固井用润湿反转剂的研究与应用

张福铭，赵琥，代丹，王雪山，刘梦涛

（中海油服油田化学研究院，河北燕郊 065201）

在注水泥前将黏附在环空界面上的油浆、油膜清除，并将井筒内油基钻井液与隔离液的混合液转变成水润湿体系是成功固井的关键。目前国内外研究热点集中于在隔离液中加入表面活性剂，表面活性剂主要起到清洗、乳化及润湿反转的作用。如斯伦贝谢的D607，主要成分为非离子表面活性剂，典型配方为：淡水+消泡剂D206+30%D607+隔离剂Turb.Spacer+加重剂；贝克休斯的产品为S-5、MCS-GS，主要成分为非离子表面活性剂，直接添加到隔离液体系中。国内此类型隔离液的主要配方为：淡水+悬浮剂+表面活性剂+加重剂等。如中石化工程技术研究院的刘伟等人[1]研发的一种洗油隔离液，所用表面活性剂为LWG-1（加量为7%）；齐静等人[2]研发的油基钻井液用隔离液，主要有水、悬浮稳定剂、复合表面活性剂B（加量为20%）组成；刘丽娜等人[3]研发了一种适用于油基钻井液的表面活性剂隔离液，采用LAS+JFC-6+AOS的复合表面活性剂（加量为2.5%）；李韶利等人[4]研发了一种清油隔离液GLY-1， 所用表面活性剂为RJ-4（加量为15%～30%）， 主要由非离子和阴离子表面活性剂组成。笔者在研究中发现含氮聚合物对隔离液的水润湿能力有较大促进作用，在国内的文献中还未见报道。含氮聚合物与表面活性剂合用，比单用表面活性剂的隔离液水润湿能力更好，表面活性剂的用量比国外成熟产品少。合成了含氮聚合物PC-W31S、复配了表面活性剂PCW25L，重点研究了2者对隔离液水润湿能力的影响。

1 润湿反转剂的制备及作用机理

1.1 实验原料及仪器

1.1.1 实验原料

N，N-二甲基丙烯酰胺、丙烯酸、丙烯腈、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、丙烯酰胺、十二烷基硫醇，化学纯；去离子水；F/W（实验室淡水）；山东G级水泥；隔离剂PC-S32S；增强剂PC-BT-1；微硅PC-G12S；漂珠PC-P62；降失水剂PC-G80L；缓凝剂PC-H21L；消泡剂PC-X60L；油基钻井液。

1.1.2 实验仪器

四口瓶，恒温水浴，天平，Fann C1001润湿仪，常压养护仪，旋转黏度计，密度计，恒速搅拌器，高温高压稠化仪。

1.2 PC-W31S、PC-W25L的制备方法

选择N，N-二甲基丙烯酰胺、丙烯酸、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、丙烯酰胺、去离子水适量置于四口瓶中，在50 ℃下反应数小时后加入十二烷基硫醇，控制聚合物的黏均分子量至20万以下，所得到的聚合物溶液经过干燥粉碎后的产品即为PC-W31S。PC-W25L主要为非离子表面活性剂和其他助剂的复配产品。

1.3 评价方法

1.3.1 水润湿能力

水润湿能力按GB/T 19139—2012[5]和API RP 10B—2—2013[6]进行测试，并计算体积分数。

式中：Vp为从油连续相变为水连续相所需的冲洗液（或隔离液）的体积，mL；Vm为搅拌杯中初始的油基钻井液体积，mL。

实验完成后，冲洗搅拌杯，并观察杯壁是否有残留油膜。将水滴入最终的油基钻井液与冲洗液（或隔离液）的混合液表面，观察实验现象（水滴下沉、水滴快速分散、水滴散乱的分散等）。且冲洗液（或隔离液）占混合液的体积分数的合理范围为30%～70%。

1.3.2 冲洗效率

为了与国际同行交流方便，参照国外某公司的评价方法，具体如下。①称量干净的旋转黏度计的转子，记为W0，g。②将转子连接到旋转黏度计上，将养护好的油基钻井液倒入流变杯中，缓慢调节直至淹没转子约5 cm，浸入时间约10 min。③拧下转子，黏附的油基钻井液不再自由落下并称重，记为W1，g，应使黏附在转子上的油基钻井液的量在1～2 g之间。④将黏附有油基钻井液的转子连接到黏度计上，把事先养护到测试温度的隔离液倒入带有加热功能的流变杯中，流变杯完全淹没转子上沾有油基钻井液的部分，并高出约2 mm。⑤转子开始旋转前，确保隔离液达到测试温度。在室温下测定时，转子速度设定为100 r/min，高于室温时，转子速度设定为60 r/min。冲洗时间设定为10 min。⑥将流变杯缓慢下降，完全露出冲洗后的转子，并静置2 min，让多余的液体自由落下，取下转子后，用干净的纸巾擦去转子底部多余的流体，并称重，记为W2，g。

1.3.3 流变相容性

流变相容性按GB/T 19139—2012“油井水泥试验方法”测试[5]，并计算R值。其中R值的定义为：不同比例混合液φ100读数减去纯液（冲洗液或隔离液、油基钻井液、水泥浆）中φ100读数较大一组的数值。R≤0，相容性非常好；0＜R＜40，轻度不相容；40≤R＜70，不相容；R≥70，极其不相容。

1.4 作用机理

PC-W25L的主要成分为非离子表面活性剂，渗透性良好，能够快速渗透破坏油基钻井液的油包水状态，表面活性剂亲油链（如直链烷基、硅氧烷基等）吸附到界面为油相的物质上，亲水基围绕在周围，将配制油基钻井液所用的矿物油、油性添加剂转变为水包油状态，进而溶解在水基体系中[8]。通过渗透、乳化、润湿反转等步骤，胶结面上的油膜、油浆可迅速被清除，并将胶结面变为水润湿状态。

PC-W31S为小分子量（黏均分子量控制在20万以下）聚合物，具有螯合高价金属离子的作用，可与油基钻井液中的Ca2+、Mg2+等金属离子形成配位键，生成稳定的、溶于水的或胶状悬浮状态的二元或多元络合物，并且对固体污垢有抗凝聚作用或分散作用，防止污垢再沉积[9]，也能够帮助隔离液改善其流变相容性。再者把金属离子“束缚”住，避免金属离子与表面活性剂反应而降低表面活性剂的活性，进而降低PC-W25L的使用量。同时PCW31S为线性聚合物，具有一定的悬浮作用。

2 结果与讨论

2.1 水润湿能力评价

2.1.1 PC-W31S的加量对隔离液水润湿能力的影响

以现场用油基钻井液（密度为1.25 g/cm3）为评价对象，通过水润湿能力实验，研究不同加量PC-W31S的隔离液对油基钻井液的水润湿能力的影响。使用Fann C1001润湿仪测定，该设备用于连续测量电极表面间的导电性，由设备测量值能推断流体的乳化状态和表观润湿性[5]。

设计隔离液的密度为1.30 g/cm3，PC-W25L的加量为7%，配方如下： F/W+0.2%PC-X60L +X%PC-W31S +7%PC-W25L+2%PC-S32S+API重晶石。测试温度为70 ℃，事先用常压稠化仪养护隔离液和油基钻井液各30 min，润湿仪转速设定为2000 r/min，以看见漩涡为宜。由图1可知，随着PC-W31S的加量增加，隔离液与油基钻井液的混合液逐步从油润湿转变为水润湿状态。PC-W31S加量为0时，7%PC-W25L并不能使混合液转变为水润湿状态；PC-W31S加量为0.3%，电导率的数值并未达到基准值（用纯隔离液标定的读数），是一种未完全反转的状态，仍有未反转的油基钻井液，水润湿状态的水连续相没有完全形成；当PCW31S加量为0.5%，隔离液的体积分数为56.5%时， 隔离液与油基钻井液的混合液完全转变为水润湿状态， 此时水为连续相， 完全反转后读数超过基准值， 其后基本保持不变；当PC-W31S加量为0.7%， 完全反转时隔离液的体积分数为44.4%；当PC-W31S加量为1.0%，完全反转时隔离液的体积分数为41.8%。这是因为PC-W31S为含氮类聚合物，其高分子活性螯合基团通过配位螯合、网捕、架桥等机理，对混合液中的各种金属离子快速捕捉，并生成不溶于水的金属螯合物，以及共沉淀复合体等。这在一定程度上加速了油基钻井液的破乳， 并降低了金属离子对表面活性剂性能的影响，从而表现为加量越大，所需隔离液体积越小，水润湿效果越明显。但聚合物加量越大，导致隔离液成本上升；体系黏度越大，配浆时加重剂混配困难。因此选择PC-W31S加量为0.7%为宜。

图1 不同加量PC-W31S的隔离液对油基钻井液水润湿能力的影响[10]

2.1.2 PC-W25L的加量对隔离液水润湿能力的影响

测试条件同上，隔离液配方：淡水+0.2%PCX60L+0.7%PC-W31S+X%PC-W25L+2%PCS32S+API重晶石，设计密度为1.30 g/cm3。

如图2所示，在未加PC-W25L时，0.7%的PC-W31S可以使油基钻井液与隔离液的混合液从油连续相转变为水连续相，转变为完全水连续相时的隔离液体积分数为63%。但在测试过程中，随着隔离液加量逐渐增加，混合液黏度也随之增加，导致混合液在搅拌过程中漩涡消失，直到完全反转时混合液黏度才迅速下降。这也间接说明在没有PCW25L的情况下，隔离液与油基钻井液的相容性差。随着PC-W25L加量增加，隔离液对油基钻井液的水润湿能力明显提升，这是因为随着表面活性剂有效浓度的增加，加速了油基钻井液渗透、乳化的进程。PC-W25L加量为3%、 5%、7%和10%时，完全反转时隔离液的体积分数分别为54.5%、50.0%、44.4%和37.5%。测试过程中，加有PC-W25L的隔离液在滴加到油基钻井液的过程中，没有出现漩涡消失及黏度异常增加的情况，且随着PC-W25L加量的增加，混合液越稳定。考虑水润湿能力及经济性等因素，选择PC-W25L的加量为7%。

测试完成后倒出的混合液用水滴测试，水滴快速分散，界面呈水润湿状态，杯壁用水冲洗即干净，见图2。从评价结果可知， PC-W31S和PC-W25L在水润湿能力方面，2者相互促进。针对该油基钻井液而言，典型的隔离液配方为：淡水+0.2%PCX60L+0.7%PC-W31S+7%PC-W25L+2%PC-S32S+API重晶石。而斯伦贝谢公司的润湿反转剂加量多达30%，从经济角度看，研发产品有竞争优势。

图2 不同加量PC-W25L的隔离液对油基钻井液水润湿能力的影响

2.1.3 温度对隔离液水润湿能力的影响

以某国外公司提供的油基钻井液和与之相对应的典型隔离液为评价对象，研究温度对隔离液水润湿能力的影响。高于85 ℃时，利用滚子炉在相应温度下养护2 h，降温取出后并再次使用常压养护仪养护到85 ℃时测定，结果见表1。可知，润湿反转剂PC-W25L、PC-W31S配制的隔离液在150℃老化后，对其水润湿能力没有影响，具有较强的抗温能力和化学稳定性。且随着温度上升，水润湿能力整体呈增强趋势。

表1 温度对隔离液水润湿能力的影响

2.2 相容性评价

井下流体不相容可能造成井底当量循环密度增加，导致漏失或水泥浆返高不到位。以某国外公司提供的油基钻井液和与之相对应的典型隔离液以及密度为1.50 g/cm3的水泥浆为评价对象，测定隔离液与油基钻井液、水泥浆在不同比例下的流变数据，3种流体均在85 ℃养护30 min后测定。数据如表2所示，从R值可以判别，加有润湿反转剂的隔离液与油基钻井液、水泥浆相容性良好，未出现黏度异常增加的情况，保持了较好的流变梯度。

表2 隔离液与油基钻井液、水泥浆的流变相容性

2.3 冲洗效果评价

以某国外公司提供的油基钻井液和与之相对应的典型隔离液为评价对象，采用旋转黏度计套筒在液体中的旋转状况来模拟隔离液在现场套管环空中的冲洗效果。为了减小实验误差，配制隔离液时不加入加重剂。高于85 ℃时，需在目标温度下用滚子炉养护2 h，降温取出后并再次使用常压养护仪养护到85 ℃时测定。不同测试温度下，加有润湿反转剂的隔离液对油基钻井液的冲洗效率见表3。可知，随着温度上升，分子热运动逐渐加剧，相应冲洗效率也逐渐增加。冲洗后的转子表面无油膜黏附，表面为水润湿状态。

表3 不同温度下隔离液对油基钻井液的冲洗效率

3 现场应用

LD8-1-7井是位于南海的一口高温高压探井，壳牌公司为作业方，φ311.15 mm井段采用油基钻井液钻进，需要测试前置液的水润湿能力。设计前置液的密度为2.05 g/cm3，井底循环温度为126 ℃，井底静止温度为158 ℃，垂深为3250 m。配制的前置液在126 ℃下用滚子炉养护2 h，在85 ℃下能使混合液完全反转时的体积分数为47.4%，冲洗效率为87%。此次作业过程安全顺利，固井质量良好。

以PC-W31S和PC-W25L为主剂的隔离液随水泥浆一起成功中标东南亚某固井项目。预计φ311.15 mm井段及后续井段采用油基钻井液钻进，需配套使用该型隔离液，已在甲方监督下完成室内实验，标志着该隔离液得到国际甲方的认可。

4 结论

1.研发了润湿反转剂 PC-W31S和 PC-W25L，较佳加量范围为：PC-W31S为 0.5%～1.0%，PCW25L加量为 5%～10%，比斯伦贝谢公司的润湿反转剂用量少；在水润湿能力方面，2者相互促进，复配使用；配制的隔离液占混合液的体积分数不大于50%，可使混合液从油连续相完全转变为水连续相。

2.润湿反转剂配制的隔离液，冲洗黏有油基钻井液的转子，冲洗效率达80%以上，冲洗后的界面为水润湿；且与油基钻井液、水泥浆的流变相容性良好，对水泥浆稠化时间和强度的影响均在可控范围内。

3.该产品在LD8-1-7井成功应用，并中标东南亚某固井项目。