表面活性劑型可加重固井前置液作用機理及應用

姜濤

（大慶鉆探鉆井工程技術研究院，黑龍江大慶 163413）

固井前置液通常使用無機或高分子聚合物類懸浮劑來懸浮加重材料。高分子聚合物和無機懸浮劑的加入，混配時間長、工藝復雜、對前置液和鉆井液、水泥漿的相容性產生不良影響，且流變性能不宜調節，另外，高分子聚合物和無機懸浮劑也影響前置液本身的沖洗效果及界面潤濕能力，降低水泥環的膠結質量[1-4]。針對這些問題，開發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 ℃；能夠同時適用于油基鉆井液和水基鉆井液；且能夠依據不同的井況和施工工藝，對密度和流變性能進行設計和調整，使之實現最佳的頂替流態，從而達到良好的沖洗頂替效果，為水泥環提供良好的界面膠結環境，提高封固質量。

1 作用機理

1.1 懸浮機理

研制的前置液體系采用了表面活性劑懸浮技術。表面活性劑分子具有親水、親油的雙親結構性質。在水基體系中，表面活性劑親水的極性基團伸展于水中，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，即親水的極性基團向著水，疏水的碳氫鍵聚集在一起形成疏水內核的有序組合體，膠束的形狀隨濃度、電解質和增稠劑的加入，表現出不同的膠束形態，如圖1所示。膠束的形狀不同，使物質運動的阻力不同， 不同的膠束形態具有不同的黏稠度。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；當膠束形狀變為層狀，物質的相對滑動容易，體系的黏稠度反而會下降[5-7]。

圖1 表面活性劑在水中形成的不同膠束形態

表面活性劑在形成膠束的同時，其親水基團通過水耦合相互連接，膠束和這種親水基團的鏈接相互搭建纏繞而形成三維網狀結構，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，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狀結構（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狀結構（左）和其與固相顆粒的作用圖（右）

1.2 沖洗機理

1.2.1 滲透溶脹作用

前置液中的表面活性劑會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，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，產生溶脹作用，削弱油基泥餅的結構力，同時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，一方面油基泥餅會被逐漸剝離，另一方面，油基泥餅會逐漸卷起，在卷起過程中形成的新表面立即有表面活性劑分子吸附上去，產生新的潤濕和溶脹作用，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。

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，則潤濕方程表述為：

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。當水中有表面活性劑時，由于表面活性劑的吸附，導致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，根據潤濕方程，原來的平衡被打破，即油污各處的受力情況發生了變化，為了保持新的平衡，油污就會發生變形，接觸角θ發生變化，依據潤濕方程，當σws、σow變小時，cosθ應該變小，接觸角θ必然變大，才能保持潤濕方程重新相等，油滴發生變形，以達到新的平衡。宏觀上表現為油滴發生卷曲，如圖4（a）所示。理論上，當接觸角接近180°時，油污會卷曲成油珠，從套管表面脫落而除去。如果接觸角介于90°～180°之間時，油污雖然不能自發地從套管表面脫落，但是也可以被水流從套管壁表面沖洗下來，如圖4（b）所示。當油污與表面的接觸角小于90o時，則即使有運動液流的沖擊，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的狀態

依據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和流型調節劑（有機溶劑）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。可以看出，套管上的油漿逐漸卷曲、 脫落， 3 min后，只剩下少量的殘留物。這也正驗證了滲透溶脹和表面張力的作用機理在對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

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、井眼擴大率、套管偏心度等井況不同，對前置液流變性能的要求也不同[14-17]，因此在研制前置液過程中選用了一種流型調節劑，能夠根據現場的要求，有針對性地調節前置液的流變性能。室內進行了相關實驗，結果見表1。

表1 前置液的流變數據

圖6 調節劑不同加量下前置液的流變曲線

實驗表明，隨著調節劑加量的變化，前置液的流變性能變化明顯，但根據數據繪制的流變曲線（圖6）顯示，前置液的流型比較穩定，為賓漢流體。

層流、塞流、紊流各有特點，但實踐表明，固井前置液在注替過程中，應盡量實現紊流或者塞流，避免層流[1]。前置液通過流型調節劑加量的變化調節流變性能，使其能夠根據現場實際施工中實現紊流或塞流頂替。

以φ215 mm鉆頭、 φ139.7 mm套管為例， 不同調節劑加量的前置液臨界排量計算結果見表2。由表2可以看出，前置液具有如下特點：當調節劑加量較少，切力較大時，利于塞流頂替，當調節劑加量較大，切力較小時，易實現紊流頂替。因此，可依據實際井況，通過合理的流變設計，實現不同的頂替流態，提高前置液的頂替效率。

表2 前置液環空臨界返速計算

3 前置液綜合評價實驗

3.1 流型調節劑對沉降穩定性的影響

流型調節劑能夠調節前置液的流變模式，但是隨著調節劑加量的增加，前置液的切力和黏度在降低，為了驗證調節劑對前置液沉降穩定性能的影響，同時確定調節劑的允許最大加量，對前置液加入調節劑后的沉降穩定性能進行了實驗，見表3。

表3 不同調節劑加量下的懸浮穩定性

由表3可知， 當調節劑加量小于4%時， 沉降穩定性能良好， 加量大于4%時， 沉降穩定性能變差，因此在配制前置液時控制調節劑加量小于4%。

3.2 相容性評價

3.2.1 流變性相容性

實驗鉆井液選用的是取自現場的油基鉆井液和水基鉆井液，實驗水泥漿為丁苯膠乳體系，密度為1.90 g/cm3。參照GB/T 19139—2003標準，評價前置液與水泥漿和現場鉆井液的相容性，結果見表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驗數據

3.2.2 抗污染稠化相容性

進行了丁苯膠乳水泥漿與前置液以不同比例混合后進行的150 ℃稠化實驗，結果見表5。

表5 抗污染稠化實驗數據

由表5可知，前置液與水泥漿混合后，在150℃下，稠化時間延長，且無閃凝現象出現，滿足現場施工的安全要求。

3.3 沖洗效果

采用旋轉黏度計裝置進行沖洗評價實驗[4]，結果見表6。從表6可以看出，前置液對油基鉆井液和水基鉆井液具有良好的沖洗效果。

表6 前置液沖洗效果評價結果

4 現場應用

該前置液體系目前已應用170多口井，多為水平井、深井及特殊工藝井。依據不同的工況，對前置液流變進行設計，使其達到最佳的沖洗頂替及壓穩效果。下面以2口井為例，介紹前置液設計的流變數據及現場應用情況。

4.1 長水平段水平井流變設計

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，水平段長為2 660 m，所用鉆井液為油基鉆井液，其井眼擴大率只有4.8%，且是一次性全封，固井施工時間長，不易使用塞流頂替，因此在這口井中，把前置液設計成紊流的形式，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，流變數據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，從返出的流體狀態來看，前置液界面清晰，與油基鉆井液、DSJ水泥漿的摻混段流動狀態良好，無增稠絮凝現象，按水泥漿填充環空量計算，頂替效率為90.8%。說明通過對前置液合理的流變設計，加上其良好的相容性能，達到了良好的沖洗頂替效果。

4.2 特殊工藝井流變設計

某井為深層氣井， 井深為4 911 m， 垂深為3 862 m，水平段長為974 m，循環溫度為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℃）處靜止4 d左右，考慮到沖洗隔離液要具有良好的抗溫沉降穩定性和沖洗效果，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程中，使用小排量頂替（0.2 m3/min左右），頂替時間長達14 h，為了最大限度地提高頂替效果和減少摻混量，把前置液設計成塞流頂替模式，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，實際頂替排量為0.1～0.3 m3/min。

該體系在井深3 100 m處靜止9 d，在固井施工時，注沖洗液和注灰壓力正常，井口返出漿體狀態良好，說明該體系具有良好抗高溫沉降穩定性能。

5 結論

1.表面活性劑型可加重固井前置液適應密度范圍寬、懸浮穩定性能好，最高抗溫可達150 ℃，具有良好的流動性能，與鉆井液和水泥漿具有良好的相容性，有很好的沖洗效果，能夠改善環空界面的膠結環境，兼具有隔離作用，現場應用范圍廣。

2.該前置液可針對不同工況，改變其流變性能，使體系保持較低的黏度，實現紊流或塞流頂替，最大程度地提高沖洗頂替效果，從而提高水泥環的界面膠結質量，為固井質量提供了保障。

3.經現場驗證，該體系流動狀態良好，抽注順利；從固井質量上看，該前置液表現出了良好的沖洗頂替和壓穩效果，有助于固井質量的提高。

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