固井用潤濕反轉(zhuǎn)劑的研究與應(yīng)用

張福銘，趙琥，代丹，王雪山，劉夢(mèng)濤

（中海油服油田化學(xué)研究院，河北燕郊 065201）

在注水泥前將黏附在環(huán)空界面上的油漿、油膜清除，并將井筒內(nèi)油基鉆井液與隔離液的混合液轉(zhuǎn)變成水潤濕體系是成功固井的關(guān)鍵。目前國內(nèi)外研究熱點(diǎn)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(zhuǎn)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(chǎn)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(nèi)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(shù)研究院的劉偉等人[1]研發(fā)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(fā)的油基鉆井液用隔離液，主要有水、懸浮穩(wěn)定劑、復(fù)合表面活性劑B（加量為20%）組成；劉麗娜等人[3]研發(fā)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(fù)合表面活性劑（加量為2.5%）；李韶利等人[4]研發(fā)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(fā)現(xiàn)含氮聚合物對(duì)隔離液的水潤濕能力有較大促進(jìn)作用，在國內(nèi)的文獻(xiàn)中還未見報(bào)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(chǎn)品少。合成了含氮聚合物PC-W31S、復(fù)配了表面活性劑PCW25L，重點(diǎn)研究了2者對(duì)隔離液水潤濕能力的影響。

1 潤濕反轉(zhuǎn)劑的制備及作用機(jī)理

1.1 實(shí)驗(yàn)原料及儀器

1.1.1 實(shí)驗(yàn)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(xué)純；去離子水；F/W（實(shí)驗(yàn)室淡水）；山東G級(jí)水泥；隔離劑PC-S32S；增強(qiáng)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(shí)驗(yàn)儀器

四口瓶，恒溫水浴，天平，F(xiàn)ann C1001潤濕儀，常壓養(yǎng)護(hù)儀，旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，密度計(jì)，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(yīng)數(shù)小時(shí)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(jīng)過干燥粉碎后的產(chǎn)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(fù)配產(chǎn)品。

1.3 評(píng)價(jià)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(jìn)行測(cè)試，并計(jì)算體積分?jǐn)?shù)。

式中：Vp為從油連續(xù)相變?yōu)樗B續(xù)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)現(xiàn)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?jǐn)?shù)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(píng)價(jià)方法，具體如下。①稱量干凈的旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)的轉(zhuǎn)子，記為W0，g。②將轉(zhuǎn)子連接到旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)上，將養(yǎng)護(hù)好的油基鉆井液倒入流變杯中，緩慢調(diào)節(jié)直至淹沒轉(zhuǎn)子約5 cm，浸入時(shí)間約10 min。③擰下轉(zhuǎn)子，黏附的油基鉆井液不再自由落下并稱重，記為W1，g，應(yīng)使黏附在轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子連接到黏度計(jì)上，把事先養(yǎng)護(hù)到測(cè)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(zhuǎn)子上沾有油基鉆井液的部分，并高出約2 mm。⑤轉(zhuǎn)子開始旋轉(zhuǎn)前，確保隔離液達(dá)到測(cè)試溫度。在室溫下測(cè)定時(shí)，轉(zhuǎn)子速度設(shè)定為100 r/min，高于室溫時(shí)，轉(zhuǎn)子速度設(shè)定為60 r/min。沖洗時(shí)間設(shè)定為10 min。⑥將流變杯緩慢下降，完全露出沖洗后的轉(zhuǎn)子，并靜置2 min，讓多余的液體自由落下，取下轉(zhuǎn)子后，用干凈的紙巾擦去轉(zhuǎn)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(yàn)方法”測(cè)試[5]，并計(jì)算R值。其中R值的定義為：不同比例混合液φ100讀數(shù)減去純液（沖洗液或隔離液、油基鉆井液、水泥漿）中φ100讀數(shù)較大一組的數(shù)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(jī)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(tài)，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(zhì)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(zhuǎn)變?yōu)樗蜖顟B(tài)，進(jìn)而溶解在水基體系中[8]。通過滲透、乳化、潤濕反轉(zhuǎn)等步驟，膠結(jié)面上的油膜、油漿可迅速被清除，并將膠結(jié)面變?yōu)樗疂櫇駹顟B(tài)。

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(jià)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(wěn)定的、溶于水的或膠狀懸浮狀態(tài)的二元或多元絡(luò)合物，并且對(duì)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(yīng)而降低表面活性劑的活性，進(jìn)而降低PC-W25L的使用量。同時(shí)PCW31S為線性聚合物，具有一定的懸浮作用。

2 結(jié)果與討論

2.1 水潤濕能力評(píng)價(jià)

2.1.1 PC-W31S的加量對(duì)隔離液水潤濕能力的影響

以現(xiàn)場用油基鉆井液（密度為1.25 g/cm3）為評(píng)價(jià)對(duì)象，通過水潤濕能力實(shí)驗(yàn)，研究不同加量PC-W31S的隔離液對(duì)油基鉆井液的水潤濕能力的影響。使用Fann C1001潤濕儀測(cè)定，該設(shè)備用于連續(xù)測(cè)量電極表面間的導(dǎo)電性，由設(shè)備測(cè)量值能推斷流體的乳化狀態(tài)和表觀潤濕性[5]。

設(shè)計(jì)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(cè)試溫度為70 ℃，事先用常壓稠化儀養(yǎng)護(hù)隔離液和油基鉆井液各30 min，潤濕儀轉(zhuǎn)速設(shè)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(zhuǎn)變?yōu)樗疂櫇駹顟B(tài)。PC-W31S加量為0時(shí)，7%PC-W25L并不能使混合液轉(zhuǎn)變?yōu)樗疂櫇駹顟B(tài)；PC-W31S加量為0.3%，電導(dǎo)率的數(shù)值并未達(dá)到基準(zhǔn)值（用純隔離液標(biāo)定的讀數(shù)），是一種未完全反轉(zhuǎn)的狀態(tài)，仍有未反轉(zhuǎn)的油基鉆井液，水潤濕狀態(tài)的水連續(xù)相沒有完全形成；當(dāng)PCW31S加量為0.5%，隔離液的體積分?jǐn)?shù)為56.5%時(shí)， 隔離液與油基鉆井液的混合液完全轉(zhuǎn)變?yōu)樗疂櫇駹顟B(tài)， 此時(shí)水為連續(xù)相， 完全反轉(zhuǎn)后讀數(shù)超過基準(zhǔn)值， 其后基本保持不變；當(dāng)PC-W31S加量為0.7%， 完全反轉(zhuǎn)時(shí)隔離液的體積分?jǐn)?shù)為44.4%；當(dāng)PC-W31S加量為1.0%，完全反轉(zhuǎn)時(shí)隔離液的體積分?jǐn)?shù)為41.8%。這是因?yàn)镻C-W31S為含氮類聚合物，其高分子活性螯合基團(tuán)通過配位螯合、網(wǎng)捕、架橋等機(jī)理，對(duì)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(fù)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(duì)表面活性劑性能的影響，從而表現(xiàn)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(dǎo)致隔離液成本上升；體系黏度越大，配漿時(shí)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(duì)油基鉆井液水潤濕能力的影響[10]

2.1.2 PC-W25L的加量對(duì)隔離液水潤濕能力的影響

測(cè)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(shè)計(jì)密度為1.30 g/cm3。

如圖2所示，在未加PC-W25L時(shí)，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(xù)相轉(zhuǎn)變?yōu)樗B續(xù)相，轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆B續(xù)相時(shí)的隔離液體積分?jǐn)?shù)為63%。但在測(cè)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(dǎo)致混合液在攪拌過程中漩渦消失，直到完全反轉(zhuǎn)時(shí)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(duì)油基鉆井液的水潤濕能力明顯提升，這是因?yàn)殡S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(jìn)程。PC-W25L加量為3%、 5%、7%和10%時(shí)，完全反轉(zhuǎn)時(shí)隔離液的體積分?jǐn)?shù)分別為54.5%、50.0%、44.4%和37.5%。測(cè)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(xiàn)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(wěn)定?？紤]水潤濕能力及經(jīng)濟(jì)性等因素，選擇PC-W25L的加量為7%。

測(cè)試完成后倒出的混合液用水滴測(cè)試，水滴快速分散，界面呈水潤濕狀態(tài)，杯壁用水沖洗即干凈，見圖2。從評(píng)價(jià)結(jié)果可知， PC-W31S和PC-W25L在水潤濕能力方面，2者相互促進(jìn)。針對(duì)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(zhuǎn)劑加量多達(dá)30%，從經(jīng)濟(jì)角度看，研發(fā)產(chǎn)品有競爭優(yōu)勢(shì)。

圖2 不同加量PC-W25L的隔離液對(duì)油基鉆井液水潤濕能力的影響

2.1.3 溫度對(duì)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(duì)應(yīng)的典型隔離液為評(píng)價(jià)對(duì)象，研究溫度對(duì)隔離液水潤濕能力的影響。高于85 ℃時(shí)，利用滾子爐在相應(yīng)溫度下養(yǎng)護(hù)2 h，降溫取出后并再次使用常壓養(yǎng)護(hù)儀養(yǎng)護(hù)到85 ℃時(shí)測(cè)定，結(jié)果見表1?？芍?，潤濕反轉(zhuǎn)劑PC-W25L、PC-W31S配制的隔離液在150℃老化后，對(duì)其水潤濕能力沒有影響，具有較強(qiáng)的抗溫能力和化學(xué)穩(wěn)定性。且隨著溫度上升，水潤濕能力整體呈增強(qiáng)趨勢(shì)。

表1 溫度對(duì)隔離液水潤濕能力的影響

2.2 相容性評(píng)價(jià)

井下流體不相容可能造成井底當(dāng)量循環(huán)密度增加，導(dǎo)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(duì)應(yīng)的典型隔離液以及密度為1.50 g/cm3的水泥漿為評(píng)價(jià)對(duì)象，測(cè)定隔離液與油基鉆井液、水泥漿在不同比例下的流變數(shù)據(jù)，3種流體均在85 ℃養(yǎng)護(hù)30 min后測(cè)定。數(shù)據(jù)如表2所示，從R值可以判別，加有潤濕反轉(zhuǎn)劑的隔離液與油基鉆井液、水泥漿相容性良好，未出現(xiàn)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(píng)價(jià)

以某國外公司提供的油基鉆井液和與之相對(duì)應(yīng)的典型隔離液為評(píng)價(jià)對(duì)象，采用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)套筒在液體中的旋轉(zhuǎn)狀況來模擬隔離液在現(xiàn)場套管環(huán)空中的沖洗效果。為了減小實(shí)驗(yàn)誤差，配制隔離液時(shí)不加入加重劑。高于85 ℃時(shí)，需在目標(biāo)溫度下用滾子爐養(yǎng)護(hù)2 h，降溫取出后并再次使用常壓養(yǎng)護(hù)儀養(yǎng)護(hù)到85 ℃時(shí)測(cè)定。不同測(cè)試溫度下，加有潤濕反轉(zhuǎn)劑的隔離液對(duì)油基鉆井液的沖洗效率見表3?？芍?，隨著溫度上升，分子熱運(yùn)動(dòng)逐漸加劇，相應(yīng)沖洗效率也逐漸增加。沖洗后的轉(zhuǎn)子表面無油膜黏附，表面為水潤濕狀態(tài)。

表3 不同溫度下隔離液對(duì)油基鉆井液的沖洗效率

3 現(xiàn)場應(yīng)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(yè)方，φ311.15 mm井段采用油基鉆井液鉆進(jìn)，需要測(cè)試前置液的水潤濕能力。設(shè)計(jì)前置液的密度為2.05 g/cm3，井底循環(huán)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(yǎng)護(hù)2 h，在85 ℃下能使混合液完全反轉(zhuǎn)時(shí)的體積分?jǐn)?shù)為47.4%，沖洗效率為87%。此次作業(yè)過程安全順利，固井質(zhì)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(biāo)東南亞某固井項(xiàng)目。預(yù)計(jì)φ311.15 mm井段及后續(xù)井段采用油基鉆井液鉆進(jìn)，需配套使用該型隔離液，已在甲方監(jiān)督下完成室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，標(biāo)志著該隔離液得到國際甲方的認(rèn)可。

4 結(jié)論

1.研發(fā)了潤濕反轉(zhuǎn)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(zhuǎn)劑用量少；在水潤濕能力方面，2者相互促進(jìn)，復(fù)配使用；配制的隔離液占混合液的體積分?jǐn)?shù)不大于50%，可使混合液從油連續(xù)相完全轉(zhuǎn)變?yōu)樗B續(xù)相。

2.潤濕反轉(zhuǎn)劑配制的隔離液，沖洗黏有油基鉆井液的轉(zhuǎn)子，沖洗效率達(dá)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(duì)水泥漿稠化時(shí)間和強(qiáng)度的影響均在可控范圍內(nèi)。

3.該產(chǎn)品在LD8-1-7井成功應(yīng)用，并中標(biāo)東南亞某固井項(xiàng)目。