李冬梅

杜春朝

(中石化西北油田分公司工程技術研究院，新疆 烏魯木齊 830011)

劉菊泉

(克拉瑪依職業(yè)技術學院石油工程系，新疆 克拉瑪依 833600)

黃振瓊

(中石化西北油田分公司工程技術研究院，新疆 烏魯木齊 830011)

林 強

(克拉瑪依職業(yè)技術學院石油工程系，新疆 克拉瑪依 833600)

封隔液及其應用現(xiàn)狀研究

李冬梅

杜春朝

(中石化西北油田分公司工程技術研究院，新疆 烏魯木齊 830011)

劉菊泉

(克拉瑪依職業(yè)技術學院石油工程系，新疆 克拉瑪依 833600)

黃振瓊

(中石化西北油田分公司工程技術研究院，新疆 烏魯木齊 830011)

林 強

(克拉瑪依職業(yè)技術學院石油工程系，新疆 克拉瑪依 833600)

封隔液是一種常用的完井液，一般具有防腐及平衡壓力的作用，需要其本身具有長期穩(wěn)定性、防腐性、保護儲層性，作為隔熱性封隔液，還需具有良好的隔熱性能。與氣體型和油基封隔液相比，水基型封隔液應用最多。無機鹽型水基封隔液在低溫、腐蝕性要求較低的油氣井應用廣泛；有機鹽型封隔液在密度需求較高、井下高溫高壓或高酸性氣井中應用效果好。近年來國外研究并現(xiàn)場應用了碳酸鉀和磷酸鹽封隔液，具有潛在的推廣應用價值。當前研究應用最多的是隔熱性水基封隔液，具有提高油氣產(chǎn)量以及保證油氣井完整性的作用，在熱采井、深水井及永久凍土油氣井中具有廣泛的應用前景。

封隔液(環(huán)空保護液)；氣體型封隔液；油基封隔液；水基封隔液

1 封隔液概述

封隔液又稱環(huán)空保護液，傳統(tǒng)意義上是指充填于油管和油層套管之間的流體[1]。它一般有2方面的作用：①防腐。封隔液具有防腐性，能防止油套管和井下工具(如封隔器、井下安全閥)免受腐蝕。②平衡壓力。具有一定密度的封隔液能平衡地層壓力、油管壓力和套管壓力，從而保護油套管及封隔器。實際上，在海上油氣井隔水管與油管之間環(huán)空，以及內(nèi)隔水管與外隔水管之間環(huán)空注入的流體也稱為封隔液，它主要起隔熱作用。

封隔液要實現(xiàn)防腐、平衡壓力的作用，必須具有長期穩(wěn)定性、防腐性及保護儲層性。對于隔熱性封隔液，它還需具有隔熱性能。

1.1長期穩(wěn)定性

封隔液在環(huán)空中存留時間很長，一般以“年”來計算，有時候長達數(shù)十年之久。因此在井下一定的溫度和壓力下，封隔液必須保持長期穩(wěn)定。由于大量固相在封隔器頂部沉積會影響封隔器的穩(wěn)定性，所以要求封隔液不產(chǎn)生固相沉淀。另外，封隔液中的各種成分不發(fā)生降解。

1.2防腐性

封隔液對于生產(chǎn)井來說，如果不修井就不會流動；對于非投產(chǎn)井來說，不投產(chǎn)也不會流動。油套環(huán)空長時間處于封閉狀態(tài)，這一密閉空間能提供金屬發(fā)生腐蝕和滋生硫酸鹽還原菌的最佳條件[2]。這些腐蝕主要有氧腐蝕、CO2腐蝕、H2S腐蝕、Cl-腐蝕、細菌腐蝕等。封隔液的一個重要作用是防腐，不僅要求封隔液本身無腐蝕性，并且必須具有防腐性。因此，一般在封隔液配方中加入除氧劑、緩蝕劑、殺菌劑等處理劑，以達到必要的防腐性能。

1.3保護儲層性

正常情況下，封隔液處在“封隔器-油套環(huán)空”的密閉空間中，不會與儲層接觸。但是，當封隔器發(fā)生泄漏、甚至完全失效，或者修井作業(yè)必須取出封隔器時，封隔液不可避免地和儲層相接觸[3]。因此，封隔液必須具有保護儲層的特性。要求封隔液必須與儲層流體配伍，一旦與地層流體接觸后，不產(chǎn)生損害儲層的沉淀。

1.4隔熱性

在熱采井、地熱井、深水油氣井以及永久凍土區(qū)油氣井中，井筒熱流體中的熱量向外界散失是一個棘手的問題。在井下“油管-環(huán)空-油層套管(或隔水管)”系統(tǒng)中，油管中流動的熱流體(油、氣、高溫蒸汽等)會通過油管壁、環(huán)空和套管壁向外傳熱，可能導致以下后果：①對于深水生產(chǎn)井，由于近海底溫度很低，大量熱量會向低溫海水中散失，油管中可能發(fā)生析蠟、生成天然氣水合物、出現(xiàn)環(huán)空帶壓等后果，影響流量穩(wěn)定性，最終降低油氣井產(chǎn)量；另外它還會限制修井的時間，給修井帶來麻煩[4]。②對于熱采井，高溫蒸汽中的熱量會向套管及水泥環(huán)大量散失掉，一方面會降低蒸汽干度，影響注蒸汽效果；另一方面，會造成油氣井的不完整性問題，如套損、水泥環(huán)破壞。③對于永久凍土區(qū)油氣井，關井期間井筒熱量的大量損失會導致嚴重的油管結(jié)蠟現(xiàn)象。防止熱量散失的方法主要是使用隔熱油管和應用隔熱性封隔液。充當隔熱作用的封隔液必須具有良好的隔熱性能[5-7]。

“油管-環(huán)空-油層套管(或隔水管)”系統(tǒng)中的傳熱方式主要有導熱和對流傳熱(包括自然對流和強制對流)2種，并且自然對流傳熱是最主要的。為了保證封隔液具有良好的隔熱性能，要求封隔液具有很低的對流傳熱系數(shù)，能有效減小熱量損失[8-9]。

2 封隔液的種類

根據(jù)連續(xù)相的性質(zhì)，可把封隔液分為氣體型、油基型以及水基型3大類，其中氣體型封隔液和油基封隔液的應用較少，國內(nèi)外目前主要應用水基封隔液。

2.1氣體型封隔液

氣體型封隔液一般只應用在注蒸汽熱采井及深水油氣井隔水管中，其作用是隔熱。由于氣體的導熱系數(shù)很低，熱量從油管通過環(huán)空介質(zhì)(封隔液)的熱傳導大大削弱，從而起到減少熱損失的作用。這些氣體有水蒸汽、氮氣及氬氣等氣體，其中效果最好且最常用的是氮氣。

遼河油田從20世紀80年代開始就在環(huán)空中注入氮氣進行隔熱，再配合使用隔熱油管，大大地提高了注蒸汽吞吐的采油效率[10]。但是，氣體在環(huán)空中的“回流”(Wellbore Refluxing)造成的熱量損失比預想的要多6倍以上，有研究表明，熱量損失僅僅是不充入隔熱性封隔氣體時的30%～40%。其實質(zhì)是導熱造成的損失大大降低，而起決定作用的對流傳熱并沒有明顯削弱。因此，氣體類封隔液的隔熱作用很有限。

2.2油基封隔液

油基封隔液具有熱穩(wěn)定性強、腐蝕性小的優(yōu)點。把油基鉆井完井液改性后留在油套環(huán)空作為封隔液是一種既經(jīng)濟又方便的方法。然而這種方法存在2大問題：固相慢慢地沉積在封隔器上，導致封隔器工作的不穩(wěn)定性，而在必要取出封隔器時，甚至發(fā)生封隔器無法取出的后果；一旦需要修井，油基封隔液與儲層接觸，造成儲層損害[11]。如果專門配制油基封隔液，成本高是其最大的缺點，并且也可能造成儲層損害。另外，具有相對較低導熱系數(shù)的油基封隔液具有隔熱作用，但深入的研究表明，油基封隔液在環(huán)空中自然對流引起的熱損失很嚴重，并且在油管連接處存在“熱點”(Heat Spot)，大大地增強了熱損失。因此，油基封隔液的應用很有限。

2.3水基封隔液

當前國內(nèi)外普遍使用的封隔液體系是無固相清潔鹽水體系，通過改變鹽的種類和加量來調(diào)節(jié)體系密度，再配合增粘劑、殺菌劑、緩蝕劑、除氧劑等處理劑來實現(xiàn)防腐、保護儲層及隔熱等功能。有些情況下，還加入降濾失劑來控制濾失，防止濾液進入儲層造成損害[12]。按照所使用的鹽類型，可分為無機鹽型和有機鹽型2大類。

1)無機鹽型封隔液 無機鹽型封隔液主要是指以鈉(鉀、鈣或鋅)的鹵化鹽為加重劑而配制的封隔液，典型的有NaCl、KCl、CaCl2、NaBr、CaBr2、ZnBr2等6種。單獨使用或使用2～3種的組合來配制滿足不同需要的封隔液[13]，各種鹽水情況見表1所示。表1所列的12種鹽水特點不一，表現(xiàn)在價格、腐蝕性和密度范圍等方面。總體而言，含氯鹽的鹽水價格低，配制簡單，但密度范圍較窄，且因含有大量破壞金屬鈍態(tài)的Cl-而腐蝕性大[14]；含溴鹽的鹽水能達到較高密度，但價格較高；含Ca2+和Zn2+的鹽水因生成沉淀，不適宜用在堿性環(huán)境中，也不適宜在含H2S或CO2的氣井中使用；含Zn2+的體系一般呈酸性，腐蝕性很大。

表1 各種無機鹽鹽水的成分和密度范圍(25℃)

無機鹽型封隔液種類多，不同的體系適合不同的情況?，F(xiàn)場應用這些鹽水配制封隔液時，應根據(jù)壓力系數(shù)、生產(chǎn)井種類(油井還是氣井，氣井是否含H2S、CO2)而選擇合適的體系。

2)有機鹽型封隔液 由于無機鹽封隔液存在著腐蝕性大、容易結(jié)垢等缺點，人們一直尋求更好的體系，有機鹽型封隔液應運而生。有機鹽鉆井液完井液是近年來發(fā)展起來的新型油氣井工作液，用作封隔液時，也顯示出了其優(yōu)良的特性。所使用的有機鹽包括甲酸鹽和乙酸鹽，其中乙酸鹽應用較少。甲酸鹽一般包括NaCOOH(甲酸鈉)、KCOOH(甲酸鉀)和CsCOOH(甲酸銫)。由于甲酸銫極其昂貴，目前用作封隔液的情況極其少見。甲酸鹽封隔液具有與無機鹽封隔液相比很多獨特的性質(zhì)：①腐蝕性極小。由于甲酸鹽鹽水呈弱堿性，pH值較易調(diào)節(jié)，并且不含Cl-、Br-等侵蝕性離子，故對油套管及井下工具的腐蝕很小[15]。②密度范圍寬。NaCOOH體系最大為1.30g/cm3，KCOOH體系最大為1.60g/cm3，CsCOOH體系最大可達2.30g/cm3。③與Ca2+和Mg2+等不生成沉淀。即使甲酸鹽封隔液與地層水接觸，也不會產(chǎn)生傷害儲層的鈣、鎂沉淀。④不易分解。甲酸鹽封隔液在井下長期的高溫高壓環(huán)境下穩(wěn)定性強，不易發(fā)生分解，即使在油套管鋼所含雜質(zhì)金屬的催化作用下可能發(fā)生分解，但也可以通過加入特定的pH緩沖劑(如K2CO3/KHCO3)來有效抑制[16]。⑤能夠抵御酸性氣體侵入帶來的風險。在酸性氣田的生產(chǎn)井中，含CO2和H2S的天然氣從密封不佳的封隔器縫隙侵入封隔液中是無法避免的。含有pH緩沖劑(如K2CO3/KHCO3)的甲酸鹽封隔液能夠維持體系pH值的穩(wěn)定，起到原有的防腐效果。⑥體系生物毒性很小，環(huán)保性強。

基于以上優(yōu)點和特性，甲酸鹽封隔液得到了越來越多的應用。由于甲酸鹽貴，因此只有在密度需求較高、井下高溫高壓或高酸性氣田，甲酸鹽封隔液才相對無機鹽體系顯示其絕對的優(yōu)越性。

3)新型水基封隔液 無機鹽封隔液的高腐蝕性和甲酸鹽封隔液的高成本分別制約了兩者的廣泛應用。近年來，在開發(fā)高溫高壓復雜油氣田的過程中，人們研究并現(xiàn)場應用了一些新型封隔液體系，如碳酸鉀、磷酸鹽體系。

碳酸鉀鹽水在中東和北海地區(qū)被一些作業(yè)者用作封隔液。K2CO3鹽水主要具有以下適合用作封隔液的優(yōu)點：①K2CO3是強堿弱酸鹽，其鹽水具有天然的弱堿性，本身腐蝕性小；②K2CO3在水中的溶解度大，其鹽水密度范圍寬，最大能夠達到1.52g/cm3，能夠滿足較寬范圍壓力系數(shù)油氣井的需要；③K2CO3鹽水本身的粘度低；④鹽水中不含Cl-，消除了油套管鋼發(fā)生氯化物應力開裂的風險；⑤K2CO3鹽水結(jié)晶溫度低，一般情況下不會有晶體析出。然而，如果碳酸鉀封隔液與儲層接觸，會與地層水中含有的大量Ca2+、Mg2+等二價陽離子生成沉淀，在高溫下還會與砂巖儲層中的硅酸鹽礦物作用，造成嚴重的儲層損害，兩者制約了該體系的廣泛應用[17]。

磷酸鹽封隔液是近幾年開始應用的一種新型鹽水封隔液，所用磷酸鹽是磷酸的堿金屬鹽，主要指鈉鹽和鉀鹽。自2008年起，已經(jīng)在印度尼西亞Pertamina EP公司所屬的5口HPHT酸性氣井(探井)中應用。它的特點有：①密度高(能夠達到2.5g/cm3)；②腐蝕性低；③具有較高的粘度，可以懸浮一定巖屑或砂粒；④在232℃下仍然具有良好的性能；⑤弱堿性的pH值(9～10.5)；⑥由于所用的鹽是用作肥料的磷酸鹽，對環(huán)境基本無害[18]。

4)水基隔熱封隔液 氣基封隔液和油基封隔液都具有極低的導熱系數(shù)，但因為分別存在“回流”和“熱點”現(xiàn)象，其隔熱效果并不理想。近年來，國外研究出了隔熱效果優(yōu)良的水基隔熱封隔液，并在現(xiàn)場得到了成功應用。體系具有很低的導熱系數(shù)，導熱損失少。另外，當它在環(huán)空中靜置時，具有足夠高的粘度，從而把對流傳熱損失大大削弱。國外有2種具有代表性的體系:N-SOLATEH和NAIF。

N-SOLATE是一種“鹽水-聚合物”體系。鹽既起加重作用，又起到降低導熱系數(shù)的作用。體系中的聚合物主要是指2種特殊的無機增粘劑，它們在配制和泵送過程中不發(fā)生作用，而在井下環(huán)空中受熱后發(fā)生交聯(lián)反應，體系粘度劇增，并保持長期穩(wěn)定，從而有效降低了對流傳熱損失[19]。

NAIF也是“鹽水-聚合物”體系。同樣地，可溶性鹽的加入既增加體系密度，又降低基液的導熱能力。體系的核心處理劑有2種：增粘劑和“固化劑”。增粘劑是一種多糖類聚合物，形成的溶液具有極佳的剪切稀釋性，保證封隔液在泵送過程中粘度極低，而在環(huán)空低剪切速率下具有極高的粘度，自然對流熱損失大幅度下降；固化劑使封隔液體系中的自由水部分地“固化”，進一步減小自然對流的熱量損失。室內(nèi)試驗表明，NAIF在82.2℃溫度下經(jīng)過1年多的時間而性能穩(wěn)定，體系具有廣泛的應用前景。

水基隔熱性封隔液有效地降低了熱量損失，確保了熱采井、地熱井、深水油氣井以及永久凍土區(qū)油氣井的井筒完整性，保證了產(chǎn)量，是目前最為科學合理的隔熱方式。隨著海上油氣田開發(fā)對深水的不斷挑戰(zhàn)，它將會得到石油工業(yè)界的深入研究和廣泛應用。

3 結(jié) 論

1)封隔液必須具有長期穩(wěn)定性、低腐蝕性、保護儲層性等性能，從而實現(xiàn)防腐、平衡壓力的功能。對于隔熱性封隔液，它還需具有隔熱特征。

2)氣體型封隔液的隔熱性并不理想，油基封隔液的儲層保護效果或隔熱性能較差，因此2種類型的封隔液應用較少。水基封隔液的應用最為廣泛。

3)無機鹽型封隔液適合應用在低溫、腐蝕性要求較低的油氣井；有機鹽型封隔液在密度需求較高、井下高溫高壓或高酸性氣井中應用效果好；K2CO3和磷酸鹽等2種新型封隔液具有的獨特性能，使其具有潛在的廣泛應用前景。

4)水基隔熱封隔液不僅具有很低的導熱系數(shù)，在環(huán)空中具有極低的對流傳熱系數(shù)，隔熱效果極佳，在熱采井、深水井及永久凍土油氣井中具有廣泛的應用前景。

[1]鄭力會,張金波,楊虎,等.新型環(huán)空保護液的腐蝕性研究與應用[J].石油鉆采工藝,2004,26(2)：13-16.

[2]鄭義,陳馥,熊俊杰,等.一種適用于含硫油氣田環(huán)空保護液的室內(nèi)研究[J].鉆井液與完井液,2010,27(2)：37-39.

[3]Ezzat A M,Augsburger J J,Tillis W J.Solids-Free,High-Density Brines for Packer-Fluid Applications[J].SPE15628,1988.

[4]Javora P H,Wang Xiao-lan,Richard S,et al.Water-Based Insulating Fluids for Deep-Water Riser Applications[J].SPE88547,2004.

[5]Bellarby J.Well Completion Design[M].Elsevier,2009.

[6]Wang Xiao-lan,Qu Qi,Javora P H,et al.New Trend in Oilfield Flow-Assurance Management:A Review of Thermal Insulating Fluids[J].SPE103829,2009.

[7]Javora P H,Pearcy R,Wang Xiao-lan,et al.A Decade of Experience-The Water-Based Thermal Insulating Packer Fluid[J].SPE116769,2008.

[8]Wang Xiao-lan,Javora P H,Qi Qu,et al.A New Thermal Insulating Fluid and Its Application in Deepwater Riser Insulation in the Gulf of Mexico[J].SPE84422,2003.

[9]Ezell R G,Harrison D J.Ultra High Temperature Solids-Free Insulating Packer Fluid for Oil and Gas Production,Steam Injection,and Geothermal Wells[J].SPE117352,2008.

[10]劉文章.熱采稠油油藏開發(fā)模式[M].北京：石油工業(yè)出版社,1998.

[11]Darring M T,Moore K R,Ali S A,et al.Novel Completion Brine Applications at Viosca Knoll in Hot,H2S and CO2Environment[J].SPE52155,1999.

[12]Paulus W.Directory of Microbicides for the Protection of Materials：A Handbook[M].Springer，2005.

[13]中油長城鉆井有限責任公司鉆井液分公司.鉆井液技術手冊[M].北京:石油工業(yè)出版社,2005.

[14]劉道新.材料的腐蝕與防護[M].西安:西北工業(yè)大學出版社,2005.

[15]徐同臺,趙忠舉.21世紀初國外鉆井液和完井液技術[M].北京:石油工業(yè)出版社,2004.

[16]Howard S K,Downs J D.Hydrothermal Chemistry of Formate Brines and Its Impact on Corrosion in HPHT Wells[J].SPE114111,2008.

[17]Houchin L R,Foxenberg W E,Zhao J.Evaluation of Potassium Carbonate as a Non-Corrosive,Chloride-Free Completion Fluid[J].SPE27392,1994.

[18]Sangka N B.New High-Density Phosphate-Based Completion Fluid:A Case History of Exploration Wells:KRE-1,BOP-1,TBR-1,and KRT-1 in Indonesia[J].SPE139169,2010.

[19]Turner J.Heat Protection[J].Oilfield Technology,2010,24 (9)：45-47.

[編輯] 洪云飛

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.12.028

TE357

A

1673-1409(2012)12-N086-04