刘 伟，刘学鹏，陶 谦

(中石化工程技术研究院，北京 100101)

引 言

页岩气储层多为低孔低渗储层，需采取水平井钻井+分段压裂改造技术增大储层接触面积、沟通裂缝，从而实现有效开采，因此，如何确保增产措施的实施，提高页岩气水平井固井质量显得尤为重要[1-4]。页岩气水平井全部采用油基钻井液，这些含有钻屑的油基钻井液会牢牢黏附在套管和井壁上，使油基钻井液比水基钻井液驱替更加困难，给水基泥浆顶替带来了很大难度[5-8]，导致水泥环界面胶结性能变差，从而影响到页岩气井的后续分段压裂施工，甚至会影响井的后期生产效能。因此，洗油隔离液体系设计在驱替过程中扮演了非常重要的角色。目前，国内许多洗油冲洗液存在用量大、油膜清洗不彻底、无法加重等问题。为此，开展了LWG多功能洗油隔离液的研究，其可有效清洗井筒内外的油基钻井液，达到提高一、二界面固井胶结质量的目的。

1 LWG洗油隔离液室内研究

1.1 洗油隔离液组分优选

页岩气水平井钻井过程中，油基钻井液的基础油多采用柴油与白油[9-10]，油水比一般为85∶15～70∶30。在这些组分中为了实现油包水(W/O)乳化体系，亲油性物质乳化剂是整个钻井液体系中乳化体系的主剂[11]。油基钻井液主要成分除了基础油外，还含有一定比例的有机土、增黏剂等，因此，要想清除黏附在套管壁和井壁的油泥饼，实现有效润湿和驱替油基钻井液，隔离液除需要加入具有润湿和清洗作用的表面活性剂外，还需加入具有黏弹性、防塌抑制性的助剂，使配置的隔离液密度、黏度介于钻井液与水泥浆之间。

1.1.1 表面活性剂优选

表面活性剂的选择既要考虑不同HLB值的表面活性剂的作用，又要考虑离子表面活性剂的功效[12-16]。一般阳离子型表面活性剂具有柔软、杀菌、抗静电性能，两性离子表面活性剂价格较高，因此，具有润湿、清洗和増溶功能的非离子型和阴离子型表面活性剂[17-19]是洗油隔离液的首选。由于非离子表面活性剂具有在水中不电离的特点，与阴离子表面活性剂(带负电荷)配伍的协同作用强于与阳离子配伍的协同作用，具有一定的增溶作用。阴离子表面活性剂易与碱土金属离子结合，与非离子表面活性剂结合使用，可保证其非离子表面活性剂作用充分发挥，从而减少了表面活性剂的用量。室内通过将阴、非离子表面活性剂复配，形成复合型表面活性剂LWG-1。隔离液中选用的非离子表面活性剂是以羟基(-OH)或醚键(R-O-R')为亲水基，以硅氧烷基、直链烷基等长链烃基为亲油基的两亲结构分子，由于羟基和醚键的亲水性弱，因此，分子中必须含有多个这样的基团才表现出一定的亲水性;选用的阴离子型表面活性剂是以磺酸基(-OSO3)、羧基(-COOH)为亲水基。

1.1.2 悬浮剂优选

实验室优选出的LWG-2悬浮剂，是利用静电吸附或氢键吸附束缚大量的水分子，使固-固颗粒间距离缩短，形成网状结构。既增大颗粒间的内摩擦阻力，又增大了液相间黏度，从而增大了隔离液的结构力和悬浮能力。LWG-2除可实现任意加重，满足高压气层的有效压稳要求外，同时还具有携污作用，在冲洗时LWG-2被吸附在环空二界面的表面上，使二界面都带上负电荷，在同性电相互排斥的作用下，已清洗掉的油基钻井液难以重新再沉积到二界面的表面上。

1.1.3 防塌剂优选

鉴于页岩地层的地质特征，在页岩气固井过程中需要与井壁接触的体系必须具有良好的防塌性[20]。室内对无机和有机防塌剂进行了优选，由于无机页岩防塌剂会大大降低LWG隔离液的黏度，影响隔离液的悬浮稳定性，因此，优选了LWG-3有机防塌剂。它是一种胺基多功能团化合物，利用低分子聚胺进入页岩层间后，通过离子交换和静电作用抑制页岩水化膨胀。由于隔离液、水泥浆在井筒内与井壁的接触时间多小于12 h，因此，在做防塌实验时可模拟固井液在井下实际接触时间来进行。

利用现场采集的实钻页岩岩屑对优选的页岩抑制剂进行防塌性能评价，用6～10目页岩钻屑进行回收实验，通过将一定量的岩屑倒入含有不同页岩防塌剂的隔离液中，在120℃下热滚6、12 h后，用60目筛回收，使用石油醚冲洗干净后，在120±2℃下干燥后称重，来判断LWG隔离液对页岩的抑制性。实验发现，在隔离液中加入优选的LWG-3防塌剂后，页岩岩屑滚动回收率达到85%以上，且12 h滚动后的隔离液清洗效果未受到影响。

1.2 LWG洗油隔离液性能评价

1.2.1 LWG洗油隔离液综合性能

经过大量的室内优选实验，复配形成LWG洗油隔离液体系。优化的体系配方为:水+(5% ～10%)LWG-1+(1%～2%)LWG-2+(2%～4%)LWG-3+加重剂。隔离液主要性能见表1。

表1 LWG隔离液90℃养护条件下综合性能

由表1可知，LWG隔离液通过加入一定量的悬浮剂，经90℃养护后，24 h沉降稳定性好，具有一定悬浮加重能力。

为了测定LWG隔离液的耐温性，实验中将密度为1.65 g/cm3的LWG隔离液分别置于60、90、120℃的老化罐中进行16 h老化实验，并测定老化后隔离液对油基钻井液的7 min清洗效果。通过实验发现，LWG隔离液在经过60、90、120℃温度老化后，对油基钻井液的7 min清洗效果没有太大影响，可满足固井要求，隔离液沉降稳定性好。说明隔离液具有良好的耐温性。由于LWG洗油隔离液中加入了优选的表面活性剂、螯合防塌剂等，其与油基钻井液、水泥浆按一定比例混合后，未发生增稠和提前稠化现象，具有良好的相溶性，不破坏油基钻井液的乳化稳定性，能有效清除二界面的油膜，可提高环空顶替效率。

1.2.2 LWG洗油隔离液洗油效果评价

(1)清洗效率评价。采用六速黏度计套筒在液体中旋转状况来模拟隔离液在现场不同流速[21]的套管环空冲洗效果。因现场环空表面一般是粗糙的，而六速旋转黏度计套筒为不锈钢制，表面过于光滑，存在较大的误差。为了能定性模拟井下清洗情况，实验前用60目金属网格套在套筒上，通过在不同套筒转速情况下测定LWG洗油隔离液达到100%清洗效率所需时间，详见表2。

表2 LWG洗油隔离液不同转速情况下达到100%清洗效率所需时间

室内六速旋转黏度仪的外筒直径为4.07 cm，周长为12.78 cm，即外筒以300 r/min旋转表示外筒某点在1 min内运行路程为38.34 cm，接近现场施工上返速度(0.6～0.8 m/s)，故清洗速度控制在300 r/min比较接近现场施工状态，可达到一定的物理冲刷效果。从表2可知，转速越低，要达到100%冲洗效率需要的冲洗时间越长，因此，现场要参考环空返速确定清洗时间和用量。

(2)LWG洗油隔离液润湿性能评价。为了测定LWG隔离液是否将套管环空由油湿变为水湿即胶结面的表面润湿性能[22-26]，室内采用美国千德乐公司产的润湿仪来进行评价。仪器的组成包括双壁不锈钢搅拌杯，双壁之间镶嵌有电极。仪器内的电极能够测试润湿性与电导率之间的关系。将杯中装满水基隔离液，没过电极，当体系为完全水连续相(为水湿)时，读数为1。当体系为完全油连续相(为油湿)时，读数为0，实际测量时，在搅拌杯中加入预定的油基钻井液，然后倒入LWG隔离液，当加入LWG隔离液量为油基钻井液量的25%时，读数显示为1，这表示油基钻井液发生了润湿反转，形成水连续相，混合液发生了润湿反转。说明LWG隔离液在用量很少时，会使油基钻井液完全反转，润湿性从亲油到亲水，具有更好的润湿性。

2 LWG高效洗油隔离液在页岩气水平井固井中应用

LWG高效洗油隔离液目前已在彭水、泌阳、涪陵、丁山、南川等地区采用油基钻井液的页岩气水平井固井中得到应用[27-28]，其中页岩气水平井固井10余口，合格率为100%，优质率达到80%以上。以DY2HF井为例，该井井深结构为Ø241.3 mm×Ø177.8 mm，井深为5 680 m，是中石化在川东南地区丁山区块的重点页岩气探井，也是目前已完钻页岩气井最深的井，水平段长为1 034 m，一次封固段为5 660 m，井温为123℃，钻井过程中采用柴油基钻井液，井径扩大率为5.6%。由于该井较深，水平段较长，为了满足100%清洗效果，进行润湿性和清洗效果评价，现场采用加重和具有一定黏切力的LWG隔离液，其具体参数见表3。

表3 现场实测油基钻井液和LWG隔离液性能参数

该井以排量为0.85 m3/min注入LWG隔离液，以1.2 m3/min注入领浆80 m3时(即隔离液出环空时)，将剩余63 m3尾浆以排量为1.8 m3/min注入，确保环空水泥浆上返速度达到0.7 m3/min以上，使隔离液能够有效冲刷油膜，替浆到量后，正常碰压，碰压压力从17 MPa上升至22 MPa，放回水检查回压凡尔密封正常。通过观察现场返浆情况可以看出，油基钻井液和LWG隔离液、LWG隔离液和水泥浆界面清晰，混浆带短，无絮凝出现，返出后期隔离液和水泥浆无油膜和油花，无柴油气味。48 h测固井质量，全井合格率为100%，优质率达89%以上。部分页岩油气井使用LWG隔离液情况见表4。

表4 LWG隔离液在页岩气水平井现场应用的固井效果

3 结论

(1)通过对表面活性剂进行筛选，利用阴、非离子表面活性剂协同作用复配的LWG隔离液具有较好的洗油润湿效果，降低了表面活性剂用量。

(2)在LWG隔离液中加入优选的悬浮剂，可使隔离液产生较高的内摩擦力和液相黏度，实现任意加重，利于清除黏稠的高密度油基钻井液。

(3)加入页岩防塌抑制剂，在一定程度增加了LWG洗油隔离液在页岩层的防塌能力。

(4)优选的LWG隔离液密度范围可调，对油基钻井液有较好的隔离效果，较少的加量即可使油基钻井液发生润湿反转。

(5)LWG高效洗油隔离液已成功在10余口页岩气水平井固井现场得到应用，主要油气层位固井质量合格率达100%，优质率达80%以上。

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