抗高温水基隔离液体系的研制与评价

王有伟，冯颖韬，张 浩，温达洋，崔 策，黄 峰，田 进

（中海油田服务股份有限公司油田化学研究院，河北廊坊 065201）

随着油气资源勘探向深部地层挺进，高温高压井钻遇情况日益增多，这对钻井液、冲洗液、隔离液、水泥浆等入井流体提出了严峻的技术挑战[1-3]。高温高压井况一方面造成钻井液在井壁岩石上形成厚虚泥饼，影响固井二界面胶结质量，另一方面引起水泥浆稠化时间缩短，影响施工安全，因此需要隔离液来清除井壁虚泥饼和隔离钻井液与水泥浆[4]。目前国内科研人员采用天然矿物、悬浮稳定剂构建出可抗180 ℃、密度为2.4 g/cm3的隔离液体系，该体系流变性好、相容性优异[5-6]；国外DOAN A 等[7]以一种新型延迟水化的高温悬浮稳定剂为核心材料构建出耐温可达204 ℃的隔离液体系，该体系具有良好的稳定性、润湿性和相容性。针对常规隔离液在高温条件下流变性能恶化、沉降稳定性差、与钻井液和水泥浆相容性较差的难题，笔者研制出一种可抗230 ℃的抗高温水基隔离液体系，其各项性能均能满足作业需求。

1 实验部分

1.1 实验材料

无机悬浮稳定剂SA-WJ、抗高温降失水剂FLHT-1、有机悬浮稳定剂SA-YJ、流型调节剂FS，均自制；消泡剂C-DF60L、重晶石、自制钻井液、自制水泥浆，均产自蓝海博达科技有限公司。

1.2 实验仪器

电子天平、瓦楞搅拌器、FANN 35 旋转黏度计、加压密度计、高温滚子加热炉、失水仪、量筒、水浴箱、钱德勒7500 型高温高压流变仪、钱德勒高温高压双釜稠化仪。

1.3 实验方法

制备隔离液：称量一定量的水，随后按照配方依次加入消泡剂C-DF60L、无机悬浮稳定剂SA-WJ、抗高温降失水剂FLHT-1、有机悬浮稳定剂SA-YJ、重晶石等材料，在搅拌速率4 000 r/min 下搅拌15 min，即可配制出所需隔离液体系。

性能测试：按照API RP 10B-2 规范标准测试隔离液流变、失水等性能，并考察隔离液与钻井液、水泥浆的相容性。

2 抗高温水基隔离液体系的研制

抗高温水基隔离液体系通常多由悬浮稳定材料、控制失水材料、提高冲洗效率的表面活性剂以及调节密度的加重材料构成[8]。面对高温和超高温井下环境，常规悬浮稳定材料极易受热分解，影响体系稳定性，其耐温性能直接关系到抗高温水基隔离液体系的性能[9-10]。通过研制耐温性能优良的无机悬浮稳定剂、有机悬浮稳定剂、抗高温降失水剂、流型调节剂等材料，构建出了一套性能优异的抗高温水基隔离液体系。

2.1 无机悬浮稳定剂

通过对无机矿物改性，研制出一种耐高温无机悬浮稳定剂SA-WJ，解决了无机矿物因高温钝化产生的高温变稀和高温增稠问题。室内评价了其加量对体系流变、失水、稳定性等能的影响。

配方：100%淡水+0.2%C-DF60L+X%SA-WJ+重晶石。

从表1 数据可知，随着SA-WJ 加量在体系中增加，体系黏度能够快速增加、失水量和自由水大幅下降，可见SA-WJ 能够提高体系黏度，降低失水量，增加体系稳定性。

表1 无机悬浮稳定剂SA-WJ 加量对体系性能的影响

2.2 抗高温降失水剂

抗高温降失水剂一般多为AMPS 共聚物类降失水剂，该类抗高温降失水剂通过设计分子链段构成和引入功能性基团，极大地提高了自身抗温性能和控失水效果，同时也提高了抗污染、抗盐性能。因此，选取三种AMPS 类抗高温降失水剂对比其控失水效果（图1）。

图1 抗高温降失水剂类型和加量对控失水性能的影响

配方：100%淡水+0.2%C-DF60L+2.0%SA-WJ+0.5%抗高温降失水剂+重晶石，老化条件：210 ℃、6 h，失水测试条件：6.89 MPa、30 min。

由图1 可知，相比另外两种抗高温降失水剂，抗高温降失水剂FLHT-1 控失水效果最好。因此，暂选FLHT-1 做抗高温水基隔离液体系用抗高温降失水剂，并进一步考察其加量对控失水效果的影响。随着FLHT-1 加量增加，失水量快速降低，控失水效果优异。

2.3 有机悬浮稳定剂

高温、超高温会造成体系中聚合物类外加剂失效，导致体系变稀，沉降稳定性变差，造成加重材料沉降，因此，室内研制出一种新型耐高温有机悬浮稳定剂SA-YJ 来提高体系在高温条件下的稳定性。采用钱德勒7500 型高温高压流变仪评价加入了SA-YJ 的抗高温水基隔离液体系流变性能（图2）。

图2 加入SA-YJ 的抗高温水基隔离液体系黏度随温度变化

配方：100%淡水+0.2%C-DF60L+1.0%SA-WJ+0.5%FLHT-1+0.5%SA-YJ+重晶石。

由图2 可知，随着养护温度升高至210 ℃，体系黏度先升高后维持稳定，随着养护温度降低，体系黏度随之增加。可见，该材料初始加入时体系黏度不变，不会对混配造成影响，能够在210 ℃条件下保持体系稳定，且在温度降低后具有增黏特性，能够保持体系稳定。

2.4 流型调节剂

为了平衡井底压力，抗高温水基隔离液体系采用重晶石、铁矿粉等加重材料来提高自身密度，高密度抗高温水基隔离液体系会因高固体质量分数而造成流变性调节困难，因此研制出一种流型调节剂FS 有效改善体系的流变性能。

配方：100%淡水+0.2%C-DF60L+1.0%SA-WJ+0.5%FLHT-1+0.5%SA-YJ+X%FS+重晶石。

由表2 数据可知，老化前后，随着流型调节剂FS加量增加，体系流变读数降低，流型调节剂FS 起到调节体系流变性能的作用。

表2 流型调节剂FS 对抗高温水基隔离液体系流变性能的影响

3 抗高温水基隔离液体系性能评价

3.1 基本性能

采用无机悬浮稳定剂SA-WJ、抗高温降失水剂FLHT-1、有机悬浮稳定剂SA-YJ、流型调节剂FS 构建了一套密度为1.8 g/cm3的抗高温水基隔离液体系，室内评价了该体系的流变性能、失水量、自由水等基本性能（表3）。由表3 数据可知，抗高温水基隔离液体系性能优异，老化前后流变稳定，失水量较小，自由水为零，沉降稳定性好。

表3 抗高温水基隔离液体系基本性能（ρ=1.8 g/cm3）

配方：100%淡水+0.2%C-DF60L+1.0%SA-WJ+0.5%FLHT-1+0.5%SA-YJ+0.50%FS+重晶石。

3.2 耐温性能

室内实验考察抗高温水基隔离液体系的耐温性能，测试了抗高温水基隔离液体系在110～230 ℃范围内多个温度点的性能变化（图3）。由图3 可知，随老化温度升高，老化后的流变读数变化幅度小；拆出后，老化罐底部无沉降，静置2 h，自由水为零。可见，该体系能够抗230 ℃高温，具有良好的耐温性能。

图3 老化温度对抗高温水基隔离液体系流变性能的影响

3.3 密度

室内实验考察抗高温水基隔离液体系的加重性能，测试该体系在1.3～2.1 g/cm3范围内5 个点的性能变化（图4）。由图4 可知，随着密度增加，老化后的流变读数随之增加，并未出现过度增稠现象；同时高温对该体系流变性能影响小，老化后流变读数下降程度有限，且老化后拆出老化罐底部无沉降。

图4 密度对抗高温水基隔离液体系流变性能的影响

3.4 相容性

抗高温水基隔离液体系与钻井液、水泥浆两者的相容性影响着顶替效率，进而影响着固井质量[11]。因此，考察了抗高温水基隔离液体系与钻井液、水泥浆两者混合后在流变性能、稠化时间、抗压强度方面的性能变化。

3.4.1 流变性能 将在210 ℃老化4 h 的抗高温水基隔离液体系（1.7 g/cm3）和自制的钻井液（1.5 g/cm3）以及水泥浆（1.9 g/cm3）分别以不同比例混合，测试混合流体的流变性能（图5）。

图5 抗高温水基隔离液体系和钻井液、水泥浆混合后的流变相容性

由图5 可知，抗高温水基隔离液体系和钻井液、水泥浆混合后，混合流体的流变读数介于钻井液和水泥浆流变读数之间，未出现增稠和絮凝现象，该体系和钻井液、水泥浆的流变相容性好。

3.4.2 稠化时间、抗压强度 将水泥浆（1.9 g/cm3）和抗高温水基隔离液体系（1.7 g/cm3）以3∶1 的比例混合，测试该体系对水泥浆稠化时间、抗压强度的影响（表4）。

表4 抗高温水基隔离液体系和水泥浆互混后的抗压强度实验结果

由表4 数据可知，水泥浆和抗高温水基隔离液体系以3∶1 混合后，混合流体的稠化时间缩短36 min，抗压强度降低8.3 MPa，相比纯水泥浆稠化时间、抗压强度变化幅度相对较小，可见该体系对水泥浆的稠化时间、抗压强度影响小，不会影响作业安全。

3.5 沉降稳定性评价

采用钱德勒高温高压双釜稠化仪停开机实验，评价抗高温水基隔离液体系在高温条件下的沉降稳定性。停开机稠化曲线显示，开机后的稠度值相比停机前虽有小幅上升，但是变化不大，同时拆出浆杯后，发现底盖无沉降，可见该体系具有良好的沉降稳定性（图6）。

图6 钱德勒高温高压双釜稠化仪停开机测试抗高温水基隔离液体系沉降稳定性

4 结论

（1）通过研制耐温性能优良的无机悬浮稳定剂、抗高温降失水剂、有机悬浮稳定剂、流型调节剂等材料，构建出了一套性能优异的抗230 ℃高温水基隔离液体系。该体系具有流变可调、失水量小、无自由水等特点。

（2）抗高温水基隔离液体系具有良好的耐温性能和加重性能，最高可抗230 ℃，且在110～230 ℃的流变性能变化较小，加重密度可达2.1 g/cm3。

（3）相容性实验结果表明，抗高温水基隔离液体系和钻井液、水泥浆具有良好的流变相容性，混合后未出现过度增稠、絮凝现象，对水泥浆的稠化时间和抗压强度影响小；稠化仪停开机测试结果表明，该体系在高温下具有良好的沉降稳定性，满足现场施工需求。