完井液用处理剂与甲酸盐盐水相容性研究

张伟，　肖伟伟，　耿海龙，　徐同台，　周玉，　张瑞芳

（1.塔里木油田分公司油气工程研究院，新疆库尔勒 84100；2.北京石大胡杨石油科技发展有限公司， 北京 102200）

甲酸盐钻完井液具有许多优良特性，甲酸盐能降低水活度，抑制微生物的生长，对金属的腐蚀性小，具有良好的润滑性，保护储层效果好，配方简单[1-4]。其中常用的甲酸盐有甲酸钠、甲酸钾、甲酸铯3种，但由于甲酸铯价格昂贵，中国常用的甲酸盐是甲酸钠和甲酸钾2种。为了满足不同储层的需求，甲酸盐完井液主要使用的处理剂可分为以下几类：增黏剂、降滤失剂、封堵剂、pH值缓冲剂、加重剂、热稳定剂、除氧剂、润滑剂、消泡剂、防腐剂、杀菌剂等。塔里木油田现场使用的甲酸盐完井液包括射孔液、压井液、隔离液、环空保护液、液体胶塞等，甲酸盐完井液在高温高压苛刻的环境中应用，对完井液热稳定性、黏度、滤失量、封堵性能、沉降稳定性、渗透率恢复值等性能均要求较高，因此选择合理的处理剂是保证其性能达到要求的必要条件。探讨了甲酸盐完井液用增黏剂、降滤失剂、封堵剂相容性规律，为甲酸盐完井液处理剂的使用提供依据。

1　增黏剂与甲酸盐水相容性

下面论述各种增黏剂在低、中、高密度甲酸钾盐水中的增黏效果与热稳定性，实验配方为：350 mL甲酸钾溶液+1.0%K2CO3+0.7%KHCO3+增黏剂。

1.1　生物聚合物黄原胶XC

图1、图2为山东某公司生产的黄原胶（0.5%XC）在不同密度甲酸钾盐水中的16 h热稳定极限和转变温度[1-2]与盐水密度的关系。实验结果表明：①黄原胶在低、中、高密度甲酸钾盐水中最佳溶解温度为90～130 ℃，转变温度约为130 ℃，但16 h热稳定温度在低、中、高密度甲酸钾盐水中分别为150、160、170 ℃。甲酸钾盐水密度越高，温度越高，黄原胶溶于甲酸盐完井液后的黏度与切力也越高。高密度甲酸钾盐水中含有更高浓度的甲酸根离子，能够抑制高温时黄原胶的降解。②甲酸钾盐水密度越高，所含自由水就会越少，因而在1.60 g/cm3高密度甲酸钾盐水中，黄原胶在低温情况下不易溶解，因而其黏度与切力低于低密度甲酸盐完井液；但随着温度的升高（≤90 ℃），黄原胶溶解性逐渐增强，甲酸钾盐水的黏度与切力逐渐提高，超过中、低密度甲酸钾盐水。③甲酸钾盐水黏度随甲酸钾盐水密度增大而增大，因而当黄原胶加量相同情况下，当盐水温度不高于90 ℃时，液体黏度随甲酸钾盐水密度增大而增大。

图1　黄原胶在甲酸钾盐水中表观黏度与温度的关系

图2　黄原胶在甲酸钾盐水中动切力与温度的关系

1.2　速溶型多元共聚物HS-600

速溶型多元共聚物HS-600是由2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、丙烯酰胺或烷基丙烯酰胺和丙烯酸及其衍生物为主料，矿物油、表面活性剂为辅料，经共聚反应制成的水溶性乳液，与甲酸盐水具有良好相容性。由于HS-600中含有大量磺酸基团，且分子主链以“—C—C—”相连，抗温、抗盐能力强，能有效提高钻完井液黏度，降低钻完井液滤失量、改善泥饼质量。HS-600产品有干粉和乳液2种，使用温度范围宽，在淡水中的热稳定温度可达140 ℃，但在甲酸盐水中的热稳定温度更高。图3为由河南某公司生产的HS-600（1.0%）在不同密度甲酸钾盐水中16 h的热稳定温度与盐水密度关系。

图3 HS-600在甲酸钾盐水中表观黏度与温度关系

实验结果表明：HS-600在低、中、高密度甲酸钾盐水中较好的溶解温度为110～190 ℃，与黄原胶不同的是，HS-600在甲酸钾盐水中无转换温度，当甲酸钾盐水密度≥1.40 g/cm3时，HS-600在甲酸钾盐水中的16 h热稳定温度可达200 ℃左右，HS-600在高密度甲酸盐完井液中的溶解性随温度升高而增强，完井液黏度也逐渐提高，HS-600在高密度甲酸钾盐水中不易发生降解，抗温效果好。

1.3　高黏羧甲基纤维素HV-CMC

图4为河北某公司生产的HV-CMC（1.5%）在不同密度甲酸钾盐水中16 h的热稳定温度与盐水密度关系。实验结果表明：HV-CMC在低、中、高密度甲酸钾盐水中较好溶解温度为50～170 ℃，16 h热稳定温度分别为130 、150、170 ℃，无转换温度。密度越高，低温下（≤110 ℃）HV-CMC溶解性越差，但高密度甲酸盐水中HV-CMC抗温效果也越好。

1.4　黏土（海泡石）

海泡石是一种黏土矿物，是一种复杂的镁硅盐，典型的化学式为Mg4Si6O15（OH）2·6H2O。其表观结构为细的纤维状微粒。用海泡石作甲酸盐水的增黏剂效果较好，其热稳定性可以达到200 ℃[5]。

图4 HV-CMC在甲酸钾盐水中表观黏度与温度关系

2　降滤失剂与甲酸盐水相容性

甲酸盐完井液用降滤失剂按其原料可分为纤维素类、淀粉类、合成聚合物类等。下面论述各降滤失剂在甲酸钾盐水中的降滤失效果与热稳定性。

2.1　低黏聚阴离子纤维素PAC-LV

2.1.1 PAC-LV与甲酸盐水相容性

图5为1.5%PAC-LV在不同密度甲酸钾盐水中16 h的热稳定温度与盐水密度关系。

图5 PAC-LV在不同密度甲酸钾盐水中表观黏度与温度关系

实验结果表明：PAC-LV在低、中、高密度甲酸钾盐水中较好溶解的温度为50～170 ℃，16 h热稳定极限温度在170 ℃左右，由于PAC-LV分子量较低，PAC-LV在低温50 ℃下，能更好地溶解在甲酸钾盐水中，盐水密度越高，PAC-LV溶解后黏度也越高，其抗温效果也越好，PAC-LV的热稳定性也取决于甲酸盐水类型和浓度。

2.1.2 PAC-LV对甲酸盐完井液滤失性能的影响

表1为PAC-LV加量对甲酸钾完井液滤失性能影响（热滚温度170 ℃）。实验结果表明：PAC-LV能有效降低甲酸盐完井液滤失量，当PAC-LV加量从1.0%增加到6.0%时，甲酸钾完井液API滤失量从220.0 mL降低至14.0 mL。

表1 PAC-LV加量对甲酸钾完井液滤失性能影响（170 ℃）

2.2　抗高温羧甲基淀粉CMS-HT

2.2.1 CMS-HT与甲酸盐水相容性

抗高温羧甲基淀粉CMS-HT是改性淀粉的代表产品，是醚类淀粉的一种。图6为广东某公司生产的CMS-HT在不同密度甲酸钾盐水中的16 h热稳定温度与盐水密度关系。实验结果表明：CMSHT与甲酸盐水具有较好的相容性，CMS-HT在低、中、高密度甲酸钾盐水中较好溶解的温度为50～190 ℃，16 h热稳定温度在170 ℃左右，在50～70℃时，CMS-HT也具有较好的溶解性，盐水密度越高，CMS-HT溶解后黏度也越高，热稳定性也越好。

图6 CMS-HT在甲酸钾盐水中表观黏度与温度关系

2.2.2 CMS-HT对甲酸盐完井液滤失性能的影响

表2为CMS-HT加量对甲酸钾完井液（热滚温度170 ℃）滤失性能影响。实验结果表明：CMS-HT能降低甲酸盐完井液滤失量，当CMS-HT加量从1.0%增大到6.0%时，甲酸钾完井液API滤失量从350.0 mL降低至38.0 mL。

表2 CMS-HT加量对甲酸钾完井液滤失性能影响（170 ℃）

2.3　合成聚合物DrisTemp

DrisTemp是一种用于控制钻完井液滤失量的低黏度聚合物，适用于高温钻井。DrisTemp在190 ℃的实验室测试温度下具有良好的性能，而在甲酸盐钻完井液中，在204 ℃以上的条件下该聚合物也表现出优异的性能。

2.3.1 DrisTemp与甲酸盐水相容性

图 7～图 9为 2.0%DrisTemp在 150、170、190 ℃下不同密度甲酸钾盐水中热滚16 h后的黏度。

图7 150 ℃下DrisTemp对不同密度甲酸钾盐水黏度影响

图8 170 ℃下DrisTemp对不同密度甲酸钾盐水黏度影响

图9 190 ℃下DrisTemp对不同密度甲酸钾盐水黏度影响

实验结果表明：DrisTemp与甲酸盐水相容性与甲酸盐水密度、温度密切相关[7]，当温度≤150℃时，甲酸钾盐水密度≤1.40 g/cm3时，DrisTemp与甲酸钾盐水具有很好的相容性，但在密度为1.50～1.60 g/cm3甲酸钾盐水中溶解性较差（见图10）；当温度≥170 ℃时，甲酸钾盐水密度≤1.40 g/cm3时，DrisTemp与甲酸钾盐水具有很好相容性，但在甲酸钾饱和密度（1.60 g/cm3）盐水中，DrisTemp溶解性极差，交联成团（见图11）。

图10 DrisTemp在甲酸钾盐水（左1.50 g/cm3、右1.60 g/cm3）150　℃热滚后的外观

图11 DrisTemp在密度1.60 g/cm3甲酸钾盐水中外观（左170 ℃热滚、右190 ℃热滚）

2.3.2 DrisTemp对甲酸盐完井液滤失性能的影响

图12为DrisTemp（2.0%）在190 ℃下不同密度甲酸钾盐水中热滚16 h后API滤失量。

图12 DrisTemp对不同密度甲酸钾盐水滤失性能影响

实验结果表明：DrisTemp的降滤失性能与其在甲酸盐水中的溶解性密切相关，而其溶解性又取决于甲酸盐水的温度和密度。当Dristemp在甲酸盐水中完全溶解后其粒径小于滤纸的孔喉，降滤失效果较差；当Dristemp在甲酸盐水中完全不溶解时，其粒径大于滤纸的孔喉，降滤失效果也较差；而当Dristemp在甲酸盐水中部分溶解时，其颗粒刚好与滤纸的孔喉相匹配，其降滤失效果最好。当温度≤150 ℃时，甲酸钾盐水密度为1.40 g/cm3时，DrisTemp降滤失效果最好；当温度≥170 ℃时，甲酸钾盐水密度为1.50 g/cm3时，DrisTemp的降滤失效果最好；当甲酸盐水密度小于1.50 g/cm3时，应当与封堵剂复配使用才能取得良好的降滤失效果；在甲酸钾饱和盐水（1.60 g/cm3）中，因没有足够多自由水溶解DrisTemp，因而降滤失效果也变得很差。

3　封堵剂与甲酸盐水相容性

3.1　封堵剂种类

在甲酸铯/钾钻完井液作业中，国外通常加入一定级配的暂堵剂来改善泥饼质量和控制滤失量，主要有细目碳酸钙（代号Baracarb）和改性石墨（代号Seal），国内比较好的封堵剂主要有不同目数细目钙（200目至2 500目）、H-2、ZHFD-1等样品。

1）Baracarb有6种不型号：5、25、50、150、600、2300，其中Baracarb 5、25 和50 可用于提高钻井液密度，起架桥作用，控制滤失量；Baracarb 50，150，600 和2300用于控制循环漏失问题。

2）G-Seal是由多种粒径的石墨组成，在钻井液中起桥接封堵渗漏地层的作用。当钻进存在不同地层压力的疏松地层时，G-Seal的桥接封堵性能可以减少压差卡钻的趋势，控制轻微—严重循环漏失。G-Seal是惰性物质，不会影响钻井液流变性能。由于具有润滑性，在钻井过程中可以降低扭矩和拉力。

3）H-2是一种含有天然纤维与碳酸钙的矿物，同时兼具刚性粒子架桥与柔性粒子填充的封堵作用，该剂可广泛应用于各种类型的钻完井液，适用温度范围宽（0～260 ℃），对钻完井液流变性能几乎没有任何影响，在加量≥3%时，便能有效降低钻完井液滤失量，封堵住渗透性地层。

4）ZHFD-1是一种由2类天然纤维与2类天然高强度颗粒按一定配比复配，经特殊加工粉碎而成的特种封堵剂，外观为灰白色自由流动粉末。该剂可应用于各类型钻完井液，适用温度范围宽（0～220 ℃），对钻完井液流变性能几乎没有任何影响，在加量≥3%时，便能有效封堵住20～40目、40～60目砂层以及缝宽不大于0.5 mm的微裂缝。

3.2　封堵剂对甲酸盐完井液滤失性能的影响

在甲酸盐完井液中，单一的淀粉类或纤维素降滤失剂并不能很有效降低完井液滤失量，因此为了改善滤饼质量和控制滤失量，经常需要添加封堵剂，才能降低甲酸盐完井液的滤失量。由于涉及到的封堵剂种类较多，主要研究中国超细碳酸钙、H-2对甲酸盐完井液滤失性能影响。

表3为不同粒径碳酸钙、H-2对甲酸盐完井液滤失量的影响（6%，热滚温度170 ℃）。结果表明：①相对基浆（加有LV-CMC，未加封堵剂）而言，加入不同粒径碳酸钙或H-2能有效降低滤失量，从23.8 mL降低至1～9.6 mL；其中200目～300目碳酸钙与H-2的降滤失效果最佳；②碳酸钙、H-2降滤失效果与完井液固相D50、D90密切相关，D50约在 9～15 µm，D90约在 40～50 µm 时，完井液滤失性能最佳，不能凭借碳酸钙目数来判定其封堵性能的好坏。

表3　不同粒径碳酸钙与H-2对甲酸钾完井液滤失性能影响

4　抗180 ℃无黏土相甲酸盐完井液

4.1　配方及性能

采用中国产PAC-LV，超低黏聚阴离子纤维素Antisol FL10、国外抗温淀粉ExstarHT、合成聚合物Dristemp作降滤失剂，HS-600作增黏剂，H-2作封堵剂，在不同密度甲酸盐完井液中进行实验，结果见表4。4组配方高温高压滤失量均控制在21 mL以下，流变性能满足使用要求。完井液配方如下（配制350 mL）。

1#配 方：325.3 g甲 酸 铯 溶 液（2.2 g/cm3）+218.3 g甲酸钾溶液（1.57 g/cm3）+5 g水+3 gK2CO3+2 g KHCO3+2.5 g PAC-LV+10 g BDF-265+4.5 g ExStar HT+7.5 g HS-600+2.0 g MgO+20 g H-2

2#配 方：530.6 g甲 酸 铯 溶 液（2.2 g/cm3）+102.6 g甲酸钾溶液（1.57 g/cm3）+17.4 g水+3 g K2CO3+2 g KHCO3+2.0 g PAC-LV+10 g BDF-265+4.5 g ExStar HT+7.5 g HS-600+2.1 g MgO+20 g H-2

3#配方：735 g甲酸铯溶液（2.2 g/cm3）+137 g固体甲酸铯+3 g K2CO3+2 g KHCO3+2.71 g PAC-LV+7.5 g Dristemp+10 g BDF-265+4.5 g ExStar HT+8.14 g HS-600+2.17 g MgO+22 g H-2

4#配方：325.3 g甲酸铯溶液（2.2 g/cm3）+218.3 g甲酸钾溶液（1.57 g/cm3）+35水+3 g K2CO3+2 g KHCO3+2.5 g PAC-LV+10 g BDF-265+3.0 g ExStar HT+2 g Antisol FL10+2 g MgO+20 g H-2

表4　不同密度甲酸盐完井液在180 ℃老化48 h后的性能

4.2　热稳定性

不同密度甲酸铯/钾完井液在180 ℃下热稳定实验结果见表5。在180 ℃下，不同老化时间的实验表明：采用国内处理剂与国外处理剂复配，适当调整处理剂加量与比例，在180 ℃热滚48 h后，完井液性能可以满足要求，但继续在180 ℃下静置7 d后，高温高压滤失量增加，黏度下降。全部采用国外处理剂配制的完井液在180 ℃下放置7 d后，高温高压滤失量保持在16 mL以下，流变性能稳定。

表5　不同密度甲酸盐完井液在180 ℃热滚不同时间后性能

5　结论

1．甲酸钾盐水密度越高，温度越高，黄原胶溶于甲酸盐完井液后的黏度与切力也越高；高密度甲酸盐水中含有更多的甲酸根离子，能抑制黄原胶的高温降解；黄原胶在低温情况下不易溶解。

2．PAC-LV、CMS-HT在甲酸钾盐水的热稳定温度也取决于基液浓度，无转换温度；由于降滤失剂分子量较低，在低温50～90 ℃时，降滤失剂类处理剂更能较好地溶解于高浓度甲酸盐水中。

3．DrisTemp降滤失性与其在甲酸盐水中的溶解性密切相关，而溶解性又取决于盐水温度和密度。

4．封堵剂碳酸钙或H-2能有效降低甲酸钾完井液滤失量，同时他们的降滤失效果与其粒径D50、D90密切相关，当D50大约在9～15 µm，D90大约在40～50 µm时，封堵剂降滤失效果最佳。

5．采用国内与国外处理剂复配，适当调整加量与比例，在180 ℃热滚48 h后，完井液性能可以满足要求，但继续在180 ℃下静置7 d后，完井液高温高压滤失量增加，黏度下降。全部采用国外处理剂配制的完井液在180 ℃下放置7 d后，高温高压滤失量保持在16 mL以下，流变性能稳定。