深水无固相水基隔热封隔液技术

周姗姗，许明标，由福昌，陈　侃，宋建建

（1.长江大学石油工程学院，武汉430100；2.荆州嘉华科技有限公司，湖北荆州434001）

深水无固相水基隔热封隔液技术

周姗姗1，许明标1，由福昌2，陈侃1，宋建建1

（1.长江大学石油工程学院，武汉430100；2.荆州嘉华科技有限公司，湖北荆州434001）

周姗姗等.深水无固相水基隔热封隔液技术[J].钻井液与完井液，2016，33（2）：36-40.

无固相水基隔热封隔液是指充填于油气井井下环空中起隔热作用的水基工作液，其主要作用是减少油气管道内的热量损失，防止油气管内出现析蜡，生成天然气水合物等现象，保障油气井的正常作业。主要通过室内实验方法，基于降低体系导热系数及控制环空自然对流减小井筒热量损失这一理论进行研究。优选出多元醇C4作为降低体系导热系数的试剂；优选出生物大分子MT作为流变调节剂，使体系在高剪切速率下具有低黏度特性以满足泵送要求，在低剪切速率下具有高黏度特性以减小环空自然对流所产生的热量损失；通过可溶性盐对体系进行密度调节，使其密度在0.9～1.2 g/cm3范围内可调，从而满足不同压力系数的油气藏。对新型的无固相水基隔热封隔液的性能评价结果表明：其具有导热系数低、隔热效果好、密度可调范围宽、长期热稳定性好等特点，同时与油基隔热封隔液、醇基隔热封隔液相比，研制的无固相水基隔热封隔液隔热效果好、配制成本低，无固相沉积，且可有效避免对环境造成污染。

无固相；水基隔热封隔液；传导率；环空对流；固相沉积

深水油气井、注蒸汽热采井、地热井和永冻层油气井中生产管柱的热量损失可能会产生水合物、聚集石蜡、沥青及垢的沉积以及导致油气井不完整性等问题，轻则降低产量，重则造成油气井事故。因此需要采取有效措施控制生产管柱内热量的散失。目前国内外井筒隔热技术主要有惰性气体隔热[1]、真空隔热油管（Vacuum Insulated Tubing，VIT）隔热[2-4]、真空隔热套管（Vacuum InsulatedCasing，VIC）隔热[5-7]、隔热封隔液隔热[8-12]。惰性气体隔热主要是利用惰性气体的低导热性能，减少油管内流体热传导导致的热损失，然而惰性气体的对流传热显著，该隔热方法主要适用于浅井、隔热要求不高的情况；VIT技术主要是通过内管外壁与外管内壁形成真空来实现隔热，是最好的隔热方式之一，然而其使用成本高，且在接箍、阀件等处的热量损失仍然很大；VIC技术与VIT原理相同，同时克服了VIT技术的不足，但价格昂贵且发展尚不成熟。隔热液隔热是目前最有效且应用最广泛的隔热方式，根据连续相性质不同，隔热液可分为油基隔热封隔液、水基隔热封隔液和醇基隔热封隔液等。油基封隔液主要用于陆地热采井，对密度、保温要求不高的情况。水基封隔液由于具有保护储层，不会造成海洋环境污染等特点，使其既可用于陆地热采井，又特别适用于深水油气井。同时其密度可调范围宽，隔热效果好、热稳定性好、价格适中，特别是无固相水基隔热封隔液可有效避免固相沉降和可能对环境造成的伤害，这些特点使其应用前景最为广泛。

本文主要基于降低体系导热系数及控制环空自然对流减小井筒热量损失这一理论，通过室内实验方法，优选出能够有效降低体系导热系数、抑制自然对流现象，且满足泵送要求、密度要求的试剂。通过井筒模拟装置对新型的无固相水基隔热封隔液隔热效果进行评价，并对导热系数、流变特性、抗温稳定性等指标进行测定分析。

1　试剂优选及效果分析

为了配制出满足实际需求的隔热封隔液，室内实验主要从降低导热系数、减少环空自然对流、满足适当静压头的密度要求这3个方面着手，对大量物质及其水溶液的导热性能、流变特性、抗温性能等进行了评价。最终优选出多元醇（C4）作为降低体系导热系数的试剂；优选生物大分子（MT）作为流变调节剂，控制体系黏度从而减少环空自然对流；选择可溶性盐对体系进行密度调节。

1.1多元醇降低体系导热系数

对于深水油气井，在近海底附近由于海水温度一般在2～5 ℃之间，远低于油管内温度，因此在温差作用下油管内的热量一部分以热传导的形式散失到海水及地层中，热量散失的过程满足傅里叶定律：

其中，dQ/dt为单位时间内的导热量，W/s； λ为导热系数，W/（m·K）； A为传热面积，m2；dT/dx为温度梯度，K/m。

由于油管与海水及地层的接触面积A及油管内外的温度梯度为定值，根据（1）式可知，降低封隔液导热系数能有效减小油管内热传导导致的热量散失。为了降低封隔液的导热系数，实验室对大量物质及其水溶液的导热性能进行了评价，最终筛选出可与水混溶，并能有效降低体系导热系数的C4试剂。为了准确研究C4试剂浓度变化对体系导热系数的影响，在测定不同浓度C4溶液导热系数的过程中，控制了体系内另一重要试剂MT的加量为定值，测定结果如图1所示。

图1　不同C4加量封隔液的导热系数

从图1可以看出，随着C4含量的增加，水溶液的导热系数不断减小，与不加C4相比，C4的含量为50%时其导热系数可降低至60%左右；当C4的含量达到62%时，其导热系数可降低至53%。这表明该C4可显著降低体系的导热系数。由于C4可与水互溶，因此根据实际需求可以通过调整C4的含量使体系的导热系数在0.3～0.6 W/（m·K）范围之间可调。

为了进一步验证C4试剂的保温隔热效果，并优选出最佳的C4浓度。实验室对不同C4加量的水基封隔液进行了保温隔热效果测试。通过井筒模拟装置在模拟环空内加入待测液体，并在模拟油管内加入3#白油代替实际原油，将环空内液体加热到54 ℃，然后将井筒模拟装置放入到温度控制在4～5 ℃的恒温水浴中，记录环空内液体温度随时间的变化，结果见图2。从图2可以看出，在保证MT加量一定的条件下，导热系数较高的不含C4的溶液降温速度较快，经过7 h后，温度从54 ℃降至20 ℃；随着C4含量的逐渐增加，体系的导热系数越来越小，其保温效果越来越好；当C4含量增至50%时，经过7 h后，温度从54 ℃仅降至29 ℃，说明导热系数降低有利于提高封隔液的保温效果；但当C4含量继续增加，保温效果反而不如含量为50%时的效果。分析认为，在配制封隔液时C4和水的总体积是一个定值，而生物大分子在C4中不可溶，当C4含量不断增加时，体系内水的含量不断减少，最终导致生物大分子不能完全溶解，影响了体系的保温效果。从而可知当体系内MT加量一定时C4试剂加量为50%时，体系隔热效果最好。

图2　无固相水基封隔液的保温隔热效果

C4除了能够降低保温封隔液体系的导热系数外，由于其具有黏度大、密度高、沸点高等特点，还起到增加体系黏度、辅助加重、提高热稳定性等作用。

1.2流变调节剂控制环空自然对流

除了热传导外，热量散失的另一种重要形式为自然对流，自然对流产生的主要原因是流体内部存在温差，使得流体密度分布不均匀而引起流体流动，从而产生传热现象。控制自然对流主要通过添加流变调节剂调节体系的黏度，降低体系的流动性能从而控制自然对流散热。实验室通过对大量物质的评价，优选出一种生物大分子MT作为体系的流变调节剂，MT配制的封隔液满足在高剪切速率下具有的低黏度，可以保证其可泵性；同时满足在低剪切速率下具有的高黏度，可以减少自然对流所导致的热损失。

1.2.1流变特性

实验室配制了多组C4体积分数为50%、不同MT加量的溶液体系，并对其流变特性及导热系数进行了测定，结果如表1所示。从表1可以看出，当MT的加量逐渐变大时，体系地黏度逐渐增加，低剪切黏度从177 000 mPa·s逐渐增至558 000 mPa·s，且MT加量的变化对体系导热系数的影响较小。

表1　不同流变调节剂加量对应流体的流变特性及导热系数

1.2.2抑制自然对流隔热效果分析

为了分析MT对隔热效果的影响，实验室在模拟井筒装置内分别测试了MT加量为0.8%、1.0%、1.2%和1.4%溶液体系的保温效果。4组样品中C4加量均为50%，井筒模拟实验结果如图3所示。由图3可知，导热系数相同的条件下，不加MT的溶液体系温度下降迅速，仅1 h温度就从54 ℃降至24 ℃，当MT加量逐渐增加至1.0%时，所配制封隔液隔热效果最好，经过7 h，其温度仅从54℃降至29 ℃，当MT加量继续增大时，隔热效果反而变差。

图3　不同MT加量的水基封隔液的隔热效果

1.3可溶性盐调节密度

为了有效控制环空带压，适应不同压力系数的油气藏，需要控制隔热封隔液密度。通常选用可溶性无机盐，包括NaCl、KCl、CaCl2、NaBr等。通过多种可溶性盐复配可使封隔液的密度在0.9～1.2 g/cm3范围内可调，满足实际需求。除了调节密度的作用外，可溶性盐的加入减少了自由水含量，因此还可以减小体系导热系数，部分盐还可起到提高溶液体系热稳定性的作用。

2　无固相水基隔热封隔液性能评价

为了验证新型的无固相水基隔热封隔液的隔热效果，实验室在井筒模拟装置内测试其隔热效果，同时还测试了水、油基封隔液和醇基封隔液与之对比。并对该无固相水基隔热封隔液的抗温稳定性进行了评价。

2.1隔热效果分析

实验室内测试了该水基隔热封隔液以及油基和醇基封隔液的导热系数，并和纯水进行了对比。测得纯水、水基封隔液、醇基封隔液、油基封隔液导热系数分别为0.586 8、0.367 3、0.300 7、0.199 8 W/（m·K）。与不加任何试剂的纯水相比，3类隔热封隔液均具有较低的导热系数，其中油基的导热系数最低，为水基封隔液的54%左右。

通过井筒模拟装置测试了3组隔热液及纯水的隔热效果，结果见图4。

图4　环空内不同封隔液温度随时间变化曲线

从图4可以看出，没有添加C4和MT的纯水作封隔液时，因其导热系数较高，环空对流严重，降温速度较快，仅1 h温度就从54 ℃降至22 ℃；醇基封隔液经过7 h，温度从54 ℃降至24 ℃；所研制的无固相水基封隔液具有较好的保温效果，经过7 h，温度从54 ℃仅降至29 ℃，和导热系数较低的油基封隔液隔热效果相当，比醇基封隔液隔热效果好。因与油基封隔液相比，新型无固相水基封隔液流变特性好，在环空内的流动性差，从而抑制了环空自然对流散热，对油管起到了很好的保温作用；同时由于油基封隔液为了增加体系黏度和密度，通常需要通过添加固相材料来实现，因此在实际使用过程中存在固相沉积、价格昂贵等缺点，而新型无固相水基隔热封隔液在满足同油基相同的隔热效果的同时，具有无固相沉积、无污染、配制成本低等优点。

2.2抗温稳定性

实验室评价了该水基封隔液的抗温稳定性能，测试了在100 ℃烘箱内，静止放置7 d前后的流变性质及导热系数，结果见表2。由表2可知，流变性能和导热系数基本无变化，且由实验现象可知，老化后流体没有相分离，从而表明新型的无固相水基隔热封隔液具有较好的热稳定性。

表2　封隔液静态老化前后相应参数

3　结论

1.水基隔热封隔液隔热是目前应用前景最广泛的油气生产管线隔热技术，其不仅适用于陆地热采井，还特别适用于深水油气井。

2.通过室内实验方法研制出了一种新型的无固相水基隔热封隔液。新型封隔液以多元醇C4作为降低体系导热系数的试剂，生物大分子MT为流变调节剂，并通过可溶性无机盐调节体系密度使其满足不同压力系数的油气藏。

3.室内实验表明，新型无固相水基隔热封隔液具有较好的保温隔热效果，与油基隔热效果相当，同时其具有配制成本低、无固相沉积、无污染、密度可调范围宽、抗温性及长期稳定性好等特点。

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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

周姗姗，1989年生，在读硕士研究生，主要从事钻完井液的研究。E-mail：zhoushanshan0712@ 163.com。

（2015-12-23 ；HGF=1601N15；编辑王小娜）