郭永賓，吳志明，楊玉豪，余意，劉智勤

（中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東湛江 524000）

0 引言

隨著我國深水油氣勘探開發(fā)戰(zhàn)略的逐步推進，深水井測試及生產(chǎn)過程中的一些安全問題引起了人們的高度關注?，F(xiàn)有的深水井固井水泥漿通常沒有上返到井口，固井后水泥石上部與井口之間形成了圈閉環(huán)空，且環(huán)空內(nèi)充填著鉆井液等流體。深水油氣田測試和生產(chǎn)過程中，由于地層流體溫度高達120 ℃以上甚至更高。隨著地層流體產(chǎn)出，造成油管以及各層生產(chǎn)套管、技術套管及表層套管之間，圈閉環(huán)空內(nèi)流體溫度的升高，出現(xiàn)套管圈閉環(huán)空內(nèi)壓力升高的現(xiàn)象（APB），即環(huán)空帶壓[1-3]。APB嚴重時甚至會擠毀或脹裂套管，威脅井筒完整性，給生產(chǎn)作業(yè)帶來嚴重的安全隱患。深水井由于近泥面的低溫特性，APB 現(xiàn)象更加突出，需要采取環(huán)空壓力管理措施。

在井身結(jié)構(gòu)設計，固井工藝措施既定的情況下，彈性工作液體系是預防深水油氣井環(huán)空帶壓的關鍵技術。彈性工作液代替原有鉆井液停留在圈閉環(huán)空內(nèi)，由于含有彈性材料受壓后體積減小，緩解了壓力快速上漲，降低環(huán)空帶壓風險，延長油井的壽命。Roger Williamson 等人[4]研究了一種最佳發(fā)泡隔離液體系來緩解APB。M.Gonzalez 等人[5]研究結(jié)果表明，甲基丙烯酸甲酯乳化液（MMA）在聚合作用下，單體發(fā)生聚合反應生成聚甲醛丙烯酸甲酯時，甲基丙烯酸甲酯體積壓縮為20%，為殘留下來的流體熱膨脹創(chuàng)造了空間，避免了壓力過大而產(chǎn)生危害；Ezell R G 等人[6]使用高性能水基隔熱封隔液（IPF）來代替通常所使用的VIT 真空隔熱油管，該流體提供了較高的流動性，緩解井下APB 問題。彈性隔離液體系具有作業(yè)費用低，工藝簡單，無需專門的地面設備等優(yōu)點。室內(nèi)采用微膠囊法制得彈性空心球材料，形成了一套深水油氣井預防環(huán)空帶壓的彈性隔離液體系，并對其性能進行了研究。

1 實驗儀器

實驗儀器主要有：高溫高壓彈性流體評價儀和彈性材料往復壓縮試驗儀，均為實驗室自制，如圖1 所示。

1）高溫高壓彈性流體評價儀。該儀器的核心組成部分為“高溫高壓升降溫釜”，釜體帶有加熱升溫裝置和冷卻循環(huán)裝置，適用的溫度范圍為4～300 ℃，能夠承受的壓力極限為90 MPa，能夠通過高溫高壓升降溫釜全程模擬環(huán)空流體的升降溫過程。附件部分為“壓力補給裝置”，作用是給高溫高壓升降溫釜內(nèi)施加一定的初始壓力，模擬井內(nèi)流體施加的靜液柱壓力。該儀器在升降溫過程中能夠?qū)崟r監(jiān)控釜內(nèi)的壓力隨溫度變化的趨勢，同時對彈性工作液的緩解壓力效果進行評價。

2）彈性材料往復壓縮試驗儀。用來評價合成彈性材料的抗壓性能，施加特定的壓力后，測試流體受壓后的體積恢復程度。

圖1 高溫高壓彈性流體評價儀及彈性材料往復壓縮實驗儀

2 彈性隔離液體系研究

2.1 彈性材料研究

通過室內(nèi)實驗，采用雙酚A、環(huán)氧氯丙烷和二縮水甘油醚等制成混合溶液，開發(fā)出一種彈性劑用殼體材料[7-8]。采用二乙烯三胺、碳酸丙烯酯和氨基聚醚等配制的混合溶液作為制備彈性劑的增韌劑。將制備的殼體材料、增韌劑和發(fā)泡劑按照特定的比例混合分散均勻，在一定條件下采用干燥噴霧法實現(xiàn)微膠囊化制得顆粒材料，將彈性顆粒在高溫下通過成球爐烘干，得到彈性球體。將球體加入水中，用漂浮法篩選出浮于水面的即為彈性空心球。

對空心球內(nèi)負載氣體進行了研究，氮氣和氫氣作為油氣井工作流體常用充氣類型，對2 種氣體抗溫性能進行評價。以壓力為10 MPa 的氣體與水按5∶95 進行實驗。設置加熱溫度為10～130 ℃，測試升溫過程中壓力變化及最終壓力值，結(jié)果見圖2。

圖2 不同氣體與水升溫過程中壓力上漲情況

由圖2 可知，水直接升溫到130 ℃時，壓力上漲接近86 MPa，當水與氣體體積比為95∶5 時，氮氣和氫氣在升溫過程中，壓力分別上漲了38.6和25.6 MPa。在含有一定比例的氣體介質(zhì)后，其可壓縮性可得到大幅提高，明顯緩解壓力上漲趨勢，而且相同體積比情況下，氫氣的緩解效果明顯優(yōu)于氮氣。室內(nèi)選用氫氣作為充氣類型[9-10]。

2.2 懸浮劑

懸浮劑要具有良好的抗溫性能，能夠在井底高溫達125 ℃時不發(fā)生降解，測試性能見表1。由表1 可知，在相同的加量下150 ℃老化后，懸浮劑A、懸浮劑K 以及Utrs-B 的φ6和φ3值降幅較大，抗溫性能較差；而懸浮劑HV 和HX 依然保持著較好的流變性，動切力降低幅度較小，動塑比較高，φ6和φ3值也較為穩(wěn)定，能夠有效保證體系的懸浮性能。綜合來看懸浮劑HX 效果最佳，因此選擇其作為彈性工作液的懸浮劑。優(yōu)選懸浮劑的配方如下。

海水+0.4%懸浮劑+20%鐵礦粉

表1 彈性工作液用懸浮劑的篩選

2.3 加重劑

根據(jù)彈性工作液適用的地層和段塞位置的不同，對加重劑進行了篩選。采用了超細重晶石和超細鐵礦粉進行加重實驗，密度為1.10～1.90 g/cm3，彈性工作液加重后性能見表2 和表3。由表2 和表3 可知，隨著密度的增大，彈性工作液的黏度和切力均增大，流變性較好，能夠滿足彈性工作液加重的需要。

對不同加重劑配制的彈性工作液進行了升溫實驗，實驗結(jié)果見圖3。實驗用彈性工作液配方如下。

海水+0.4%懸浮劑+加重劑（密度為1.60 g/cm3）

表2 采用超細重晶石加重的彈性工作液的流變性能

表3 采用超細鐵礦粉加重的彈性工作液的流變性能

圖3 不同類型加重材料升溫過程中壓力上漲情況對比

由圖3 可知，對比2 種加重劑配制的彈性工作液，在升溫到130 ℃過程中的壓力上漲趨勢，超細鐵礦粉加重后最終壓力較低（81.5 MPa）。因此，優(yōu)先選擇超細鐵礦粉進行加重。

3 彈性隔離液性能

3.1 彈性及壓縮性評價

彈性工作液彈性一方面取決于彈性材料本身的壓縮性，另一方面液體成分也能夠具有一定的壓縮性能，2 者相結(jié)合所體現(xiàn)的綜合壓縮性能更優(yōu)。實驗室采用彈性材料往復壓縮試驗儀對彈性工作液壓縮性及彈性恢復能力進行評價[11-15]。測試樣品初始體積為125 cm3，室溫下彈性工作液在10～50 MPa的壓縮體積和彈性恢復率，如表4 所示。由表4 可知，隨著施加壓力的增大，壓縮體積增大。施加壓力在50 MPa 時，壓縮體積達到49.46 cm3，壓縮率達到39.57%；施加壓力移除后，彈性恢復率都達到100%。測試彈性時選擇50 MPa 進行，主要是考慮彈性工作液在頂替過程中經(jīng)過井底時，大部分彈性球體不會被擠壓破碎，在固井結(jié)束后，即使后期試采過程中出現(xiàn)一定比例的破碎，其破碎后的氣體依然具有很強的壓縮性，能夠緩解壓力上漲。

表4 彈性工作液壓縮和彈性性能的評價

3.2 抗溫性能

在高溫高壓升降溫釜進行加溫養(yǎng)護實驗，將釜內(nèi)裝滿彈性工作液，然后給定初始溫度和壓力情況下，模擬井底流體對環(huán)空進行預熱。在50 ℃、30 MPa 條件下進行養(yǎng)護實驗，配方如下。

水+0.4%懸浮劑+6%彈性劑+鐵礦粉

模擬測試作業(yè)中環(huán)空的升降溫過程，采用先升到地層最高溫度，再降至所在環(huán)空溫度，繼續(xù)模擬測試生產(chǎn)期間加熱至最高溫度，測試升降溫過程中環(huán)空壓力的變化，實驗結(jié)果見表5。由此可知，彈性工作液在段塞位置的升降溫過程，溫度上升80℃，上漲壓力小于40 MPa，始終能夠穩(wěn)定地保持彈性，緩解壓力效果穩(wěn)定。而鉆井液進行同等條件下的升溫實驗，溫度升高到90 ℃，壓力漲至88.2 MPa，溫度上升40 ℃，上漲壓力大于58 MPa。因此，彈性工作液能夠大幅降低隨溫度升高增長的膨脹壓力，緩解環(huán)空壓力上漲的趨勢。

3.3 與鉆井液和水泥漿配伍性

為評價彈性工作液在使用過程中施工安全性，對彈性工作液與鉆井液和水泥漿配伍性進行研究，結(jié)果如表6 和表7 所示。由表6 和表7 可知，彈性工作液與鉆井液不同比例混合后，流變性滿足入井流體的要求；彈性工作液與水泥漿混合后，流變性能變小，不影響固井施工過程。說明彈性工作液與鉆井液和水泥漿配伍性較好。

隔離液 水+0.4%懸浮劑+6%彈性劑+鐵礦粉（ρ=1.60 g/cm3）

恒流變鉆井液 3%海水膨潤土漿+0.1%NaOH+0.25%Na2CO3+0.1%PF-VIS+3%KCl+3%NaCl+2%FLOCAT+2%JLX+重晶石（ρ=1.52 g/cm3）

水泥漿配方 水泥+硅粉+1%X66L+4%CG82 L+1%CF44L+5%STR+1%H31L（ρ=1.90 g/cm3）

表6 彈性工作液與鉆井液的流變性

表7 彈性工作液與水泥漿的配伍性

4 結(jié)論

1.研發(fā)的彈性工作液體系配方為：水+0.4%懸浮劑+6%彈性劑+超細鐵礦粉，密度在1.10～1.90 g/cm3可調(diào)。

2.彈性工作液體系具有高彈性的特點，抗壓縮性強，隨著施加壓力的增大，彈性工作液壓縮體積增大，施加壓力移除后，彈性恢復率達到100%。

3.彈性工作液在段塞位置的升降溫過程中，始終能夠穩(wěn)定的保持彈性，緩解壓力效果穩(wěn)定。

4.彈性工作液與鉆井液不同比例混合后，流變性滿足入井流體的要求；彈性工作液與水泥漿混合后，流變性能變小，不影響固井施工過程。