An Instantly Prepared Cementing Spacer of High Density
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摘要: 为适应即时混配工艺需要，并解决高密度隔离液黏稠的问题，研发了一体式隔离液处理剂DQ-SA，其主要成分为表面活性剂改性生物胶。生物胶分子间弱氢键连接受力断裂，表面活性剂胶束定向排布。采用DQ-SA制备的隔离液基液具有明显的剪切稀释特征，马氏漏斗黏度仅为31 s，流动性能极好。同时，利用室内设备进行即时混配模拟实验，掌握了固井水泥车混拌能力，确定了用室内设备模拟固井水泥车混配的具体参数。通过室内实验，在隔离液流动性与稳定性之间取得平衡，确定了一体化处理剂的最佳用量。通过控制加重剂配比，隔离液密度宽幅可调，最高可达2.40 g/cm3。评价显示，该隔离液体系具有良好的流动性、稳定性、相容性和抗温能力。地面和现场试验证实，即时混配工艺操作简便，制备的隔离液性能优良，较好地解决了高密度隔离液应用中存在的问题。Abstract: In order to meet the needs of instant prepared process and solve the problem of viscosity of high density isolating fluid, an integrated treatment agent DQ-SA for spacer was developed, which is mainly composed of surfactant modified biological glue. The weak hydrogen bond of biological glue molecules is broken and the surfactant micelles are arranged directionally when stressed, The base solution of spacer prepared with DQ-SA has obvious shear dilution characteristics. The viscosity of Markovian funnel is only 31s and shows excellent flow performance. At the same time, the simulation experiment of instant prepared is carried out with indoor equipment, the mixing capacity of cementing truck is concluded, and the specific parameters of indoor simulating equipment are determined． Through the laboratory experiment, the balance between the fluidity and stability of the spacer was achieved, and the optimum dosage of the integrated agent was determined. By controlling the proportion of weighting agent, the density of the spacer can be adjusted in a wide range up to 2.40 g/cm3. The evaluation shows that instant prepared spacer has good fluidity, stability, compatibility and temperature resistance. The ground and field tests show that the instant prepared process is easy to operate, the spacer prepared is excellent, and the problems of high density isolating liquid are well solved.
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Key words:
- spacer /
- instantly prepared /
- high density /
- fluidity
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为保障油田持续稳产的目标，钻井时应尽力避免影响采油作业。邻井不停产停注导致的异常高压是钻井生产面临的主要问题之一，大庆油田部分区块地层压力系数大于1.90，部分井位预测地层压力系数达2.18[1]。为保证钻井安全及固井质量，需使用超高密度水泥浆和固井隔离液。普通的固井前置液密度最高为1.80 g/cm3，不能满足生产需要，而采用传统方法配制的超高密度固井隔离液黏度高、稠度大，运输及使用过程中抽、注困难，同时也不能起到净化井眼的作用，固井质量难以保障。为此，开展了即时混配型高密度固井隔离液研究，采用现场即时混配方式，省去厂内配制、罐车运输、泵车抽液等环节，实现混配-注入连续作业，生产效率大幅提高。同时，优化隔离液体系性能，解决高密度隔离液黏稠、触变强等问题。从而解决了高密度前置液应用困难的问题[2-6]。
1. 高性能隔离液处理剂的制备
为解决高密度隔离液黏度高、稠度大、触变强的问题，研制了一种高性能隔离液处理剂，具体制备方法如下。称取100 kg 非离子表面活性剂A01，加入到带搅拌器的反应容器中，控制温度为 65 ℃±1.0 ℃，调节pH值为8.0，加热搅拌30 min以后，加入11 kg环氧乙烷，间歇搅拌10 h使表面活性剂乙氧基化。再加入22 kg生物胶，继续搅拌12 h，使表面活性剂与生物胶充分反应。最后，加入0.3 kg黏土抑制剂、0.5 kg消泡剂和5～7 kg增溶剂调节黏度，即得到隔离液用处理剂DQ-SA。
DQ-SA是一种黏度为5000～6000 mPa·s的浅褐色液体，20 ℃下，在水中1.0 min内可完全溶解。水化后生物胶链段以弱氢键连接形成网状结构，表面活性剂链段形成胶束，共同悬浮加重材料。外力作用下，氢键断裂、胶束有序排列，流动阻力变小，表现出明显的低黏度、高切力特征[7]。0.9%DQ-SA水溶液在剪切速率为170 s−1时的表观黏度为24 mPa·s；剪切速率1000 s−1时表观黏度为9.5 mPa·s。
2. 高密度隔离液即时混配及性能评价
2.1 即时混配室内模拟实验
即时混配是将重晶石粉利用水泥罐车气动“下灰”，再利用固井水泥车将“灰”与含有外加剂的药液混配成隔离液。为了模拟水泥车的混拌工作状况，用比对法开展研究。固井施工时，直接从固井泵车混配池取样并测量水泥浆性能参数[8]。再进行室内复核实验，利用搅拌器配制同一配方、同一水灰比、同一密度的水泥浆，直至室内的水泥浆与现场水泥浆性能一致或十分接近。室内模拟显示，利用瓦林搅拌器转速2000 r/min、搅拌时间10 s配制的水泥浆与现场取水泥浆各项参数基本一致。说明该条件下瓦林搅拌器能够比较真实地模拟固井水泥车的搅拌能力。因此，即时混配隔离液室内评价实验都按照该混配方式进行。
2.2 隔离液性能评价[9-15]
通过室内实验，确定隔离液体系的配方为：水+0.9%DQ-SA+加重剂。当隔离液密度大于2.2 g/cm3时，DQ-SA加量可适当降低，但不应低于用水量的0.8%。
2.2.1 流动性能
实验显示，采用即时混配的方法，以DQ-SA制备的高密度隔离液的黏度低、流动度大，流动性能显著优于普通高密度隔离液，如表1所示。
表 1 即时混配型高密度隔离液的流变性能隔离液 ρ/
g·cm−3FV/
sPV/
mPa·sYP/
Pa流动度/
cmDQ-SA基浆 1.00 31 7.5 2.8 35 即时混配浆 1.80 49 25.5 8.9 28 2.00 55 36.0 9.2 28 2.20 58 43.5 11.5 27 2.40 68 57.0 12.7 24 常规体系 1.80 105 75.0 31.6 20 2.2.2 悬浮稳定性
常温稳定性采用量筒法，将制备好的隔离液注入500 mL量筒，封口后室温下静置一段时间，测量上部与下部密度差。高温稳定性则是将隔离液置于养护釜、在高温下养护一段时间，冷却后测量浆体上部与下部密度差，结果见表2。
表 2 不同养护条件下高密度隔离液的沉降稳定性ρ/
g·cm−3△ρ/（g·cm−3） 室温24 h 室温72 h 170 ℃×4 h 170 ℃×24 h 1.80 0 0 0.02 0.02 2.00 0 0.01 0.02 0.03 2.20 0 0.02 0.02 0.03 2.40 0.01 0.02 0.03 0.05 由表2可以看出，不同密度的隔离液在室内条件下静置72 h，密度差小于0.02 g/cm3；在170 ℃高温下静置24 h，密度差小于0.05 g/cm3。
为模拟动态条件下隔离液的稳定性，将隔离液装入浆杯，在高温高压稠化仪中升温加压并持续搅拌，在175 ℃ 、89.6 MPa下，浆体的稠度在3.5 h内基本保持稳定，说明隔离液始终为均质流体，未发生分层沉降现象。综合静态和动态条件下的实验结果，说明即时混配高密度隔离液悬浮稳定性能良好。
2.2.3 流变相容性
在室内将隔离液与水泥浆、钻井液按照不同比例混合，搅拌一段时间后，利用旋转黏度计测量混浆的流变参数，评价隔离液与钻井液、水泥浆的相容性，结果见表3。实验显示，该隔离液与钻井液、水泥浆接触无黏度、稠度的突变，具有良好的相容性。
表 3 即时混配隔离液与钻井液、水泥浆的相容性浆体 旋转黏度计读数 φ600 φ300 φ200 φ100 φ6 φ3 100%隔离液 61 43 36 26 8 6 100%钻井液 45 28 21 13 3 2 100%水泥浆 129 83 59 37 7 5 75%隔离液+25%钻井液 52 39 29 22 7 5 50%隔离液+50%钻井液 48 35 26 18 6 4 75%隔离液+25%水泥浆 84 58 43 30 7 6 50%隔离液+50%水泥浆 103 69 52 33 7 6 3. 地面及现场试验
3.1 地面试验
为检验室内模拟实验的合理性、高密度隔离液即时混配的施工可操作性，开展了地面试验，利用水泥车即时混配高密度隔离液。试验时，浆体密度为1.70 g/cm3启动外输泵，瞬时排量设为0.6 m3/min，控制水灰比逐步提高密度，在密度达到2.34 g/cm3、加重剂用完时试验停止。整个试验过程连续平稳，设专人连续取样监测密度和流动度，结果见表4。可以看出，即时混配隔离液密度连续可调，性能参数与室内评价结果一致性较高，说明室内模拟方法科学有效，也证明了高密度隔离液体系性能优良，即时混配方式切实可行。
表 4 地面试验即时混配型高密度隔离液的基本性能ρ/（g·cm−3） 取样频次 流动度/cm FV/s 1.70 2 32.0 41 1.78 2 30.0 1.92 3 29.0 46 2.02 1 29.0 53 2.07 1 28.0 2.11 1 28.0 57 2.20 2 27.0 2.29 1 26.5 2.34 1 26.0 67 3.2 现场应用效果
即时混配隔离液在大庆油田采油一厂某更新井现场应用。采用2台灰罐车供“灰”，一台罐车供“液”，利用水泥固井车即时混配1.80 g/cm3高密度隔离液。共注入即时混配隔离液16.2 m3，排量为0.8 m3/min，密度最大为1.82 g/cm3，最小为1.79 g/cm3，平均为1.80 g/cm3。应用显示，即时混配施工操作简便、混配高效，注替压力平稳。隔离液无“起泡、包团”等不良现象，流动性极好，其他性能指标优良。即时混配高密度前置液解决了高密度隔离液黏稠的问题，也大幅度提高了加重隔离液混配效率，具有很大的推广应用价值。
4. 结论
1. 自主研制了高密度隔离液用处理剂DQ-SA，其速溶速效，水溶液具有明显的低黏度、高切力特征，流动性好，悬浮能力强，是即时混配高密度隔离液较为理想的处理剂。
2. 以分析比对方式确定了即时混配室内模拟方法。即时混配型隔离液具有良好的流动性、悬浮稳定性、相容性和抗温能力。
3. 地面试验及现场试验证明，隔离液密度可按需求进行调节，最高密度可达2.40 g/cm3，较好地解决了常规高密度隔离液黏稠、抽注困难等难题。施工操作简便，生产效率高，即时混配工艺切实可行。
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表 1 即时混配型高密度隔离液的流变性能
隔离液 ρ/
g·cm−3FV/
sPV/
mPa·sYP/
Pa流动度/
cmDQ-SA基浆 1.00 31 7.5 2.8 35 即时混配浆 1.80 49 25.5 8.9 28 2.00 55 36.0 9.2 28 2.20 58 43.5 11.5 27 2.40 68 57.0 12.7 24 常规体系 1.80 105 75.0 31.6 20 
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表 2 不同养护条件下高密度隔离液的沉降稳定性
ρ/
g·cm−3△ρ/（g·cm−3） 室温24 h 室温72 h 170 ℃×4 h 170 ℃×24 h 1.80 0 0 0.02 0.02 2.00 0 0.01 0.02 0.03 2.20 0 0.02 0.02 0.03 2.40 0.01 0.02 0.03 0.05
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表 3 即时混配隔离液与钻井液、水泥浆的相容性
浆体 旋转黏度计读数 φ600 φ300 φ200 φ100 φ6 φ3 100%隔离液 61 43 36 26 8 6 100%钻井液 45 28 21 13 3 2 100%水泥浆 129 83 59 37 7 5 75%隔离液+25%钻井液 52 39 29 22 7 5 50%隔离液+50%钻井液 48 35 26 18 6 4 75%隔离液+25%水泥浆 84 58 43 30 7 6 50%隔离液+50%水泥浆 103 69 52 33 7 6
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表 4 地面试验即时混配型高密度隔离液的基本性能
ρ/（g·cm−3） 取样频次 流动度/cm FV/s 1.70 2 32.0 41 1.78 2 30.0 1.92 3 29.0 46 2.02 1 29.0 53 2.07 1 28.0 2.11 1 28.0 57 2.20 2 27.0 2.29 1 26.5 2.34 1 26.0 67
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