深水油气井环空带压预防弹性隔离液体系

2019-12-03郭永宾吴志明杨玉豪余意刘智勤

钻井液与完井液 2019年5期

郭永宾，吴志明，杨玉豪，余意，刘智勤

（中海石油（中国）有限公司湛江分公司，广东湛江 524000）

0 引言

随着我国深水油气勘探开发战略的逐步推进，深水井测试及生产过程中的一些安全问题引起了人们的高度关注。现有的深水井固井水泥浆通常没有上返到井口，固井后水泥石上部与井口之间形成了圈闭环空，且环空内充填着钻井液等流体。深水油气田测试和生产过程中，由于地层流体温度高达120 ℃以上甚至更高。随着地层流体产出，造成油管以及各层生产套管、技术套管及表层套管之间，圈闭环空内流体温度的升高，出现套管圈闭环空内压力升高的现象（APB），即环空带压[1-3]。APB严重时甚至会挤毁或胀裂套管，威胁井筒完整性，给生产作业带来严重的安全隐患。深水井由于近泥面的低温特性，APB 现象更加突出，需要采取环空压力管理措施。

在井身结构设计，固井工艺措施既定的情况下，弹性工作液体系是预防深水油气井环空带压的关键技术。弹性工作液代替原有钻井液停留在圈闭环空内，由于含有弹性材料受压后体积减小，缓解了压力快速上涨，降低环空带压风险，延长油井的寿命。Roger Williamson 等人[4]研究了一种最佳发泡隔离液体系来缓解APB。M.Gonzalez 等人[5]研究结果表明，甲基丙烯酸甲酯乳化液（MMA）在聚合作用下，单体发生聚合反应生成聚甲醛丙烯酸甲酯时，甲基丙烯酸甲酯体积压缩为20%，为残留下来的流体热膨胀创造了空间，避免了压力过大而产生危害；Ezell R G 等人[6]使用高性能水基隔热封隔液（IPF）来代替通常所使用的VIT 真空隔热油管，该流体提供了较高的流动性，缓解井下APB 问题。弹性隔离液体系具有作业费用低，工艺简单，无需专门的地面设备等优点。室内采用微胶囊法制得弹性空心球材料，形成了一套深水油气井预防环空带压的弹性隔离液体系，并对其性能进行了研究。

1 实验仪器

实验仪器主要有：高温高压弹性流体评价仪和弹性材料往复压缩试验仪，均为实验室自制，如图1 所示。

1）高温高压弹性流体评价仪。该仪器的核心组成部分为“高温高压升降温釜”，釜体带有加热升温装置和冷却循环装置，适用的温度范围为4～300 ℃，能够承受的压力极限为90 MPa，能够通过高温高压升降温釜全程模拟环空流体的升降温过程。附件部分为“压力补给装置”，作用是给高温高压升降温釜内施加一定的初始压力，模拟井内流体施加的静液柱压力。该仪器在升降温过程中能够实时监控釜内的压力随温度变化的趋势，同时对弹性工作液的缓解压力效果进行评价。

2）弹性材料往复压缩试验仪。用来评价合成弹性材料的抗压性能，施加特定的压力后，测试流体受压后的体积恢复程度。

图1 高温高压弹性流体评价仪及弹性材料往复压缩实验仪

2 弹性隔离液体系研究

2.1 弹性材料研究

通过室内实验，采用双酚A、环氧氯丙烷和二缩水甘油醚等制成混合溶液，开发出一种弹性剂用壳体材料[7-8]。采用二乙烯三胺、碳酸丙烯酯和氨基聚醚等配制的混合溶液作为制备弹性剂的增韧剂。将制备的壳体材料、增韧剂和发泡剂按照特定的比例混合分散均匀，在一定条件下采用干燥喷雾法实现微胶囊化制得颗粒材料，将弹性颗粒在高温下通过成球炉烘干，得到弹性球体。将球体加入水中，用漂浮法筛选出浮于水面的即为弹性空心球。

对空心球内负载气体进行了研究，氮气和氢气作为油气井工作流体常用充气类型，对2 种气体抗温性能进行评价。以压力为10 MPa 的气体与水按5∶95 进行实验。设置加热温度为10～130 ℃，测试升温过程中压力变化及最终压力值，结果见图2。

图2 不同气体与水升温过程中压力上涨情况

由图2 可知，水直接升温到130 ℃时，压力上涨接近86 MPa，当水与气体体积比为95∶5 时，氮气和氢气在升温过程中，压力分别上涨了38.6和25.6 MPa。在含有一定比例的气体介质后，其可压缩性可得到大幅提高，明显缓解压力上涨趋势，而且相同体积比情况下，氢气的缓解效果明显优于氮气。室内选用氢气作为充气类型[9-10]。

2.2 悬浮剂

悬浮剂要具有良好的抗温性能，能够在井底高温达125 ℃时不发生降解，测试性能见表1。由表1 可知，在相同的加量下150 ℃老化后，悬浮剂A、悬浮剂K 以及Utrs-B 的φ6和φ3值降幅较大，抗温性能较差；而悬浮剂HV 和HX 依然保持着较好的流变性，动切力降低幅度较小，动塑比较高，φ6和φ3值也较为稳定，能够有效保证体系的悬浮性能。综合来看悬浮剂HX 效果最佳，因此选择其作为弹性工作液的悬浮剂。优选悬浮剂的配方如下。

海水+0.4%悬浮剂+20%铁矿粉

表1 弹性工作液用悬浮剂的筛选

2.3 加重剂

根据弹性工作液适用的地层和段塞位置的不同，对加重剂进行了筛选。采用了超细重晶石和超细铁矿粉进行加重实验，密度为1.10～1.90 g/cm3，弹性工作液加重后性能见表2 和表3。由表2 和表3 可知，随着密度的增大，弹性工作液的黏度和切力均增大，流变性较好，能够满足弹性工作液加重的需要。

对不同加重剂配制的弹性工作液进行了升温实验，实验结果见图3。实验用弹性工作液配方如下。

海水+0.4%悬浮剂+加重剂（密度为1.60 g/cm3）

表2 采用超细重晶石加重的弹性工作液的流变性能

表3 采用超细铁矿粉加重的弹性工作液的流变性能

图3 不同类型加重材料升温过程中压力上涨情况对比

由图3 可知，对比2 种加重剂配制的弹性工作液，在升温到130 ℃过程中的压力上涨趋势，超细铁矿粉加重后最终压力较低（81.5 MPa）。因此，优先选择超细铁矿粉进行加重。

3 弹性隔离液性能

3.1 弹性及压缩性评价

弹性工作液弹性一方面取决于弹性材料本身的压缩性，另一方面液体成分也能够具有一定的压缩性能，2 者相结合所体现的综合压缩性能更优。实验室采用弹性材料往复压缩试验仪对弹性工作液压缩性及弹性恢复能力进行评价[11-15]。测试样品初始体积为125 cm3，室温下弹性工作液在10～50 MPa的压缩体积和弹性恢复率，如表4 所示。由表4 可知，随着施加压力的增大，压缩体积增大。施加压力在50 MPa 时，压缩体积达到49.46 cm3，压缩率达到39.57%；施加压力移除后，弹性恢复率都达到100%。测试弹性时选择50 MPa 进行，主要是考虑弹性工作液在顶替过程中经过井底时，大部分弹性球体不会被挤压破碎，在固井结束后，即使后期试采过程中出现一定比例的破碎，其破碎后的气体依然具有很强的压缩性，能够缓解压力上涨。

表4 弹性工作液压缩和弹性性能的评价

3.2 抗温性能

在高温高压升降温釜进行加温养护实验，将釜内装满弹性工作液，然后给定初始温度和压力情况下，模拟井底流体对环空进行预热。在50 ℃、30 MPa 条件下进行养护实验，配方如下。

水+0.4%悬浮剂+6%弹性剂+铁矿粉

模拟测试作业中环空的升降温过程，采用先升到地层最高温度，再降至所在环空温度，继续模拟测试生产期间加热至最高温度，测试升降温过程中环空压力的变化，实验结果见表5。由此可知，弹性工作液在段塞位置的升降温过程，温度上升80℃，上涨压力小于40 MPa，始终能够稳定地保持弹性，缓解压力效果稳定。而钻井液进行同等条件下的升温实验，温度升高到90 ℃，压力涨至88.2 MPa，温度上升40 ℃，上涨压力大于58 MPa。因此，弹性工作液能够大幅降低随温度升高增长的膨胀压力，缓解环空压力上涨的趋势。