油包水钻井液耐高温冲洗液YJC的研究与应用

1、油包水钻井液耐高温冲洗液YJC-1的研究与应用杨智光 徐明 肖海东 王广雷(大庆石油管理局钻井工程技术研究院)摘要：本文研制的冲洗液YJC-1在耐高温和冲洗效率方面进行了全面、深入的实验研究，耐温高达200，对油膜的冲洗效率达到100%，冲洗后界面胶结强度增加。在应用螯合剂解决冲洗液与油包水钻井液的相容性问题和提高冲洗液的耐温性上有所突破。现场应用了4口井，固井质量优质，试验效果明显，提高了油包水钻井液钻井的固井质量。主题词：油包水钻井液 冲洗液 耐高温 相容性 螯合剂 提高界面胶结强度1 前 言 油包水钻井液钻井，固井前井壁和套管壁上粘附有一层油浆、油膜，它将导致水泥环界面胶结性能较差。室内

2、试验表明，这种情况下水泥石的界面胶结强度为零，这将会严重地影响固井质量及油田的勘探开发。因此，注水泥前用冲洗液洗净粘附在井下环空界面上的油浆、油膜，是固井成败的关键因素。 国外的油包水钻井液的化学冲洗液产品已向多种类、系列化发展，如美国道威尔公司的CW-8ES、CW-101、D607等。而国内现有的用于油包水钻井液冲洗液品种还较为单一，可选性差，虽然对油包水钻井液有一定的冲洗效果，但还存在着一定的局限性，冲洗效率、抗温性以及与油包水钻井液的相容性尚存在着有待完善的地方。而研制的冲洗液YJC-1不仅对界面上的油膜能产生较强的渗透冲洗力，而且能增加界面胶结亲和程度,并成功地解决了冲洗液与油包水钻井

3、液的相容性问题，在大庆油田长垣东部地区进行了三口井的现场应用，其中尚深3井为合格井，芳深10井和芳深701井为优质井。99年初又在古平1井应用均取得了较理想的效果。2 组成和作用机理2.1 组成冲洗液YJC-1主要是由有机溶剂、非离子表面活性剂、阴离子表面活性剂、螯合剂和稳定剂等组成。2.2 作用机理2.2.1 破乳作用油包水体系主要是由柴油、乳化剂（司盘-80）、氧化沥青、磺化沥青、氯化钙、氧化钙及有机土等几种成分组成的钻井液体系，其中司盘-80是使整个钻井液体系实现油包水（W/O）乳化体系的主剂，它是亲油性物质。而化学冲洗液中的表面活性剂分子可与油包水钻井液中司盘-80分子的非极性基团结合

4、，削弱了它的亲油性，使司盘-80由亲油转变为亲水状态，由此油包水体系解体，产生破乳作用，油水发生分离。2.2.2 逆乳化增溶作用化学冲洗液在油浆进行破乳的同时，由于表面活性剂分子的双亲（亲水、亲油）结构性质（见图1），其中亲油基主要是长链烃基（如直链烷基、硅氧烷基等）组成，而亲水基主要是由羧基(-COOH)、磺酸基(-OSO3-)、羟基(-OH)等组成。由于表面活性剂的亲油端可对钻井液中的“油”相分子链产生分子间力、亲和力，因而表面活性剂的亲油基（即非极性基团）伸向油相，形成定向吸附排列于表面，“包裹”着油相卷缩形成乳状胶束，同时表面活性剂的另一头亲水基（极性基团）伸向水相，把胶束“拉”入水中

5、，而产生润湿、逆乳化亲水增溶作用，形成水包油状胶束分散悬浮于冲洗液中的水相中。2.2.3 渗透作用冲洗液成分中的有机溶剂也具有既可与水亲合，又能与油相容的能力，相对表面活性剂它只是分子链较短，分子量较小（如酮类、醛类或醇类等）。它通过配合水作为介质，迅速与钻井液中的“油”的烃链分子形成分子间力，降低界面表面张力，形成对界面上的油膜有非常强的浸透力，再配合表面活性剂的乳化增溶作用，可大大加快界面上油浆、油膜的溶解分离。2.2.4 螯合作用冲洗液中选用了螯合剂，螯合剂分子可与油包水钻井液中的Ca2+、Mg2+、Fe3+等金属离子形成配位键，产生螯合作用，生成稳定的、溶于水或形成胶状悬浮的二元或多元

6、络合物状态，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活性、产生沉淀等不利影响。另外，螯合剂对表面活性剂还具有协同增效、辅助冲洗的功能。螯合物分子结构式示例如下： 概括地说，冲洗液YJC-1就是利用其中的溶剂和表面活性剂等成分，达到对油包水钻井液强力渗透、增溶、乳化和螯合的复合效果，在短时间内迅速有效地将附着在井壁套管环空双界面上油浆、油膜成分冲洗净，使井壁及套管上的“油湿”变成“水湿”状态，有利于水泥石的界面胶结。3 室内试验3.1 冲洗率的计算和试验方法 冲洗率是评价冲洗液冲洗效率的一个定量指标，它主要是利用涡流式冲洗试验装置，按以下方法做冲洗试验：1）把模拟套管的圆模浸泡于

7、油包水钻井液中静止2分钟；2）把圆模提出静置1分钟后进行称重；3）把圆模放入冲洗装置中，用冲洗液在一定速度下冲洗一定时间后再称重。4）最后按如下公式计算冲洗率： G总G冲 冲洗率 = ×100%·······························（1） G总G原式中：G

8、冲粘油包水钻井液圆模冲洗后的重量，g；G总粘附油包水钻井液圆模的总重量，g；G原未粘油包水钻井液圆模净重，g。3.2 冲洗液YJC-1主剂的确定油包水钻井液中的乳化主剂司盘-80，本身难溶于水，但与其它亲水性强的表面活性剂结合使用，却具有良好的乳化力和亲水性。基于这点出发，筛选确立了冲洗液YJC-1的主剂为表面活性剂Y，并且它的亲水、亲油性均可调整。又由于油包水钻井液中含大量的二价金属离子（如钙离子等），不仅会削弱表面活性剂的作用，也会导致冲洗液与油包水钻井液混溶后易产生絮凝、沉淀、增稠等现象，对此，又摸索出有针对性的螯合剂C做为冲洗液的辅剂，且其加量为冲洗液原液的10%时较为适合。为了增加冲

9、洗液对界面油浆的快速渗透性，筛选出了复合有机溶剂J。为了确定冲洗液的最优组合配方，进行了正交试验，见表1。表1 冲洗液YJC-1配方筛选试验组分序号表面活性剂Y（%）有机溶剂J（%）螯合剂C（%）T100（min）1585103.521080103.031575102.542070101.652565101.263060100.973555100.984050100.8注：T100为1400转/分冲洗速率下100%冲洗率所用时间；钻井液：芳深8井完井油包水钻井液（加温至55）。 分析表中冲洗率数据可以得出：Y为30%、35%和40%加量时，冲洗所用时间最少，但加量大于30%后，100%冲洗率所

10、用时间缩短不明显，说明表面活性剂Y加量在30%较为适合。因此确定冲洗液主要配方为：Y30%+J60%+C10%3.3 冲洗液性能评价试验 在研究YJC-1冲洗液的同时，也取到了目前国内洗油效果较好的几种清洗剂，进行了性能对比评价试验。3.3.1 冲洗效率评价试验 利用涡流式冲洗装置进行冲洗率试验，评价冲洗液对界面油浆的冲洗效率，试验数据见表4和表5。表2 常温（20）下冲洗性能评价试验序号冲洗液类型模具重量(g)粘钻井液后模具重量（g）1400/min冲洗1min后模具重量（g）1400/min再冲洗1min后模具重量（g）冲洗率(%)1SS3238223912388238566.72S820

11、423822393238423821003YJC-123642378236623641005柴油235723752364236177.86清水236423722370237025试验条件钻井液来源：芳深8井油包水钻井液，搅拌2小时表3 加温（55）下冲洗性能评价试验序号冲洗液类型模具重量（g）粘钻井液后模具重量（g）1400/min冲洗1min后模具重量（g）1400/min再冲洗1min后模具重量（g）冲洗率(%)1SS3238223882386238383.32S820423822388238223821003YJC-123642371236423641005柴油2357236523622

12、35887.56清水236423702369236833.3试验条件油包水钻井液搅拌后与冲洗液均加热到55 由试验数据可看出：冲洗液S8204及YJC-1的冲洗效率最高，均在1400转/分、2分钟内冲洗100%。冲洗液中样品SS3冲洗能力最差；而清水的冲洗率是由机械冲力产生的。S8204虽然冲洗能力较强，但S8204不能用水稀释（遇水呈乳白色，并失去冲洗效果），从成本上及现场工艺上考虑，采用冲洗液YJC-1是最为适合的。3.3.3 冲洗液的耐温性能对比评价试验取冲洗效果较为明显的两种冲洗液：S8204、YJC-1做抗温性能试验。使用高温高压稠化仪分别在一定温度（取压力为70MPa）下搅拌120

13、分钟，然后降温至60、常压后取出，用涡流冲洗装置，在1400转/分下冲洗一定时间，测试其冲洗率，结果见表6。表4 冲洗液高温高压后冲洗性能试验序号冲洗液条件（×70MPa）冲洗率（%）S8204YJC-11801001009310010021031001003126100100414097100517092100620089100冲洗时间(min)11备 注油包水钻井液加热至60 表6表明：冲洗液YJC-1在高温高压达到200、70MPa，对油包水钻井液的冲洗效果并没有受到影响，说明冲洗液成分具有较强的抗温特性和化学稳定性。而S8204的抗温性能相对较差，S8204在140冲洗率曲线

14、开始向下；说明其组分在此处开始产生了降解作用。3.3.4 界面胶结性能评价试验为了评价油膜被冲洗后水泥环的界面胶结状况，进行了界面胶结强度试验。试验方法：将（按冲洗率试验方法）冲洗液冲洗后的圆模放入界面强度装置的圆环中，环空中注满G级水泥浆，60养护48小时后，在压力机上测其剪切胶结强度，见表7。计算方法： P胶=F/S侧·······················

15、·····················（2）式中：P胶：界面剪切胶结强度（Pa）；F：强度仪上测定的值（N）；S侧：试验用圆模的侧面积(m2)。表5 水泥环界面剪切胶结强度试验数据序号配方(按顺序冲洗)一界面胶结强度(MPa)二界面胶结强度(MPa)2柴油(2min)+YJC-1(4min)1.931.423原模（表面粘水）1.271.054粘油未冲洗原模00 从表中数据可见，冲洗液

16、YJC-1对水泥界面不但无不良影响，而且可提高水泥环的界面胶结强度。分析原因：首先是由于冲洗液对界面水泥浆具有分散性，增加了水泥浆的密实性；其次是冲洗液中成分增强了水泥石与界面的亲和性。3.3.5 小型模拟冲洗试验试验采用了小型有机玻璃制模拟冲洗装置（见图5）进行井上轴向冲洗模拟试验，进一步评价冲洗液性能。(试验条件：油包水钻井液温度30；冲洗液温度：40)试验方法：1）把油包水钻井液注入到有机玻璃制的透明柱体环空中，液柱高度60cm；2）用冲洗液小排量（环空返速0.3m/s）图2 冲洗试验装置替环空中的钻井液1分钟；3）然后用大排量（环空返速0.8m/s）替入冲洗液冲洗2分钟，然后观察试验效

17、果（主要观察环空内双界面所粘油浆的冲洗情况），见表8。表6 室内小型模拟冲洗试验冲洗液类型小排量冲洗后现象大排量冲洗后现象YJC-1环空中粘油浆双界面逐渐变清，仅留有薄油膜环空中双界面油迹冲洗干净，已无油膜附着。试验现象说明：冲洗液YJC-1在接近井下冲洗条件的情况下，仍具有较强的冲洗力，能对界面产生冲洗替净的试验效果。3.4 冲洗液YJC-1的抗污染冲洗试验冲洗液在井下替入过程中，不可避免地要受到油包水钻井液的污染，其冲洗能力要有所下降。因此，进行了冲洗液单液连续冲洗试验，试验数据见表9。表7 YJC-1连续冲洗性能评价试验序号冲洗液类型模具重量（g）粘钻井液后模具重量（g）1400Rp/m

18、in冲洗1min后模具重量（g）1400Rp/min再冲洗1min后模具重量（g）冲洗率(%)1YJC-1（I）23582376235823581002YJC-1（II）23862406238623861003YJC-1(III）23582374236223581004YJC-1（IV）2386240423922386100试验条件油包水钻井液搅拌后与冲洗液均加热到55 从上面的冲洗试验数据可以看出，YJC-1一种样品反复连续进行四次冲洗试验，冲洗率均可达到100%，表明了其优良的冲洗性能和抗污染能力。3.6 冲洗液与水泥浆的相容性试验（见表12）冲洗液不仅要有良好的冲洗性能，而且现场施工的安

19、全性也必须进行考虑。为此，根据API标准，做了冲洗液与水泥浆相容性试验，试验数据见下表。表8 冲洗液YJC-1与水泥浆体系相容性试验冲洗液:水泥浆60030020010063KPa·snn稠化时间110×71MPa5：9548241681.00.50.0240.998>160min25：7541211361.00.50.0091.14>160min水泥原浆915241281070.810.56152minYJC-173.521000.0290.77水泥配方嘉华G级水泥+25%硅砂+1.2%Qc600+0.05%PcP；W/C=0.50 试验中冲洗液YJC-1与水

20、泥浆体系的相容性较好，无絮凝、增稠、闪凝等现象，可以满足井下施工的性能要求。4 地面模拟冲洗试验 为了进一步确定冲洗液YJC-1的冲洗性能及现场施工可行性，利用大型模拟井筒装置（见图5）进行地面模拟井上条件试验，同时也确定冲洗液YJC-1的中试的可行性及效果。4.1 试验方案根据固井前置液体系与模拟井筒环空双界面的接触时间为10min的设计准则，按下列顺序依次导入钻井液及冲洗隔离液体系：油包水钻井液4min+柴油2.5min冲洗液（YJC-1）6min+隔离液（G201）1.5min4.2 模拟试验条件及方法 试验条件钻井液来源：芳深10井油包水钻井液；模拟井筒试验段采用岩心：岩心渗透率：10

21、×10-3m2；岩心内径：125mm；岩心高度：250mm×4；内筒（模拟套管）直径：83mm。 试验方法1)将油包水钻井液导入模拟井筒的环空中，静止24小时；2）将油包水钻井液循环4分钟；3）打入零号柴油，单位环空截面通过时间（即接触时间）为2.5分钟，环空上返速度1.2m/s（以下同）；4）打入冲洗液，循环接触时间为6分钟，；5）打入隔离液，循环接触时间为1.5分钟；6）最后将模拟井筒试验段打开，观察冲洗试验效果。 试验结果图3 模拟井筒示意图打开模拟井筒试验段后观察，模拟套管的内外筒壁及模拟井壁的岩心表面均冲洗的非常干净，岩心表面只能看到油浆浸过的轻微痕迹，手摸无附着

22、油浆或油膜，完全达到了预期的冲洗效果。并且试验也说明冲洗液的地面施工可行。5 现场试验在完成冲洗液的室内及地面模拟试验后，98年在大庆芳深10井、尚深3井和芳深701井三口井进行了现场应用，99年又在古平1井得到应用，工程情况见表9。表9 现场工程数据序号工程数据芳深10井尚深3井芳深701井古平1井1井深(m)42803720393521382水泥实际封高(m)1865201311781550/5803井眼扩大率%4.144.473.168.24平均井径(mm)224.85225.55222.73336.805冲洗液的接触时间6min7.6 min6.2 min4min6冲洗液环空高度616

23、m664m676m250m7钻井液密度g/cm31.181.181.171.358马氏漏斗粘度(s)525354809钻井液替量（m3）50.943.646.685 10替泥浆时间(min)2022182711替泥浆压力(MPa)5-188-1411-175-1212冲洗液实际注入量15m315 m316 m310 m313环空返速(m/s)1.711.461.821.3214水泥浆平均密度g/cm31.911.911.911.80/1.8715冲洗液类型YJC-1YJC-1YJC-1YJC-116固井质量优质合格优质优质 表中数据表明：1）冲洗液YJC-1现场试验了三口井，其中芳深10井和芳

24、深701井均为优质井，说明冲洗液固井前实现了对井下界面有效的冲洗顶替，达到了提高了深井固井质量的目的。2）尚深3井为合格井，从测井图看，幅值高段是在封固段中部（幅值在30%以内，见图4），而上部幅值为一条直线，因此不会是冲洗不好造成的，主要原因是泵上水不好，封固段较长，产生U型管效应，造成局部段返速低，影响了冲洗和顶替。图4 尚深3井测井图总之，从冲洗液YJC-1所应用几口井的现场试验看，现场施工顺利，固井质量理想。古平1井替泥浆时井口返出的冲洗液仍能把井口粘有重油浆的泥浆槽及振动筛冲洗的非常干净，说明冲洗液达到了有效冲洗的效果。6 经济效益分析 由于油包水钻井液在套管和地层双界面产生油膜、油浆泥饼，呈现“憎水”特性，这种情况下的水泥环界面胶结性能较差，因而会严重影响固井质量。界面胶结质量差，将影响下一步的射孔、压裂、试油等完井作业，进而也影响着勘探录取资料的准确性和精度。 对单口井投入成本较高，若因油包水钻井液完井固井质量不好，不能达到勘探目的，不仅是资源的浪费，而且直接影响着油田的长远规划和进一步的开发。因此，提高油包水钻井液井的固井质量，应用耐高温冲洗液配合固井技术将具有可观的经济效益和社会效益。7 结论1）冲洗液YJC-1体系具有良好的抗温性和化