固井用潤濕反轉劑的研究與應用

張福銘，趙琥，代丹，王雪山，劉夢濤

（中海油服油田化學研究院，河北燕郊 065201）

在注水泥前將黏附在環空界面上的油漿、油膜清除，并將井筒內油基鉆井液與隔離液的混合液轉變成水潤濕體系是成功固井的關鍵。目前國內外研究熱點集中于在隔離液中加入表面活性劑，表面活性劑主要起到清洗、乳化及潤濕反轉的作用。如斯倫貝謝的D607，主要成分為非離子表面活性劑，典型配方為：淡水+消泡劑D206+30%D607+隔離劑Turb.Spacer+加重劑；貝克休斯的產品為S-5、MCS-GS，主要成分為非離子表面活性劑，直接添加到隔離液體系中。國內此類型隔離液的主要配方為：淡水+懸浮劑+表面活性劑+加重劑等。如中石化工程技術研究院的劉偉等人[1]研發的一種洗油隔離液，所用表面活性劑為LWG-1（加量為7%）；齊靜等人[2]研發的油基鉆井液用隔離液，主要有水、懸浮穩定劑、復合表面活性劑B（加量為20%）組成；劉麗娜等人[3]研發了一種適用于油基鉆井液的表面活性劑隔離液，采用LAS+JFC-6+AOS的復合表面活性劑（加量為2.5%）；李韶利等人[4]研發了一種清油隔離液GLY-1， 所用表面活性劑為RJ-4（加量為15%～30%）， 主要由非離子和陰離子表面活性劑組成。筆者在研究中發現含氮聚合物對隔離液的水潤濕能力有較大促進作用，在國內的文獻中還未見報道。含氮聚合物與表面活性劑合用，比單用表面活性劑的隔離液水潤濕能力更好，表面活性劑的用量比國外成熟產品少。合成了含氮聚合物PC-W31S、復配了表面活性劑PCW25L，重點研究了2者對隔離液水潤濕能力的影響。

1 潤濕反轉劑的制備及作用機理

1.1 實驗原料及儀器

1.1.1 實驗原料

N，N-二甲基丙烯酰胺、丙烯酸、丙烯腈、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、丙烯酰胺、十二烷基硫醇，化學純；去離子水；F/W（實驗室淡水）；山東G級水泥；隔離劑PC-S32S；增強劑PC-BT-1；微硅PC-G12S；漂珠PC-P62；降失水劑PC-G80L；緩凝劑PC-H21L；消泡劑PC-X60L；油基鉆井液。

1.1.2 實驗儀器

四口瓶，恒溫水浴，天平，Fann C1001潤濕儀，常壓養護儀，旋轉黏度計，密度計，恒速攪拌器，高溫高壓稠化儀。

1.2 PC-W31S、PC-W25L的制備方法

選擇N，N-二甲基丙烯酰胺、丙烯酸、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、丙烯酰胺、去離子水適量置于四口瓶中，在50 ℃下反應數小時后加入十二烷基硫醇，控制聚合物的黏均分子量至20萬以下，所得到的聚合物溶液經過干燥粉碎后的產品即為PC-W31S。PC-W25L主要為非離子表面活性劑和其他助劑的復配產品。

1.3 評價方法

1.3.1 水潤濕能力

水潤濕能力按GB/T 19139—2012[5]和API RP 10B—2—2013[6]進行測試，并計算體積分數。

式中：Vp為從油連續相變為水連續相所需的沖洗液（或隔離液）的體積，mL；Vm為攪拌杯中初始的油基鉆井液體積，mL。

實驗完成后，沖洗攪拌杯，并觀察杯壁是否有殘留油膜。將水滴入最終的油基鉆井液與沖洗液（或隔離液）的混合液表面，觀察實驗現象（水滴下沉、水滴快速分散、水滴散亂的分散等）。且沖洗液（或隔離液）占混合液的體積分數的合理范圍為30%～70%。

1.3.2 沖洗效率

為了與國際同行交流方便，參照國外某公司的評價方法，具體如下。①稱量干凈的旋轉黏度計的轉子，記為W0，g。②將轉子連接到旋轉黏度計上，將養護好的油基鉆井液倒入流變杯中，緩慢調節直至淹沒轉子約5 cm，浸入時間約10 min。③擰下轉子，黏附的油基鉆井液不再自由落下并稱重，記為W1，g，應使黏附在轉子上的油基鉆井液的量在1～2 g之間。④將黏附有油基鉆井液的轉子連接到黏度計上，把事先養護到測試溫度的隔離液倒入帶有加熱功能的流變杯中，流變杯完全淹沒轉子上沾有油基鉆井液的部分，并高出約2 mm。⑤轉子開始旋轉前，確保隔離液達到測試溫度。在室溫下測定時，轉子速度設定為100 r/min，高于室溫時，轉子速度設定為60 r/min。沖洗時間設定為10 min。⑥將流變杯緩慢下降，完全露出沖洗后的轉子，并靜置2 min，讓多余的液體自由落下，取下轉子后，用干凈的紙巾擦去轉子底部多余的流體，并稱重，記為W2，g。

1.3.3 流變相容性

流變相容性按GB/T 19139—2012“油井水泥試驗方法”測試[5]，并計算R值。其中R值的定義為：不同比例混合液φ100讀數減去純液（沖洗液或隔離液、油基鉆井液、水泥漿）中φ100讀數較大一組的數值。R≤0，相容性非常好；0＜R＜40，輕度不相容；40≤R＜70，不相容；R≥70，極其不相容。

1.4 作用機理

PC-W25L的主要成分為非離子表面活性劑，滲透性良好，能夠快速滲透破壞油基鉆井液的油包水狀態，表面活性劑親油鏈（如直鏈烷基、硅氧烷基等）吸附到界面為油相的物質上，親水基圍繞在周圍，將配制油基鉆井液所用的礦物油、油性添加劑轉變為水包油狀態，進而溶解在水基體系中[8]。通過滲透、乳化、潤濕反轉等步驟，膠結面上的油膜、油漿可迅速被清除，并將膠結面變為水潤濕狀態。

PC-W31S為小分子量（黏均分子量控制在20萬以下）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+等金屬離子形成配位鍵，生成穩定的、溶于水的或膠狀懸浮狀態的二元或多元絡合物，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[9]，也能夠幫助隔離液改善其流變相容性。再者把金屬離子“束縛”住，避免金屬離子與表面活性劑反應而降低表面活性劑的活性，進而降低PC-W25L的使用量。同時PCW31S為線性聚合物，具有一定的懸浮作用。

2 結果與討論

2.1 水潤濕能力評價

2.1.1 PC-W31S的加量對隔離液水潤濕能力的影響

以現場用油基鉆井液（密度為1.25 g/cm3）為評價對象，通過水潤濕能力實驗，研究不同加量PC-W31S的隔離液對油基鉆井液的水潤濕能力的影響。使用Fann C1001潤濕儀測定，該設備用于連續測量電極表面間的導電性，由設備測量值能推斷流體的乳化狀態和表觀潤濕性[5]。

設計隔離液的密度為1.30 g/cm3，PC-W25L的加量為7%，配方如下： F/W+0.2%PC-X60L +X%PC-W31S +7%PC-W25L+2%PC-S32S+API重晶石。測試溫度為70 ℃，事先用常壓稠化儀養護隔離液和油基鉆井液各30 min，潤濕儀轉速設定為2000 r/min，以看見漩渦為宜。由圖1可知，隨著PC-W31S的加量增加，隔離液與油基鉆井液的混合液逐步從油潤濕轉變為水潤濕狀態。PC-W31S加量為0時，7%PC-W25L并不能使混合液轉變為水潤濕狀態；PC-W31S加量為0.3%，電導率的數值并未達到基準值（用純隔離液標定的讀數），是一種未完全反轉的狀態，仍有未反轉的油基鉆井液，水潤濕狀態的水連續相沒有完全形成；當PCW31S加量為0.5%，隔離液的體積分數為56.5%時， 隔離液與油基鉆井液的混合液完全轉變為水潤濕狀態， 此時水為連續相， 完全反轉后讀數超過基準值， 其后基本保持不變；當PC-W31S加量為0.7%， 完全反轉時隔離液的體積分數為44.4%；當PC-W31S加量為1.0%，完全反轉時隔離液的體積分數為41.8%。這是因為PC-W31S為含氮類聚合物，其高分子活性螯合基團通過配位螯合、網捕、架橋等機理，對混合液中的各種金屬離子快速捕捉，并生成不溶于水的金屬螯合物，以及共沉淀復合體等。這在一定程度上加速了油基鉆井液的破乳， 并降低了金屬離子對表面活性劑性能的影響，從而表現為加量越大，所需隔離液體積越小，水潤濕效果越明顯。但聚合物加量越大，導致隔離液成本上升；體系黏度越大，配漿時加重劑混配困難。因此選擇PC-W31S加量為0.7%為宜。

圖1 不同加量PC-W31S的隔離液對油基鉆井液水潤濕能力的影響[10]

2.1.2 PC-W25L的加量對隔離液水潤濕能力的影響

測試條件同上，隔離液配方：淡水+0.2%PCX60L+0.7%PC-W31S+X%PC-W25L+2%PCS32S+API重晶石，設計密度為1.30 g/cm3。

如圖2所示，在未加PC-W25L時，0.7%的PC-W31S可以使油基鉆井液與隔離液的混合液從油連續相轉變為水連續相，轉變為完全水連續相時的隔離液體積分數為63%。但在測試過程中，隨著隔離液加量逐漸增加，混合液黏度也隨之增加，導致混合液在攪拌過程中漩渦消失，直到完全反轉時混合液黏度才迅速下降。這也間接說明在沒有PCW25L的情況下，隔離液與油基鉆井液的相容性差。隨著PC-W25L加量增加，隔離液對油基鉆井液的水潤濕能力明顯提升，這是因為隨著表面活性劑有效濃度的增加，加速了油基鉆井液滲透、乳化的進程。PC-W25L加量為3%、 5%、7%和10%時，完全反轉時隔離液的體積分數分別為54.5%、50.0%、44.4%和37.5%。測試過程中，加有PC-W25L的隔離液在滴加到油基鉆井液的過程中，沒有出現漩渦消失及黏度異常增加的情況，且隨著PC-W25L加量的增加，混合液越穩定。考慮水潤濕能力及經濟性等因素，選擇PC-W25L的加量為7%。

測試完成后倒出的混合液用水滴測試，水滴快速分散，界面呈水潤濕狀態，杯壁用水沖洗即干凈，見圖2。從評價結果可知， PC-W31S和PC-W25L在水潤濕能力方面，2者相互促進。針對該油基鉆井液而言，典型的隔離液配方為：淡水+0.2%PCX60L+0.7%PC-W31S+7%PC-W25L+2%PC-S32S+API重晶石。而斯倫貝謝公司的潤濕反轉劑加量多達30%，從經濟角度看，研發產品有競爭優勢。

圖2 不同加量PC-W25L的隔離液對油基鉆井液水潤濕能力的影響

2.1.3 溫度對隔離液水潤濕能力的影響

以某國外公司提供的油基鉆井液和與之相對應的典型隔離液為評價對象，研究溫度對隔離液水潤濕能力的影響。高于85 ℃時，利用滾子爐在相應溫度下養護2 h，降溫取出后并再次使用常壓養護儀養護到85 ℃時測定，結果見表1。可知，潤濕反轉劑PC-W25L、PC-W31S配制的隔離液在150℃老化后，對其水潤濕能力沒有影響，具有較強的抗溫能力和化學穩定性。且隨著溫度上升，水潤濕能力整體呈增強趨勢。

表1 溫度對隔離液水潤濕能力的影響

2.2 相容性評價

井下流體不相容可能造成井底當量循環密度增加，導致漏失或水泥漿返高不到位。以某國外公司提供的油基鉆井液和與之相對應的典型隔離液以及密度為1.50 g/cm3的水泥漿為評價對象，測定隔離液與油基鉆井液、水泥漿在不同比例下的流變數據，3種流體均在85 ℃養護30 min后測定。數據如表2所示，從R值可以判別，加有潤濕反轉劑的隔離液與油基鉆井液、水泥漿相容性良好，未出現黏度異常增加的情況，保持了較好的流變梯度。

表2 隔離液與油基鉆井液、水泥漿的流變相容性

2.3 沖洗效果評價

以某國外公司提供的油基鉆井液和與之相對應的典型隔離液為評價對象，采用旋轉黏度計套筒在液體中的旋轉狀況來模擬隔離液在現場套管環空中的沖洗效果。為了減小實驗誤差，配制隔離液時不加入加重劑。高于85 ℃時，需在目標溫度下用滾子爐養護2 h，降溫取出后并再次使用常壓養護儀養護到85 ℃時測定。不同測試溫度下，加有潤濕反轉劑的隔離液對油基鉆井液的沖洗效率見表3。可知，隨著溫度上升，分子熱運動逐漸加劇，相應沖洗效率也逐漸增加。沖洗后的轉子表面無油膜黏附，表面為水潤濕狀態。

表3 不同溫度下隔離液對油基鉆井液的沖洗效率

3 現場應用

LD8-1-7井是位于南海的一口高溫高壓探井，殼牌公司為作業方，φ311.15 mm井段采用油基鉆井液鉆進，需要測試前置液的水潤濕能力。設計前置液的密度為2.05 g/cm3，井底循環溫度為126 ℃，井底靜止溫度為158 ℃，垂深為3250 m。配制的前置液在126 ℃下用滾子爐養護2 h，在85 ℃下能使混合液完全反轉時的體積分數為47.4%，沖洗效率為87%。此次作業過程安全順利，固井質量良好。

以PC-W31S和PC-W25L為主劑的隔離液隨水泥漿一起成功中標東南亞某固井項目。預計φ311.15 mm井段及后續井段采用油基鉆井液鉆進，需配套使用該型隔離液，已在甲方監督下完成室內實驗，標志著該隔離液得到國際甲方的認可。

4 結論

1.研發了潤濕反轉劑 PC-W31S和 PC-W25L，較佳加量范圍為：PC-W31S為 0.5%～1.0%，PCW25L加量為 5%～10%，比斯倫貝謝公司的潤濕反轉劑用量少；在水潤濕能力方面，2者相互促進，復配使用；配制的隔離液占混合液的體積分數不大于50%，可使混合液從油連續相完全轉變為水連續相。

2.潤濕反轉劑配制的隔離液，沖洗黏有油基鉆井液的轉子，沖洗效率達80%以上，沖洗后的界面為水潤濕；且與油基鉆井液、水泥漿的流變相容性良好，對水泥漿稠化時間和強度的影響均在可控范圍內。

3.該產品在LD8-1-7井成功應用，并中標東南亞某固井項目。