抗高溫水基隔離液體系的研制與評價

王有偉，馮穎韜，張 浩，溫達洋，崔 策，黃 峰，田 進

（中海油田服務股份有限公司油田化學研究院，河北廊坊 065201）

隨著油氣資源勘探向深部地層挺進，高溫高壓井鉆遇情況日益增多，這對鉆井液、沖洗液、隔離液、水泥漿等入井流體提出了嚴峻的技術挑戰[1-3]。高溫高壓井況一方面造成鉆井液在井壁巖石上形成厚虛泥餅，影響固井二界面膠結質量，另一方面引起水泥漿稠化時間縮短，影響施工安全，因此需要隔離液來清除井壁虛泥餅和隔離鉆井液與水泥漿[4]。目前國內科研人員采用天然礦物、懸浮穩定劑構建出可抗180 ℃、密度為2.4 g/cm3的隔離液體系，該體系流變性好、相容性優異[5-6]；國外DOAN A 等[7]以一種新型延遲水化的高溫懸浮穩定劑為核心材料構建出耐溫可達204 ℃的隔離液體系，該體系具有良好的穩定性、潤濕性和相容性。針對常規隔離液在高溫條件下流變性能惡化、沉降穩定性差、與鉆井液和水泥漿相容性較差的難題，筆者研制出一種可抗230 ℃的抗高溫水基隔離液體系，其各項性能均能滿足作業需求。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

無機懸浮穩定劑SA-WJ、抗高溫降失水劑FLHT-1、有機懸浮穩定劑SA-YJ、流型調節劑FS，均自制；消泡劑C-DF60L、重晶石、自制鉆井液、自制水泥漿，均產自藍海博達科技有限公司。

1.2 實驗儀器

電子天平、瓦楞攪拌器、FANN 35 旋轉黏度計、加壓密度計、高溫滾子加熱爐、失水儀、量筒、水浴箱、錢德勒7500 型高溫高壓流變儀、錢德勒高溫高壓雙釜稠化儀。

1.3 實驗方法

制備隔離液：稱量一定量的水，隨后按照配方依次加入消泡劑C-DF60L、無機懸浮穩定劑SA-WJ、抗高溫降失水劑FLHT-1、有機懸浮穩定劑SA-YJ、重晶石等材料，在攪拌速率4 000 r/min 下攪拌15 min，即可配制出所需隔離液體系。

性能測試：按照API RP 10B-2 規范標準測試隔離液流變、失水等性能，并考察隔離液與鉆井液、水泥漿的相容性。

2 抗高溫水基隔離液體系的研制

抗高溫水基隔離液體系通常多由懸浮穩定材料、控制失水材料、提高沖洗效率的表面活性劑以及調節密度的加重材料構成[8]。面對高溫和超高溫井下環境，常規懸浮穩定材料極易受熱分解，影響體系穩定性，其耐溫性能直接關系到抗高溫水基隔離液體系的性能[9-10]。通過研制耐溫性能優良的無機懸浮穩定劑、有機懸浮穩定劑、抗高溫降失水劑、流型調節劑等材料，構建出了一套性能優異的抗高溫水基隔離液體系。

2.1 無機懸浮穩定劑

通過對無機礦物改性，研制出一種耐高溫無機懸浮穩定劑SA-WJ，解決了無機礦物因高溫鈍化產生的高溫變稀和高溫增稠問題。室內評價了其加量對體系流變、失水、穩定性等能的影響。

配方：100%淡水+0.2%C-DF60L+X%SA-WJ+重晶石。

從表1 數據可知，隨著SA-WJ 加量在體系中增加，體系黏度能夠快速增加、失水量和自由水大幅下降，可見SA-WJ 能夠提高體系黏度，降低失水量，增加體系穩定性。

表1 無機懸浮穩定劑SA-WJ 加量對體系性能的影響

2.2 抗高溫降失水劑

抗高溫降失水劑一般多為AMPS 共聚物類降失水劑，該類抗高溫降失水劑通過設計分子鏈段構成和引入功能性基團，極大地提高了自身抗溫性能和控失水效果，同時也提高了抗污染、抗鹽性能。因此，選取三種AMPS 類抗高溫降失水劑對比其控失水效果（圖1）。

圖1 抗高溫降失水劑類型和加量對控失水性能的影響

配方：100%淡水+0.2%C-DF60L+2.0%SA-WJ+0.5%抗高溫降失水劑+重晶石，老化條件：210 ℃、6 h，失水測試條件：6.89 MPa、30 min。

由圖1 可知，相比另外兩種抗高溫降失水劑，抗高溫降失水劑FLHT-1 控失水效果最好。因此，暫選FLHT-1 做抗高溫水基隔離液體系用抗高溫降失水劑，并進一步考察其加量對控失水效果的影響。隨著FLHT-1 加量增加，失水量快速降低，控失水效果優異。

2.3 有機懸浮穩定劑

高溫、超高溫會造成體系中聚合物類外加劑失效，導致體系變稀，沉降穩定性變差，造成加重材料沉降，因此，室內研制出一種新型耐高溫有機懸浮穩定劑SA-YJ 來提高體系在高溫條件下的穩定性。采用錢德勒7500 型高溫高壓流變儀評價加入了SA-YJ 的抗高溫水基隔離液體系流變性能（圖2）。

圖2 加入SA-YJ 的抗高溫水基隔離液體系黏度隨溫度變化

配方：100%淡水+0.2%C-DF60L+1.0%SA-WJ+0.5%FLHT-1+0.5%SA-YJ+重晶石。

由圖2 可知，隨著養護溫度升高至210 ℃，體系黏度先升高后維持穩定，隨著養護溫度降低，體系黏度隨之增加。可見，該材料初始加入時體系黏度不變，不會對混配造成影響，能夠在210 ℃條件下保持體系穩定，且在溫度降低后具有增黏特性，能夠保持體系穩定。

2.4 流型調節劑

為了平衡井底壓力，抗高溫水基隔離液體系采用重晶石、鐵礦粉等加重材料來提高自身密度，高密度抗高溫水基隔離液體系會因高固體質量分數而造成流變性調節困難，因此研制出一種流型調節劑FS 有效改善體系的流變性能。

配方：100%淡水+0.2%C-DF60L+1.0%SA-WJ+0.5%FLHT-1+0.5%SA-YJ+X%FS+重晶石。

由表2 數據可知，老化前后，隨著流型調節劑FS加量增加，體系流變讀數降低，流型調節劑FS 起到調節體系流變性能的作用。

表2 流型調節劑FS 對抗高溫水基隔離液體系流變性能的影響

3 抗高溫水基隔離液體系性能評價

3.1 基本性能

采用無機懸浮穩定劑SA-WJ、抗高溫降失水劑FLHT-1、有機懸浮穩定劑SA-YJ、流型調節劑FS 構建了一套密度為1.8 g/cm3的抗高溫水基隔離液體系，室內評價了該體系的流變性能、失水量、自由水等基本性能（表3）。由表3 數據可知，抗高溫水基隔離液體系性能優異，老化前后流變穩定，失水量較小，自由水為零，沉降穩定性好。

表3 抗高溫水基隔離液體系基本性能（ρ=1.8 g/cm3）

配方：100%淡水+0.2%C-DF60L+1.0%SA-WJ+0.5%FLHT-1+0.5%SA-YJ+0.50%FS+重晶石。

3.2 耐溫性能

室內實驗考察抗高溫水基隔離液體系的耐溫性能，測試了抗高溫水基隔離液體系在110～230 ℃范圍內多個溫度點的性能變化（圖3）。由圖3 可知，隨老化溫度升高，老化后的流變讀數變化幅度小；拆出后，老化罐底部無沉降，靜置2 h，自由水為零。可見，該體系能夠抗230 ℃高溫，具有良好的耐溫性能。

圖3 老化溫度對抗高溫水基隔離液體系流變性能的影響

3.3 密度

室內實驗考察抗高溫水基隔離液體系的加重性能，測試該體系在1.3～2.1 g/cm3范圍內5 個點的性能變化（圖4）。由圖4 可知，隨著密度增加，老化后的流變讀數隨之增加，并未出現過度增稠現象；同時高溫對該體系流變性能影響小，老化后流變讀數下降程度有限，且老化后拆出老化罐底部無沉降。

圖4 密度對抗高溫水基隔離液體系流變性能的影響

3.4 相容性

抗高溫水基隔離液體系與鉆井液、水泥漿兩者的相容性影響著頂替效率，進而影響著固井質量[11]。因此，考察了抗高溫水基隔離液體系與鉆井液、水泥漿兩者混合后在流變性能、稠化時間、抗壓強度方面的性能變化。

3.4.1 流變性能 將在210 ℃老化4 h 的抗高溫水基隔離液體系（1.7 g/cm3）和自制的鉆井液（1.5 g/cm3）以及水泥漿（1.9 g/cm3）分別以不同比例混合，測試混合流體的流變性能（圖5）。

圖5 抗高溫水基隔離液體系和鉆井液、水泥漿混合后的流變相容性

由圖5 可知，抗高溫水基隔離液體系和鉆井液、水泥漿混合后，混合流體的流變讀數介于鉆井液和水泥漿流變讀數之間，未出現增稠和絮凝現象，該體系和鉆井液、水泥漿的流變相容性好。

3.4.2 稠化時間、抗壓強度 將水泥漿（1.9 g/cm3）和抗高溫水基隔離液體系（1.7 g/cm3）以3∶1 的比例混合，測試該體系對水泥漿稠化時間、抗壓強度的影響（表4）。

表4 抗高溫水基隔離液體系和水泥漿互混后的抗壓強度實驗結果

由表4 數據可知，水泥漿和抗高溫水基隔離液體系以3∶1 混合后，混合流體的稠化時間縮短36 min，抗壓強度降低8.3 MPa，相比純水泥漿稠化時間、抗壓強度變化幅度相對較小，可見該體系對水泥漿的稠化時間、抗壓強度影響小，不會影響作業安全。

3.5 沉降穩定性評價

采用錢德勒高溫高壓雙釜稠化儀停開機實驗，評價抗高溫水基隔離液體系在高溫條件下的沉降穩定性。停開機稠化曲線顯示，開機后的稠度值相比停機前雖有小幅上升，但是變化不大，同時拆出漿杯后，發現底蓋無沉降，可見該體系具有良好的沉降穩定性（圖6）。

圖6 錢德勒高溫高壓雙釜稠化儀停開機測試抗高溫水基隔離液體系沉降穩定性

4 結論

（1）通過研制耐溫性能優良的無機懸浮穩定劑、抗高溫降失水劑、有機懸浮穩定劑、流型調節劑等材料，構建出了一套性能優異的抗230 ℃高溫水基隔離液體系。該體系具有流變可調、失水量小、無自由水等特點。

（2）抗高溫水基隔離液體系具有良好的耐溫性能和加重性能，最高可抗230 ℃，且在110～230 ℃的流變性能變化較小，加重密度可達2.1 g/cm3。

（3）相容性實驗結果表明，抗高溫水基隔離液體系和鉆井液、水泥漿具有良好的流變相容性，混合后未出現過度增稠、絮凝現象，對水泥漿的稠化時間和抗壓強度影響小；稠化儀停開機測試結果表明，該體系在高溫下具有良好的沉降穩定性，滿足現場施工需求。