完井液用處理劑與甲酸鹽鹽水相容性研究

張偉，　肖偉偉，　耿海龍，　徐同臺，　周玉，　張瑞芳

（1.塔里木油田分公司油氣工程研究院，新疆庫爾勒 84100；2.北京石大胡楊石油科技發展有限公司， 北京 102200）

甲酸鹽鉆完井液具有許多優良特性，甲酸鹽能降低水活度，抑制微生物的生長，對金屬的腐蝕性小，具有良好的潤滑性，保護儲層效果好，配方簡單[1-4]。其中常用的甲酸鹽有甲酸鈉、甲酸鉀、甲酸銫3種，但由于甲酸銫價格昂貴，中國常用的甲酸鹽是甲酸鈉和甲酸鉀2種。為了滿足不同儲層的需求，甲酸鹽完井液主要使用的處理劑可分為以下幾類：增黏劑、降濾失劑、封堵劑、pH值緩沖劑、加重劑、熱穩定劑、除氧劑、潤滑劑、消泡劑、防腐劑、殺菌劑等。塔里木油田現場使用的甲酸鹽完井液包括射孔液、壓井液、隔離液、環空保護液、液體膠塞等，甲酸鹽完井液在高溫高壓苛刻的環境中應用，對完井液熱穩定性、黏度、濾失量、封堵性能、沉降穩定性、滲透率恢復值等性能均要求較高，因此選擇合理的處理劑是保證其性能達到要求的必要條件。探討了甲酸鹽完井液用增黏劑、降濾失劑、封堵劑相容性規律，為甲酸鹽完井液處理劑的使用提供依據。

1　增黏劑與甲酸鹽水相容性

下面論述各種增黏劑在低、中、高密度甲酸鉀鹽水中的增黏效果與熱穩定性，實驗配方為：350 mL甲酸鉀溶液+1.0%K2CO3+0.7%KHCO3+增黏劑。

1.1　生物聚合物黃原膠XC

圖1、圖2為山東某公司生產的黃原膠（0.5%XC）在不同密度甲酸鉀鹽水中的16 h熱穩定極限和轉變溫度[1-2]與鹽水密度的關系。實驗結果表明：①黃原膠在低、中、高密度甲酸鉀鹽水中最佳溶解溫度為90～130 ℃，轉變溫度約為130 ℃，但16 h熱穩定溫度在低、中、高密度甲酸鉀鹽水中分別為150、160、170 ℃。甲酸鉀鹽水密度越高，溫度越高，黃原膠溶于甲酸鹽完井液后的黏度與切力也越高。高密度甲酸鉀鹽水中含有更高濃度的甲酸根離子，能夠抑制高溫時黃原膠的降解。②甲酸鉀鹽水密度越高，所含自由水就會越少，因而在1.60 g/cm3高密度甲酸鉀鹽水中，黃原膠在低溫情況下不易溶解，因而其黏度與切力低于低密度甲酸鹽完井液；但隨著溫度的升高（≤90 ℃），黃原膠溶解性逐漸增強，甲酸鉀鹽水的黏度與切力逐漸提高，超過中、低密度甲酸鉀鹽水。③甲酸鉀鹽水黏度隨甲酸鉀鹽水密度增大而增大，因而當黃原膠加量相同情況下，當鹽水溫度不高于90 ℃時，液體黏度隨甲酸鉀鹽水密度增大而增大。

圖1　黃原膠在甲酸鉀鹽水中表觀黏度與溫度的關系

圖2　黃原膠在甲酸鉀鹽水中動切力與溫度的關系

1.2　速溶型多元共聚物HS-600

速溶型多元共聚物HS-600是由2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、丙烯酰胺或烷基丙烯酰胺和丙烯酸及其衍生物為主料，礦物油、表面活性劑為輔料，經共聚反應制成的水溶性乳液，與甲酸鹽水具有良好相容性。由于HS-600中含有大量磺酸基團，且分子主鏈以“—C—C—”相連，抗溫、抗鹽能力強，能有效提高鉆完井液黏度，降低鉆完井液濾失量、改善泥餅質量。HS-600產品有干粉和乳液2種，使用溫度范圍寬，在淡水中的熱穩定溫度可達140 ℃，但在甲酸鹽水中的熱穩定溫度更高。圖3為由河南某公司生產的HS-600（1.0%）在不同密度甲酸鉀鹽水中16 h的熱穩定溫度與鹽水密度關系。

圖3 HS-600在甲酸鉀鹽水中表觀黏度與溫度關系

實驗結果表明：HS-600在低、中、高密度甲酸鉀鹽水中較好的溶解溫度為110～190 ℃，與黃原膠不同的是，HS-600在甲酸鉀鹽水中無轉換溫度，當甲酸鉀鹽水密度≥1.40 g/cm3時，HS-600在甲酸鉀鹽水中的16 h熱穩定溫度可達200 ℃左右，HS-600在高密度甲酸鹽完井液中的溶解性隨溫度升高而增強，完井液黏度也逐漸提高，HS-600在高密度甲酸鉀鹽水中不易發生降解，抗溫效果好。

1.3　高黏羧甲基纖維素HV-CMC

圖4為河北某公司生產的HV-CMC（1.5%）在不同密度甲酸鉀鹽水中16 h的熱穩定溫度與鹽水密度關系。實驗結果表明：HV-CMC在低、中、高密度甲酸鉀鹽水中較好溶解溫度為50～170 ℃，16 h熱穩定溫度分別為130 、150、170 ℃，無轉換溫度。密度越高，低溫下（≤110 ℃）HV-CMC溶解性越差，但高密度甲酸鹽水中HV-CMC抗溫效果也越好。

1.4　黏土（海泡石）

海泡石是一種黏土礦物，是一種復雜的鎂硅鹽，典型的化學式為Mg4Si6O15（OH）2·6H2O。其表觀結構為細的纖維狀微粒。用海泡石作甲酸鹽水的增黏劑效果較好，其熱穩定性可以達到200 ℃[5]。

圖4 HV-CMC在甲酸鉀鹽水中表觀黏度與溫度關系

2　降濾失劑與甲酸鹽水相容性

甲酸鹽完井液用降濾失劑按其原料可分為纖維素類、淀粉類、合成聚合物類等。下面論述各降濾失劑在甲酸鉀鹽水中的降濾失效果與熱穩定性。

2.1　低黏聚陰離子纖維素PAC-LV

2.1.1 PAC-LV與甲酸鹽水相容性

圖5為1.5%PAC-LV在不同密度甲酸鉀鹽水中16 h的熱穩定溫度與鹽水密度關系。

圖5 PAC-LV在不同密度甲酸鉀鹽水中表觀黏度與溫度關系

實驗結果表明：PAC-LV在低、中、高密度甲酸鉀鹽水中較好溶解的溫度為50～170 ℃，16 h熱穩定極限溫度在170 ℃左右，由于PAC-LV分子量較低，PAC-LV在低溫50 ℃下，能更好地溶解在甲酸鉀鹽水中，鹽水密度越高，PAC-LV溶解后黏度也越高，其抗溫效果也越好，PAC-LV的熱穩定性也取決于甲酸鹽水類型和濃度。

2.1.2 PAC-LV對甲酸鹽完井液濾失性能的影響

表1為PAC-LV加量對甲酸鉀完井液濾失性能影響（熱滾溫度170 ℃）。實驗結果表明：PAC-LV能有效降低甲酸鹽完井液濾失量，當PAC-LV加量從1.0%增加到6.0%時，甲酸鉀完井液API濾失量從220.0 mL降低至14.0 mL。

表1 PAC-LV加量對甲酸鉀完井液濾失性能影響（170 ℃）

2.2　抗高溫羧甲基淀粉CMS-HT

2.2.1 CMS-HT與甲酸鹽水相容性

抗高溫羧甲基淀粉CMS-HT是改性淀粉的代表產品，是醚類淀粉的一種。圖6為廣東某公司生產的CMS-HT在不同密度甲酸鉀鹽水中的16 h熱穩定溫度與鹽水密度關系。實驗結果表明：CMSHT與甲酸鹽水具有較好的相容性，CMS-HT在低、中、高密度甲酸鉀鹽水中較好溶解的溫度為50～190 ℃，16 h熱穩定溫度在170 ℃左右，在50～70℃時，CMS-HT也具有較好的溶解性，鹽水密度越高，CMS-HT溶解后黏度也越高，熱穩定性也越好。

圖6 CMS-HT在甲酸鉀鹽水中表觀黏度與溫度關系

2.2.2 CMS-HT對甲酸鹽完井液濾失性能的影響

表2為CMS-HT加量對甲酸鉀完井液（熱滾溫度170 ℃）濾失性能影響。實驗結果表明：CMS-HT能降低甲酸鹽完井液濾失量，當CMS-HT加量從1.0%增大到6.0%時，甲酸鉀完井液API濾失量從350.0 mL降低至38.0 mL。

表2 CMS-HT加量對甲酸鉀完井液濾失性能影響（170 ℃）

2.3　合成聚合物DrisTemp

DrisTemp是一種用于控制鉆完井液濾失量的低黏度聚合物，適用于高溫鉆井。DrisTemp在190 ℃的實驗室測試溫度下具有良好的性能，而在甲酸鹽鉆完井液中，在204 ℃以上的條件下該聚合物也表現出優異的性能。

2.3.1 DrisTemp與甲酸鹽水相容性

圖 7～圖 9為 2.0%DrisTemp在 150、170、190 ℃下不同密度甲酸鉀鹽水中熱滾16 h后的黏度。

圖7 150 ℃下DrisTemp對不同密度甲酸鉀鹽水黏度影響

圖8 170 ℃下DrisTemp對不同密度甲酸鉀鹽水黏度影響

圖9 190 ℃下DrisTemp對不同密度甲酸鉀鹽水黏度影響

實驗結果表明：DrisTemp與甲酸鹽水相容性與甲酸鹽水密度、溫度密切相關[7]，當溫度≤150℃時，甲酸鉀鹽水密度≤1.40 g/cm3時，DrisTemp與甲酸鉀鹽水具有很好的相容性，但在密度為1.50～1.60 g/cm3甲酸鉀鹽水中溶解性較差（見圖10）；當溫度≥170 ℃時，甲酸鉀鹽水密度≤1.40 g/cm3時，DrisTemp與甲酸鉀鹽水具有很好相容性，但在甲酸鉀飽和密度（1.60 g/cm3）鹽水中，DrisTemp溶解性極差，交聯成團（見圖11）。

圖10 DrisTemp在甲酸鉀鹽水（左1.50 g/cm3、右1.60 g/cm3）150　℃熱滾后的外觀

圖11 DrisTemp在密度1.60 g/cm3甲酸鉀鹽水中外觀（左170 ℃熱滾、右190 ℃熱滾）

2.3.2 DrisTemp對甲酸鹽完井液濾失性能的影響

圖12為DrisTemp（2.0%）在190 ℃下不同密度甲酸鉀鹽水中熱滾16 h后API濾失量。

圖12 DrisTemp對不同密度甲酸鉀鹽水濾失性能影響

實驗結果表明：DrisTemp的降濾失性能與其在甲酸鹽水中的溶解性密切相關，而其溶解性又取決于甲酸鹽水的溫度和密度。當Dristemp在甲酸鹽水中完全溶解后其粒徑小于濾紙的孔喉，降濾失效果較差；當Dristemp在甲酸鹽水中完全不溶解時，其粒徑大于濾紙的孔喉，降濾失效果也較差；而當Dristemp在甲酸鹽水中部分溶解時，其顆粒剛好與濾紙的孔喉相匹配，其降濾失效果最好。當溫度≤150 ℃時，甲酸鉀鹽水密度為1.40 g/cm3時，DrisTemp降濾失效果最好；當溫度≥170 ℃時，甲酸鉀鹽水密度為1.50 g/cm3時，DrisTemp的降濾失效果最好；當甲酸鹽水密度小于1.50 g/cm3時，應當與封堵劑復配使用才能取得良好的降濾失效果；在甲酸鉀飽和鹽水（1.60 g/cm3）中，因沒有足夠多自由水溶解DrisTemp，因而降濾失效果也變得很差。

3　封堵劑與甲酸鹽水相容性

3.1　封堵劑種類

在甲酸銫/鉀鉆完井液作業中，國外通常加入一定級配的暫堵劑來改善泥餅質量和控制濾失量，主要有細目碳酸鈣（代號Baracarb）和改性石墨（代號Seal），國內比較好的封堵劑主要有不同目數細目鈣（200目至2 500目）、H-2、ZHFD-1等樣品。

1）Baracarb有6種不型號：5、25、50、150、600、2300，其中Baracarb 5、25 和50 可用于提高鉆井液密度，起架橋作用，控制濾失量；Baracarb 50，150，600 和2300用于控制循環漏失問題。

2）G-Seal是由多種粒徑的石墨組成，在鉆井液中起橋接封堵滲漏地層的作用。當鉆進存在不同地層壓力的疏松地層時，G-Seal的橋接封堵性能可以減少壓差卡鉆的趨勢，控制輕微—嚴重循環漏失。G-Seal是惰性物質，不會影響鉆井液流變性能。由于具有潤滑性，在鉆井過程中可以降低扭矩和拉力。

3）H-2是一種含有天然纖維與碳酸鈣的礦物，同時兼具剛性粒子架橋與柔性粒子填充的封堵作用，該劑可廣泛應用于各種類型的鉆完井液，適用溫度范圍寬（0～260 ℃），對鉆完井液流變性能幾乎沒有任何影響，在加量≥3%時，便能有效降低鉆完井液濾失量，封堵住滲透性地層。

4）ZHFD-1是一種由2類天然纖維與2類天然高強度顆粒按一定配比復配，經特殊加工粉碎而成的特種封堵劑，外觀為灰白色自由流動粉末。該劑可應用于各類型鉆完井液，適用溫度范圍寬（0～220 ℃），對鉆完井液流變性能幾乎沒有任何影響，在加量≥3%時，便能有效封堵住20～40目、40～60目砂層以及縫寬不大于0.5 mm的微裂縫。

3.2　封堵劑對甲酸鹽完井液濾失性能的影響

在甲酸鹽完井液中，單一的淀粉類或纖維素降濾失劑并不能很有效降低完井液濾失量，因此為了改善濾餅質量和控制濾失量，經常需要添加封堵劑，才能降低甲酸鹽完井液的濾失量。由于涉及到的封堵劑種類較多，主要研究中國超細碳酸鈣、H-2對甲酸鹽完井液濾失性能影響。

表3為不同粒徑碳酸鈣、H-2對甲酸鹽完井液濾失量的影響（6%，熱滾溫度170 ℃）。結果表明：①相對基漿（加有LV-CMC，未加封堵劑）而言，加入不同粒徑碳酸鈣或H-2能有效降低濾失量，從23.8 mL降低至1～9.6 mL；其中200目～300目碳酸鈣與H-2的降濾失效果最佳；②碳酸鈣、H-2降濾失效果與完井液固相D50、D90密切相關，D50約在 9～15 μm，D90約在 40～50 μm 時，完井液濾失性能最佳，不能憑借碳酸鈣目數來判定其封堵性能的好壞。

表3　不同粒徑碳酸鈣與H-2對甲酸鉀完井液濾失性能影響

4　抗180 ℃無黏土相甲酸鹽完井液

4.1　配方及性能

采用中國產PAC-LV，超低黏聚陰離子纖維素Antisol FL10、國外抗溫淀粉ExstarHT、合成聚合物Dristemp作降濾失劑，HS-600作增黏劑，H-2作封堵劑，在不同密度甲酸鹽完井液中進行實驗，結果見表4。4組配方高溫高壓濾失量均控制在21 mL以下，流變性能滿足使用要求。完井液配方如下（配制350 mL）。

1#配 方：325.3 g甲 酸 銫 溶 液（2.2 g/cm3）+218.3 g甲酸鉀溶液（1.57 g/cm3）+5 g水+3 gK2CO3+2 g KHCO3+2.5 g PAC-LV+10 g BDF-265+4.5 g ExStar HT+7.5 g HS-600+2.0 g MgO+20 g H-2

2#配 方：530.6 g甲 酸 銫 溶 液（2.2 g/cm3）+102.6 g甲酸鉀溶液（1.57 g/cm3）+17.4 g水+3 g K2CO3+2 g KHCO3+2.0 g PAC-LV+10 g BDF-265+4.5 g ExStar HT+7.5 g HS-600+2.1 g MgO+20 g H-2

3#配方：735 g甲酸銫溶液（2.2 g/cm3）+137 g固體甲酸銫+3 g K2CO3+2 g KHCO3+2.71 g PAC-LV+7.5 g Dristemp+10 g BDF-265+4.5 g ExStar HT+8.14 g HS-600+2.17 g MgO+22 g H-2

4#配方：325.3 g甲酸銫溶液（2.2 g/cm3）+218.3 g甲酸鉀溶液（1.57 g/cm3）+35水+3 g K2CO3+2 g KHCO3+2.5 g PAC-LV+10 g BDF-265+3.0 g ExStar HT+2 g Antisol FL10+2 g MgO+20 g H-2

表4　不同密度甲酸鹽完井液在180 ℃老化48 h后的性能

4.2　熱穩定性

不同密度甲酸銫/鉀完井液在180 ℃下熱穩定實驗結果見表5。在180 ℃下，不同老化時間的實驗表明：采用國內處理劑與國外處理劑復配，適當調整處理劑加量與比例，在180 ℃熱滾48 h后，完井液性能可以滿足要求，但繼續在180 ℃下靜置7 d后，高溫高壓濾失量增加，黏度下降。全部采用國外處理劑配制的完井液在180 ℃下放置7 d后，高溫高壓濾失量保持在16 mL以下，流變性能穩定。

表5　不同密度甲酸鹽完井液在180 ℃熱滾不同時間后性能

5　結論

1．甲酸鉀鹽水密度越高，溫度越高，黃原膠溶于甲酸鹽完井液后的黏度與切力也越高；高密度甲酸鹽水中含有更多的甲酸根離子，能抑制黃原膠的高溫降解；黃原膠在低溫情況下不易溶解。

2．PAC-LV、CMS-HT在甲酸鉀鹽水的熱穩定溫度也取決于基液濃度，無轉換溫度；由于降濾失劑分子量較低，在低溫50～90 ℃時，降濾失劑類處理劑更能較好地溶解于高濃度甲酸鹽水中。

3．DrisTemp降濾失性與其在甲酸鹽水中的溶解性密切相關，而溶解性又取決于鹽水溫度和密度。

4．封堵劑碳酸鈣或H-2能有效降低甲酸鉀完井液濾失量，同時他們的降濾失效果與其粒徑D50、D90密切相關，當D50大約在9～15 μm，D90大約在40～50 μm時，封堵劑降濾失效果最佳。

5．采用國內與國外處理劑復配，適當調整加量與比例，在180 ℃熱滾48 h后，完井液性能可以滿足要求，但繼續在180 ℃下靜置7 d后，完井液高溫高壓濾失量增加，黏度下降。全部采用國外處理劑配制的完井液在180 ℃下放置7 d后，高溫高壓濾失量保持在16 mL以下，流變性能穩定。