国内外隔离液研究进展

王有伟，黄峰

国内外隔离液研究进展

王有伟，黄峰

（中海油田服务股份有限公司油田化学研究院， 河北 三河 065201）

伴随油气勘探逐步向深部地层拓展，非常规井、复杂地质情况迅速增加，对作业中固井技术提出了更高的要求。隔离液作为固井作业中的重要一环，影响着油气井寿命和长期生产安全。通过梳理近些年国内外隔离液类型、外加剂选择、性能要求、评价方法研究进展，为隔离液后续进一步研发升级提供了思路，同时也对固井隔离液的发展远景提出了建议。

隔离液类型； 外加剂； 性能要求； 评价方法

隔离液主要用于水泥浆、钻井液之间，隔离两者相互接触，作用是防止两者接触后增稠乃至假凝、闪凝现象发生和冲刷井壁上残留泥饼来改善固井二界面胶结质量[1-2]。在固井施工中，高温高压井、深水井、非常规井、复杂盐膏层固井作业日益增多，这对钻井液、冲洗液、隔离液、水泥浆等入井流体性能提出了更高的要求[3-5]。在作业需求增加的影响下，科研人员研制出来多种功能性隔离液体系来满足要求，同时外加剂选择、性能要求、评价方法等方面日益完善起来。

1 隔离液类型

1.1 耐高温隔离液

随着钻井深度越来越高，井下温度也越来越高，井下高温容易导致入井流体黏度异常、沉降严重[6-7]。给耐高温隔离液设计带来了很大的挑战。

2007年，杨智光[8]利用遇水伸展交叉的高分子改性悬浮剂和抗高温的硅藻土提高体系的悬浮能力，构建出耐温150 ℃、密度1.1～1.8 g·cm-3、失水量低的DCG-150型高温隔离液。

2009年，石凤岐等[9]室内研发出密度达2.40 g·cm-3，耐温达到175 ℃的隔离液体系，主要由高分子聚合物、辅助高温稳定剂组成，在钻井液密度达2.05 g·cm-3的现场井中应用成功，固井质量合格。

2011年，王广雷等[10]选用散热效应和热稳定效应好的海泡石族黏土矿物作为稳定剂、具有耐高温特性的水溶性高分子三元共聚物作为悬浮剂、石棉纤维作为悬浮助剂，构建出一套耐180 ℃高温的隔离液体系，该体系具有流变性稳定、相容性良好的优点。

2015年，于永金等[11]利用黏土物质、温轮胶、黄原胶、无机盐、高分子聚合物组成了一种耐高温悬浮稳定剂，可耐温150 ℃，可用于密度1.10～2.50 g·cm-3的隔离液体系，能够实现紊流顶替。

2016年，Li Li等[12]使用生物可降解聚合物构建了耐高温新型隔离液体系，该体系是由提供黏度的胶凝材料、清洁钻井液和润湿表面的表面活性剂、加重材料组成，耐温可达204 ℃，密度1.20～2.28 g·cm-3，具有良好的控失水性能，并能有效改善与合成/油基钻井液、水泥浆的相容性。

2017年，齐奔等[13]采用天然矿物、文莱胶、三聚磷酸钠和水玻璃的混合物作为悬浮稳定剂，配以稀释剂和重晶石，开发出耐温180 ℃，密度达2.40 g·cm-3的耐高温抗盐高密度隔离液体系。

2018年，Angela Doan等[14]通过调整聚合物粒径研制出新型延迟水化的高温悬浮稳定剂，该悬浮剂在高温条件下具有优良的悬浮性能，构建出耐温可达204 ℃隔离液体系，该体系具有良好的稳定性、润湿性和相容性。

1.2 可固化隔离液

通常情况下，隔离液在水泥浆顶替结束后被顶替出井筒，进行进一步处理。研究人员基于改善界面胶结质量和环境保护的考虑，研制出既可隔离又能自身固化的隔离液体系。

2006年，杨香艳等[15]采用具有潜在水化活性的材料和优选的激活剂，配合膨润土预水化，研制出一种可固化隔离液，密度在1.2～1.9 g·cm-3内可调，具有良好的控失水性能和流变调节性能，固化后强度至少0.77 MPa。

2012年，邓慧等[16]使用隔离剂GYW-301、膨润土基浆、固化剂、激活剂、早强剂等材料构建出一套可固化隔离液体系。该体系密度在1.3～2.4 g·cm-3范围内可调，流变性能可调，在50～90 ℃下养护24 h，抗压强度大于8 MPa，与钻井液、水泥浆的相容性好，并可实现与钻井液和水泥浆的整体固化胶结，三者混合养护后仍有较高强度。

2016年，李早元等[17]研制出一种可固化隔离液，主要成分为悬浮剂、固化剂、激活剂，其中悬浮剂由聚合物增黏剂、钠基膨润土组成，固化剂选用具有潜在火山灰活性的S95级矿渣粉为固化剂，激活剂选用碱性材料为激活剂，密度可在1.40～1.80 g·cm-3范围内调节，流变性稳定，受钻井液污染后仍能固化。

2020年，房恩楼等[18]为实现海上固井零排放，减少环空套管暴露长度，选用S95矿渣和激发剂为主剂，加入一定量的促凝剂、早强剂、悬浮剂等外加剂，研制出低温低密度条件下可固化的隔离液LL-CSF。该体系与钻井液和水泥浆具有良好的相容性，固化体强度大于0.5 MPa，在低温条件下不仅具有较高的抗压强度，也能显著提高固井二界面抗剪切强度。

2020年，谌德宝[19]研发出一种可固化隔离液体系，主要由生物胶类悬浮剂、JHJ-4钠离子激活剂、有机硅改性表明活性剂、活性系数1.805的矿渣粉配制而成。相比常规固化隔离液体系，激活剂能在高温下激活矿渣发生固化，而在常温下却处于惰性状态，抗压强度可达3.8 MPa，并能溶蚀泥饼中的黏土矿物，从而起到增强作用。

1.3 可压缩隔离液

在深水固井作业后，水泥浆通常并不都会返高至井口，这就造成井内存在一段充满流体的圈闭环空，套管圈闭环空内存在的流体会因温度升高而引起压力上升，压力过高时常常会挤毁或胀裂套管。目前，密闭环空压力的调控措施依照机理可分为五种类型，分别是提高井身结构强度、消除环空、释放环空压力、提高环空液体压缩性和隔热技术[20]。部分研究人员尝试从隔离液角度出发来提高环空液体压缩性消除或减弱。

2017年，Animesh Kumar等[21]介绍了在印度常规油气区块使用的泡沫隔离液的开发、现场测试和施工情况。论述了在生产套管中应用泡沫隔离液技术所需的设备、工艺及应用的优点。泡沫隔离液一方面通常具有较高的屈服点(YP)，有助于进行适当的泥浆清除。另一方面泡沫会增加隔离液的体积，增加的体积带来了更长的接触时间，从而提高泥浆驱替量和有助于腐蚀套管井中泥饼。此外泡沫良好的压缩性能够减弱套管内持续压力作用，减少套管破坏。

2019年，郭永宾等[22]使用壳体材料、增韧剂、发泡剂研制出了一种弹性球体材料，充入氢气提高弹性材料的压缩性，以此构建了一套弹性隔离液体系，该弹性体系具有高弹性、抗压缩性，外界压力移除后，弹性恢复率能达100%，与钻井液、水泥浆互混后，流变性满足入井流体要求。

2021年，韦江雄等[23]研制了一种受热可压缩弹性材料，该材料由橡胶粉、石蜡混合物包裹的无机多孔材料和高强度中空颗粒组成，用此材料配制的受热压缩弹性隔离液能够很好地减缓环空压强升高，经25％钻井液污染后，降压性能稍微下降，其循环使用的性能不受影响，与其他流体相容性良好。

1.4 油基/合成钻井液用隔离液

2013年，A.Brandl[24]介绍了一种微乳隔离液，该微乳隔离液由水、消泡剂、氯化钾、聚合物类增黏剂、表面活性剂、重晶石组成，该体系具有高油溶性、高扩散系数和降低有机与有机之间的界面张力水相接近于零的特点。

2014年，郭文猛等[25]采用Micromax微锰粉代替铁矿粉加重，构建出冲洗型加重隔离液体系，Micromax（Mn3O4）是一种小粒径、粒度分布集中的球形加重材料，该体系具有高温下悬浮稳定性好、润湿反转效果强、示踪效果好等优点。

2016年，欧红娟[26]从表面活性剂的离子类型、亲水亲油平衡值、表面张力及临界胶束浓度4方面自身物理特性出发，优选出FPC型复配表面活性剂和清洗效率较高的清洗助剂，构建出高效隔离液。该体系有良好的悬浮稳定性，与油基钻井液和固井水泥浆具有良好的相容性，对油基钻井液的清洗效率高，且能有效的润湿反转胶结界面，提高胶结强度。

1.5 堵漏隔离液

2011年，A.Brandl等[27]使用含有生物可降解成分堵漏材料制备出新型隔离液，该体系耐温可达204 ℃，抗盐污染，对普通砂岩地层无伤害，同时可以减少脆弱、松散和裂缝性地层的井漏问题，加强井壁，对多孔地层形成有效密封。

贝克休斯公司[28]研制出SealBond隔离液，该隔离液包含可降解有机物和混合堵漏材料，能够减少地层损害和防止漏失。相比传统的隔离液，SealBond隔离液的隔离和封堵能力提高1倍，在高温下仍具有良好的流变性，与钻井液的配伍性好。该隔离液可用于高温、高渗透和承压能力低的地层。

斯伦贝谢研[29]发出Losseal增强复合堵漏剂，该材料是由纤维和固体结合而成的特殊柔性纤维添加剂，将该材料加入到隔离液中可配制成堵漏隔离液，该隔离液体系能够利用纤维和固体的物理特性之间协同作用，封堵漏失，适用于5 mm以下的缝宽堵漏。

2021年，李成等[30]研制出一种信心封堵型隔离液体系，该体系采用聚合物、复核胶粒、锯末复配成堵漏材料，采用QD-2堵漏仪评价堵漏效果，结果显示堵漏效果良好，对孔隙型地层有良好的封堵能力。

1.6 其他类型

1）双效隔离液

双效隔离液通常是指兼顾冲洗、隔离作用的隔离液体系，能够减少作用流体的使用，降低现场作用费用。

2015年，李治等[31]针对长庆储气库固井存在地层压力系数低、易垮易漏及固井时不易压稳、易发生窜流等复杂问题，通过引入特殊不规则棱形加重材料DRW-2S和高效冲洗剂DRY-100L而研究出具有冲洗／隔离一体化的、稳定性强和流变性好的DY高效冲洗隔离液体系。室内研究表明，该体系适用温度可达150 ℃以上，稳定性好，高温沉降稳定性不大于0.03 g·cm-3；对钻井液冲洗效率达到100%，界面胶结强度明显提高，且与钻井液、水泥浆具有良好的相容性；通过调整加重剂加量可配制密度在1.05～2.40 g·cm-3范围内任意可调的高效冲洗隔离液，可实现高效冲洗、顶替和平衡压力固井的目的。

2）纳米Fe2O3隔离液体系

2018年，C.Vipulanandan等[32]介绍一种采用纳米Fe2O3配制的隔离液体系，研究了磁场强度和温度对纳米Fe2O3隔离液电阻率和流变性能的影响。流变学性质也与电阻率有关。实验发现，纳米Fe2O3隔离液是一种压阻流体，电阻率的变化可以用于现场作业期间监测隔离液中的压力和清洗效率，同时纳米Fe2O3的加入能够提高隔离液的污油清洗效率。

3）磁流变隔离液

2013年，徐加放等[33]向隔离液中加入适量易磁化材料和合适的表面活性剂制备出一种磁流变隔离液，通过增加磁场强度能够改变磁流变液的剪切应力，从而改善顶替效率。

4）非渗透隔离液

2012年，路志平等[34]开展了非渗透隔离液室内研究，对悬浮稳定剂、非渗透剂等外加剂进行了优选和复配，形成一套非渗透隔离液体系，该体系流变性、悬浮稳定性、相容性良好，失水量小，耐温可达150 ℃，能够在井壁上形成一层薄而韧的非渗透膜，从而起到稳定井壁和防止漏失的作用。

5）无固相隔离液

2017年，刘文明等[35]针对隔离液中的固相对油气层造成损害的问题，开发出一种无固相的清洗型隔离液BH-HDF，优选了多种可溶性加重剂和复配多种两性表面活性剂形成清洗剂，密度在1.0～1.8 g·cm-3之间可调，沉降稳定性强，耐温180 ℃，耐盐达饱和，流变性良好，紊流顶替易实现；与盐水钻井液和抗盐水泥浆具有良好的相容性；虚泥饼及油污清洗效果强，并形成有利于提高水泥胶结质量的水湿环境，提高固井质量。

2 隔离液外加剂选择和性能要求

外加剂的选择直接隔离液的性能，关系着固井质量。随来多年来的发展，研究人员对于外加剂基础材料选择和性能要求有了深入的认知。

2.1 外加剂选择

隔离液所使用外加剂材料早期从钻井液处理剂、水泥浆外加剂中筛选，随着近年来的研究，逐渐构建出单独的外加剂体系。虽然隔离液体系众多，但主要成分主要为悬浮稳定剂、降失水剂、流型调节剂、表面活性剂、消泡剂、加重材料。

悬浮稳定剂一般由无机材料和有机材料组成。无机材料主要是抗盐类污染强的黏土矿物，这是因为水泥浆中的钙离子含量高，若黏土矿物抗盐污染能力弱，极易导致絮凝物质产生。有机材料主要有生物胶、高分子聚合物增黏剂，生物胶具有高黏度、用量小、屈服应力高等优点，而高分子聚合物增黏剂具有抗高温和抗盐能力，极大地改善隔离液体系的温度范围。

降失水剂主要是为控制隔离液体系失水量，多为纤维素衍生物、AMPS类聚合物为主，要求所用降失水剂具有良好的抗盐效果。

流型调节剂主要是为了调节隔离液流变性能，使其满足作业的流变性能要求，通常选用磺化单宁、木质素磺酸钠等材料。

表面活性剂主要是用于提高冲洗效率和界面润湿性能。

加重材料多为重晶石、铁矿粉等惰性加重材料。

针对钻井液、水泥浆接触污染问题，部分研究人员研发出防污染剂，主要有表面活性剂、金属离子螯合剂、Na2CO3等材料[36]。

2.2 性能要求

对于隔离液性能要求主要是要起到提高顶替效率、界面胶结质量的作用。

1）相容性：与钻井液、水泥浆具有良好的相容性。

2）悬浮性能：能够悬浮岩屑，保证不同温度下加重材料不沉降。

3）紊流隔离液用于紊流顶替，具有低黏度和紊流临界返速。

4）黏性隔离液用于塞流、有效层流顶替，需要保证钻井液、隔离液、水泥浆之间存在摩擦压力梯度、启动压力梯度、驱替速度[37]。

5）密度：调节容易，隔离液密度介于钻井液、水泥浆之间。

6）失水量：隔离液体系的低失水量有助于减少井壁垮塌和地层损害。

7）润湿性：可将油基泥浆接触过的井壁、套管壁由油润湿转变为水润湿，便于水泥石胶结。

8）腐蚀性：隔离液应该做到尽量不腐蚀套管。

3 隔离液评价方法

在API标准中，隔离液评价测试通常包括隔离液与钻井液、水泥浆以不同比例混合后测试的混合流体的流变性能、稠化时间、抗压强度、固相悬浮和胶凝强度、表面活性剂清洗测试。

除此之外，近些年来，部分研究者也进一步完善了隔离液评价的方法。

1）动态沉降测试

2018年，Angela Doan等[14]评价隔离液沉降稳定性时，改造了稠化仪浆杯的金属浆叶使其底部能够承接沉降物，利用稠化仪模拟隔离液在井下流动状态下的沉降情况，同时也拓展了沉降稳定性测试的温度范围，设备如图1所示。

图1 用于动态沉降测试的浆杯和浆叶[14]

2）高温高压流变性测试

2014年，Seyyed Shahab[38]在优化高温高压井下用的隔离液体系时，采用高温高压流变仪，测试在各种温度条件下隔离液的流变性，更好地反应了流体在地下的真实情况。

3）界面胶结质量测试

2019年，焦利宾等[39]利用X衍射和扫描电镜测试等方法，开展了矿渣、重晶石等不同固相材料形成的隔离液对固井界面胶结质量的影响评价，并从界面胶结机理的出发，对不同材料影响的实质进行了分析。

4 结束语

1）隔离液体系可以根据不同的井况、地层条件、作业需求来进行研发，做到能够“一液多能”和“一液多用”。

2）隔离液体系外加剂选择和性能要求首先满足外加剂能够与钻井液、水泥浆具有良好的相容性，其次在高温高盐等复杂情况下保持体系性能稳定，最后也应该能够高效顶替泥浆和清除残余泥饼，保证固井质量。

3）随着评价方法和手段的日益增加，隔离液体系性能的评价需要尽可能地真实地模拟井下流体情况，同时也要完善对固井界面胶结质量影响研究。

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Research Progress of Domestic and Foreign Spacer Fluid

,

（Oilfield Chemistry Research Institute, China Oilfield Services Limited, Sanhe Hebei 065201, China）

With the gradual expansion of oil and gas exploration to deep strata, unconventional wells and complex geological conditions are increasing, which puts forward higher requirements for cementing technology. As an important part of cementing operations, spacer fluid affects the life of oil and gas wells and long-term production safety. In this paper,the research progress of domestic and foreign spacer fluid types, additive selection, performance requirements and evaluation methods in recent years was reviewed, which can provide ideas for further development and upgrading of spacer fluids, and suggestions for the development prospects of cementing spacer fluids were also puts forward.

Spacer fluid types; Additive selection; Performance requirements; Evaluation methods

2022-01-14

王有伟（1991-），男，山西省朔州市人，初级工程师，硕士研究生，2017年毕业于中国石油大学（华东）油气井工程专业，研究方向：油气井固井技术和固井材料开发。

TE256

A

1004-0935（2022）06-0800-05