高密度抗盐隔离液BH-HDS的研制与应用

齐奔， 刘文明， 付家文， 林志辉， 孙勤亮， 王圣明， 宗勇

（渤海钻探第二固井分公司，天津 300280）

高密度抗盐隔离液BH-HDS的研制与应用

齐奔， 刘文明， 付家文， 林志辉， 孙勤亮， 王圣明， 宗勇

（渤海钻探第二固井分公司，天津 300280）

高密度、盐膏层井对提高顶替效率的固井隔离液提出了更高的要求。通过选用生物质聚合物、无机悬浮物以及无机盐复合材料作为悬浮剂，阴离子聚合物作为稀释剂，重晶石作为加重剂，配制出一种新型隔离液。研究表明，该隔离液体系在1.50～2.40 g/cm3范围内具有良好的流变性能和沉降稳定性能，并且该体系具有良好的抗温性能，当温度达到180℃时，1.80 g/cm3隔离液的上下密度差为0.06 g/cm3，2.20 g/cm3隔离液的密度差为0.03 g/cm3；此外，该隔离液抗盐能达半饱和，半饱和盐水隔离液具有良好的悬浮稳定性和流变性。测试了隔离液与钻井液、隔离液与水泥浆、隔离液与钻井液、水泥浆3种混合液的相容性能，研究表明隔离液具有良好的相容性，加入隔离液的水泥浆的稠化时间较纯水泥浆稠化时间长。该高密度抗盐隔离液在伊拉克高压盐膏层应用2井次、在大港油田中深层油层现场应用1井次，固井质量1口合格，2口优质。

高密度；抗盐； 隔离液 ；固井； 固井质量；相容性

隔离液因其具有隔离钻井液与水泥浆，避免水泥浆的污染、压稳地层和提高顶替效率等优点而广泛应用于固井施工作业中[1-15]。随着勘探开发的不断深入，深井、超深井、大位移水平井、调整井越来越多，钻井液密度越来越高，为提高顶替效率，改善固井质量，需要使用抗高温高密度隔离液体系。目前，伊拉克哈法亚、米桑区块使用钻井液密度达到2.20 g/cm3以上，并且含有盐膏层，为了提高顶替效率，必须采用高密度抗盐隔离液体系。高密度抗盐隔离液较常规隔离液具有更高的性能要求：①为了保证盐膏层井壁稳定性，须采用半饱和盐水隔离液体系，要求隔离液在高浓度含盐条件下具有良好的稳定性；②高密度含盐隔离液由于含盐，会造成浆体变稠，因此要求隔离液具有良好的流变性能以及与高密度钻井液、水泥浆具有良好的相容性能。目前，关于高密度抗盐隔离液的报道比较少见[16-18]，由生物发酵制备的高分子聚合物、天然矿物和无机盐的复合悬浮剂配制了一种隔离液，在加入少量的液体降失水剂后，该隔离液失水量可控制在120 mL以下，而且隔离液具与水泥浆、钻井液具有优异的相容性，是一类使用密度范围广、适应钻井液、水泥浆种类多，耐盐、抗高温的广普型隔离液体系。

1 高密度抗盐隔离液的作用机理及配方优选

1.1 隔离液悬浮剂

隔离液悬浮剂包括膨润土和海泡石等天然矿物、文莱胶和无机盐。海泡石在高温下比较稳定，而且在高温下其结构不会发生改变，膨润土在低于100 ℃下，具有良好的悬浮稳定性能，但随着温度的升高，其本身的结构发生改变，导致其悬浮性能变差，将2者混合使用可以起到悬浮稳定性互相补充和协调增加体系稳定性的效果。文莱胶是发酵制得的生物聚合物，用量很少便能形成高黏度溶液，而且其溶液黏度随温度的变化较小，特别是在高温下具有良好的悬浮性能。无机盐为三聚磷酸钠和水玻璃的混合物，水玻璃在使用的过程中具有保护井壁垮塌的作用，三聚磷酸钠和水玻璃具有良好的清洗井壁的效果，而且可以增加隔离液与水泥浆、钻井液的相容性能。通过上述材料混合制备的悬浮剂命名为BH-S101，添加有3%BH-S101的水溶液的悬浮性能如表1所示。从表1中可以看出，BH-S101在常温下具有良好的悬浮能力，而且在半饱和盐水的条件下，溶液的稠度增加，而且随着温度的升高，BH-S101也表现出一定的“热稀释效应”，但是，即使在180 ℃下，该悬浮剂仍然有良好的悬浮性能。

表1 3%悬浮剂BH-S101溶液的悬浮性能

1.2 稀释剂

稀释剂主要由能够离解出磺酸盐阴离子基团的2种聚合物组成，大分子量的阴离子基团被吸附到加重剂颗粒表面，从而在加重剂颗粒表面形成一层溶剂化的单分子膜，使加重剂颗粒间的凝聚作用减弱，颗粒的摩擦阻力减小，因而颗粒得以分散，流动性得到改善。配制的稀释剂命名为BHD211L。向3%的BH-S101水溶液中加入5%的BH-D211L，测试其流变参数为68/46/37/27/10/7，这说明BH-D211L具有较好的稀释效应。

加重剂选用重晶石，其密度要求为4.20～4.50 g/cm3，并且过孔径为0.076 mm的筛余小于5%。此外，如果对于复杂结构井，需要加入一定量的降失水剂降低隔离液体系的失水量，如果固井施工时间长，为了保证施工安全，需要加入一定量的缓凝剂，这需要在做混浆污染实验的时候确定其加量。

2 实验部分

按照配方称取一定量的水（或者盐水）、液体降失水剂BH-F201L，在4 000 r/min搅拌下缓慢加入一定量的悬浮剂BH-S101，然后继续搅拌2 min，并加入少量消泡剂；然后加入稀释剂BH-D211，继续搅拌1 min；最后加入加重剂搅拌1 min，即得所制备的隔离液BH-HDS。通过调节各种外加剂的加量，优化了1.50～2.40 g/cm3隔离液的配方。当隔离液密度在1.50～1.80 g/cm3时，配制的隔离液流变性能良好，不需要加入稀释剂；当密度在1.90～2.40 g/cm3时，隔离液的流变性能变差，因此需要加入一定量的稀释剂，来满足隔离液的流变性能。

2.1 不同密度隔离液的流变性、沉降稳定性和失水量的评价

表2考察了不同密度隔离液在常温下的流变性能和沉降稳定性，可以看出，随着密度的增加，由于固相含量的增加，流变性能变差，但是浆体的流性指数均大于0.6，满足安全泵送的要求。1.50～2.40 g/cm3隔离液的密度差均小于0.01 g/cm3。这说明制备的隔离液可以在泵送入井之前稳定存放，基本不会发生沉降，满足施工要求。

表2 不同密度隔离液在室温（25 ℃）下的流变和沉降稳定性能

加重隔离液的稳定性对于阻止钻井液和水泥浆混合起到关键的作用。若隔离液的稳定性差，容易产生固相沉降致使隔离液上部密度降低，就不能有效悬浮钻井液，同时下部密度增大，与水泥浆的密度差减小，使水泥浆不能有效悬浮隔离液，导致顶替效率下降。在80 ℃下常压搅拌20 min后，测试其流变性能，沉降2 h测试其稳定性，结果如表3所示。从表3可以看出，1.50～2.40 g/cm3隔离液的密度差均小于0.03 g/cm3，析水小于0.3%，而且浆体的流性指数均大于0.6，满足施工要求。对比2.20 g/cm3淡水和半饱和盐水的数据可以发现，盐水的流变性能会变差，这主要是由于氯化钠溶液中Na+和Cl-会和悬浮稳定剂中的文莱胶进行络合作用，造成了浆体变稠。

隔离液的失水量过大势必会影响隔离液的性能，污染井壁，严重时可能造成井筒垮塌。标准SY/T 5480—2007中规定，当固井温度小于103 ℃时，失水量小于250 mL，当固井温度大于103 ℃时，要控制失水量小于150 mL/30 min。由于悬浮稳定剂是膨润土和海泡石等天然矿物和文莱胶等组成，其本身具有一定的降失水性能，1.70 g/cm3的隔离液在不加液体降失水剂的情况下，失水量为170 mL（80 ℃），通过加入一定量的 AMPS 类的降失水剂BH-F201L，控制隔离液的失水量均小于120 mL。

表3 不同密度隔离液在80 ℃下的流变和沉降稳定性能

2.2 隔离液的抗温性能

一般的隔离液悬浮剂如羧甲基纤维素、黄原胶等天然有机物，随着温度达到某一点，其黏度和悬浮能力迅速下降，不能满足深井、高温井的施工要求。考察了 1.80 g/cm3和 2.20 g/cm3的隔离液在80～180 ℃下的沉降稳定性情况。从表4可以看出，随着温度的增加，隔离液稳定性能略有下降，即使温度达到180 ℃，1.80 g/cm3隔离液的上下密度差为 0.06 g/cm3，2.20 g/cm3隔离液的密度差为 0.03 g/cm3。因此，隔离液在高温下整体性能稳定，可以保证其在深井超深井施工时保持良好的沉降稳定性和泵送性能，满足施工安全。

表4 不同密度隔离液的抗温性能

2.3 相容性能评价

隔离液在使用过程中，与钻井液和水泥浆接触，如若2者在接触过程中发生絮凝或者稠度增加较大，会影响施工，降低隔离液的顶替效率。采用1.80 g/cm3隔离液、1.45 g/cm3硅基钻井液和 1.90 g/cm3水泥浆进行相容性实验，结果见表5和表6。

表5 隔离液与钻井液相容性实验（80 ℃）

表6 隔离液与水泥浆相容性实验（80 ℃）

从表5和表6可以看出，隔离液与钻井液、水泥浆相混后，均具有良好的相容性，有利于提高顶替效率。考虑到顶替不充分时，钻井液、隔离液和水泥浆3者可能同时混合，如表7所示，3相掺混时，没有出现增稠现象。因此，隔离液与钻井液和水泥浆具有良好的相容性，能够有效地顶替钻井液，并避免3相接触污染，保证现场施工安全。

表7 水泥浆、隔离液与钻井液相容性实验（80 ℃）

水泥浆、隔离液与钻井液混浆稠化实验结果见表8和图1、图2。

表8 水泥浆、隔离液与钻井液混浆稠化实验（160 ℃）

图1 水泥浆的稠化曲线

图2 掺有5%隔离液的水泥浆的稠化曲线

由表8可知，隔离液与水泥浆以不同比例混合后，混合浆体的稠化时间均有一定时间的延长，从图1、图2可以看出，掺有5%隔离液的水泥浆的稠化时间较纯水泥浆延长49 min，而且当水泥浆∶隔离液∶钻井液为7∶2∶1时，稠化时间延长50 min以上，隔离液对水泥浆起到缓凝作用，满足现场安全施工的要求。从表8中可以看出，混入隔离液的水泥石抗压强度有所下降，但即使是含有50%隔离液的水泥浆在24 h的抗压强度达到5.1 MPa，说明隔离液与水泥浆具有良好的相容性能，且不会发生超缓凝的现象，保证了固井水泥浆的胶结质量。

3 现场应用

研制的高密度抗盐隔离液在伊拉克哈法亚油田高压盐膏层以及大港油田中深层油层进行了固井作业，应用3井次，结果见表9，固井质量全部合格。其中HF133 -M133D2和HF058-M058H1井位于伊拉克哈法亚油田，均为五开定向井，钻至四开有盐膏层。钻井液采用的是BH-KSM钻井液，密度为2.23 g/cm3，隔离液采用铁矿粉加重，水泥浆采用盐水水泥浆体系，配方如下。

1#隔离液 水+265%铁矿粉+7%BH-F201L+1.2%BH-S101+0.6%缓凝剂+15%NaCl，密度为2.25 g/cm3

1#水泥浆 阿曼G级水泥+90%铁矿粉+15%锰矿粉+8% BH-F201L+6%分散剂BZGF-1+缓凝剂 BH-R101L+15% NaCl+ 水， 密度为 2.28 g/cm3

港深1604井位于大港油田，井深4 228 m，属于中深层调整井，采用密度为1.55 g/cm3的硅基钻井液，隔离液采用重晶石加重，配方如下。

2#隔离液 水 +1.5%BH-S101+4%BH-F201L+138% 重晶石，密度为 1.80 g/cm3

2#水泥浆 华银G级水泥+35%硅粉+2%微硅+2% 膨胀剂G401+2%降失水剂G33S+0.2%分散剂BZGF-1+缓凝剂GH-9+水， 密度为1.90 g/cm3

表9 高密度抗盐隔离液的现场应用

由此可见，高密度抗盐隔离液具有应用范围广，隔离效果好的特点，解决了伊拉克高压盐膏层以及大港油田中深层调整井固井的难题。

4 结论

1.新型隔离液BH-HDS密度调节范围大，可在1.50～2.40 g/cm3之内进行调节，流变性能良好，沉降稳定性能好，在80 ℃下沉降2 h，其上下密度差小于 0.03 g/cm3。

2.该隔离液具有良好的降滤失性能，可以控制失水量小于120 mL，抗温达到180 ℃以及具有抗半饱和盐水的优点，当温度达到180 ℃时，密度为1.80 g/cm3隔离液的上下密度差为 0.06 g/cm3，密度为 2.20 g/cm3隔离液的密度差为 0.03 g/cm3。

3.该隔离液与水泥浆以及钻井液均具有良好的相容性能，均没有发生絮凝增稠现象，这样可以大幅度提高隔离液的顶替效率，改善井壁结构，提高固井质量。并且混有隔离液的水泥浆稠化时间会增长，但是不会导致水泥浆超缓凝，保证了固井施工安全，并且提高了固井质量。

4.高密度抗盐隔离液在伊拉克、大港油田现场应用3井次，应用效果良好。

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Development and Application of High Density Salt Resistant Spacer BH-HDS

QI Ben, LIU Wenming, FU Jiawen, LIN Zhihui, SUN Qinliang, WANG Shengming, ZONG Yong
(The Second Cementing Branch of CNPC Bohai Drilling Engineering Company Limited, Tianjin 300280)

Wells drilled with high density drilling fl uids and wells penetrating formations with salt and gypsum impose stricter requirements on the increase of displacement ef fi ciency of spacers during well cementing. A spacer was formulated with a selected biopolymer, an inorganic suspended matter and compounded inorganic salts as suspending agent, an anionic polymer as thinner, and barite as weighting agent. Study showed that the spacer, with its density adjustable between 1.50 g/cm3and 2.40 g/cm3, had good rheology and sedimentation stability, and superior high temperature performance. At 180 ℃, the spacer of 1.80 g/cm3had density difference of 0.06 g/cm3between the upper and lower parts of the spacer; when the density of the spacer was 2.20 g/cm3, the density difference became 0.03 g/cm3.Furthermore, this spacer is resistant to the contamination from saltwater of semi-saturation; spacers formulated with saltwater of semi-saturation had good suspension stability and rheology. Good compatibility of the spacer with drilling fl uid and cement slurry was obtained by mixing the spacer with drilling fl uid, with cement slurry and mixing the space with drilling fl uid and cement slurry to test its compatibility. Cement slurries containing the spacer had longer thickening time than pure cement slurries.BH-HDS has been used in high-pressure formations with salt and gypsum (Iraq) and mid-deep reservoir(Dagang oil fi eld),gaining good operation achievements.

High density; Salt resistant; Spacer; Well cementing; Cementing quality; Compatibility

齐奔，刘文明，付家文，等.高密度抗盐隔离液BH-HDS的研制与应用[J].钻井液与完井液，2017， 34（5）：73-78.

QI Ben， LIU Wenming， FU Jiawen，et al.Development and application of high density salt resistant spacer BH-HDS[J].Drilling Fluid & Completion Fluid，2017，34（5）：73-78.

TE256

A

1001-5620（2017）05-0073-06

10.3969/j.issn.1001-5620.2017.05.014

中国石油集团渤海钻探工程有限公司重大研发项目“油田化学固井添加剂研制”（2016ZD07K）。

齐奔，高级工程师，博士，1986年生，毕业于南开大学材料物理与化学专业，现在从事固井外加剂研发及技术研究工作。电话 （022）25961706；E-mail：benqi2007@163.com。

2017-4-11；HGF=1704M7；编辑 马倩芸）