高效驅油清洗液的研制與現場應用*

張家瑞，屈 勇，郝海洋，何吉標，劉俊君

（中國石化江漢石油工程有限公司頁巖氣開采技術服務公司，湖北武漢 430206）

目前，大部分涪陵頁巖氣水平井采用油基鉆井液施工，油膜及油基泥餅對水泥環與固井界面的膠結質量影響大［1-3］，甚至出現環空帶壓等行業難題，嚴重影響頁巖氣井的勘探開發效益。針對目前用于油基鉆井液的清洗液增溶能力有限、用量大、清洗和潤濕反轉難以達到理想效果的難題，利用微乳增溶原理［4-7］，增強驅油清洗液對油基鉆井液的增溶能力，降低油水界面張力，以此達到對井壁油基泥餅高效驅替清洗和潤濕反轉的效果，從而提高固井界面膠結質量［8-10］。哈里伯頓公司的Ryan等［11］最早于2010年開展了微乳液清洗油基鉆井液的研究，以對油增溶能力為主要評價標準，優選出一套針對柴油基鉆井液的微乳液體系，并在美國洛基山區塊現場應用100 多口油氣井。2012 年貝克休斯公司的Jonathan 等［12］以界面張力、沖洗效率及潤濕改性能力為主要標準，優選并評價了清洗油基鉆井液用微乳液體系，提出了微乳液體系所具備的超低油水界面張力及通過多孔介質時所表現的極高分散性。同年，斯倫貝謝公司的Juan等［13］研究了微乳液對油基鉆井液、合成基鉆井液的清洗效果，室內配制的微乳液在5 min 內的清洗效率達到100%。國內王成文等［4］根據表面活性劑鹽水溶液與油接觸后表面活性劑組裝形成油水界面膜包裹油相而原位形成微乳液的原理，以微乳液增溶參數、界面張力等為主要評價指標，研制的微乳液型沖洗液對油基鉆井液的沖洗效率在7 min 內達到95%以上。卜繼勇等［5］針對微乳液型油基鉆井液清洗液適用溫度范圍窄、高鹽情況失效等問題，優選表面活性劑制備的耐溫抗鹽油基鉆井液清洗液在40～120 ℃及高鹽條件下的清洗效率大于95%。

國外各大油服公司及國內川渝、涪陵等頁巖氣區塊均開展了微乳液清洗油基鉆井液的研究，在微乳液選擇、清洗機理和評價方面取得了一定的進展。研究結果表明微乳液具有較好的清洗效果。然而，隨著國內頁巖氣井固井技術不斷發展以及環保質量的要求，單井前置液用量降低直接導致油基濾餅沖刷時間減少，這對沖洗液性能提出了更高的要求，同時為滿足固井液柱壓力設計，前置液抗物體凝聚性能弱會使得加重劑的加入直接影響清洗效率。本文從微乳液的增溶效果出發，研制了一種驅油清洗劑QX-1，將其與自來水、隔離劑、加重材料等混合制得高效驅油清洗液。評價了該清洗劑的沉降穩定性、清洗效率、界面膠結強度及相容性等，并在涪陵頁巖氣井產層固井進行了現場應用。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

環氧丙烷，分析純，天津市津東天正精細化學試劑廠；環氧乙烷，分析純，湖北盛天恒創生物科技有限公司；脂肪醇，分析純，廣東翁江化學試劑有限公司；Z-N 催化劑（有機金屬催化劑），工業級，陶氏化工公司；聚山梨酯-80（TW-80），分析純，無錫市亞泰聯合化工有限公司；聚氧乙烯辛基苯酚醚-10（OP-10），工業級，濟南斯貝特化工有限公司；十二烷基苯磺酸鈉（LAS-60），>70%，廣州中?；す煞萦邢薰?；羧甲基纖維素（CMC），分析純，湖北鑫潤德化工有限公司；黃原膠（XG），分析純，上海邦景實業有限公司；改性淀粉類隔離劑（GL-1），工業級，中國石化江漢石油工程有限公司頁巖氣開采技術服務公司；JY192-4HF 井現場油基鉆井液；固井水泥漿，室內配制，原材料取自JY192-4HF 井生產套管固井用領漿大樣灰；重晶石，東營泰和石油助劑有限公司；鐵礦粉、驅油清洗液（WH-7），衛輝市化工有限公司；驅油清洗液（VER），荊州嘉華科技有限公司；仿地井筒，將砂粒、水、水泥按比例混合，用磨具制作而成，中國地質大學（武漢）。

RE-1005 旋轉蒸發儀，上海鷹迪儀器設備有限公司；恒速攪拌器，沈陽市石油儀器研究所；K100全自動表界面張力儀，德國Krüss公司；YJ-3液體密度計、電動六速旋轉黏度計，青島同春石油儀器有限公司；勻加載壓力測試儀，遼寧貝斯瑞德石油裝備制造有限公司；TG-1220C 常壓稠化儀，沈陽泰格石油儀器設備制造有限公司。

1.2 性能評價方法

為有效評價高效驅油清洗液體系對頁巖氣水平井固井條件的適應性，從清洗效率、加重懸浮穩定性、界面膠結強度和潤濕反轉等幾個方面進行測試評價。

（1）清洗效率的評價

①轉筒清洗效率的測定。采用六速旋轉黏度計，用儀器轉筒固定轉速模擬井壁以及現場實際清洗液泵注排量的方法測定清洗液的清洗效率。該方法以轉筒模擬套管，評價清洗液對套管內外面上的油基泥漿的清洗效率。具體實驗步驟為：測定黏度計外轉筒質量（m0）；將黏度計外轉筒置于冷油基泥漿中浸泡15 min后取出，測得此時外轉筒的質量為m1；將配好的清洗液置于70 ℃常壓恒溫養護20 min；將浸泡了油基泥漿的黏度計外轉筒安裝好并置于裝有清洗液的漿杯中，以300 r/min的轉速旋轉外轉筒清洗10 min，然后停止旋轉外轉筒，將漿杯中的清洗液倒出并倒入自來水，將外轉筒再置于裝有自來水的漿杯中以300 r/min 的轉速旋轉外轉筒清洗1 min，取下轉筒靜置于吸水紙上3 min，測得此時外轉筒的質量為m2；按（m1-m2）/（m1-m0）×100%計算清洗效率η。

②泥餅去除效率的測定。以粗糙的砂紙模擬井壁，將均勻涂抹油基鉆井液的砂紙用鐵絲固定在黏度計外轉筒上，將外轉筒安裝好并置于裝有清洗液的漿杯中，后續操作與①相同，測定砂紙清洗前后的質量，計算清洗液對井壁上油基泥漿的清洗效率。計算公式與①相同。

（2）沉降穩定性的評價

將清洗液置于量筒中，放于常壓稠化儀的水浴中養護2 h，然后測定不同層位清洗液的密度，根據上部、中部、下部水泥漿的密度差，評價水泥漿體系的沉降穩定性。

（3）界面潤濕反轉評價

清洗液的潤濕反轉特性反映了清洗液對井壁和套管外壁的改性效果，即將親油的壁面改性為親水泥漿的特性，從而實現增強套管-水泥環界面和水泥環-地層界面膠結強度的效果。將自來水滴在模擬井壁的砂紙上、含有油基泥漿的砂紙上和經清洗液清洗后的砂紙上，通過觀察液滴在3 種砂紙表面的鋪開程度，評價清洗液對界面的潤濕反轉效果。

（4）界面膠結強度的測定

將仿地井筒底部用玻璃板密封，在仿地井筒內倒入油基鉆井液，待浸泡20 min形成油基泥餅后拆除底部玻璃板將油基鉆井液倒出，分別用自來水、由QX-1 配制的高效驅油清洗液以及由同類產品（WH-7、VER）配制的高效驅油清洗液清洗仿地井筒內的油基泥餅10 min，再用自來水清洗1 min，然后將仿地井筒底部用玻璃板密封并倒入配好的水泥漿，待水泥漿靜膠凝后放入90 ℃水浴養護箱中養護2 d，測定水泥石抗剪切強度，以此表明不同介質處理后樣品的界面膠結強度。按式（1）計算抗剪切強度。

其中，p—界面膠結強度，Pa；F—膠結破壞最大力值，N；h—仿地井筒的高度，m；D—仿地井筒內徑，m。

（5）相容性測試

為保證固井施工的安全進行，要求前置液與油基鉆井液和水泥漿的配伍性良好，即不同混合比例下的混合漿在井底溫度條件下要有良好的流變性。室內將高效驅油清洗液、油基鉆井液和水泥漿按照不同比例進行兩兩以及三項混合，在常溫常壓條件下采用六速旋轉黏度計測試混合相的流變數據；將混合相倒入常壓稠化儀漿杯中，在90 ℃下養護20 min 后用六速旋轉黏度計測試90 ℃條件下的流變數據。

2 結果與討論

2.1 驅油清洗劑QX-1的研制

利用微乳增溶原理，以環氧丙烷、環氧乙烷為原料，合成了一種改性聚氧乙烯-聚氧丙烯嵌段共聚物，并與助表面活性劑復配形成驅油清洗劑QX-1，同時優選隔離劑和加重劑，完成高效驅油清洗液的構建。其清洗作用機理主要通過QX-1降低油相界面張力，將油基濾餅從井筒壁面剝離、包裹，并溶解于清洗液中。QX-1可以增溶油基鉆井液，降低油水界面張力，對井壁油基泥餅有高效驅替清洗和潤濕反轉的效果，有助于提高固井一、二界面的膠結質量。

2.1.1 共聚表面活性劑的性能

選擇碳原子數在12～20 的脂肪醇作為親油基團，通過改變脂肪醇、環氧乙烷和環氧丙烷的配比及反應條件，控制碳鏈長度，兼顧潤濕性和乳化性，合成了密度為1.03 g/cm3、親水親油平衡值（HLB）為13.4、表面張力為29.5 mN/m 的改性聚氧乙烯-聚氧丙烯嵌段共聚物。該表面活性劑屬于非離子表面活性材料，具有優良的水溶性、乳化增溶、潤濕滲透和抑泡能力，防止地層基質及套管表面再污染的能力強，有利于清洗固井界面油膜和膠凝鉆井液，且與陰離子和其他非離子表面活性劑配合使用后具有更加優異的清洗和潤濕作用。

2.1.2 助表面活性劑優選

清洗助表面活性材料可以與高價陽離子起螯合作用，并且對固體污垢有抗凝聚作用或分散作用，防止污垢再沉積。共聚表面活性劑與助表面活性劑復配制得驅油清洗劑QX-1。由于微乳增溶能力，沖洗液清洗效果增強。用100 g 自來水配制質量分數為2.0%的共聚表面活性劑溶液，分別加入不同比例、類別的助表面活性劑。助表面活性劑加量對QX-1清洗效率的影響如表1所示。由表可見，與助表面活性劑LAS-60 復配可大幅提高QX-1 的清洗效率，有效增強QX-1對油基鉆井液的滲透能力，提高破乳、沖洗和潤濕反轉效果，清洗效率可達90%。通過對比不同助表面活性劑以及加量對QX-1 清洗效率的影響，優選4% LAS-60 作為助表面活性劑，后續實驗中QX-1的配方為2%共聚表面活性劑、4%助表面活性劑。

表1 助表面活性劑對QX-1清洗效率的影響

2.1.3 隔離劑優選

為保證固井施工平衡壓力注替，需對驅油清洗液進行加重處理，以保證對地層的壓穩防竄。在500 g 水中加入不同量的隔離劑和20%的QX-1，用六速旋轉黏度計測定溶液在常溫和90 ℃下的流變參數，結果如表2 所示。CMC、XG 和GL-1 均具有增黏效果。CMC的增黏效果較弱；XG加量小，增黏效果明顯，但常溫水化分散能力較弱，不利于現場水化施工；GL-1增黏效果明顯，常溫水化速率快，可作為前置液隔離劑的增黏材料。

表2 隔離劑對驅油清洗液流變性的影響

2.1.4 加重劑優選

常用的加重材料主要有重晶石和鐵礦粉，不同廠家生產的加重材料粒徑存在差異。為兼顧加重驅油清洗液的流變性與沉降穩定性，通過測試相同密度（1.65 g/cm3）條件下加重驅油清洗液的常溫流變性能與90 ℃沉降穩定性優選加重材料，結果見表3。重晶石和鐵礦粉加重驅油清洗液的配方分別為：水+125%重晶石+2% GL-1+20% QX-1；水+115%鐵礦粉+2.5%GL-1+20%QX-1。由表可見，含不同粒徑加重劑的驅油清洗液的常溫流變性均較好，利于現場施工泵注。其中，23 μm（600 目）重晶石與58 μm（250目）鐵礦粉配制的高效驅油清洗液的沉降穩定性相對較好。兼顧考慮材料成本，優選600 目重晶石作為加重劑。將隔離劑、加重劑與QX-1 復配，制得密度為1.65 g/cm3的高效驅油清洗液配方為：500 g 水+2.0% GL-1+125% 600 目重晶石+20%QX-1。

表3 加重劑對高效驅油清洗液流變性與沉降穩定性的影響

2.2 高效驅油清洗液沉降穩定性

通過密度差和量筒底部沉降情況評價隔離劑GL-1 對驅油清洗液體系沉降穩定性的影響。由表4、表5 可知，不同GL-1 加量以及不同溫度條件下，高效驅油清洗液的上下測試密度差均≤0.02 g/cm3，量筒底部均無沉降，同時不同溫度下的沉降穩定性并未出現較大波動，沉降穩定性良好。同時，該體系具有低黏高切的特點，有利于降低固井施工循環壓耗和安全風險，提高驅替效率。

表4 90 ℃下GL-1加量對高效驅油清洗液沉降穩定性的影響

表5 不同溫度下高效驅油清洗液的沉降穩定性

2.3 清洗效率

2.3.1 轉筒清洗效率

以轉筒外壁模擬套管外壁，用六速旋轉黏度計考察QX-1 加量對高效驅油清洗液清洗效率的影響，評價高效驅油清洗液對固井一界面的清洗效果。高效驅油清洗液可以很好地清除附著在轉筒外面的油基鉆井液。清水與QX-1 質量分數為10%、20%的高效驅油清洗液對油基濾餅的清洗效率分別為22.44%、87.44%、93.94%。QX-1可大幅提高高效驅油清洗液對油基鉆井液的清洗效率，并且清洗效率隨QX-1加量增大而增加。由此說明高效驅油清洗液能清除頁巖氣水平井產層套管外壁的油基鉆井液，有利于界面膠結質量的提高。

2.3.2 泥餅去除效率

通過砂紙涂抹油基鉆井液模擬固井井壁油基泥餅，評價高效驅油清洗液對固井二界面的清洗效果。經高效驅油清洗液處理后，模擬井壁表面的鉆井液泥餅大部分被去除，僅殘留一層泥膜在砂紙的凹槽里，清洗液由無色變為黑色渾濁液。通過計算，油基泥餅的清洗效率為91.16%，驅油清洗效果顯著。由此說明，高效驅油清洗液能清除頁巖氣水平井產層井壁上的油基鉆井液，有利于水泥環-地層界面膠結質量的提高。

2.4 界面膠結強度

經清水、由QX-1 配制的高效驅油清洗液以及由同類產品（WH-7、VER）配制的高效驅油清洗液處理的油基鉆井液污染井筒內壁與水泥石的界面膠結強度分別為0.016、0.110、0.033、0.746 MPa。QX-1有效清除了油基濾餅，減少了水泥與井筒內壁的非接觸面積，界面膠結強度相對于清水及VER處理提高了一個數量級，是WH-7處理的6.86倍，較大程度提高了膠結強度。

2.5 界面潤濕反轉

將自來水滴在模擬井壁的砂紙面上、含有油基泥餅的砂紙上和經高效驅油清洗液清洗后的砂紙上。自來水滴在砂紙上鋪展呈半圓球體狀，在含有油基泥餅的砂紙上未發生明顯變化、呈現接近完整水滴狀，在經高效驅油清洗液清洗后的砂紙上水滴已完全鋪展。經高效驅油清洗液清洗后，油基泥餅驅除干凈，水滴完全鋪展開，說明經高效驅油清洗液清洗后的表面由親油性轉變為親水性，清洗表面潤濕性良好。

2.6 相容性

高效驅油清洗液、水泥漿和油基鉆井液在不同混合比例時的常溫常壓流變參數和井底溫度（90 ℃）下的熱漿流變參數如表6 所示。高效驅油清洗液與水泥漿及油基鉆井液的相容性良好，常溫常壓條件下沒有明顯提切現象，模擬井底溫度（90 ℃）條件下的熱漿流變值降低。高效驅油清洗液與水泥漿和油基鉆井液的配伍性良好，滿足現場實際安全施工要求。

表6 高效驅油清洗液與水泥漿及油基鉆井液的相容性

2.7 現場應用

JY192-4HF 井是涪陵頁巖氣田的一口生產井，也是進行QX-1 試驗的第1 口井。該井完鉆井深5825 m，水平段4230～5825 m，產層下139.7 mm 套管，水泥漿設計返高至地面，采用雙凝雙密度水泥漿工藝固井。油基鉆井液密度1.60 g/cm3，漏斗黏度80 s，油水比85∶15。固井施工中，泵入沖洗液3.13 m3，高效驅油清洗液31.32 m3。刮管掃塞作業完成后進行測井作業，順利完成全井測井。測井結果顯示：水泥漿返高130 m，尾漿封固井段3100～5797 m，段長2697 m，產層水平段封固優質率為100%，尾漿封固段優質率99.74%，合格率100%；領漿封固井段130～3100 m，段長2970 m，領漿封固段優質率86.13%，合格率100%。綜合整井封固段優質率92.73%，合格率100%。

3 結論

利用微乳增溶原理，制備了一種改性聚氧乙烯-聚氧丙烯嵌段共聚物，其與LAS-60 復配形成的QX-1 的清洗效率達90.25%。將QX-1、隔離劑GL-1、加重劑重晶石粉（23 μm）和水混合制得高效驅油清洗液。在60～90 ℃條件下，高效驅油清洗液均具有較好的沉降穩定性。QX-1加量為20%時，高效驅油清洗液對模擬固井一界面的清洗效率達93.94%，對模擬固井二界面的泥餅去除效率達91.16%；且清洗后的界面膠結強度比清水提高了一個數量級，利于提高水泥環長久密封完整性。由QX-1 配制的高效驅油清洗液與涪陵頁巖氣田油基鉆井液和固井水泥漿的配伍性良好，固井合格率100%，固井優質率達92.73%。