固井工作液-隔离液及配套外加剂研究进展

王 浩，李 明

西南石油大学材料科学与工程学院，成都 610500

随着油气资源需求的急剧增加，对深部油气藏、低渗透油气藏、海洋油气藏和非常规油气资源的勘探开发力度随之加大。提高上述井的固井质量对延长油气井生产寿命和保证油气生产及增产至关重要。隔离液技术在提高固井质量中发挥着重要作用。隔离液指用于分隔井下钻井液与水泥浆这两种不能相混的流体的工作液，配套外加剂包括降滤失剂、悬浮稳定剂、防污染剂和表面活性剂等。它是用于提高固井质量的油井工作液，如稳定隔离水泥浆与钻井液，能够防止两相接触污染，或对界面残留的强抑制性高效油基钻井液进行高效清洗，从而提高固井质量。

1 钻井液与水泥浆的接触污染研究现状

钻井液与水泥浆相接触，由于其物理化学性质的差异，如钻井液外加剂与水泥浆外加剂混合时发生缠绕絮凝，钻井液中黏土晶体对水泥浆中高价金属离子的吸附，都会发生不同程度的接触污染。接触污染使得混浆段会出现“假凝”现象，水泥浆稠化变快、钻井液絮凝变稠；而混浆的絮凝物会进一步包裹自由水分子或水泥颗粒，使得絮凝物凝结成块，而外部水泥颗粒水化延缓导致水泥环强度降低。接触污染也会导致“灌香肠”或“插旗杆”事故，导致重大经济损失，如塔河油田TP239井“插旗杆”事故[1]、四川X区块深井固井高塞事故[2]。

近年来，国内外对接触污染及其机理进行了大量研究。李静[3]、杨香艳[4]等指出，在水基钻井液情况下，水泥水化高价金属离子与黏土水化晶体发生电荷交换形成的不稳定的Ca2+结构黏土分子机理。刘世彬[5]等提出，这种离子交换会导致黏土分子的结构稳定性被破坏，极易聚结形成絮凝物质，并导致接触污染加剧。李明[6]等指出，钻井液处理剂也是造成水泥浆与钻井液接触污染的直接原因之一。水、油基钻井液都会因水泥浆水化产物，尤其是高价金属离子与其处理剂之间的吸附行为，或使处理剂溶解度降低而在浆体中絮凝或因桥接形成网状结构，使得水泥浆受到不同程度的污染破坏。钻井液与水泥浆的不相容更是造成两相接触污染的根本原因之一，而油基钻井液与水泥浆的不相容性最为普遍。CAMPOS[7]等指出，盐类物质是造成水泥浆受污染的影响因素，它会促使水泥浆快速凝胶化，使水泥浆出现沉降、泵送过程中流动性降低等问题。

井下流体相容性评价方法是评价水泥浆与钻井液接触污染严重程度的通常做法，包括常规污染试验和污染稠化实验。主要包括：1)国际公认的API RP 10B或国标GB/T 19139—2012现行标准评价方法；2)川渝深井污染试验法。李静与刘世彬等[3, 5]采用水浴锅等设备，对井下流体实际混浆情况模拟流体接触，直观反映钻井液及隔离液对水泥浆流动性能的影响。此外，SOARES[8]等对接触污染进行量化评价，从混浆相容性、流变性能、水泥石抗压强度、水泥浆沉降密度差、水泥浆稠化时间、结晶与微观形态表征、XRD分析、扫描电镜和Zeta电位等方面充分分析水泥浆与钻井液的接触污染程度。对于接触污染，在研究水泥浆污染、外加剂不相容问题的基础上，需要针对水泥浆水化产物对钻井液性能的影响、钻井液对水泥浆的直接影响、钻井液处理剂对水泥浆性能的影响等问题进行深入研究。

2 水基钻井液用隔离液的研究现状

2.1 评价方法

对于混浆流体相容性评价。杨香艳[9]等在相容性评价中参考了流变性、混浆水泥石抗压强度、混浆API滤失量、稠化时间一系列评价指标，全面剖析隔离液与钻井液、水泥浆的相容性。王翀[10]等提出水泥浆的顶替效率评价重在流变相容性评价和稠化相容性评价。对于隔离液滤失量评价。一般可采用API RP 10B相关评价方法进行滤失量评价实验[11]。此外，姚晓[12]等提出“U型管法”室内评价法、井眼模拟装置对API滤失量进行评价。OSODE[13]等利用界面张力、模拟井下高压环境的隔离液滤失量与滤饼清洗量等评价参数整体评价非反应性隔离液。对于隔离液悬浮稳定性评价，一般可采用密度差法[11-12]。李明[14]等对此采用了旋转黏度计法，LI[15]等则进一步利用超高温高压旋转黏度计评价隔离液悬浮稳定性。随着评价体系的发展，新的评价参数逐渐增多。杨香艳[16]等在龙17井隔离液配制设计中提出了直角稠化污染稠化评价参数，保证了混浆段水泥浆的稠化胶凝性能，而王乐[17]等在研究中引入游离液等参考指标。

2.2 应用现状

隔离液可调密度范围应较为宽广[18-19]，国外的ZEPEDA[20]设计出密度略低于水的低密度隔离液。国内的贾永江[21]等设计出密度低于1.50 g/cm3的淡水基体系，林辉[22]等设计的1.03 g/cm3低密度冲洗隔离液体系，进一步扩大了国内隔离液的应用范围。其次，是功能型隔离液。针对清洗效率，肖伟[23]等开发出YA-13L清洗型隔离液，中国石油大学[24]设计出NMS-1纳米基隔离液。而对于接触污染，杨香艳、李静[3-4]等指出，防止接触污染要有效控制水泥浆水化产生的金属离子。李慕君[25]等则在隔离液中加入金属离子螯合剂成功地处理了接触污染。同时，对于隔离液的抗温性能，目前的应用温度约180 ℃[26]。而复合功能型隔离液也获得成功，如西南石油大学[27]研究的2.15 g/cm3高密度可固化隔离液，悬浮稳定性可达120 ℃，兼具可固化性能，可有效改善界面封固质量。

2.3 现有研究的不足

首先，井下流体相容性评价方法尚待改进。目前提出的标准化评价方法对钻井液与水泥浆的直接接触污染、水泥浆水化产物的影响以及钻井液、水泥浆与钻井液三相之间不相容性等问题的研究没有实际帮助。具体地说，如API RP 10B中虽提及3种流体混浆的常压流变性能评价试验，但井下环境相对复杂，3种流体间的污染稠化评价并未规范化。而川渝深井污染试验法虽然能够定性描述3种流体间的接触污染，但不能获得稠化时间、混浆流体可泵性参数，不利于指导实际的固井作业；其次，钻井液置换驱替机理等研究比较弱。一般使用六速旋转黏度计等简单模拟，方法相对单一。总体而言，隔离液的研发较缺乏接触污染作用机理和井下流体相容性评价方法的指导。

3 油基钻井液用隔离液的研究现状

3.1 评价方法

对于油基钻井液用隔离液，童杰[28]等采用界面冲洗效率评价方法和相容性评价方法结合混浆水泥石抗压强度实验来量化评价相容性。齐静[29]等采用流速旋转黏度计模拟模拟现场套管环空中隔离液的冲洗隔离作用，通过水泥石胶结现象与剪切胶结强度对隔离液的除油顶替效率进行量化评价。MASERATI[30]等在API RP 10B标准基础上，采用胶结剪切试验和润湿角实验评价隔离液的清洗效率。FARAHANI[31]等采用水泥胶结测井仪(SBT)检验水泥石封固质量，可通过固井质量间接反映隔离液清洗效率。

3.2 应用现状

隔离液密度对其使用性能有重要影响，廖志昊[32]等研究了密度范围为1.10 g/cm3～2.2 g/cm3的GWY -100L隔离液，刘荆成等配制了2.50 g/cm3高密度隔离液[33]。隔离液应用性能一般以提高清洗效率和润湿反转能力为主要性能指标。如CHEN等[34]研究了有利于防止流体相容性问题和提高混浆段流变性的两性离子型黏弹性表面活性剂，VAN ZANTEN[35]等设计了低用量、高水润湿性的纳米表面活性剂，刘伟[36]等研究了页岩气用高密度防塌LWG洗油隔离液，QUINTERO[37]等提出的纳米基乳化隔离液，李早元[38]等配制的60～140 ℃油基钻井液用可固化隔离液。

3.3 目前研究的不足

在隔离液清洗效率方面，通常通过隔离液基浆与表面活性剂的配用、乳化隔离液的使用等提高对钻井液滤饼的清除能力。然而，由于并未能够建立可模拟井下环境的清洗效率评价方法，无法准确有效地评价井下环境隔离液对油基钻井液泥饼的清洗效率。而对复杂井况，如大肚子井段等特殊情况，未能全面考虑，或是由于模拟界面物理化学性质与实际井下环境的差异，不利于正确设计隔离液，甚至在实际应用时导致固井失败。

在乳化隔离液的应用上，油包水型乳化隔离液与水包油型乳化隔离液都通过改变残留钻井液的黏附程度和对钻井液的亲和吸附作用携带走井内残留钻井液。然而，乳化隔离液的应用情况虽然较为普遍，但是乳化隔离液体系的性能水平仍有停滞。乳化体系本身暴露的高温不稳定缺陷，常常会导致破乳极限降低、隔离液保持乳液形态的时间缩短，同时也会因破乳行为的发生使得隔离液体系的黏度与切力大幅增大，导致隔离液性能降低，甚至没有应用效果。总体上，该类型隔离液的研究局限于获得稳定的塑性黏度、通过乳化剂与表面活性剂的复配使用得较高的清洗效率以及保持较高的再生利用，综合性能有待提高。

4 隔离液用外加剂研究现状

隔离液用外加剂，最早借鉴于油井水泥外加剂和钻井液处理剂，在发展中逐渐形成了独立的隔离液外加剂体系，主要包括悬浮稳定剂、防污染剂、降失水剂以及表面活性剂。

悬浮稳定剂的研究重点在于抗高温悬浮稳定剂，如林荣壮[39]等配制的抗200 ℃悬浮稳定剂，LI[15]等开发的热稳定性高达约205 ℃的悬浮稳定外加剂体系。2017年，林子旸[40]等则创新性地提出复配型悬浮稳定剂，一定程度上同时满足隔离液的流变性和悬浮性要求。

TARAFDAR[41]等提出使用表面活性剂改善界面胶结质量，而欧红娟[42]等进一步将表面活性剂作为防污染剂，用于改善水泥浆与钻井液的接触污染问题，此类外加剂又叫做防污染剂。目前，防污染剂主要以金属离子螯合剂为主[25]。

至于降失水剂，目前的研究仍然以降低体系自由水滤失量为主。对于隔离液的滤失量控制，成膜外加剂的效果较好。如路志平[43]等使用的抗150 ℃非渗透剂FSAM，90 ℃以下10%用量、15 ℃以下11% ～ 13%用量，可控制滤失量在50 mL以下，并可有效防止水泥浆渗漏。

表面活性剂的效果以清洗效率和界面润湿性为主要评价指标。VAN ZANTEN[35]等在乳化隔离液中使用的纳米级表面活性剂，Vsurfactant/V隔离液基液=10/90情况下，接触时间少于5 min，而对多种钻井液的清洗效率都超过98%；而界面润湿性能优异，用量却可少于隔离液体积的0.5%。

此外，目前更是出现了新的自愈合效应外加剂，通过隔离液体系流动渗透时成分的可固化特性[27]或促进水泥浆体系中成分凝胶化的特性[44]提高界面封固质量。

5 结语与展望

1)对于接触污染机理，需要重点从水泥浆水化产物(尤其是水化产生的高价金属离子)与钻井液中的聚合物处理剂的相互作用着手，深入探究各个单一组分间的不相容行为对流体间相容性的影响程度，从而全面评价不同井下流体之间的不相容问题。

2)对于隔离液的研究，要考虑水基钻井液和油基钻井液两种情况。水基钻井液的问题在于顶替效率和钻井液与水泥浆的接触污染；而油基钻井液的问题则在于置换驱替困难，易造成接触污染以及界面水润湿性差。因此，针对水泥浆和钻井液的使用，隔离液的密度可调范围和隔离稳定性依然是首先需要考虑的问题，这是保证顺利顶替的前提。同时，满足抗温抗盐等参数要求是隔离液发挥正常应用性能的前提。

3)就隔离液组成来看，隔离液具备优异性能首先需要考虑添加性能优异的外加剂，如适用于高温环境的温敏缔合物型悬浮稳定剂，具有降滤失、防渗漏协同作用的新型降失水剂。而对于专用外加剂，如防污染剂，需要充分地分析污染机理，希望通过防污染剂的使用尽可能降低接触污染对水泥浆强度的影响。而表面活性剂，则需要针对油基钻井液高粘不相容的缺陷，提高表面活性剂的驱替效率和润湿能力。