DY高效冲洗隔离液在长庆储气库固井中的研究与应用

2015-12-04李治罗长斌中石油长庆油田储气库管理处陕西靖边718500

长江大学学报(自科版) 2015年23期

李治，罗长斌（中石油长庆油田储气库管理处，陕西靖边718500）

胡富源（中石油长庆油田分公司工程技术管理部，陕西西安710000）

夏修建（天津大学化工学院，天津300072）

丁志伟（中石油集团钻井工程技术研究院，北京102206）

长庆储气库是国家“西气东输”工程的重要枢纽中心，在保障天然气安全供应、季节调峰及提高管输效率等方面发挥着重要作用［1］。储气库在固井过程中要防止水泥浆与钻井液直接接触以避免流体相互污染导致泵压增大而压漏地层或无法泵注造成固井失败，同时环空井壁与套管壁上的虚泥饼和钻井液能否有效地被清洗及顶替干净是注水泥作业是否成功的主要关键，也是确保储气库固井质量、实现有效封隔的重要方面。针对长庆储气库地层压力系数低、易垮塌、易漏，且井斜大、井径不规则及固井过程中冲洗与顶替效率难度大等技术难题［2］，笔者通过悬浮机理、冲洗机理等研究，开发了冲洗／隔离一体化的DY高效冲洗隔离液体系，形成以冲洗隔离液为核心的平衡压力固井、防漏防窜等配套技术，有效保证固井施工安全，提高固井质量，为长庆储气库的长期安全有效运行提供技术保障。

1 试验部分

1.1 DY高效冲洗隔离液设计原理

DY高效冲洗隔离液主要是由水、悬浮剂、高效冲洗剂、加重材料等组成，经水化后形成一种黏性隔离液。各组分的设计原理如下：

1）悬浮剂是由悬浮剂DRY－S1和高温悬浮剂DRY－S2组成。其中，DRY－S2由具有独特层状结构的无机盐矿物和线性非离子聚合物混合而成，两者水化后通过氢键作用形成结构稳定的空间网状结构，可有效增强颗粒间的内摩擦力和吸附力，承托并悬浮加重材料颗粒；同时DRY－S1的螯合剂与高温悬浮剂中的无机盐矿物发生螯合作用，形成更稳定的网络结构，提高隔离液体系的抗高温性能及悬浮性能。

2）高效冲洗剂主要是由表面活性剂、有机溶剂、螯合剂等组分组成。其中，表面活性剂具有反向润湿和逆乳化增溶作用，能够改善套管壁和井壁的润湿性，形成亲水环境，利于清洗环空界面及提高水泥环界面胶结质量；有机溶剂的作用是增强对井壁的渗透作用，可以辅助表面活性剂加快对界面上虚泥饼的溶解分离速率；螯合剂分子与钻井液中的Ca2＋、Mg2＋、Fe3＋等金属离子螯合，避免了金属离子与表面活性剂反应而降低表面活性剂的表面活性产生沉淀。

3）加重材料是采用不规则的棱形材料替代传统球形加重材料，除加重冲洗隔离液体系以达到平衡压力固井目的之外，也可提高对界面的摩擦力，极大地增强冲洗隔离液体系对井下环空界面剪切力，提高冲刷和顶替能力，达到瞬时有效冲洗和顶替的效果。加重材料的微观结构对比如图1所示。

1.2 DY高效冲洗隔离液组成

DY高效冲洗隔离液主要由悬浮剂DRY－S1、高温悬浮剂DRY－S2、高效冲洗剂DRY－100L、加重材料组成。配方：水＋2%～3%悬浮剂DRY－S1＋2.5%～3%高温悬浮剂DRY－S2＋6%高效冲洗剂DRY－100L＋缓凝剂DRH－100L＋加重材料DRW－2S＋消泡剂DRX－1L（配方中的百分数为质量分数，下同）。

1.3 试验方法

1）冲洗率冲洗率是评价冲洗隔离液冲洗效率的一个定量指标［3，4］，它主要是利用涡流式冲洗试验装置（如冲洗率评价仪或六速旋转黏度计），首先将模拟套管的圆模浸入钻井液中静止2min，然后放入冲洗隔离液，在一定转速下冲洗一定时间后，计算冲洗率：

图1 加重材料SEM图片

式中：η为冲洗率，%；G1是黏附钻井液圆模冲洗后的重量，g；Gt是黏附钻井液圆模的总重量，g；Gn是未黏附钻井液圆模净重，g。

2）界面胶结强度界面胶结强度是评价水泥环界面胶结质量的一个重要指标［3，4］。试验方法是：将粘有低固相聚合物钻井液（取自靖平22－4－2井）的界面强度装置的圆环经DY高效冲洗隔离液冲洗一定时间后，向其中注入水泥浆，在一定温度下养护48h后，在压力机上测其剪切胶结强度：

式中：P是界面剪切胶结强度，Pa；F是强度仪上测定的值，N；S是试验用圆模的侧面积，m2。

2 结果与讨论

2.1 冲洗液DRY－100L的开发

由于钻井液在循环过程中易在井壁和套管壁上形成一层致密的虚泥饼或挂浆，严重影响水泥石的界面胶结质量，因此，针对钻井液不同的组分而进行冲洗液的设计。筛选确立了冲洗液DRY－100L的主剂为表面活性剂A，并且它的亲水、亲油性均可调整；螯合剂B作为冲洗液的辅剂，且其加量为冲洗液原液的10%时较为适合；为了增加冲洗液对界面油浆的快速渗透性，筛选出了复合有机溶剂C。为了确定冲洗液的最优组合配方，进行了试验，见表1。

表1 冲洗液DRY－100L配方筛选试验

随着表面活性剂A加量增加，冲洗所用时间减小，说明表面活性剂A对油性物质的增溶效果很强，有利于洗油和冲洗。针对柴油基钻井液而言，表面活性剂A加量30%足够满足洗油要求，增加加量效果已经不明显；但是针对白油基钻井液而言，表面活性剂A加量40%才满足洗油要求，之后增加加量效果也不明显。因此确定针对柴油基钻井液和低固相聚合物钻井液的冲洗液DRY－100L配方为：30%表面活性剂A＋60%螯合剂B＋10%有机溶剂C；针对白油基钻井液的冲洗液DRY－200L配方为：40%表面活性剂A＋50%螯合剂B＋10%有机溶剂C。

2.2 DY高效冲洗隔离液耐温性和稳定性

悬浮稳定性能是冲洗隔离液体系最重要的技术指标之一，尤其是高温深井条件下的稳定性，其对于有效阻止钻井液和水泥浆混合以及有效驱替起到非常关键的作用［5］。若隔离液体系稳定性不好，固相颗粒聚集沉降造成上下存在密度差，更甚者上部密度低于钻井液密度，这样不能有效悬浮和驱替钻井液；同样，隔离液下部密度与水泥浆密度差减小，容易形成环空堵塞，造成注替困难，且不能达到有效隔离、顶替钻井液的作用。如果隔离液体系在深井双级注水泥的双级箍的位置发生沉降，则会阻碍双级箍的循环通道，甚至会造成堵塞从而导致二级固井施工困难。在不同温度下，对不同密度的DY高效冲洗隔离液悬浮稳定性进行了评价，结果如表2所示。

表2 DY高效冲洗隔离液的悬浮稳定性评价结果

冲洗隔离液外加剂可适用于1.05～2.40g／cm3密度范围，且DY高效冲洗隔离液在室温静置48h、93℃下静置6h后，隔离液上下层密度一致；在120、150℃下静置6h后隔离液的上下层密度差不大于0.03g／cm3。结果说明，不同密度的DY高效冲洗隔离液体系具有良好的悬浮稳定性能和耐高温性能，在井下不会发生固相颗粒沉积影响固井施工过程。

2.3 DY高效冲洗隔离液流变性

根据固井施工要求及顶替效率设计原则，隔离液流变性应优于或接近于钻井液的流变性能或介于钻井液与水泥浆流变性之间，即可达到良好的环空顶替流态，易于提高顶替效率。另外研究表明，密度高的液体顶替密度低的液体可实现优化顶替，顶替效率高。因此，对不同密度的DY高效冲洗隔离液的流变性能进行了考察，如表3所示。

表3 DY高效冲洗隔离液的流变性能（90℃）

由表3可知，随着密度增加，DY高效冲洗隔离液的塑性黏度、动切力逐渐增加，这是由于体系中固相含量较多以及高温悬浮剂水化，来增加流体黏度以使体系稳定；但流体动塑比基本不变且流性指数变化不大，则不同密度的DY高效冲洗隔离液经90℃养护后均具有良好的流变性能；同时，冲洗隔离液在固井过程中可实现紊流顶替，以隔离钻井液和水泥浆，提高驱替效率，冲刷井壁和套管壁，确保固井质量。

2.4 DY高效冲洗隔离液的冲洗效率

钻井液循环过程中，会在井下环空界面上形成一层较为致密、结构力较强的虚泥饼，若固井施工过程中不对其进行处理，将严重影响水泥环的界面胶结强度，且易造成油气水窜而导致固井失败。所以必须在水泥浆驱替之前将井壁和套管壁上的虚泥饼或油膜冲洗干净，为注水泥浆提供洁净环境。

在常温、转速为1400r／min条件下，对不同密度DY高效冲洗隔离液的冲洗效率进行了评价，结果如表4所示。针对该钻井液体系来说，在60～100s内DY高效冲洗隔离液的冲洗率达到100%，较清水的冲洗效率显著提高，原因可能是冲洗隔离液体系中的表面活性剂具有很强渗透能力、润湿分散能力，以及体系中的棱形加重材料在高速旋转下增加了界面摩擦力，以提高其冲洗效率。图2为DY高效冲洗隔离液对低固相聚合物钻井液的冲洗效果图，可见DY高效冲洗隔离液的冲洗效果良好。

表4 DY高效冲洗隔离液的冲洗率评价

2.5 水泥环界面胶结强度

水泥环界面胶结强度反映了水泥与环空界面胶结的程度，也是评价固井质量和保证水泥环密封完整性的一项重要指标。在60℃、常压条件下，对使用1.05～2.40g／cm3的DY高效冲洗隔离液冲洗后的水泥环界面胶结强度进行了考察，结果如表5所示。经DY高效冲洗隔离液冲洗干净后的水泥环第一、二界面胶结强度较空白组有明显地提高，原因可能是冲洗隔离液对界面水泥浆具有分散性，增加了水泥浆的密实性，以及高效冲洗剂的“润湿反转”作用增强了水泥石与界面的亲和性；且不同密度冲洗隔离液对界面胶结强度的提高效果基本一致，能够满足水泥环密封完整性的要求。

图2 DY高效冲洗隔离液对钻井液的冲洗效果

表5 DY高效冲洗隔离液处理后的水泥环界面胶结强度评价

2.6 DY高效冲洗隔离液的相容性

固井施工过程中，除要求冲洗隔离液具备良好稳定性和流变性能外，还应与钻井液、水泥浆具有良好的相容性，以实现高效冲洗、有效隔离的目标，防止钻井液与水泥浆相互接触污染、顶替窜槽，从而形成良好的环空顶替流态，提高顶替效率，确保水泥环界面胶结质量，以提高固井质量［6］。依据GB／T 19139—2003中油井水泥试验方法规定内容进行隔离液相容性评价试验。其中，钻井液是选自长庆储气库靖平22－4－2井的现场低固相聚合物钻井液（密度为1.55g／cm3），采用密度为1.58g／cm3的冲洗隔离液进行试验；水泥浆是常规韧性水泥浆，密度为1.88g／cm3；不同流体间按照一定体积比相互掺混，搅拌均匀后，在90℃常压条件下养护20min后，测其流变性能，评价结果如表6所示。DY高效冲洗隔离液与钻井液、水泥浆接触或三者以任意比例掺混后，混浆均具有良好的流变性能，无明显增稠或絮凝现象，易于泵送，且混浆稠化时间不缩短。因此，DY高效冲洗隔离液与钻井液、水泥浆具有良好的相容性，能够有效驱替，提高顶替效率，避免3种流体接触污染，保证水泥浆的替注安全和固井施工顺利。

表6 不同流体相容性评价

3 现场应用情况

DY高效冲洗隔离液在大港油田调整井、华北油田深井复杂井、浙江油田页岩气井、长庆油田致密油气水平井、储气库井等推广应用100多井次，保证了固井施工安全，有效提高了冲洗及顶替效率，保障了固井质量。其中，该冲洗隔离液体系在长庆储气库成功应用了3口井，分别为靖平22－4－2井、靖平22－4－3井和苏203－6－9H 井。

以靖平22－4－2井∅244.5mm尾管为例，该井固井技术难点为：①地层压力系数低，存在漏失和坍塌风险；②地层中存在高压气层，存在气窜风险；③封固段长、易混浆；④井径不规则，顶替效率难以保证等。

因此，从平衡压力固井及提高冲洗隔离液的顶替效率方面考虑，采用DY高效冲洗隔离液技术，隔离液配方为：水＋3.5%悬浮剂DRY－S1＋3.5%高温悬浮剂DRY－S2＋6%冲洗液DRY－100L＋142%加重材料DRW－2S＋缓凝剂DRH－100L＋消泡剂DRX－1L（密度1.58g／cm3），该冲洗隔离液具有优良的冲洗、隔离、驱替作用。若冲洗隔离液密度低、入井量大，容易引起井壁坍塌且不易压稳地层，提高隔离液密度，增加了固相含量，可有效提高隔离液对二界面的冲刷作用，实现悬浮顶替，达到提高冲洗与顶替效率的目的。该井注入1.55g／cm3的先导浆30m3和1.58g／cm3的DY高效冲洗隔离液30m3，冲洗隔离液的环空高度为368m，环空液柱压力为5.704MPa，若采用等量清水，液柱压力仅为3.610MPa液柱压力损失2.094MPa，这充分说明合理设计DY高效冲洗隔离液的密度有利于保证环空液柱压力，提高水泥浆候凝期间的抗气窜能力。由测井质量可知，该井固井质量优质。