深水無固相水基隔熱封隔液技術

周姍姍，許明標，由福昌，陳　侃，宋建建

（1.長江大學石油工程學院，武漢430100；2.荊州嘉華科技有限公司，湖北荊州434001）

深水無固相水基隔熱封隔液技術

周姍姍1，許明標1，由福昌2，陳侃1，宋建建1

（1.長江大學石油工程學院，武漢430100；2.荊州嘉華科技有限公司，湖北荊州434001）

周姍姍等.深水無固相水基隔熱封隔液技術[J].鉆井液與完井液，2016，33（2）：36-40.

無固相水基隔熱封隔液是指充填于油氣井井下環空中起隔熱作用的水基工作液，其主要作用是減少油氣管道內的熱量損失，防止油氣管內出現析蠟，生成天然氣水合物等現象，保障油氣井的正常作業。主要通過室內實驗方法，基于降低體系導熱系數及控制環空自然對流減小井筒熱量損失這一理論進行研究。優選出多元醇C4作為降低體系導熱系數的試劑；優選出生物大分子MT作為流變調節劑，使體系在高剪切速率下具有低黏度特性以滿足泵送要求，在低剪切速率下具有高黏度特性以減小環空自然對流所產生的熱量損失；通過可溶性鹽對體系進行密度調節，使其密度在0.9～1.2 g/cm3范圍內可調，從而滿足不同壓力系數的油氣藏。對新型的無固相水基隔熱封隔液的性能評價結果表明：其具有導熱系數低、隔熱效果好、密度可調范圍寬、長期熱穩定性好等特點，同時與油基隔熱封隔液、醇基隔熱封隔液相比，研制的無固相水基隔熱封隔液隔熱效果好、配制成本低，無固相沉積，且可有效避免對環境造成污染。

無固相；水基隔熱封隔液；傳導率；環空對流；固相沉積

深水油氣井、注蒸汽熱采井、地熱井和永凍層油氣井中生產管柱的熱量損失可能會產生水合物、聚集石蠟、瀝青及垢的沉積以及導致油氣井不完整性等問題，輕則降低產量，重則造成油氣井事故。因此需要采取有效措施控制生產管柱內熱量的散失。目前國內外井筒隔熱技術主要有惰性氣體隔熱[1]、真空隔熱油管（Vacuum Insulated Tubing，VIT）隔熱[2-4]、真空隔熱套管（Vacuum InsulatedCasing，VIC）隔熱[5-7]、隔熱封隔液隔熱[8-12]。惰性氣體隔熱主要是利用惰性氣體的低導熱性能，減少油管內流體熱傳導導致的熱損失，然而惰性氣體的對流傳熱顯著，該隔熱方法主要適用于淺井、隔熱要求不高的情況；VIT技術主要是通過內管外壁與外管內壁形成真空來實現隔熱，是最好的隔熱方式之一，然而其使用成本高，且在接箍、閥件等處的熱量損失仍然很大；VIC技術與VIT原理相同，同時克服了VIT技術的不足，但價格昂貴且發展尚不成熟。隔熱液隔熱是目前最有效且應用最廣泛的隔熱方式，根據連續相性質不同，隔熱液可分為油基隔熱封隔液、水基隔熱封隔液和醇基隔熱封隔液等。油基封隔液主要用于陸地熱采井，對密度、保溫要求不高的情況。水基封隔液由于具有保護儲層，不會造成海洋環境污染等特點，使其既可用于陸地熱采井，又特別適用于深水油氣井。同時其密度可調范圍寬，隔熱效果好、熱穩定性好、價格適中，特別是無固相水基隔熱封隔液可有效避免固相沉降和可能對環境造成的傷害，這些特點使其應用前景最為廣泛。

本文主要基于降低體系導熱系數及控制環空自然對流減小井筒熱量損失這一理論，通過室內實驗方法，優選出能夠有效降低體系導熱系數、抑制自然對流現象，且滿足泵送要求、密度要求的試劑。通過井筒模擬裝置對新型的無固相水基隔熱封隔液隔熱效果進行評價，并對導熱系數、流變特性、抗溫穩定性等指標進行測定分析。

1　試劑優選及效果分析

為了配制出滿足實際需求的隔熱封隔液，室內實驗主要從降低導熱系數、減少環空自然對流、滿足適當靜壓頭的密度要求這3個方面著手，對大量物質及其水溶液的導熱性能、流變特性、抗溫性能等進行了評價。最終優選出多元醇（C4）作為降低體系導熱系數的試劑；優選生物大分子（MT）作為流變調節劑，控制體系黏度從而減少環空自然對流；選擇可溶性鹽對體系進行密度調節。

1.1多元醇降低體系導熱系數

對于深水油氣井，在近海底附近由于海水溫度一般在2～5 ℃之間，遠低于油管內溫度，因此在溫差作用下油管內的熱量一部分以熱傳導的形式散失到海水及地層中，熱量散失的過程滿足傅里葉定律：

其中，dQ/dt為單位時間內的導熱量，W/s； λ為導熱系數，W/（m·K）； A為傳熱面積，m2；dT/dx為溫度梯度，K/m。

由于油管與海水及地層的接觸面積A及油管內外的溫度梯度為定值，根據（1）式可知，降低封隔液導熱系數能有效減小油管內熱傳導導致的熱量散失。為了降低封隔液的導熱系數，實驗室對大量物質及其水溶液的導熱性能進行了評價，最終篩選出可與水混溶，并能有效降低體系導熱系數的C4試劑。為了準確研究C4試劑濃度變化對體系導熱系數的影響，在測定不同濃度C4溶液導熱系數的過程中，控制了體系內另一重要試劑MT的加量為定值，測定結果如圖1所示。

圖1　不同C4加量封隔液的導熱系數

從圖1可以看出，隨著C4含量的增加，水溶液的導熱系數不斷減小，與不加C4相比，C4的含量為50%時其導熱系數可降低至60%左右；當C4的含量達到62%時，其導熱系數可降低至53%。這表明該C4可顯著降低體系的導熱系數。由于C4可與水互溶，因此根據實際需求可以通過調整C4的含量使體系的導熱系數在0.3～0.6 W/（m·K）范圍之間可調。

為了進一步驗證C4試劑的保溫隔熱效果，并優選出最佳的C4濃度。實驗室對不同C4加量的水基封隔液進行了保溫隔熱效果測試。通過井筒模擬裝置在模擬環空內加入待測液體，并在模擬油管內加入3#白油代替實際原油，將環空內液體加熱到54 ℃，然后將井筒模擬裝置放入到溫度控制在4～5 ℃的恒溫水浴中，記錄環空內液體溫度隨時間的變化，結果見圖2。從圖2可以看出，在保證MT加量一定的條件下，導熱系數較高的不含C4的溶液降溫速度較快，經過7 h后，溫度從54 ℃降至20 ℃；隨著C4含量的逐漸增加，體系的導熱系數越來越小，其保溫效果越來越好；當C4含量增至50%時，經過7 h后，溫度從54 ℃僅降至29 ℃，說明導熱系數降低有利于提高封隔液的保溫效果；但當C4含量繼續增加，保溫效果反而不如含量為50%時的效果。分析認為，在配制封隔液時C4和水的總體積是一個定值，而生物大分子在C4中不可溶，當C4含量不斷增加時，體系內水的含量不斷減少，最終導致生物大分子不能完全溶解，影響了體系的保溫效果。從而可知當體系內MT加量一定時C4試劑加量為50%時，體系隔熱效果最好。

圖2　無固相水基封隔液的保溫隔熱效果

C4除了能夠降低保溫封隔液體系的導熱系數外，由于其具有黏度大、密度高、沸點高等特點，還起到增加體系黏度、輔助加重、提高熱穩定性等作用。

1.2流變調節劑控制環空自然對流

除了熱傳導外，熱量散失的另一種重要形式為自然對流，自然對流產生的主要原因是流體內部存在溫差，使得流體密度分布不均勻而引起流體流動，從而產生傳熱現象?？刂谱匀粚α髦饕ㄟ^添加流變調節劑調節體系的黏度，降低體系的流動性能從而控制自然對流散熱。實驗室通過對大量物質的評價，優選出一種生物大分子MT作為體系的流變調節劑，MT配制的封隔液滿足在高剪切速率下具有的低黏度，可以保證其可泵性；同時滿足在低剪切速率下具有的高黏度，可以減少自然對流所導致的熱損失。

1.2.1流變特性

實驗室配制了多組C4體積分數為50%、不同MT加量的溶液體系，并對其流變特性及導熱系數進行了測定，結果如表1所示。從表1可以看出，當MT的加量逐漸變大時，體系地黏度逐漸增加，低剪切黏度從177 000 mPa·s逐漸增至558 000 mPa·s，且MT加量的變化對體系導熱系數的影響較小。

表1　不同流變調節劑加量對應流體的流變特性及導熱系數

1.2.2抑制自然對流隔熱效果分析

為了分析MT對隔熱效果的影響，實驗室在模擬井筒裝置內分別測試了MT加量為0.8%、1.0%、1.2%和1.4%溶液體系的保溫效果。4組樣品中C4加量均為50%，井筒模擬實驗結果如圖3所示。由圖3可知，導熱系數相同的條件下，不加MT的溶液體系溫度下降迅速，僅1 h溫度就從54 ℃降至24 ℃，當MT加量逐漸增加至1.0%時，所配制封隔液隔熱效果最好，經過7 h，其溫度僅從54℃降至29 ℃，當MT加量繼續增大時，隔熱效果反而變差。

圖3　不同MT加量的水基封隔液的隔熱效果

1.3可溶性鹽調節密度

為了有效控制環空帶壓，適應不同壓力系數的油氣藏，需要控制隔熱封隔液密度。通常選用可溶性無機鹽，包括NaCl、KCl、CaCl2、NaBr等。通過多種可溶性鹽復配可使封隔液的密度在0.9～1.2 g/cm3范圍內可調，滿足實際需求。除了調節密度的作用外，可溶性鹽的加入減少了自由水含量，因此還可以減小體系導熱系數，部分鹽還可起到提高溶液體系熱穩定性的作用。

2　無固相水基隔熱封隔液性能評價

為了驗證新型的無固相水基隔熱封隔液的隔熱效果，實驗室在井筒模擬裝置內測試其隔熱效果，同時還測試了水、油基封隔液和醇基封隔液與之對比。并對該無固相水基隔熱封隔液的抗溫穩定性進行了評價。

2.1隔熱效果分析

實驗室內測試了該水基隔熱封隔液以及油基和醇基封隔液的導熱系數，并和純水進行了對比。測得純水、水基封隔液、醇基封隔液、油基封隔液導熱系數分別為0.586 8、0.367 3、0.300 7、0.199 8 W/（m·K）。與不加任何試劑的純水相比，3類隔熱封隔液均具有較低的導熱系數，其中油基的導熱系數最低，為水基封隔液的54%左右。

通過井筒模擬裝置測試了3組隔熱液及純水的隔熱效果，結果見圖4。

圖4　環空內不同封隔液溫度隨時間變化曲線

從圖4可以看出，沒有添加C4和MT的純水作封隔液時，因其導熱系數較高，環空對流嚴重，降溫速度較快，僅1 h溫度就從54 ℃降至22 ℃；醇基封隔液經過7 h，溫度從54 ℃降至24 ℃；所研制的無固相水基封隔液具有較好的保溫效果，經過7 h，溫度從54 ℃僅降至29 ℃，和導熱系數較低的油基封隔液隔熱效果相當，比醇基封隔液隔熱效果好。因與油基封隔液相比，新型無固相水基封隔液流變特性好，在環空內的流動性差，從而抑制了環空自然對流散熱，對油管起到了很好的保溫作用；同時由于油基封隔液為了增加體系黏度和密度，通常需要通過添加固相材料來實現，因此在實際使用過程中存在固相沉積、價格昂貴等缺點，而新型無固相水基隔熱封隔液在滿足同油基相同的隔熱效果的同時，具有無固相沉積、無污染、配制成本低等優點。

2.2抗溫穩定性

實驗室評價了該水基封隔液的抗溫穩定性能，測試了在100 ℃烘箱內，靜止放置7 d前后的流變性質及導熱系數，結果見表2。由表2可知，流變性能和導熱系數基本無變化，且由實驗現象可知，老化后流體沒有相分離，從而表明新型的無固相水基隔熱封隔液具有較好的熱穩定性。

表2　封隔液靜態老化前后相應參數

3　結論

1.水基隔熱封隔液隔熱是目前應用前景最廣泛的油氣生產管線隔熱技術，其不僅適用于陸地熱采井，還特別適用于深水油氣井。

2.通過室內實驗方法研制出了一種新型的無固相水基隔熱封隔液。新型封隔液以多元醇C4作為降低體系導熱系數的試劑，生物大分子MT為流變調節劑，并通過可溶性無機鹽調節體系密度使其滿足不同壓力系數的油氣藏。

3.室內實驗表明，新型無固相水基隔熱封隔液具有較好的保溫隔熱效果，與油基隔熱效果相當，同時其具有配制成本低、無固相沉積、無污染、密度可調范圍寬、抗溫性及長期穩定性好等特點。

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Solid-free Thermal Insulation Water Base Packer Fluid Technology for Deep Water Operation

ZHOU Shanshan1, XU Mingbiao1, YOU Fuchang2, CHEN Kan1, SONG Jianjian1
（1. College of Petroleum Engineering, Yangtze University, Wuhan, Hubei 430100, China; 2. JiahuaKeji, Jingzhou, Hubei 434001, China）

Solid-free thermal insulation water base packer fluid is a water base fluid used in the annulus of oil and gas wells to minimize the heat loss in oil and gas pipes and thus inhibit waxing and formation of gas hydrate therein. Heat loss in oil and gas pipes can be achieved by reducing the coefficient of heat conductivity of the fluid flowing in the pipes， and by controlling the free convection taking place in the pipes. In laboratory studies， a polybasic alcohol， C4， is selected as a reagent to reduce the coefficient of heat conductivity. A biopolymer， MT， is chosen as a rheology modifier； it reduces the viscosity of the flowing fluid at high shearing rate， thus satisfying the needs for pumping the fluid. On the other hand， MT increases the viscosity the fluid at low shearing rate， thus minimizing the heat loss caused by free convection in the annulus. Using soluble salts， the density of the fluid flowing in the pipes can be adjusted between 0.9 g/cm3and 1.2 g/cm3， thus satisfying the needs of reservoirs with different pressure coefficients. The studies reveal that the new solid-free thermal insulation water base packer fluid has low coefficient of heat conductivity， good thermal insulation performance，wide density range， and good stability over long period. Compared with oil base packer fluid and alcohol base packer fluid， this new packer fluid has better heat insulation performance and low preparation cost， and it is free of solids precipitation and poses no pollution to the environment.

Solid free； Thermal insulation water base packer fluid； Conductivity； Annular convection； Solid precipitation

TE254

A

1001-5620（2016）02-0036-05

10.3696/j.issn.1001-5620.2016.02.008

周姍姍，1989年生，在讀碩士研究生，主要從事鉆完井液的研究。E-mail：zhoushanshan0712@ 163.com。

（2015-12-23 ；HGF=1601N15；編輯王小娜）