油基鉆井液用沖洗液BCS-020L研制及應用

王 翀 謝飛燕 劉愛萍 席方柱

（天津中油渤星工程科技有限公司中國石油天然氣集團公司鉆井工程重點實驗室，天津 300451）

油基鉆井液用沖洗液BCS-020L研制及應用

王 翀 謝飛燕 劉愛萍 席方柱

（天津中油渤星工程科技有限公司中國石油天然氣集團公司鉆井工程重點實驗室，天津 300451）

油基鉆井液完鉆井井壁及套管壁上附著的油漿、油膜會影響固井界面的膠結(jié)性能。為了改善水泥環(huán)與環(huán)空界面的親合性，提高界面膠結(jié)強度，研發(fā)了BCS-020L沖洗液體系。實驗結(jié)果表明，BCS-020L沖洗液與鉆井液、隔離液均有較好的相容性，對井壁和套管壁上附著的油基鉆井液具有良好的沖洗效果，沖洗效率達到80%以上；對環(huán)空界面具有良好的潤濕改性作用，可以有效促進水泥環(huán)與環(huán)空界面的膠結(jié)。該沖洗液體系在玉門油田柳平1井取得成功應用，固井質(zhì)量優(yōu)良。

油基鉆井液；沖洗液；表面活性劑；固井質(zhì)量

油基鉆井液在井壁穩(wěn)定、潤滑防卡、抑制地層水化膨脹、抑制地層造漿及快速鉆進等方面具有明顯的優(yōu)勢［1］。但在鉆井過程中由于鉆井液與套管和井壁巖石的長時間接觸，在巖石基質(zhì)和套管壁上黏附著一層膠凝油基鉆井液，使界面潤濕狀態(tài)由親水變?yōu)橛H油，導致水泥環(huán)與膠結(jié)界面的表面特性不同，親和能力差，對固井質(zhì)量產(chǎn)生很大的影響［2］。

對于油基鉆井液鉆井，國內(nèi)外很多成功的固井經(jīng)驗是先注入柴油或白油稀釋油基鉆井液，沖洗井壁和套管壁，然后注入沖洗液溶解和沖刷黏附在套管和井壁上的油污及鉆井液濾餅。國外對沖洗液的研究要先于國內(nèi)，現(xiàn)已形成多種類、系列化產(chǎn)品，如斯倫貝謝公司開發(fā)了CW8、CW101、CW8-ES 等3種沖洗液體系。而國內(nèi)適用于油包水鉆井液的沖洗液品種還較為單一，可選性差，對于沖洗效率的評價方法也有待完善。

筆者通過研究和篩選，研發(fā)出油基鉆井液用沖洗液BCS-020L體系。該沖洗液對模擬套管壁上附著的油基鉆井液具有很好的沖洗效果，并且對環(huán)空界面具有良好的潤濕改性作用，可以有效促進水泥環(huán)與環(huán)空界面的膠結(jié)。

1 沖洗液體系組成及作用機理

BCS-020L沖洗液由一種陰離子表面活性劑、一種非離子表面活性劑、清洗助劑以及加重材料組成。選擇依據(jù)是陰離子表面活性劑具有很強的潤濕滲透功能，使沖洗液能夠很好地滲透到膠凝鉆井液的內(nèi)部，可以有效提高固井界面的親水性。選擇非離子表面活性劑是因為其防止地層基質(zhì)及套管表面再污染的能力強，有利于清洗固井界面油膜和膠凝鉆井液［3］。清洗助劑可以與高價陽離子起螯合作用，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。通過表面活性劑與清洗助劑配合使用，增強了體系的分散、乳化、增溶能力，從而增強沖洗液體系作用效果［4］。

2 BCS-020L沖洗液體系性能評價

沖洗液性能評價在GB/T 19139—2003《油井水泥試驗方法》中沒有統(tǒng)一的評價標準。系統(tǒng)、全面評價沖洗液性能是現(xiàn)階段沖洗液體系研究的難點。鑒于固井二界面地質(zhì)情況的復雜性，沖洗液對井壁以及鉆井液濾餅的作用效果評價還有待于進一步研究和建立。與水基鉆井液相比，油濕性對界面膠結(jié)強度影響巨大，因此本文主要評價沖洗液對套管壁的潤濕、改性及沖洗效果。

2.1 潤濕作用評價

使用油基鉆井液鉆井，井壁和套管壁表面的油漿、油膜會使固井界面親水性差，導致水泥環(huán)與固井界面沒有良好的親和性。使用Easy Drop接觸角測定儀測試沖洗液對固井界面的潤濕改性效果。該方法理論性較強，可以用于評價沖洗液對固井一界面的潤濕、改性效果。

評價程序：（1）依次使用丙酮、無水乙醇及蒸餾水沖洗金屬片，放在80 ℃烘箱中烘干；（2）將金屬片放在5#白油中浸泡2 h，烘干后即制得親油金屬片；（3）將親油金屬片放在沖洗劑溶液中浸泡8 min，烘干后進行潤濕角測試；（4）采用潤濕角測定儀測試蒸餾水在金屬片表面的潤濕角，進行5次平行實驗，去掉最大及最小數(shù)值后取平均值作為最終測試結(jié)果。

根據(jù)潤濕評價方法，經(jīng)過5次平行實驗測得水在沒經(jīng)過沖洗液沖洗的親油金屬片表面的接觸角分別為90.0°、85.7°、86.7°、86.2°、69.0°，最終得到接觸角平均數(shù)值為86.2°，說明水與金屬片表面親和性很差，水不能在親油金屬片表面有效潤濕鋪展。

為測試沖洗液體系的潤濕改性效果，用不同質(zhì)量分數(shù)的沖洗液浸泡親油金屬片，然后測定蒸餾水在其表面的潤濕角，結(jié)果見表1?？梢钥闯?，BCS-020L沖洗液體系對親油金屬片表面有很好的潤濕改性作用，隨著沖洗液有效濃度的增加，蒸餾水在浸泡后的親油金屬片表面接觸角逐漸變小，最后完全鋪展。說明該沖洗液可以吸附在固井界面滯留物的表面，使井壁和套管壁潤濕反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)化為親水環(huán)境，為保證固井界面膠結(jié)質(zhì)量提供必要的前提條件。

表1 水在沖洗液處理后金屬片表面的穩(wěn)定接觸角

2.2 對油基鉆井液的沖洗效果評價

井壁、套管壁上黏附的油基鉆井液是導致水泥環(huán)與固井界面膠結(jié)質(zhì)量差的重要因素，會導致固井界面膠結(jié)不良，使固井作業(yè)存在很大的氣竄隱患。BCS-020L沖洗液能滲透到油基鉆井液內(nèi)部，有效地降低井壁和套管壁上鉆井液的黏附程度，使其在接觸時間內(nèi)脫落清除，從而提高界面膠結(jié)質(zhì)量［5-6］。以下方法可以評價沖洗液對不同鉆井液的沖洗效果，適用于所有類型的鉆井液體系，但只能模擬沖洗液在接觸時間內(nèi)對固井一界面的沖洗過程。

評價程序：（1）改造六速旋轉(zhuǎn)黏度計外筒，在不改變尺寸的前提下，封堵側(cè)面及底部開口；（2）將油包水鉆井液倒入六速旋轉(zhuǎn)黏度計杯中，稱取黏度計杯子及鉆井液重量W0；（3）將旋轉(zhuǎn)黏度計外筒浸入油包水鉆井液中，在200 r/min下攪拌5 min，靜滴3 min，稱取杯子及鉆井液重量W1；（4）將配好的沖洗劑溶液倒入旋轉(zhuǎn)黏度計杯中，稱取杯子及沖洗液重量W2；（5）將沾滿油包水鉆井液的旋轉(zhuǎn)黏度計外筒在沖洗液溶液中沖洗8 min，靜滴3 min，稱取杯子及沖洗液重量W3；（6）將干凈的旋轉(zhuǎn)黏度計外筒浸入裝滿沖洗液的杯中，在200 r/min下攪拌5 min，靜滴3 min，測試沖洗液質(zhì)量W4。

按照上述方法，對不同質(zhì)量分數(shù)的沖洗液進行沖洗效果評價實驗。從表2可以看出，2種密度沖洗液質(zhì)量分數(shù)6%時，對油包水鉆井液體系的沖洗效率可以達到80%以上。

表2 沖洗液體系沖洗效率（25 ℃）

考慮到現(xiàn)場使用情況，進一步測試了溫度對沖洗效率的影響（表3）。沖洗液體系的沖洗效率隨著溫度的變化不大，在加熱條件下，沖洗劑含量大于6%，沖洗效率達到80%以上。

表3 溫度對沖洗效率的影響（1.0 g/cm3）

為了測試沖洗液體系的適應性，選擇了3個廠家、不同類型的油基鉆井液開展沖洗評價實驗，結(jié)果見表4。實驗結(jié)果表明，隨著溫度升高，沖洗效率略有降低，但沖洗液質(zhì)量分數(shù)超過10%，沖洗效率可以達到80%以上。

表4 密度1.0 g/cm3沖洗液對不同鉆井液體系沖洗效率

2.3 BCS-020L沖洗液體系流變性研究

使用六速旋轉(zhuǎn)黏度計測試沖洗劑質(zhì)量分數(shù)分別為6%及10%，密度1.0 g/cm3沖洗液在不同轉(zhuǎn)速下的流變參數(shù)，然后繪出剪切速率與剪應力關(guān)系曲線圖（圖1）。從流變曲線可以看出，以上2種質(zhì)量分數(shù)的沖洗液體系近似于牛頓流體。

圖1 沖洗液流變曲線

為了測試沖洗液體系在加溫條件下的流變性能，測定了BCS-020L沖洗劑質(zhì)量分數(shù)10%、加重后密度1.1 g/cm3沖洗液在25 ℃、60 ℃、95 ℃以及150℃等4個溫度點的流變參數(shù)，150 ℃實驗數(shù)據(jù)是在高溫滾子爐加熱2 h后降至90℃測得（表5）。實驗結(jié)果表明，隨著溫度的升高，沖洗液體系塑性黏度降低，但變化很小，說明體系具有良好的流變性及高溫穩(wěn)定性。

表5 溫度對沖洗液流變的性能影響

3 沖洗液體系相容性評價

流變相容性是沖洗液性能評價的重要參數(shù)，是沖洗液體系能否應用于固井施工的決定性因素。通過沖洗液與鉆井液的相容性實驗可以看出（表6）：沖洗液與油基鉆井液混合后無明顯增稠、絮凝現(xiàn)象，因而2個體系相容。但隨著沖洗液侵入量增大，混漿塑性黏度、稠度系數(shù)有所增大，說明沖洗液含量的增加破壞了鉆井液體系的油水比，但是當沖洗液比例超過50:50時，體系的各項流變指標又呈現(xiàn)出下降趨勢。

通過沖洗液與隔離液的相容性實驗可以看出（表7）：隨著沖洗液比例的增加，混漿稠度系數(shù)、塑性黏度明顯降低，雖然混漿的動切力逐漸降低，但還能保證體系的穩(wěn)定性。相容性評價實驗可以看出，沖洗液與油包水型鉆井液、隔離液混合后混漿無明顯增稠、絮凝現(xiàn)象，具有很好的流變相容性，有效地解決了常規(guī)固井流體接觸污染的問題。

表6 沖洗液與鉆井液流變相容性實驗（90 ℃）

表7 沖洗液與隔離液相容性實驗（90 ℃）

4 現(xiàn)場應用

柳平1井位于甘肅省玉門地區(qū)酒泉盆地酒西坳陷青西凹陷柳溝莊構(gòu)造帶。該井為水平井，一開井深700 m，采用膨潤土鉆井液；二開井深3 730 m，采用陽離子鉆井液；三開直井段3 730～3 960 m，造斜段3 960～4 128 m，井斜33.42°，增斜段4 128～4 405 m，井斜33.42°～80.56°，穩(wěn)斜段4 405～4 856 m，采用混油陽離子鉆井液。全井段采用BCS-020L沖洗液，聲幅測井解釋結(jié)果固井合格率100%，取得了良好的應用效果。

5 結(jié)論

（1）沖洗液BCS-020L具有很好的潤濕鋪展能力，使井壁和套管壁潤濕反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)化為親水環(huán)境，為保證固井界面膠結(jié)質(zhì)量提供必要的前提條件。

（2）沖洗液BCS-020L能滲透到油基鉆井液內(nèi)部，有效地降低井壁和套管壁上油基鉆井液的黏附程度，使其在接觸時間內(nèi)脫落清除，從而提高界面膠結(jié)質(zhì)量。

（3）沖洗液BCS-020L與常規(guī)鉆井液體系及隔離液體系具有很好的流變相容性，混合后無明顯增稠、絮凝現(xiàn)象，有效解決了常規(guī)固井流體接觸污染的問題。

（4）沖洗液BCS-020L在柳平1井固井作業(yè)中得到了成功的應用，實踐證明該沖洗液對改善固井膠結(jié)面具有良好的應用效果。

［1］ 周金葵.鉆井液工藝技術(shù)［M］.1版.北京：石油工業(yè)出版社，2009：158-162.

［2］ 范鵬，康建平，吳村章，等.油水雙效PC-W21L沖洗液在PY30-1氣田固井作業(yè)中的應用［J］.石油天然氣學報，2011，33（5）：189-192.

［3］ 趙德喜，劉滬萍，范莉，等.一種速溶固體注水泥前置液外加劑［J］.鉆井液與完井液，2008，25（1）：36-38.

［4］ 徐明，楊智光，肖海東，等.油包水鉆井液耐高溫沖洗液YJC-1的研究與應用［J］.鉆井液與完井液，2001，18（4）：11-15.

［5］ 朱江林，石禮崗，馮克滿，等.一種物理模擬沖洗液沖洗效率的評價方法［J］.鉆井液與完井液，2012，29（1）：69-70.

［6］ 由福昌，許明標.一種固井前置沖洗液沖洗效率的評價方法［J］.鉆井液與完井液，2009，26（6）：47-48.

（修改稿收到日期 2013-10-24）

〔編輯 朱 偉〕

Research and application of flushing fluid BCS-020L for oil-based drilling fluid cleaning

WANG Chong, XIE Feiyan, LIU Aiping, XI Fangzhu
（CNPC Key Laboratory of Drilling Engineering, Tianjin Boxing Engineering Science & Technology Co., Ltd., Tianjin 300451, China）

For drilling with oil-based mud, the oil slurry and film attached on wellbore or casing wall affect severely the cementing quality of the interface. To improve the compatibility between cement sheath and well surfaces, as well as increase the interface cementing quality, a preflush system BCS-020L was developed. The BCS-020L provides good compatibility with drilling mud and spacer fluid, and can effectively remove the oil-based drilling mud attached to the well and casing wall, with high cleaning efficiency, higher than 80%. Also, the BCS-020L could change cementing interface effectively from oil wet to water wet, and improve the cementing quality of interface efficiently. The preflush system BCS-010L has been successfully applied on Well LIUPING 1 in Yumen Oilfield with excellent cementing quality.

oil-based drilling fluid; flushing fluid; surfactant; cementing quality

王翀，謝飛燕，劉愛萍，等. 油基鉆井液用沖洗液BCS-020L研制及應用［J］. 石油鉆采工藝，2013，35（6）：36-39.

TE254

A

1000 – 7393（ 2013 ） 06 – 0036 – 04

中國石油集團海洋工程有限公司項目“適用于油基鉆井液鉆井的固井前置液技術(shù)研究”（編號：2012ZW-11）。

王翀，1980年生。2002年畢業(yè)于大慶石油學院高分子化工專業(yè)，現(xiàn)從事油井水泥外加劑的研發(fā)及技術(shù)服務工作，工程師。電話：022-66310282。E-mail：wangc@cnpc.com.cn。