深水油氣井環(huán)空帶壓預(yù)防彈性隔離液體系

郭永賓，吳志明，楊玉豪，余意，劉智勤

（中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東湛江 524000）

0 引言

隨著我國深水油氣勘探開發(fā)戰(zhàn)略的逐步推進(jìn)，深水井測試及生產(chǎn)過程中的一些安全問題引起了人們的高度關(guān)注。現(xiàn)有的深水井固井水泥漿通常沒有上返到井口，固井后水泥石上部與井口之間形成了圈閉環(huán)空，且環(huán)空內(nèi)充填著鉆井液等流體。深水油氣田測試和生產(chǎn)過程中，由于地層流體溫度高達(dá)120 ℃以上甚至更高。隨著地層流體產(chǎn)出，造成油管以及各層生產(chǎn)套管、技術(shù)套管及表層套管之間，圈閉環(huán)空內(nèi)流體溫度的升高，出現(xiàn)套管圈閉環(huán)空內(nèi)壓力升高的現(xiàn)象（APB），即環(huán)空帶壓[1-3]。APB嚴(yán)重時甚至?xí)D毀或脹裂套管，威脅井筒完整性，給生產(chǎn)作業(yè)帶來嚴(yán)重的安全隱患。深水井由于近泥面的低溫特性，APB 現(xiàn)象更加突出，需要采取環(huán)空壓力管理措施。

在井身結(jié)構(gòu)設(shè)計，固井工藝措施既定的情況下，彈性工作液體系是預(yù)防深水油氣井環(huán)空帶壓的關(guān)鍵技術(shù)。彈性工作液代替原有鉆井液停留在圈閉環(huán)空內(nèi)，由于含有彈性材料受壓后體積減小，緩解了壓力快速上漲，降低環(huán)空帶壓風(fēng)險，延長油井的壽命。Roger Williamson 等人[4]研究了一種最佳發(fā)泡隔離液體系來緩解APB。M.Gonzalez 等人[5]研究結(jié)果表明，甲基丙烯酸甲酯乳化液（MMA）在聚合作用下，單體發(fā)生聚合反應(yīng)生成聚甲醛丙烯酸甲酯時，甲基丙烯酸甲酯體積壓縮為20%，為殘留下來的流體熱膨脹創(chuàng)造了空間，避免了壓力過大而產(chǎn)生危害；Ezell R G 等人[6]使用高性能水基隔熱封隔液（IPF）來代替通常所使用的VIT 真空隔熱油管，該流體提供了較高的流動性，緩解井下APB 問題。彈性隔離液體系具有作業(yè)費(fèi)用低，工藝簡單，無需專門的地面設(shè)備等優(yōu)點(diǎn)。室內(nèi)采用微膠囊法制得彈性空心球材料，形成了一套深水油氣井預(yù)防環(huán)空帶壓的彈性隔離液體系，并對其性能進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)儀器主要有：高溫高壓彈性流體評價儀和彈性材料往復(fù)壓縮試驗(yàn)儀，均為實(shí)驗(yàn)室自制，如圖1 所示。

1）高溫高壓彈性流體評價儀。該儀器的核心組成部分為“高溫高壓升降溫釜”，釜體帶有加熱升溫裝置和冷卻循環(huán)裝置，適用的溫度范圍為4～300 ℃，能夠承受的壓力極限為90 MPa，能夠通過高溫高壓升降溫釜全程模擬環(huán)空流體的升降溫過程。附件部分為“壓力補(bǔ)給裝置”，作用是給高溫高壓升降溫釜內(nèi)施加一定的初始壓力，模擬井內(nèi)流體施加的靜液柱壓力。該儀器在升降溫過程中能夠?qū)崟r監(jiān)控釜內(nèi)的壓力隨溫度變化的趨勢，同時對彈性工作液的緩解壓力效果進(jìn)行評價。

2）彈性材料往復(fù)壓縮試驗(yàn)儀。用來評價合成彈性材料的抗壓性能，施加特定的壓力后，測試流體受壓后的體積恢復(fù)程度。

圖1 高溫高壓彈性流體評價儀及彈性材料往復(fù)壓縮實(shí)驗(yàn)儀

2 彈性隔離液體系研究

2.1 彈性材料研究

通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，采用雙酚A、環(huán)氧氯丙烷和二縮水甘油醚等制成混合溶液，開發(fā)出一種彈性劑用殼體材料[7-8]。采用二乙烯三胺、碳酸丙烯酯和氨基聚醚等配制的混合溶液作為制備彈性劑的增韌劑。將制備的殼體材料、增韌劑和發(fā)泡劑按照特定的比例混合分散均勻，在一定條件下采用干燥噴霧法實(shí)現(xiàn)微膠囊化制得顆粒材料，將彈性顆粒在高溫下通過成球爐烘干，得到彈性球體。將球體加入水中，用漂浮法篩選出浮于水面的即為彈性空心球。

對空心球內(nèi)負(fù)載氣體進(jìn)行了研究，氮?dú)夂蜌錃庾鳛橛蜌饩ぷ髁黧w常用充氣類型，對2 種氣體抗溫性能進(jìn)行評價。以壓力為10 MPa 的氣體與水按5∶95 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。設(shè)置加熱溫度為10～130 ℃，測試升溫過程中壓力變化及最終壓力值，結(jié)果見圖2。

圖2 不同氣體與水升溫過程中壓力上漲情況

由圖2 可知，水直接升溫到130 ℃時，壓力上漲接近86 MPa，當(dāng)水與氣體體積比為95∶5 時，氮?dú)夂蜌錃庠谏郎剡^程中，壓力分別上漲了38.6和25.6 MPa。在含有一定比例的氣體介質(zhì)后，其可壓縮性可得到大幅提高，明顯緩解壓力上漲趨勢，而且相同體積比情況下，氫氣的緩解效果明顯優(yōu)于氮?dú)狻Ｊ覂?nèi)選用氫氣作為充氣類型[9-10]。

2.2 懸浮劑

懸浮劑要具有良好的抗溫性能，能夠在井底高溫達(dá)125 ℃時不發(fā)生降解，測試性能見表1。由表1 可知，在相同的加量下150 ℃老化后，懸浮劑A、懸浮劑K 以及Utrs-B 的φ6和φ3值降幅較大，抗溫性能較差；而懸浮劑HV 和HX 依然保持著較好的流變性，動切力降低幅度較小，動塑比較高，φ6和φ3值也較為穩(wěn)定，能夠有效保證體系的懸浮性能。綜合來看懸浮劑HX 效果最佳，因此選擇其作為彈性工作液的懸浮劑。優(yōu)選懸浮劑的配方如下。

海水+0.4%懸浮劑+20%鐵礦粉

表1 彈性工作液用懸浮劑的篩選

2.3 加重劑

根據(jù)彈性工作液適用的地層和段塞位置的不同，對加重劑進(jìn)行了篩選。采用了超細(xì)重晶石和超細(xì)鐵礦粉進(jìn)行加重實(shí)驗(yàn)，密度為1.10～1.90 g/cm3，彈性工作液加重后性能見表2 和表3。由表2 和表3 可知，隨著密度的增大，彈性工作液的黏度和切力均增大，流變性較好，能夠滿足彈性工作液加重的需要。

對不同加重劑配制的彈性工作液進(jìn)行了升溫實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3。實(shí)驗(yàn)用彈性工作液配方如下。

海水+0.4%懸浮劑+加重劑（密度為1.60 g/cm3）

表2 采用超細(xì)重晶石加重的彈性工作液的流變性能

表3 采用超細(xì)鐵礦粉加重的彈性工作液的流變性能

圖3 不同類型加重材料升溫過程中壓力上漲情況對比

由圖3 可知，對比2 種加重劑配制的彈性工作液，在升溫到130 ℃過程中的壓力上漲趨勢，超細(xì)鐵礦粉加重后最終壓力較低（81.5 MPa）。因此，優(yōu)先選擇超細(xì)鐵礦粉進(jìn)行加重。

3 彈性隔離液性能

3.1 彈性及壓縮性評價

彈性工作液彈性一方面取決于彈性材料本身的壓縮性，另一方面液體成分也能夠具有一定的壓縮性能，2 者相結(jié)合所體現(xiàn)的綜合壓縮性能更優(yōu)。實(shí)驗(yàn)室采用彈性材料往復(fù)壓縮試驗(yàn)儀對彈性工作液壓縮性及彈性恢復(fù)能力進(jìn)行評價[11-15]。測試樣品初始體積為125 cm3，室溫下彈性工作液在10～50 MPa的壓縮體積和彈性恢復(fù)率，如表4 所示。由表4 可知，隨著施加壓力的增大，壓縮體積增大。施加壓力在50 MPa 時，壓縮體積達(dá)到49.46 cm3，壓縮率達(dá)到39.57%；施加壓力移除后，彈性恢復(fù)率都達(dá)到100%。測試彈性時選擇50 MPa 進(jìn)行，主要是考慮彈性工作液在頂替過程中經(jīng)過井底時，大部分彈性球體不會被擠壓破碎，在固井結(jié)束后，即使后期試采過程中出現(xiàn)一定比例的破碎，其破碎后的氣體依然具有很強(qiáng)的壓縮性，能夠緩解壓力上漲。

表4 彈性工作液壓縮和彈性性能的評價

3.2 抗溫性能

在高溫高壓升降溫釜進(jìn)行加溫養(yǎng)護(hù)實(shí)驗(yàn)，將釜內(nèi)裝滿彈性工作液，然后給定初始溫度和壓力情況下，模擬井底流體對環(huán)空進(jìn)行預(yù)熱。在50 ℃、30 MPa 條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)實(shí)驗(yàn)，配方如下。

水+0.4%懸浮劑+6%彈性劑+鐵礦粉

模擬測試作業(yè)中環(huán)空的升降溫過程，采用先升到地層最高溫度，再降至所在環(huán)空溫度，繼續(xù)模擬測試生產(chǎn)期間加熱至最高溫度，測試升降溫過程中環(huán)空壓力的變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5。由此可知，彈性工作液在段塞位置的升降溫過程，溫度上升80℃，上漲壓力小于40 MPa，始終能夠穩(wěn)定地保持彈性，緩解壓力效果穩(wěn)定。而鉆井液進(jìn)行同等條件下的升溫實(shí)驗(yàn)，溫度升高到90 ℃，壓力漲至88.2 MPa，溫度上升40 ℃，上漲壓力大于58 MPa。因此，彈性工作液能夠大幅降低隨溫度升高增長的膨脹壓力，緩解環(huán)空壓力上漲的趨勢。

3.3 與鉆井液和水泥漿配伍性

為評價彈性工作液在使用過程中施工安全性，對彈性工作液與鉆井液和水泥漿配伍性進(jìn)行研究，結(jié)果如表6 和表7 所示。由表6 和表7 可知，彈性工作液與鉆井液不同比例混合后，流變性滿足入井流體的要求；彈性工作液與水泥漿混合后，流變性能變小，不影響固井施工過程。說明彈性工作液與鉆井液和水泥漿配伍性較好。

隔離液 水+0.4%懸浮劑+6%彈性劑+鐵礦粉（ρ=1.60 g/cm3）

恒流變鉆井液 3%海水膨潤土漿+0.1%NaOH+0.25%Na2CO3+0.1%PF-VIS+3%KCl+3%NaCl+2%FLOCAT+2%JLX+重晶石（ρ=1.52 g/cm3）

水泥漿配方 水泥+硅粉+1%X66L+4%CG82 L+1%CF44L+5%STR+1%H31L（ρ=1.90 g/cm3）

表6 彈性工作液與鉆井液的流變性

表7 彈性工作液與水泥漿的配伍性

4 結(jié)論

1.研發(fā)的彈性工作液體系配方為：水+0.4%懸浮劑+6%彈性劑+超細(xì)鐵礦粉，密度在1.10～1.90 g/cm3可調(diào)。

2.彈性工作液體系具有高彈性的特點(diǎn)，抗壓縮性強(qiáng)，隨著施加壓力的增大，彈性工作液壓縮體積增大，施加壓力移除后，彈性恢復(fù)率達(dá)到100%。

3.彈性工作液在段塞位置的升降溫過程中，始終能夠穩(wěn)定的保持彈性，緩解壓力效果穩(wěn)定。

4.彈性工作液與鉆井液不同比例混合后，流變性滿足入井流體的要求；彈性工作液與水泥漿混合后，流變性能變小，不影響固井施工過程。