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固井前置冲洗液的研究发展

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前置 冲洗 研究 发展
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  文章编号 : 1000 - 2634 (2005) 01 - 0070 - 05固井前置冲洗液的研究发展 a ,郭小阳 b , 杨远光 b , 郑友志 a(西南石油学院 : a. 研究生院 , b. 石油工程学院 , 四川 成都 610500)摘要 : 冲洗液的主要作用是冲刷井壁和套管壁的虚泥饼、油浆和油膜 ,稀释钻井液使之保持良好的流动性能。从而提高顶替效率并改善界面亲水能力 ,提高第一、二界面胶结强度 ,提高固井质量的。所以我们要在使用前要进行合理的设计 ,要全面了解其种类、性能标准、体系常用组分及作用原理、设计要求以及性能评价手段、方法、标准等 ,这样才能很好的利用和综合发挥冲洗液的作用。关键词 : 冲洗液 ; 作用原理 ; 性能评价中图分类号 :         文献标识码 : 冲洗液是属于固井前置液 ,用在固井注水泥之前 ,主要是用于清洗井壁油污和胶凝钻井液 ,改善固井二界面亲水性能 ,提高二界面与水泥环的胶结强度。在保证钻井液悬浮性能前提下 ,良好改善其流动性能 ,提高水泥浆顶替钻井液的效率 ,提高固井质量。最初采用清水作为冲洗液 ,但随着钻井液体系的发展 ,就对冲洗液性能的要求不断提高 ,清水已无法满足要求。例如 :用于油基钻井液或油包水乳化钻井液以及合成基钻井液等钻井液钻井。目前一些冲洗液达不到固井流体设计要求 ,对于一些薄弱压力地层、水敏坍塌地层一些冲洗液的使用也受到限制。因而现场钻井条件及工况条件的要求就不断推进冲洗液体系的研究 ,所以全面了解和掌握冲洗液的性能和设计要求、冲洗作用机理及性能评价标准、方法和手段是极其必要的。1  冲洗液的性能指标和设计要求1. 1  性能指标 \[1 - 5 \](1) 一般都有较低的基浆密度 (1. 0~ 1. 03 g/,并接近牛顿流体类型。如果在流体中加入了研磨性固体颗粒时 ,可以不受此限制 ,但要低于水泥浆的密度。(2) 有很低的粘度。基浆流型应接近牛顿型 ,在井底循环温度下有很低的紊流临界返速 ,一般在0. 3~ 0. 5 m/ s 或更低 ,用于紊流顶替。(3) 有一定的悬浮性能。可以有效的防止钻井液固相颗粒和冲蚀下来的泥饼的沉降和堆积。(4) 冲洗液对井壁疏松泥饼具有渗透能力 ,使泥饼易于冲洗剥落。(5) 对于稀释型冲洗液要求能稀释和分散钻井液 ,降低钻井液的粘度和切力 ,使钻井液或泥饼的结构松弛、拆散 ,易于在较低的流速下达到紊流顶替 ,临界返速控制在 0. 5 m/ s 以下。(6) 与水泥浆相容性好 ,对水泥浆稠化时间和强度的影响要小。(7) 对于冲洗型一般都要求在流体中加入惰性固体颗粒 ,增强冲刷能力 ,同时还要有一定的悬浮性。(8) 要求对套管不产生腐蚀作用。1. 2   冲洗液在配方设计上的一般要求和原则 \[1 - 4 ,18 \](1) 冲洗液用水考虑 :盐层用盐水 ,海上用海水 ,一般情况则用淡水。(2) 对于泥页岩的过敏性地层考虑使用 10 %~15 %的 液或 3 %~ 5 %的 液。同时可用 为悬浮剂。(3) 淡水加入 28~ 29 使钻井液与水泥浆接触的部分 p H > 8 以上 ,可以防止破坏钻井液 ,造成井壁的坍塌。(4) 淡水加 0. 5~ 1. 0 木质素磺酸盐或第 27 卷  第 1 期           西 南 石 油 学 院 学 报           27   12005 年   2 月                 2005  X 收稿日期 : 2004 - 01 - 21作者简介 : 杨香艳 (1979) ,女 (汉族 ) ,黑龙江省绥化市人 ,在读博士 ,主要从事固井前置液、油田化学外加剂、油井水泥浆及固井工程的研究。铁络盐或磺化栲胶等可以稀释钻井液 ,分散和缓凝水泥浆作用 ,但要注意对水泥浆的沉降作用。(5) 淡水加 2~ 3 磷酸钠和焦磷酸氢钠 ,可防止对水泥浆的增稠和促凝作用。(6) 淡水 (或海水或盐水 ) 加入 1. 5~ 3 kg/或 , 和 5 ~ 10 浮固体颗粒。(7) 淡水 (基液 )加入 6 %~ 12 %水玻璃 (页岩抑制剂 ) 、 0. 2 %粘和悬浮作用 ) 、 0. 2 %硼砂 (缓凝作用 )复配。(8) 淡水加入表面活性剂 (非离子表面活性剂、阴离子表面活性剂、两性表面活性剂以及它们的复配体系 ) ,有利于提高对界面的清洗和冲刷作用 ,改善界面的润湿性能。(9) 基液中加入小分子有机物质可以增加对井壁泥饼的渗透作用 ,使井壁虚泥饼易于冲洗剥落。基液中加入固体颗粒可以增强冲洗液对井壁和套管壁的冲刷作用。2  冲洗液组分分析及国内外发展概况2. 1  表面活性剂类化学冲洗液该类冲洗液主要是以一定量的表面活性剂及复配的表面活性剂体系为主剂 ,利用表面活性剂所特有的表面活性 (润湿性、渗透性及乳化性等 ) 作用于井壁和套管壁 ,降低二界面表面张力 ,增强冲洗液对界面的润湿作用和冲洗作用。对于用于油基钻井液钻井的冲洗液 ,常使用 8 以上的亲水性强的O/ W 型表面活性剂或复配的 O/ W 表面活性剂体系。一般规律为表面活性剂的亲水性越强 ,冲洗和润湿界面的作用就强。2. 1. 1  常用的表面活性剂 \[2 ,3 ,6 \]非离子表面活性剂和阴离子表面活性剂有 :羟乙基化壬烯苯酚、羟乙基化醇、磺化线性直链醇以及脂肪酸的酰胺化合物、脂肪醇聚氧乙烯醚、脂肪酸山梨醇酐聚氧乙烯醚、聚氧乙烯烷基酚醚和十二烷基硫酸钠、烷基磺酸钠、烷基苯磺酸钠等表面活性剂以及二烷基或三烷基胺同脂肪酸反应得到的两性表面活性剂等。这些表面活性剂中可以进行阴离子、非离子及两性表面活性剂之间的复配 ,调节复配表面活性剂体系的 达到配制冲洗液的要求 ,可以配制出适用于水基钻井液或油基钻井液的冲洗液。对于适用于油基钻井液钻井的冲洗液在含有亲油表面活性剂 ,同时也要有不溶于油的亲水表面活性剂 \[3 \]。如 :恶唑林、复胺盐、环烷基钠盐、羟乙基酚、脂肪酸聚甘油酯、复合有机磷酸酯等 ,以及含氮的脂肪羧酸酯、十二烷基苯、十六烷基胺化合物、 . 1. 2  表面活性剂的加量及常见问题 \[6 \]一般说来 ,以冲洗液总量的 0. 1 %~ 1. 0 %的比例加入较为合适。单独使用非离子表面活性剂 ,加量以 0. 4 %~ 1. 5 %为佳 ,并且使用时要注意非离子表面活性剂的浊点问题 ,一般选用合适阴离子表面活性剂复配可提高其浊点。阴离子与非离子表面活性剂复配体系 ,要考虑阴离子易起泡的问题。控制阴离子与非离子表面活性剂的总量不超过 1. 5 % ,阴离子与非离子表面活性剂的比例在 2∶ 1~ 1∶ 1。两性表面活性剂一般与阴离子、非离子表面活性剂复配使用 ,其加量约占表面活性剂总量的 3 %~20 % ,占冲洗液体系总重量的 0. 05 %~ 0. 54 %。2. 1. 3  冲洗液产品及作用机理(1) 化学冲洗液 \[2 \]用于水基钻井液。主要是由阴离子表面活性剂和非离子表面活性剂 (脂肪醇聚氧乙烯醚平平加型 )以 3∶ 1 复配体系、稀释剂 和降失水剂 分组成。复配的表面活性剂 为 24. 8 ,具有强亲水性 ,润湿和清洗作用强 ,良好的改善和提高水泥环的胶结强度和质量。(2) 洗液 \[10 \]用于油包水钻井液。主要是由阴离子表面活性剂、非离子表面活性剂、有机溶剂、螯合剂和稳定剂等组分组成。其中起主要作用就是阴离子表面活性剂和非离子表面活性剂对油包水钻井液的破乳作用和逆乳化增溶作用 ,将井壁和套管壁的油浆和油膜有效清除。有机溶剂的作用就是增强对井壁的渗透作用 ,可以辅助表面活性剂加快对界面上油污的溶解分离速率。螯合剂分子与钻井液中的 、 、 等金属离子螯合 ,避免了金属离子与表面活性剂反应而降低表面活性剂的表面活性产生沉淀。(3) [5 \]主要是由高分子流型控制剂、粘土膨胀分散抑制剂及非离子表面活性剂等组分组成。由于其中加入了非离子表面活性剂就降低了冲洗界面的表面张力 ,低于了固相的表面张力。使冲洗液能够迅速的浸湿泥饼 ,加速泥饼脱落。17第 1 期               杨香艳等 :  固井前置冲洗液的研究发展(4) 学冲洗液 \[11 \]用于油基钻井液。主要是由非离子表面活性剂、液态硅酸盐及水组成。其中非离子表面活性剂的作用是表面活性剂的亲水端易吸附在油水界面、套管壁及井壁表面上 ,表面得到了充分的润湿 ,界面张力和油浆在界面上的吸附能降低 ,清洗油污作用增强 ,冲洗效率提高了。(5) 盐高效前置液 \[8 \]冲洗液的组分为 :高分子生物聚合物、非离子表面活性剂、页岩和粘土稳定剂。非离子表面活性剂有效改善泥饼的润湿性 ,降低界面表面张力 ,再加上高分子聚合物与膨润土的吸附产生拖拽力 ,能够相互协同作用 ,提高清洗冲刷泥饼的效率 ,提高界面胶结强度和水泥环的胶结质量。(6) 井前置液 \[9 \]冲洗液的组成组分为 :表面活性剂、无机盐和纤维素。其中表面活性剂所起的作用就是改善界面亲水性能。增强对井壁和套管壁的润湿和清洗作用。2. 2  有固相冲洗液主要是由基浆及泥浆的稀释剂、页岩稳定剂、表面活性剂等配制冲洗液达到冲洗的目的和要求。一般配方是加入稀释剂、分散剂的泥浆可作为冲洗液。此类冲洗液配置工艺简单、方便 ,但是有时达不到冲洗液的性能要求。其实这类中根据需要配方中也加入一定量的表面活性剂 ,用于改善界面亲水性能 ,提高冲洗效率。2. 3  无粘土固相冲洗液体系 \[13 - 18 \]该类冲洗液用在采矿业中居多 ,但也有少量用在固井工程上。主要是抑制页岩、泥岩的膨胀 ,抑制水敏地层 ,保护井壁作用。该类冲洗液主要是水溶性聚合物如 :天然聚合物、生物聚合物及人工合成的聚合物为主要组分 ,再辅助以其它的处理剂。冲洗液中没有固相成分 ,对钻井井壁有稳定和防坍塌的效果。通过水溶性高分子的吸附成膜和胶结作用 \[12 \],当聚合物在岩石表面形成一定厚度和致密程度的吸附膜时 ,便对岩石产生相对的胶结作用。聚合物的官能团和分子量是影响聚合物吸附成膜的主要因素 ,官能团对聚合物成膜影响较大。一般阴离子型聚合物 ,带有强亲水基团 ( — 、— ) 具有分子链伸展性好的特点 ,对吸附成膜很有利 ,但是与水亲合力强、紧密及与岩石的吸附选择性有很不利于吸附成膜作用。与非离子聚合物相比成膜作用稍差。非 离 子 聚 合 物 分 子 的 官 能 团 有 — N — 2 、— O —等 ,此类聚合物与水排斥作用较强吸附时的水膜阻力小。非离子官能团与岩石表面裸露氧产生氢键缔合 ,并对岩石的吸附无选择性 ,有利于吸附成膜作用。阳离子型聚合物由于其对岩石的吸附性较强并且产品少而使用较少。(1) 人工合成聚合物类冲洗液 \[12 ,13 ,15 ,16 ,19 \]一般选用的人工合成的聚合物都是一些低聚合度、分子量不高的低聚物。主要常用的聚合物有 :非离子型的 阴离子与非离子型共存的 阴离子型 丙烯酸钠等。(2) 天然聚合物类冲洗液 \[14 ,16 ,17 \]天然聚合物主要包括各种植物胶、纤维素及其衍生物、淀粉及其衍生物。植物胶产品有魔芋胶 ( M Y 主要组分是葡萄甘露聚糖 ) ,田菁胶 ( 、瑰豆胶 (主要成分是半乳甘露聚糖 ) 、 (多糖类 )及 胶 (多糖类 )等。纤维素是是植物纤维的主要成分 ,是由单糖 粉是一种吡喃葡萄糖单体 ,是通过 α 3) 生物聚合物类冲洗液 \[16 \]主要利用蔗糖、葡萄糖、麦芽糖、果糖、乳糖和半乳糖用黄单胞菌发酵制成的生物聚合物为冲洗液的有效组分 ,该类冲洗液具有良好的悬浮能力。3  冲洗液的作用机理分析通过对以上各种冲洗液产品的特点及其组分在配方中的应用分析总结冲洗液作用机理可大致分为以下几种 :3. 1  物理冲刷理论物理冲刷理论是采用冲洗液的紊流冲刷作用和水力机械作用冲刷井壁 ,清除井壁虚泥饼和油污以达到提高第一、二界面胶结强度的目的。如最初采用的清水和研磨性冲洗液的冲洗机理就是如此。同样在冲洗液中加入固体惰性粒子 ,其目的在于提高冲洗液对井壁套管壁的物理冲刷作用和紊流冲洗效果。这类冲洗液一般应用于水基钻井液钻井井壁。3. 2  化学冲洗作用理论通过在冲洗液配方中加入一种或多种化学试27 西南石油学院学报                     2005 年剂 ,有效清除井壁虚泥饼和油污 ,改善井壁 ,提高水润湿环境和第一、二界面胶结强度。一般都是采用加入表面活性剂 ,利用表面活性剂的润湿、渗透、乳化等特性 ,可以良好改善二界面水湿特性 ,提高冲洗液对固井二界面冲洗能力和冲洗效率 ;采用加入聚合物 ,利用聚合物与井壁泥饼的吸附作用使冲洗液在冲洗过程中的拖拽拉力提高对井壁的冲洗效率 ,同时可以有效的提高水泥环与界面的胶结质量 ;也有的加入胶结类物质 ,主要是金属的碳酸氢盐和金属的液态硅酸盐等 ,可以辅助提高二界面与水泥的胶结强度。这类化学冲洗液发展较快并且应用广泛 ,应用于水基、油基和油包水钻井液等钻井的井壁和套管。3. 3  聚合物吸附胶结和渗析胶结理论选用低聚合度、非离子性、结晶性好的高分子聚合物 (或和非离子表面活性剂一起 ) 为主剂 ,再加入其它辅助试剂复配成冲洗液。利用非离子表面活性剂的润湿和洗涤特性冲洗井壁 ,再利用低聚合度的聚合物的吸附特性 ,在易坍塌地层及水敏地层产生竞争吸附 ,高分子聚合物优先吸附于井壁 ,保护易坍塌地层及水敏地层。在这种聚合物冲洗液中 ,由于选择了低聚合度、非离子型、结晶性好的高分子聚合物 ,应用于有水浸润和冲蚀下立即散落的水敏坍塌层有良好的效果。例如 :(1) 大水解度 固相冲洗液 ,由于 分子吸附基团与岩石颗粒极性作用形成多点吸附并且在松散的岩石之间产生渗析胶结从而形成高分子保护膜 ,起到防止井壁坍塌的作用 ;(2) 对于 固相冲洗液 ,主要是发生水分子与高分子聚合物的竞争吸附 ,此瞬间高分子聚合物的吸附占据明显优势 ,则孔壁将增强其稳定性。洗液中 ,含有低分子量聚合物 ,而且又是非离子型的 ,在岩石表面容易形成平卧式吸附 ,吸附速度快 ,吸附胶结作用强。这类冲洗液主要是用于采矿业中 ,在固井前置冲洗液中应用还很少。冲洗液在使用中作用机理多为前两种的综合作用效果。第三种作用机理少数运用于固井冲洗液中 ,但是研究和应用还不成熟。4  冲洗液评价标准、方法和手段冲洗液的性能评价包括很多方面 ,如 :冲洗液的流变性、冲洗效率、与泥浆、水泥浆的相容性、冲洗后的界面胶结强度、对井壁的润湿性、稳定性及腐蚀性等等评价。这里对最主要的性能进行了分析介绍 ,包括自身性能评价流变性及冲洗效率和冲洗后的界面胶结强度以及与钻井液、水泥浆的相容性实验及评价。4. 1  流变性相容实验主要是对冲洗液自身流变性测定和不同比例混浆后流变性测定 ,一般所用仪器为常规的 钻井液以不同比例混合后的浆体视粘度明显降低或不变 ,则表明可以稀释钻井液或保证对钻井液不增稠、不絮凝 ,保证水泥浆顶替钻井液的顶替效率。与水泥浆以不同比例混合后的浆体要保证 :固井稠化时间要求、水泥石抗压强度要求。4. 2  界面冲洗效率的评价对于冲洗液对界面冲洗效率的评价方法和手段还没有一个统一确切的标准 ,一般都是依据不同的情况进行简单的评价 ,现有国内外有五种测试手段 \[7 \],每一种都是适用于不同的情况也不是很完善 ,并且各有利弊 ,只是一个相对的比较和评价。也有人设计了小型模拟装置及小型有机玻璃制模拟冲洗装置 \[7 ,10 ,11 \]进行井下轴向冲洗模拟试验 ,以此评价冲洗液的冲洗效率。为了进一步研究和确定冲洗液的冲洗效率还可利用大型模拟井筒装置 \[10 \]进行地面模拟井下条件试验。4. 3  界面胶结强度评价方法界面胶结强度分为剪切胶结强度和水力胶结强度 ,但多数为测定的是水泥环和界面的剪切胶结强度 ,并且模拟的界面多为第一界面即水泥环和套管壁的胶结情况。均是采用压出法原理 \[11 ,20 \]进行测定 :用钢管模拟井壁套管作为外模 ,浸入钻井液中一定时间取出 ,稳重称量 ,再用直径小于外模的钢管或人造岩心作为内模。内模和外模放到平整的铁板上 ,在环空充满水泥浆养护一定时间 ,再压力机上进行压出试验 ,通过压力机读数计算界面胶结强度。4. 4  其它评价方法 \[7 \]冲洗液冲洗的目的之一就是改善界面的亲水性能 ,使其与水泥环良好的胶结。主要是采用测定润湿角来评价。对井壁稳定性的影响主要是通过岩屑滚动回收率试验进行评价。对于冲洗液的抗污染能力测定主要是采用冲洗液单液连续反复冲洗进行评价。37第 1 期               杨香艳等 :  固井前置冲洗液的研究发展5  结 论(1) 冲洗液用于固井工程 ,对于改善固井界面、增强界面胶结强度、提高固井质量和延长油气井寿命具有重要意义。(2) 目前国内研究的冲洗液类型还很少 ,适应性不强。由于冲洗液涉及化学方面知识多 ,需要借鉴化学行业更多的理论知识 ,研制性能优质的冲洗液体系。(3) 冲洗界面后冲洗效果的评价手段和测试方法还不够成熟 ,有待进一步研究和完善。(4) 对于冲洗后的井壁滤饼没有具体的研究工作 ,尤其是对于滤饼冲洗后的微观改变性能研究甚少。良好的改善滤饼性能 ,使之与水泥环具有良好的胶结强度是提高固井质量的重要途径。因此 ,冲洗液冲洗井壁滤饼作用和效率 ,对滤饼的组分、渗透性及强度的影响规律等 ,这些都有待于固井研究人员进一步研究 ,并建立一套相应的冲洗液评价和测试手段。(5) 对于表面活性剂在冲洗液中的使用已经较为成熟 ,而对于聚合物类物质应用还少 ,可以借鉴采矿业部分理论 ,开发更多的聚合物研究冲洗液体系 ,并对冲洗液作用机理进行深入的研究。参考文献 :\[1 \]  钻井手册 (甲方 ) 编写组 . 钻井手册 (甲方 ) . 上册 \[ M \]石油工业出版社 ,1990.\[2 \]  姚晓 . 化学冲洗液的室内研究 \[J \]1995 , (1) :17 - 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