在高溫高壓環(huán)境下，高溫和高鹽的去水化作用使體系塑性黏度大幅降低，但分子間纏繞作用依然能夠維持，動切力仍較高。隔離液這種低黏高切的流變性能，有利于實際施工中在井下高溫高壓工況下提高隔離液的隔離與沖洗效果。

圖4 隔離液的高溫高壓流變性能

2.3 隔離液的相容性

密度為1.3 g/cm3的隔離液分別與密度為1.4 g/cm3的油基鉆井液［基液（柴油、20%氯化鈣水溶液體積比為8∶2）+2%有機土+3%主乳化劑+1.5%輔乳化劑+2%氧化鈣+4%降濾失劑+重晶石］和密度為1.35 g/cm3的氯化鈣完井液的相容性實驗結果如表3、表4 所示。由表3 可知，油基鉆井液和隔離液混漿后，沒有出現(xiàn)明顯的沉淀和油水分層現(xiàn)象，體系流變性能較好，油基鉆井液沒有出現(xiàn)明顯增稠現(xiàn)象。隔離液和氯化鈣完井液混漿后，沒有出現(xiàn)絮凝和沉淀現(xiàn)象，也沒有出現(xiàn)明顯增稠現(xiàn)象，且經(jīng)過160 ℃老化后依舊保持相應的黏度和動切力，體系黏度沒有顯著下降。上述實驗結果表明，隔離液與油基鉆井液和高礦化度完井液均具有良好的相容性。

表3 油基鉆井液與隔離液的相容性（25 ℃）

表4 隔離液與氯化鈣完井液的相容性（25 ℃）

2.4 隔離液體系的沖洗效率

2.4.1 聚合物濃度對沖洗效率的影響

目前對隔離液沖洗效率測試有不同的方法［14-15］，采用一種改進模擬流體剪切效果的裝置和方法，對隔離液進行沖洗效率測試。配制密度為1.3 g/cm3的隔離液，表面活性劑快T加量為0.2%，改變聚合物HEC 加量考察聚合物濃度對隔離液沖洗效率的影響，實驗結果如圖5 所示，實驗溫度為40 ℃，轉(zhuǎn)速為600 r/min，沖洗時間為5 min。由圖5可知，當HEC加量小于0.5%時，隨著HEC加量的增大，沖洗效率明顯增大，這主要是因為在此階段聚合物溶液老化后黏度和動切力較低，動切力小于10 Pa，此時黏度和動切力的增加對沖洗效率影響較大。當HEC 加量達到0.5%時，隔離液老化后的動切力可達11 Pa，沖洗效率達到90%以上，繼續(xù)增大聚合物加量時，沖洗效率可大于95%以上，此階段沖洗效率整體處于較高水平，此時提高聚合物濃度對沖洗效率增加幅度變小。上述結果表明，提高聚合物濃度可以有效提高隔離液的沖洗效率，結合隔離液高溫高壓流變特性，聚合物加量以0.5%為宜。

圖5 不同聚合物加量下隔離液的沖洗效率

2.4.2 表面活性劑濃度的影響

為了獲得良好的沖洗效率，清洗油性附著物時加入表面活性劑可以明顯提高隔離液沖洗性能。配制密度為1.3 g/cm3、HEC 加量為0.5%的隔離液，改變表面活性劑快T 加量，考察表面活性劑加量對隔離液沖洗效率的影響，結果如圖6 所示。由圖6可知，動切力為10 Pa以上的隔離液在不加快T時也具有較好的沖洗效率（大于80%），但沖洗后油水分離明顯，模具表面不潤濕。當加入0.1%的快T 后，沖洗效率可以達到90%左右，當快T加量達到0.4%時，沖洗效率達到95%以上，且模具表面被隔離液浸潤實現(xiàn)了潤濕反轉(zhuǎn)。表面活性劑快T的加入可以很好地提高隔離液的沖洗效率和改善模具表面潤濕性能。這是因為向隔離液中加入表面活性劑后，表面活性劑可以更好地滲入油污層，與油污結合而將油污乳化，達到更好的清洗效果。

圖6 表面活性劑快T對沖洗效率的影響

3 結論

傳統(tǒng)的離子型聚合物不能在高濃度氯化鈣鹽水中實現(xiàn)增黏作用，必須選用非離子型聚合物。配方為0.5%HEC+30%氯化鈣+2%甲酸鈉+0.4%快T的耐溫抗鈣無固相沖洗隔離液體系，在160 ℃下高溫老化6 h 后仍具有良好的流變性能和沖洗效率，且與油基鉆井液和氯化鈣完井液均有良好的相容性，能較好地滿足完井液和油基鉆井液之間的隔離沖洗要求。

聚合物是調(diào)控隔離液流變性能的核心，流變性能是提高隔離沖洗效果的關鍵因素，抑制聚合物高溫氧化降解是維持隔離液流變性的重要手段。甲酸鈉加量大于2%和pH 值在9.5～10 條件下可以較好抑制聚合物的高溫氧化降解。在高溫高壓條件下，低黏高切的流變性能有利于提高隔離液的沖洗效率，隔離液老化后動切力控制到10 Pa左右為宜，表面活性劑快T加量在0.3%～0.4%為宜。