DY高效沖洗隔離液在長慶儲氣庫固井中的研究與應用

李治，羅長斌 （中石油長慶油田儲氣庫管理處，陜西 靖邊718500）

胡富源 （中石油長慶油田分公司工程技術管理部，陜西 西安710000）

夏修建 （天津大學化工學院，天津300072）

丁志偉 （中石油集團鉆井工程技術研究院，北京102206）

長慶儲氣庫是國家“西氣東輸”工程的重要樞紐中心，在保障天然氣安全供應、季節(jié)調(diào)峰及提高管輸效率等方面發(fā)揮著重要作用［1］。儲氣庫在固井過程中要防止水泥漿與鉆井液直接接觸以避免流體相互污染導致泵壓增大而壓漏地層或無法泵注造成固井失敗，同時環(huán)空井壁與套管壁上的虛泥餅和鉆井液能否有效地被清洗及頂替干凈是注水泥作業(yè)是否成功的主要關鍵，也是確保儲氣庫固井質(zhì)量、實現(xiàn)有效封隔的重要方面。針對長慶儲氣庫地層壓力系數(shù)低、易垮塌、易漏，且井斜大、井徑不規(guī)則及固井過程中沖洗與頂替效率難度大等技術難題［2］，筆者通過懸浮機理、沖洗機理等研究，開發(fā)了沖洗／隔離一體化的DY高效沖洗隔離液體系，形成以沖洗隔離液為核心的平衡壓力固井、防漏防竄等配套技術，有效保證固井施工安全，提高固井質(zhì)量，為長慶儲氣庫的長期安全有效運行提供技術保障。

1 試驗部分

1.1 DY高效沖洗隔離液設計原理

DY高效沖洗隔離液主要是由水、懸浮劑、高效沖洗劑、加重材料等組成，經(jīng)水化后形成一種黏性隔離液。各組分的設計原理如下：

1）懸浮劑是由懸浮劑DRY－S1和高溫懸浮劑DRY－S2組成。其中，DRY－S2由具有獨特層狀結(jié)構(gòu)的無機鹽礦物和線性非離子聚合物混合而成，兩者水化后通過氫鍵作用形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可有效增強顆粒間的內(nèi)摩擦力和吸附力，承托并懸浮加重材料顆粒；同時DRY－S1的螯合劑與高溫懸浮劑中的無機鹽礦物發(fā)生螯合作用，形成更穩(wěn)定的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，提高隔離液體系的抗高溫性能及懸浮性能。

2）高效沖洗劑主要是由表面活性劑、有機溶劑、螯合劑等組分組成。其中，表面活性劑具有反向潤濕和逆乳化增溶作用，能夠改善套管壁和井壁的潤濕性，形成親水環(huán)境，利于清洗環(huán)空界面及提高水泥環(huán)界面膠結(jié)質(zhì)量；有機溶劑的作用是增強對井壁的滲透作用，可以輔助表面活性劑加快對界面上虛泥餅的溶解分離速率；螯合劑分子與鉆井液中的Ca2＋、Mg2＋、Fe3＋等金屬離子螯合，避免了金屬離子與表面活性劑反應而降低表面活性劑的表面活性產(chǎn)生沉淀。

3）加重材料是采用不規(guī)則的棱形材料替代傳統(tǒng)球形加重材料，除加重沖洗隔離液體系以達到平衡壓力固井目的之外，也可提高對界面的摩擦力，極大地增強沖洗隔離液體系對井下環(huán)空界面剪切力，提高沖刷和頂替能力，達到瞬時有效沖洗和頂替的效果。加重材料的微觀結(jié)構(gòu)對比如圖1所示。

1.2 DY高效沖洗隔離液組成

DY高效沖洗隔離液主要由懸浮劑DRY－S1、高溫懸浮劑DRY－S2、高效沖洗劑DRY－100L、加重材料組成。配方：水＋2%～3%懸浮劑DRY－S1＋2.5%～3%高溫懸浮劑DRY－S2＋6%高效沖洗劑DRY－100L＋緩凝劑DRH－100L＋加重材料DRW－2S＋消泡劑DRX－1L（配方中的百分數(shù)為質(zhì)量分數(shù)，下同）。

1.3 試驗方法

1）沖洗率 沖洗率是評價沖洗隔離液沖洗效率的一個定量指標［3，4］，它主要是利用渦流式?jīng)_洗試驗裝置（如沖洗率評價儀或六速旋轉(zhuǎn)黏度計），首先將模擬套管的圓模浸入鉆井液中靜止2min，然后放入沖洗隔離液，在一定轉(zhuǎn)速下沖洗一定時間后，計算沖洗率：

圖1 加重材料SEM圖片

式中：η為沖洗率，%；G1是黏附鉆井液圓模沖洗后的重量，g；Gt是黏附鉆井液圓模的總重量，g；Gn是未黏附鉆井液圓模凈重，g。

2）界面膠結(jié)強度 界面膠結(jié)強度是評價水泥環(huán)界面膠結(jié)質(zhì)量的一個重要指標［3，4］。試驗方法是：將粘有低固相聚合物鉆井液（取自靖平22－4－2井）的界面強度裝置的圓環(huán)經(jīng)DY高效沖洗隔離液沖洗一定時間后，向其中注入水泥漿，在一定溫度下養(yǎng)護48h后，在壓力機上測其剪切膠結(jié)強度：

式中：P是界面剪切膠結(jié)強度，Pa；F是強度儀上測定的值，N；S是試驗用圓模的側(cè)面積，m2。

2 結(jié)果與討論

2.1 沖洗液DRY－100L的開發(fā)

由于鉆井液在循環(huán)過程中易在井壁和套管壁上形成一層致密的虛泥餅或掛漿，嚴重影響水泥石的界面膠結(jié)質(zhì)量，因此，針對鉆井液不同的組分而進行沖洗液的設計。篩選確立了沖洗液DRY－100L的主劑為表面活性劑A，并且它的親水、親油性均可調(diào)整；螯合劑B作為沖洗液的輔劑，且其加量為沖洗液原液的10%時較為適合；為了增加沖洗液對界面油漿的快速滲透性，篩選出了復合有機溶劑C。為了確定沖洗液的最優(yōu)組合配方，進行了試驗，見表1。

表1 沖洗液DRY－100L配方篩選試驗

隨著表面活性劑A加量增加，沖洗所用時間減小，說明表面活性劑A對油性物質(zhì)的增溶效果很強，有利于洗油和沖洗。針對柴油基鉆井液而言，表面活性劑A加量30%足夠滿足洗油要求，增加加量效果已經(jīng)不明顯；但是針對白油基鉆井液而言，表面活性劑A加量40%才滿足洗油要求，之后增加加量效果也不明顯。因此確定針對柴油基鉆井液和低固相聚合物鉆井液的沖洗液DRY－100L配方為：30%表面活性劑A＋60%螯合劑B＋10%有機溶劑C；針對白油基鉆井液的沖洗液DRY－200L配方為：40%表面活性劑A＋50%螯合劑B＋10%有機溶劑C。

2.2 DY高效沖洗隔離液耐溫性和穩(wěn)定性

懸浮穩(wěn)定性能是沖洗隔離液體系最重要的技術指標之一，尤其是高溫深井條件下的穩(wěn)定性，其對于有效阻止鉆井液和水泥漿混合以及有效驅(qū)替起到非常關鍵的作用［5］。若隔離液體系穩(wěn)定性不好，固相顆粒聚集沉降造成上下存在密度差，更甚者上部密度低于鉆井液密度，這樣不能有效懸浮和驅(qū)替鉆井液；同樣，隔離液下部密度與水泥漿密度差減小，容易形成環(huán)空堵塞，造成注替困難，且不能達到有效隔離、頂替鉆井液的作用。如果隔離液體系在深井雙級注水泥的雙級箍的位置發(fā)生沉降，則會阻礙雙級箍的循環(huán)通道，甚至會造成堵塞從而導致二級固井施工困難。在不同溫度下，對不同密度的DY高效沖洗隔離液懸浮穩(wěn)定性進行了評價，結(jié)果如表2所示。

表2 DY高效沖洗隔離液的懸浮穩(wěn)定性評價結(jié)果

沖洗隔離液外加劑可適用于1.05～2.40g／cm3密度范圍，且DY高效沖洗隔離液在室溫靜置48h、93℃下靜置6h后，隔離液上下層密度一致；在120、150℃下靜置6h后隔離液的上下層密度差不大于0.03g／cm3。結(jié)果說明，不同密度的DY高效沖洗隔離液體系具有良好的懸浮穩(wěn)定性能和耐高溫性能，在井下不會發(fā)生固相顆粒沉積影響固井施工過程。

2.3 DY高效沖洗隔離液流變性

根據(jù)固井施工要求及頂替效率設計原則，隔離液流變性應優(yōu)于或接近于鉆井液的流變性能或介于鉆井液與水泥漿流變性之間，即可達到良好的環(huán)空頂替流態(tài)，易于提高頂替效率。另外研究表明，密度高的液體頂替密度低的液體可實現(xiàn)優(yōu)化頂替，頂替效率高。因此，對不同密度的DY高效沖洗隔離液的流變性能進行了考察，如表3所示。

表3 DY高效沖洗隔離液的流變性能（90℃）

由表3可知，隨著密度增加，DY高效沖洗隔離液的塑性黏度、動切力逐漸增加，這是由于體系中固相含量較多以及高溫懸浮劑水化，來增加流體黏度以使體系穩(wěn)定；但流體動塑比基本不變且流性指數(shù)變化不大，則不同密度的DY高效沖洗隔離液經(jīng)90℃養(yǎng)護后均具有良好的流變性能；同時，沖洗隔離液在固井過程中可實現(xiàn)紊流頂替，以隔離鉆井液和水泥漿，提高驅(qū)替效率，沖刷井壁和套管壁，確保固井質(zhì)量。

2.4 DY高效沖洗隔離液的沖洗效率

鉆井液循環(huán)過程中，會在井下環(huán)空界面上形成一層較為致密、結(jié)構(gòu)力較強的虛泥餅，若固井施工過程中不對其進行處理，將嚴重影響水泥環(huán)的界面膠結(jié)強度，且易造成油氣水竄而導致固井失敗。所以必須在水泥漿驅(qū)替之前將井壁和套管壁上的虛泥餅或油膜沖洗干凈，為注水泥漿提供潔凈環(huán)境。

在常溫、轉(zhuǎn)速為1400r／min條件下，對不同密度DY高效沖洗隔離液的沖洗效率進行了評價，結(jié)果如表4所示。針對該鉆井液體系來說，在60～100s內(nèi)DY高效沖洗隔離液的沖洗率達到100%，較清水的沖洗效率顯著提高，原因可能是沖洗隔離液體系中的表面活性劑具有很強滲透能力、潤濕分散能力，以及體系中的棱形加重材料在高速旋轉(zhuǎn)下增加了界面摩擦力，以提高其沖洗效率。圖2為DY高效沖洗隔離液對低固相聚合物鉆井液的沖洗效果圖，可見DY高效沖洗隔離液的沖洗效果良好。

表4 DY高效沖洗隔離液的沖洗率評價

2.5 水泥環(huán)界面膠結(jié)強度

水泥環(huán)界面膠結(jié)強度反映了水泥與環(huán)空界面膠結(jié)的程度，也是評價固井質(zhì)量和保證水泥環(huán)密封完整性的一項重要指標。在60℃、常壓條件下，對使用1.05～2.40g／cm3的DY高效沖洗隔離液沖洗后的水泥環(huán)界面膠結(jié)強度進行了考察，結(jié)果如表5所示。經(jīng)DY高效沖洗隔離液沖洗干凈后的水泥環(huán)第一、二界面膠結(jié)強度較空白組有明顯地提高，原因可能是沖洗隔離液對界面水泥漿具有分散性，增加了水泥漿的密實性，以及高效沖洗劑的“潤濕反轉(zhuǎn)”作用增強了水泥石與界面的親和性；且不同密度沖洗隔離液對界面膠結(jié)強度的提高效果基本一致，能夠滿足水泥環(huán)密封完整性的要求。

圖2 DY高效沖洗隔離液對鉆井液的沖洗效果

表5 DY高效沖洗隔離液處理后的水泥環(huán)界面膠結(jié)強度評價

2.6 DY高效沖洗隔離液的相容性

固井施工過程中，除要求沖洗隔離液具備良好穩(wěn)定性和流變性能外，還應與鉆井液、水泥漿具有良好的相容性，以實現(xiàn)高效沖洗、有效隔離的目標，防止鉆井液與水泥漿相互接觸污染、頂替竄槽，從而形成良好的環(huán)空頂替流態(tài)，提高頂替效率，確保水泥環(huán)界面膠結(jié)質(zhì)量，以提高固井質(zhì)量［6］。依據(jù)GB／T 19139—2003中油井水泥試驗方法規(guī)定內(nèi)容進行隔離液相容性評價試驗。其中，鉆井液是選自長慶儲氣庫靖平22－4－2井的現(xiàn)場低固相聚合物鉆井液（密度為1.55g／cm3），采用密度為1.58g／cm3的沖洗隔離液進行試驗；水泥漿是常規(guī)韌性水泥漿，密度為1.88g／cm3；不同流體間按照一定體積比相互摻混，攪拌均勻后，在90℃常壓條件下養(yǎng)護20min后，測其流變性能，評價結(jié)果如表6所示。DY高效沖洗隔離液與鉆井液、水泥漿接觸或三者以任意比例摻混后，混漿均具有良好的流變性能，無明顯增稠或絮凝現(xiàn)象，易于泵送，且混漿稠化時間不縮短。因此，DY高效沖洗隔離液與鉆井液、水泥漿具有良好的相容性，能夠有效驅(qū)替，提高頂替效率，避免3種流體接觸污染，保證水泥漿的替注安全和固井施工順利。

表6 不同流體相容性評價

3 現(xiàn)場應用情況

DY高效沖洗隔離液在大港油田調(diào)整井、華北油田深井復雜井、浙江油田頁巖氣井、長慶油田致密油氣水平井、儲氣庫井等推廣應用100多井次，保證了固井施工安全，有效提高了沖洗及頂替效率，保障了固井質(zhì)量。其中，該沖洗隔離液體系在長慶儲氣庫成功應用了3口井，分別為靖平22－4－2井、靖平22－4－3井和蘇203－6－9H 井。

以靖平22－4－2井?244.5mm尾管為例，該井固井技術難點為：①地層壓力系數(shù)低，存在漏失和坍塌風險；②地層中存在高壓氣層，存在氣竄風險；③封固段長、易混漿；④井徑不規(guī)則，頂替效率難以保證等。

因此，從平衡壓力固井及提高沖洗隔離液的頂替效率方面考慮，采用DY高效沖洗隔離液技術，隔離液配方為：水＋3.5%懸浮劑DRY－S1＋3.5%高溫懸浮劑DRY－S2＋6%沖洗液DRY－100L＋142%加重材料DRW－2S＋緩凝劑DRH－100L＋消泡劑DRX－1L（密度1.58g／cm3），該沖洗隔離液具有優(yōu)良的沖洗、隔離、驅(qū)替作用。若沖洗隔離液密度低、入井量大，容易引起井壁坍塌且不易壓穩(wěn)地層，提高隔離液密度，增加了固相含量，可有效提高隔離液對二界面的沖刷作用，實現(xiàn)懸浮頂替，達到提高沖洗與頂替效率的目的。該井注入1.55g／cm3的先導漿30m3和1.58g／cm3的DY高效沖洗隔離液30m3，沖洗隔離液的環(huán)空高度為368m，環(huán)空液柱壓力為5.704MPa，若采用等量清水，液柱壓力僅為3.610MPa液柱壓力損失2.094MPa，這充分說明合理設計DY高效沖洗隔離液的密度有利于保證環(huán)空液柱壓力，提高水泥漿候凝期間的抗氣竄能力。由測井質(zhì)量可知，該井固井質(zhì)量優(yōu)質(zhì)。

4 結(jié)論

1）通過懸浮、沖洗機理研究，開發(fā)了沖洗／隔離一體化的DY高效沖洗隔離液，該體系密度在1.05～2.40g／cm3范圍內(nèi)任意調(diào)整，且其使用溫度可達150℃，具有良好的穩(wěn)定性能和流變性能。

2）采用不規(guī)則棱形加重材料，大幅度提高了DY高效沖洗隔離液的沖洗效率，也可明顯改善界面膠結(jié)強度，保證水泥環(huán)的膠結(jié)質(zhì)量，提高固井質(zhì)量；此外，與鉆井液、水泥漿有良好的相容性。

3）DY高效沖洗隔離液在長慶儲氣庫已成功應用3口井，固井質(zhì)量優(yōu)質(zhì)，在儲氣庫固井中具有良好的推廣應用價值。

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