高效驱油清洗液的研制与现场应用*

张家瑞，屈 勇，郝海洋，何吉标，刘俊君

（中国石化江汉石油工程有限公司页岩气开采技术服务公司，湖北武汉 430206）

目前，大部分涪陵页岩气水平井采用油基钻井液施工，油膜及油基泥饼对水泥环与固井界面的胶结质量影响大［1-3］，甚至出现环空带压等行业难题，严重影响页岩气井的勘探开发效益。针对目前用于油基钻井液的清洗液增溶能力有限、用量大、清洗和润湿反转难以达到理想效果的难题，利用微乳增溶原理［4-7］，增强驱油清洗液对油基钻井液的增溶能力，降低油水界面张力，以此达到对井壁油基泥饼高效驱替清洗和润湿反转的效果，从而提高固井界面胶结质量［8-10］。哈里伯顿公司的Ryan等［11］最早于2010年开展了微乳液清洗油基钻井液的研究，以对油增溶能力为主要评价标准，优选出一套针对柴油基钻井液的微乳液体系，并在美国洛基山区块现场应用100 多口油气井。2012 年贝克休斯公司的Jonathan 等［12］以界面张力、冲洗效率及润湿改性能力为主要标准，优选并评价了清洗油基钻井液用微乳液体系，提出了微乳液体系所具备的超低油水界面张力及通过多孔介质时所表现的极高分散性。同年，斯伦贝谢公司的Juan等［13］研究了微乳液对油基钻井液、合成基钻井液的清洗效果，室内配制的微乳液在5 min 内的清洗效率达到100%。国内王成文等［4］根据表面活性剂盐水溶液与油接触后表面活性剂组装形成油水界面膜包裹油相而原位形成微乳液的原理，以微乳液增溶参数、界面张力等为主要评价指标，研制的微乳液型冲洗液对油基钻井液的冲洗效率在7 min 内达到95%以上。卜继勇等［5］针对微乳液型油基钻井液清洗液适用温度范围窄、高盐情况失效等问题，优选表面活性剂制备的耐温抗盐油基钻井液清洗液在40～120 ℃及高盐条件下的清洗效率大于95%。

国外各大油服公司及国内川渝、涪陵等页岩气区块均开展了微乳液清洗油基钻井液的研究，在微乳液选择、清洗机理和评价方面取得了一定的进展。研究结果表明微乳液具有较好的清洗效果。然而，随着国内页岩气井固井技术不断发展以及环保质量的要求，单井前置液用量降低直接导致油基滤饼冲刷时间减少，这对冲洗液性能提出了更高的要求，同时为满足固井液柱压力设计，前置液抗物体凝聚性能弱会使得加重剂的加入直接影响清洗效率。本文从微乳液的增溶效果出发，研制了一种驱油清洗剂QX-1，将其与自来水、隔离剂、加重材料等混合制得高效驱油清洗液。评价了该清洗剂的沉降稳定性、清洗效率、界面胶结强度及相容性等，并在涪陵页岩气井产层固井进行了现场应用。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

环氧丙烷，分析纯，天津市津东天正精细化学试剂厂；环氧乙烷，分析纯，湖北盛天恒创生物科技有限公司；脂肪醇，分析纯，广东翁江化学试剂有限公司；Z-N 催化剂（有机金属催化剂），工业级，陶氏化工公司；聚山梨酯-80（TW-80），分析纯，无锡市亚泰联合化工有限公司；聚氧乙烯辛基苯酚醚-10（OP-10），工业级，济南斯贝特化工有限公司；十二烷基苯磺酸钠（LAS-60），>70%，广州中海化工股份有限公司；羧甲基纤维素（CMC），分析纯，湖北鑫润德化工有限公司；黄原胶（XG），分析纯，上海邦景实业有限公司；改性淀粉类隔离剂（GL-1），工业级，中国石化江汉石油工程有限公司页岩气开采技术服务公司；JY192-4HF 井现场油基钻井液；固井水泥浆，室内配制，原材料取自JY192-4HF 井生产套管固井用领浆大样灰；重晶石，东营泰和石油助剂有限公司；铁矿粉、驱油清洗液（WH-7），卫辉市化工有限公司；驱油清洗液（VER），荆州嘉华科技有限公司；仿地井筒，将砂粒、水、水泥按比例混合，用磨具制作而成，中国地质大学（武汉）。

RE-1005 旋转蒸发仪，上海鹰迪仪器设备有限公司；恒速搅拌器，沈阳市石油仪器研究所；K100全自动表界面张力仪，德国Krüss公司；YJ-3液体密度计、电动六速旋转黏度计，青岛同春石油仪器有限公司；匀加载压力测试仪，辽宁贝斯瑞德石油装备制造有限公司；TG-1220C 常压稠化仪，沈阳泰格石油仪器设备制造有限公司。

1.2 性能评价方法

为有效评价高效驱油清洗液体系对页岩气水平井固井条件的适应性，从清洗效率、加重悬浮稳定性、界面胶结强度和润湿反转等几个方面进行测试评价。

（1）清洗效率的评价

①转筒清洗效率的测定。采用六速旋转黏度计，用仪器转筒固定转速模拟井壁以及现场实际清洗液泵注排量的方法测定清洗液的清洗效率。该方法以转筒模拟套管，评价清洗液对套管内外面上的油基泥浆的清洗效率。具体实验步骤为：测定黏度计外转筒质量（m0）；将黏度计外转筒置于冷油基泥浆中浸泡15 min后取出，测得此时外转筒的质量为m1；将配好的清洗液置于70 ℃常压恒温养护20 min；将浸泡了油基泥浆的黏度计外转筒安装好并置于装有清洗液的浆杯中，以300 r/min的转速旋转外转筒清洗10 min，然后停止旋转外转筒，将浆杯中的清洗液倒出并倒入自来水，将外转筒再置于装有自来水的浆杯中以300 r/min 的转速旋转外转筒清洗1 min，取下转筒静置于吸水纸上3 min，测得此时外转筒的质量为m2；按（m1-m2）/（m1-m0）×100%计算清洗效率η。

②泥饼去除效率的测定。以粗糙的砂纸模拟井壁，将均匀涂抹油基钻井液的砂纸用铁丝固定在黏度计外转筒上，将外转筒安装好并置于装有清洗液的浆杯中，后续操作与①相同，测定砂纸清洗前后的质量，计算清洗液对井壁上油基泥浆的清洗效率。计算公式与①相同。

（2）沉降稳定性的评价

将清洗液置于量筒中，放于常压稠化仪的水浴中养护2 h，然后测定不同层位清洗液的密度，根据上部、中部、下部水泥浆的密度差，评价水泥浆体系的沉降稳定性。

（3）界面润湿反转评价

清洗液的润湿反转特性反映了清洗液对井壁和套管外壁的改性效果，即将亲油的壁面改性为亲水泥浆的特性，从而实现增强套管-水泥环界面和水泥环-地层界面胶结强度的效果。将自来水滴在模拟井壁的砂纸上、含有油基泥浆的砂纸上和经清洗液清洗后的砂纸上，通过观察液滴在3 种砂纸表面的铺开程度，评价清洗液对界面的润湿反转效果。

（4）界面胶结强度的测定

将仿地井筒底部用玻璃板密封，在仿地井筒内倒入油基钻井液，待浸泡20 min形成油基泥饼后拆除底部玻璃板将油基钻井液倒出，分别用自来水、由QX-1 配制的高效驱油清洗液以及由同类产品（WH-7、VER）配制的高效驱油清洗液清洗仿地井筒内的油基泥饼10 min，再用自来水清洗1 min，然后将仿地井筒底部用玻璃板密封并倒入配好的水泥浆，待水泥浆静胶凝后放入90 ℃水浴养护箱中养护2 d，测定水泥石抗剪切强度，以此表明不同介质处理后样品的界面胶结强度。按式（1）计算抗剪切强度。

其中，p—界面胶结强度，Pa；F—胶结破坏最大力值，N；h—仿地井筒的高度，m；D—仿地井筒内径，m。

（5）相容性测试

为保证固井施工的安全进行，要求前置液与油基钻井液和水泥浆的配伍性良好，即不同混合比例下的混合浆在井底温度条件下要有良好的流变性。室内将高效驱油清洗液、油基钻井液和水泥浆按照不同比例进行两两以及三项混合，在常温常压条件下采用六速旋转黏度计测试混合相的流变数据；将混合相倒入常压稠化仪浆杯中，在90 ℃下养护20 min 后用六速旋转黏度计测试90 ℃条件下的流变数据。

2 结果与讨论

2.1 驱油清洗剂QX-1的研制

利用微乳增溶原理，以环氧丙烷、环氧乙烷为原料，合成了一种改性聚氧乙烯-聚氧丙烯嵌段共聚物，并与助表面活性剂复配形成驱油清洗剂QX-1，同时优选隔离剂和加重剂，完成高效驱油清洗液的构建。其清洗作用机理主要通过QX-1降低油相界面张力，将油基滤饼从井筒壁面剥离、包裹，并溶解于清洗液中。QX-1可以增溶油基钻井液，降低油水界面张力，对井壁油基泥饼有高效驱替清洗和润湿反转的效果，有助于提高固井一、二界面的胶结质量。

2.1.1 共聚表面活性剂的性能

选择碳原子数在12～20 的脂肪醇作为亲油基团，通过改变脂肪醇、环氧乙烷和环氧丙烷的配比及反应条件，控制碳链长度，兼顾润湿性和乳化性，合成了密度为1.03 g/cm3、亲水亲油平衡值（HLB）为13.4、表面张力为29.5 mN/m 的改性聚氧乙烯-聚氧丙烯嵌段共聚物。该表面活性剂属于非离子表面活性材料，具有优良的水溶性、乳化增溶、润湿渗透和抑泡能力，防止地层基质及套管表面再污染的能力强，有利于清洗固井界面油膜和胶凝钻井液，且与阴离子和其他非离子表面活性剂配合使用后具有更加优异的清洗和润湿作用。

2.1.2 助表面活性剂优选

清洗助表面活性材料可以与高价阳离子起螯合作用，并且对固体污垢有抗凝聚作用或分散作用，防止污垢再沉积。共聚表面活性剂与助表面活性剂复配制得驱油清洗剂QX-1。由于微乳增溶能力，冲洗液清洗效果增强。用100 g 自来水配制质量分数为2.0%的共聚表面活性剂溶液，分别加入不同比例、类别的助表面活性剂。助表面活性剂加量对QX-1清洗效率的影响如表1所示。由表可见，与助表面活性剂LAS-60 复配可大幅提高QX-1 的清洗效率，有效增强QX-1对油基钻井液的渗透能力，提高破乳、冲洗和润湿反转效果，清洗效率可达90%。通过对比不同助表面活性剂以及加量对QX-1 清洗效率的影响，优选4% LAS-60 作为助表面活性剂，后续实验中QX-1的配方为2%共聚表面活性剂、4%助表面活性剂。

表1 助表面活性剂对QX-1清洗效率的影响

2.1.3 隔离剂优选

为保证固井施工平衡压力注替，需对驱油清洗液进行加重处理，以保证对地层的压稳防窜。在500 g 水中加入不同量的隔离剂和20%的QX-1，用六速旋转黏度计测定溶液在常温和90 ℃下的流变参数，结果如表2 所示。CMC、XG 和GL-1 均具有增黏效果。CMC的增黏效果较弱；XG加量小，增黏效果明显，但常温水化分散能力较弱，不利于现场水化施工；GL-1增黏效果明显，常温水化速率快，可作为前置液隔离剂的增黏材料。

表2 隔离剂对驱油清洗液流变性的影响

2.1.4 加重剂优选

常用的加重材料主要有重晶石和铁矿粉，不同厂家生产的加重材料粒径存在差异。为兼顾加重驱油清洗液的流变性与沉降稳定性，通过测试相同密度（1.65 g/cm3）条件下加重驱油清洗液的常温流变性能与90 ℃沉降稳定性优选加重材料，结果见表3。重晶石和铁矿粉加重驱油清洗液的配方分别为：水+125%重晶石+2% GL-1+20% QX-1；水+115%铁矿粉+2.5%GL-1+20%QX-1。由表可见，含不同粒径加重剂的驱油清洗液的常温流变性均较好，利于现场施工泵注。其中，23 μm（600 目）重晶石与58 μm（250目）铁矿粉配制的高效驱油清洗液的沉降稳定性相对较好。兼顾考虑材料成本，优选600 目重晶石作为加重剂。将隔离剂、加重剂与QX-1 复配，制得密度为1.65 g/cm3的高效驱油清洗液配方为：500 g 水+2.0% GL-1+125% 600 目重晶石+20%QX-1。

表3 加重剂对高效驱油清洗液流变性与沉降稳定性的影响

2.2 高效驱油清洗液沉降稳定性

通过密度差和量筒底部沉降情况评价隔离剂GL-1 对驱油清洗液体系沉降稳定性的影响。由表4、表5 可知，不同GL-1 加量以及不同温度条件下，高效驱油清洗液的上下测试密度差均≤0.02 g/cm3，量筒底部均无沉降，同时不同温度下的沉降稳定性并未出现较大波动，沉降稳定性良好。同时，该体系具有低黏高切的特点，有利于降低固井施工循环压耗和安全风险，提高驱替效率。

表4 90 ℃下GL-1加量对高效驱油清洗液沉降稳定性的影响

表5 不同温度下高效驱油清洗液的沉降稳定性

2.3 清洗效率

2.3.1 转筒清洗效率

以转筒外壁模拟套管外壁，用六速旋转黏度计考察QX-1 加量对高效驱油清洗液清洗效率的影响，评价高效驱油清洗液对固井一界面的清洗效果。高效驱油清洗液可以很好地清除附着在转筒外面的油基钻井液。清水与QX-1 质量分数为10%、20%的高效驱油清洗液对油基滤饼的清洗效率分别为22.44%、87.44%、93.94%。QX-1可大幅提高高效驱油清洗液对油基钻井液的清洗效率，并且清洗效率随QX-1加量增大而增加。由此说明高效驱油清洗液能清除页岩气水平井产层套管外壁的油基钻井液，有利于界面胶结质量的提高。

2.3.2 泥饼去除效率

通过砂纸涂抹油基钻井液模拟固井井壁油基泥饼，评价高效驱油清洗液对固井二界面的清洗效果。经高效驱油清洗液处理后，模拟井壁表面的钻井液泥饼大部分被去除，仅残留一层泥膜在砂纸的凹槽里，清洗液由无色变为黑色浑浊液。通过计算，油基泥饼的清洗效率为91.16%，驱油清洗效果显著。由此说明，高效驱油清洗液能清除页岩气水平井产层井壁上的油基钻井液，有利于水泥环-地层界面胶结质量的提高。

2.4 界面胶结强度

经清水、由QX-1 配制的高效驱油清洗液以及由同类产品（WH-7、VER）配制的高效驱油清洗液处理的油基钻井液污染井筒内壁与水泥石的界面胶结强度分别为0.016、0.110、0.033、0.746 MPa。QX-1有效清除了油基滤饼，减少了水泥与井筒内壁的非接触面积，界面胶结强度相对于清水及VER处理提高了一个数量级，是WH-7处理的6.86倍，较大程度提高了胶结强度。

2.5 界面润湿反转

将自来水滴在模拟井壁的砂纸面上、含有油基泥饼的砂纸上和经高效驱油清洗液清洗后的砂纸上。自来水滴在砂纸上铺展呈半圆球体状，在含有油基泥饼的砂纸上未发生明显变化、呈现接近完整水滴状，在经高效驱油清洗液清洗后的砂纸上水滴已完全铺展。经高效驱油清洗液清洗后，油基泥饼驱除干净，水滴完全铺展开，说明经高效驱油清洗液清洗后的表面由亲油性转变为亲水性，清洗表面润湿性良好。

2.6 相容性

高效驱油清洗液、水泥浆和油基钻井液在不同混合比例时的常温常压流变参数和井底温度（90 ℃）下的热浆流变参数如表6 所示。高效驱油清洗液与水泥浆及油基钻井液的相容性良好，常温常压条件下没有明显提切现象，模拟井底温度（90 ℃）条件下的热浆流变值降低。高效驱油清洗液与水泥浆和油基钻井液的配伍性良好，满足现场实际安全施工要求。

表6 高效驱油清洗液与水泥浆及油基钻井液的相容性

2.7 现场应用

JY192-4HF 井是涪陵页岩气田的一口生产井，也是进行QX-1 试验的第1 口井。该井完钻井深5825 m，水平段4230～5825 m，产层下139.7 mm 套管，水泥浆设计返高至地面，采用双凝双密度水泥浆工艺固井。油基钻井液密度1.60 g/cm3，漏斗黏度80 s，油水比85∶15。固井施工中，泵入冲洗液3.13 m3，高效驱油清洗液31.32 m3。刮管扫塞作业完成后进行测井作业，顺利完成全井测井。测井结果显示：水泥浆返高130 m，尾浆封固井段3100～5797 m，段长2697 m，产层水平段封固优质率为100%，尾浆封固段优质率99.74%，合格率100%；领浆封固井段130～3100 m，段长2970 m，领浆封固段优质率86.13%，合格率100%。综合整井封固段优质率92.73%，合格率100%。

3 结论

利用微乳增溶原理，制备了一种改性聚氧乙烯-聚氧丙烯嵌段共聚物，其与LAS-60 复配形成的QX-1 的清洗效率达90.25%。将QX-1、隔离剂GL-1、加重剂重晶石粉（23 μm）和水混合制得高效驱油清洗液。在60～90 ℃条件下，高效驱油清洗液均具有较好的沉降稳定性。QX-1加量为20%时，高效驱油清洗液对模拟固井一界面的清洗效率达93.94%，对模拟固井二界面的泥饼去除效率达91.16%；且清洗后的界面胶结强度比清水提高了一个数量级，利于提高水泥环长久密封完整性。由QX-1 配制的高效驱油清洗液与涪陵页岩气田油基钻井液和固井水泥浆的配伍性良好，固井合格率100%，固井优质率达92.73%。