固井工作液-隔離液及配套外加劑研究進展

王 浩，李 明

西南石油大學材料科學與工程學院，成都 610500

隨著油氣資源需求的急劇增加，對深部油氣藏、低滲透油氣藏、海洋油氣藏和非常規油氣資源的勘探開發力度隨之加大。提高上述井的固井質量對延長油氣井生產壽命和保證油氣生產及增產至關重要。隔離液技術在提高固井質量中發揮著重要作用。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、懸浮穩定劑、防污染劑和表面活性劑等。它是用于提高固井質量的油井工作液，如穩定隔離水泥漿與鉆井液，能夠防止兩相接觸污染，或對界面殘留的強抑制性高效油基鉆井液進行高效清洗，從而提高固井質量。

1 鉆井液與水泥漿的接觸污染研究現狀

鉆井液與水泥漿相接觸，由于其物理化學性質的差異，如鉆井液外加劑與水泥漿外加劑混合時發生纏繞絮凝，鉆井液中黏土晶體對水泥漿中高價金屬離子的吸附，都會發生不同程度的接觸污染。接觸污染使得混漿段會出現“假凝”現象，水泥漿稠化變快、鉆井液絮凝變稠；而混漿的絮凝物會進一步包裹自由水分子或水泥顆粒，使得絮凝物凝結成塊，而外部水泥顆粒水化延緩導致水泥環強度降低。接觸污染也會導致“灌香腸”或“插旗桿”事故，導致重大經濟損失，如塔河油田TP239井“插旗桿”事故[1]、四川X區塊深井固井高塞事故[2]。

近年來，國內外對接觸污染及其機理進行了大量研究。李靜[3]、楊香艷[4]等指出，在水基鉆井液情況下，水泥水化高價金屬離子與黏土水化晶體發生電荷交換形成的不穩定的Ca2+結構黏土分子機理。劉世彬[5]等提出，這種離子交換會導致黏土分子的結構穩定性被破壞，極易聚結形成絮凝物質，并導致接觸污染加劇。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、油基鉆井液都會因水泥漿水化產物，尤其是高價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狀結構，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，鹽類物質是造成水泥漿受污染的影響因素，它會促使水泥漿快速凝膠化，使水泥漿出現沉降、泵送過程中流動性降低等問題。

井下流體相容性評價方法是評價水泥漿與鉆井液接觸污染嚴重程度的通常做法，包括常規污染試驗和污染稠化實驗。主要包括：1)國際公認的API RP 10B或國標GB/T 19139—2012現行標準評價方法；2)川渝深井污染試驗法。李靜與劉世彬等[3, 5]采用水浴鍋等設備，對井下流體實際混漿情況模擬流體接觸，直觀反映鉆井液及隔離液對水泥漿流動性能的影響。此外，SOARES[8]等對接觸污染進行量化評價，從混漿相容性、流變性能、水泥石抗壓強度、水泥漿沉降密度差、水泥漿稠化時間、結晶與微觀形態表征、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。對于接觸污染，在研究水泥漿污染、外加劑不相容問題的基礎上，需要針對水泥漿水化產物對鉆井液性能的影響、鉆井液對水泥漿的直接影響、鉆井液處理劑對水泥漿性能的影響等問題進行深入研究。

2 水基鉆井液用隔離液的研究現狀

2.1 評價方法

對于混漿流體相容性評價。楊香艷[9]等在相容性評價中參考了流變性、混漿水泥石抗壓強度、混漿API濾失量、稠化時間一系列評價指標，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價重在流變相容性評價和稠化相容性評價。對于隔離液濾失量評價。一般可采用API RP 10B相關評價方法進行濾失量評價實驗[11]。此外，姚曉[12]等提出“U型管法”室內評價法、井眼模擬裝置對API濾失量進行評價。OSODE[13]等利用界面張力、模擬井下高壓環境的隔離液濾失量與濾餅清洗量等評價參數整體評價非反應性隔離液。對于隔離液懸浮穩定性評價，一般可采用密度差法[11-12]。李明[14]等對此采用了旋轉黏度計法，LI[15]等則進一步利用超高溫高壓旋轉黏度計評價隔離液懸浮穩定性。隨著評價體系的發展，新的評價參數逐漸增多。楊香艷[16]等在龍17井隔離液配制設計中提出了直角稠化污染稠化評價參數，保證了混漿段水泥漿的稠化膠凝性能，而王樂[17]等在研究中引入游離液等參考指標。

2.2 應用現狀

隔離液可調密度范圍應較為寬廣[18-19]，國外的ZEPEDA[20]設計出密度略低于水的低密度隔離液。國內的賈永江[21]等設計出密度低于1.50 g/cm3的淡水基體系，林輝[22]等設計的1.03 g/cm3低密度沖洗隔離液體系，進一步擴大了國內隔離液的應用范圍。其次，是功能型隔離液。針對清洗效率，肖偉[23]等開發出YA-13L清洗型隔離液，中國石油大學[24]設計出NMS-1納米基隔離液。而對于接觸污染，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，對于隔離液的抗溫性能，目前的應用溫度約180 ℃[26]。而復合功能型隔離液也獲得成功，如西南石油大學[27]研究的2.15 g/cm3高密度可固化隔離液，懸浮穩定性可達120 ℃，兼具可固化性能，可有效改善界面封固質量。

2.3 現有研究的不足

首先，井下流體相容性評價方法尚待改進。目前提出的標準化評價方法對鉆井液與水泥漿的直接接觸污染、水泥漿水化產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題的研究沒有實際幫助。具體地說，如API RP 10B中雖提及3種流體混漿的常壓流變性能評價試驗，但井下環境相對復雜，3種流體間的污染稠化評價并未規范化。而川渝深井污染試驗法雖然能夠定性描述3種流體間的接觸污染，但不能獲得稠化時間、混漿流體可泵性參數，不利于指導實際的固井作業；其次，鉆井液置換驅替機理等研究比較弱。一般使用六速旋轉黏度計等簡單模擬，方法相對單一。總體而言，隔離液的研發較缺乏接觸污染作用機理和井下流體相容性評價方法的指導。

3 油基鉆井液用隔離液的研究現狀

3.1 評價方法

對于油基鉆井液用隔離液，童杰[28]等采用界面沖洗效率評價方法和相容性評價方法結合混漿水泥石抗壓強度實驗來量化評價相容性。齊靜[29]等采用流速旋轉黏度計模擬模擬現場套管環空中隔離液的沖洗隔離作用，通過水泥石膠結現象與剪切膠結強度對隔離液的除油頂替效率進行量化評價。MASERATI[30]等在API RP 10B標準基礎上，采用膠結剪切試驗和潤濕角實驗評價隔離液的清洗效率。FARAHANI[31]等采用水泥膠結測井儀(SBT)檢驗水泥石封固質量，可通過固井質量間接反映隔離液清洗效率。

3.2 應用現狀

隔離液密度對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]。隔離液應用性能一般以提高清洗效率和潤濕反轉能力為主要性能指標。如CHEN等[34]研究了有利于防止流體相容性問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]等設計了低用量、高水潤濕性的納米表面活性劑，劉偉[36]等研究了頁巖氣用高密度防塌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境的清洗效率評價方法，無法準確有效地評價井下環境隔離液對油基鉆井液泥餅的清洗效率。而對復雜井況，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性質與實際井下環境的差異，不利于正確設計隔離液，甚至在實際應用時導致固井失敗。

在乳化隔離液的應用上，油包水型乳化隔離液與水包油型乳化隔離液都通過改變殘留鉆井液的黏附程度和對鉆井液的親和吸附作用攜帶走井內殘留鉆井液。然而，乳化隔離液的應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定缺陷，常常會導致破乳極限降低、隔離液保持乳液形態的時間縮短，同時也會因破乳行為的發生使得隔離液體系的黏度與切力大幅增大，導致隔離液性能降低，甚至沒有應用效果。總體上，該類型隔離液的研究局限于獲得穩定的塑性黏度、通過乳化劑與表面活性劑的復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，在發展中逐漸形成了獨立的隔離液外加劑體系，主要包括懸浮穩定劑、防污染劑、降失水劑以及表面活性劑。

懸浮穩定劑的研究重點在于抗高溫懸浮穩定劑，如林榮壯[39]等配制的抗200 ℃懸浮穩定劑，LI[15]等開發的熱穩定性高達約205 ℃的懸浮穩定外加劑體系。2017年，林子旸[40]等則創新性地提出復配型懸浮穩定劑，一定程度上同時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質量，而歐紅娟[42]等進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濕性為主要評價指標。VAN ZANTEN[35]等在乳化隔離液中使用的納米級表面活性劑，Vsurfactant/V隔離液基液=10/90情況下，接觸時間少于5 min，而對多種鉆井液的清洗效率都超過98%；而界面潤濕性能優異，用量卻可少于隔離液體積的0.5%。

此外，目前更是出現了新的自愈合效應外加劑，通過隔離液體系流動滲透時成分的可固化特性[27]或促進水泥漿體系中成分凝膠化的特性[44]提高界面封固質量。

5 結語與展望

1)對于接觸污染機理，需要重點從水泥漿水化產物(尤其是水化產生的高價金屬離子)與鉆井液中的聚合物處理劑的相互作用著手，深入探究各個單一組分間的不相容行為對流體間相容性的影響程度，從而全面評價不同井下流體之間的不相容問題。

2)對于隔離液的研究，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；而油基鉆井液的問題則在于置換驅替困難，易造成接觸污染以及界面水潤濕性差。因此，針對水泥漿和鉆井液的使用，隔離液的密度可調范圍和隔離穩定性依然是首先需要考慮的問題，這是保證順利頂替的前提。同時，滿足抗溫抗鹽等參數要求是隔離液發揮正常應用性能的前提。

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