適用于稠油熱采井的激活型完井液體系

邢希金，劉書杰，羅剛，謝仁軍

（1.中海油研究總院，北京100028；2.荊州市漢科新技術(shù)研究所，湖北荊州434000）

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適用于稠油熱采井的激活型完井液體系

邢希金1，劉書杰1，羅剛2，謝仁軍1

（1.中海油研究總院，北京100028；2.荊州市漢科新技術(shù)研究所，湖北荊州434000）

邢希金等.適用于稠油熱采井的激活型完井液體系[J].鉆井液與完井液，2016，33（3）：112-116.

摘要稠油熱采井在注蒸汽過程中及關(guān)井后，進入油層的完井液濾液和蒸汽中的水在高溫下將與地層巖石礦物及地層流體發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生儲層傷害。為此，提出使用激活型完井液體系。引入激活酸HJS，使殘留在地層中的完井液在一定溫度下激活，釋放出[H+]，降低pH值，減小礦物在高pH條件下溶解和轉(zhuǎn)化而對儲層產(chǎn)生的傷害；并優(yōu)選出了高溫防膨劑HTW、高溫減阻劑HUL、高溫溶蝕劑HDB、高溫緩蝕劑HJP以及最優(yōu)加量，構(gòu)建了激活型完井液體系。室內(nèi)評價表明，該體系激活溫度為80 ℃，激活時間為60 min，激活酸HJS的加入可以大幅度提高完井液對鉆屑的溶蝕能力；體系在220℃高溫下老化8 h的膨脹率僅為1.11%，與地層水配伍，混合液的濁度在3.6～6.9 NTU之間，蒸汽（270 ℃）驅(qū)替后滲透率恢復(fù)值大于90%（測溫為80 ℃），表明該激活型完井液體系具有很好的儲層保護效果。

關(guān)鍵詞稠油熱采；完井液；激活型；減阻；蒸汽驅(qū)替；防止地層損害

稠油熱采井在完井過程中完井液濾液難免漏失進入油層，在注蒸汽過程中及關(guān)井后進入油層的完井液濾液和蒸汽中的水在高溫下將與地層巖石礦物及地層流體發(fā)生反應(yīng)。文獻研究表明，黏土礦物在高溫、高pH值蒸汽中部分向水敏性礦物蒙脫石轉(zhuǎn)化，蒙脫石在儲層中遇礦化度低的蒸汽凝析液時會產(chǎn)生嚴重的水化膨脹[1-4]，水液反應(yīng)導(dǎo)致碳酸鈣結(jié)垢沉淀[5-7]，高溫條件下原油瀝青質(zhì)等重質(zhì)組分增加[8-10]，增大烴類黏度，降低其流動性?；诓澈３碛蜔岵删⒄羝^程中完井液在高溫條件下產(chǎn)生的傷害問題，提出了激活型完井液設(shè)計思路，通過處理劑篩選構(gòu)建了激活型完井液體系，并對該體系進行了室內(nèi)評價。

1　激活型完井液設(shè)計思路

考慮完井液在注蒸汽過程中對油層的傷害，適用于稠油注汽開采的完井液應(yīng)具有高溫下對黏土的抑制性，能夠降低蒸汽凝析液的pH值，防止礦物在高溫高pH值條件下的溶解和轉(zhuǎn)化，能夠解除高溫蒸汽凝析液和地層水不配伍形成的有機或無機垢，降低油液界面張力，而且能顯著降低稠油黏度，減小油流阻力，提高油氣產(chǎn)能；最大限度地解除前期工作液對儲層造成的損害等特性?；谏鲜鲆?，在完井液中引入幾種特殊處理劑，其作用性能如下。

1）引入激活酸。使殘留在地層中的完井液在一定溫度下激活釋放出[H+]，降低體系的pH值，降低蒸汽凝析液的pH值，減小礦物在高pH值條件下的溶解和轉(zhuǎn)化對儲層的傷害；消除無機垢；降低蒸汽pH值，防止堿敏傷害。綜合以上要求，對稠油注汽開采的完井液推薦使用激活型完井液體系。

2）引入高溫防膨劑。防止儲層黏土礦物水化膨脹、分散運移堵塞孔喉，使流體滲濾面積減小，導(dǎo)致流動受阻，間接增加流體流動阻力，降低產(chǎn)能。

3）引入高溫減阻劑。改善儲層潤濕性，降低油液界面張力，減弱毛管力效應(yīng)，從而減小油氣的流動阻力，提高產(chǎn)能。

4）引入高溫緩蝕劑。緩解高溫條件下對井下工具的腐蝕。

5）引入溶蝕劑。解除前期工作液對儲層造成的損害，疏通油流通道，增大泄油面積。

2　激活酸的制備及工作原理

激活酸是一類特殊的化學物質(zhì)，它本身不是一種酸性物質(zhì)，但是當達到一定激活溫度時，高溫條件下激活酸E與水發(fā)生反應(yīng)，生成有機酸RCOOH和無機酸HX。公式（1）和公式（2）給出激活酸的制備過程，激活酸可以通過A、B、D三種化學物質(zhì)制備，因該物質(zhì)酸性體現(xiàn)受溫度控制，在一定溫度下才能激發(fā)，故稱激活酸。

激活酸用在完井液中的優(yōu)勢在于完井液的配制與泵入過程中體系的pH值較高，無腐蝕性，而當漏失或滲濾到儲層后，由于儲層自身的溫度加熱或井筒注熱，導(dǎo)致完井液溫度升高，達到激活溫度后，完井液中激活酸與完井液中的水發(fā)生反應(yīng)釋放酸，使體系pH值降低，可以有效清除注熱高溫條件下水巖、水液等不配伍造成的儲層傷害。

3　高溫處理劑優(yōu)選

3.1防膨劑

水敏傷害是稠油注蒸汽開發(fā)過程中的主要傷害方式之一。在無機鹽類、無機聚合物類及有機陽離子聚合物類中選擇了7種防膨劑，分別用蒸餾水配制成3%溶液，加入膨潤土，80 ℃下采用離心法進行防膨效果評價，結(jié)果見表1。由表1可知，3%HTW的防膨效果在90%以上，可以引入完井液中，進一步進行加量評價。

表1　高溫條件下7種防膨劑的防膨效果（離心法、膨潤土）

采用CB-A29M井巖樣，按照SY/T 5971—94 對HTW的加量進行評價，結(jié)果見表2。由表2可知，隨著HTW加量的增加，對儲層巖心的防膨率也不斷增大；當HTW加量大于2.0%時，對儲層巖心的防膨率均達到90%以上，滿足現(xiàn)場防膨要求，而且隨著加量的增加，防膨率增大趨勢變緩。推薦HTW加量為2.0%。

表2　利用CB-A29M井巖心優(yōu)選HTW加量

3.2減阻劑

稠油流動性差，在完井液中加入一種減阻劑，可以降低稠油油藏的油水界面張力，降低稠油黏度，減少流動阻力。表3給出了2%的減阻劑在50 ℃時原油的黏度下降情況。由表3可知，高溫減阻劑HUL具有很好的減阻效果，其黏度下降率達11.07%，可以引入完井液中，進一步進行加量評價。

表3　加量為3%的不同減阻劑對NB35-2-8井原油的減阻效果

在NB35-2-8井的原油中，加入不同濃度的減阻劑HUL，通過黏度下降率的大小來衡量HUL的合適加量，見圖1。由實驗數(shù)據(jù)可知，HUL加量在2%時，原油黏度下降率高于10%，并隨加量增加降黏效果趨緩，適合加量可定為2%。

圖1　減阻劑HUL加量對原油降黏率的影響

3.3溶蝕劑

在鉆完井過程中，各入井工作液濾液在油層孔隙中的吸附、滯留，液相間的相互不配伍，形成無機垢和有機垢沉淀堵塞孔喉，增加流體流動阻力。所以在完井液的設(shè)計中，應(yīng)該設(shè)計一種溶蝕劑，它不僅對高價金屬離子具有螯合掩蔽作用，能防止有機垢和無機垢的生成；而且對已生成的有機垢、無機垢、吸附有機大分子和碳酸鈣等酸溶性暫堵劑具有較好的溶蝕解除作用，從源頭上解決液相不配伍造成儲層的深部損害問題，達到減阻增產(chǎn)的目的。

利用CB-A29M井巖心粉，室內(nèi)參照行業(yè)標準SY/T 5358—2002進行溶蝕實驗，評價了HDB 對CB-A29M井油層巖石的溶蝕效果并確定最佳加量，結(jié)果見圖2。從實驗現(xiàn)象與實驗結(jié)果可知，在CB-A29M井儲層巖心溶蝕實驗中均發(fā)現(xiàn)有一定量氣泡產(chǎn)生，說明CB-A29M井儲層巖石均有一定的與酸反應(yīng)的膠結(jié)物；隨著HDB加量的增大，巖樣溶蝕率增加，殘酸的pH值降低，但對于CB-A29M井的巖樣來說，HDB的加量增加到0.7%之后，再增大其加量，巖樣的溶蝕率增加緩慢，因此確定HDB的合理加量為0.7%。

圖2　HDB對CB-A29M井巖心的溶蝕作用

3.4高溫緩蝕劑

由于減阻性完井液呈酸性，故需考察其腐蝕性能并篩選出合適的緩蝕劑。參照SY5273—91對高效緩蝕劑優(yōu)選評價，結(jié)果見表4。由表4可見，完井液對鋼材具有一定的腐蝕性，空白樣平均腐蝕速率為6.269 3 mm/a，但通過添加3.0%HJP緩蝕劑后可大幅度降低腐蝕速率，平均腐蝕速率降為0.048 9 mm/a，腐蝕速率小于完井液要求的0.076 mm/a。

表4　不同緩蝕劑的優(yōu)選評價（80 ℃、72 h）

注：空白為海水+2.0%防膨劑HTW+0.7%溶蝕劑HDB+1.5%激活酸HJS；使用N80、掛片面積為12.6 cm2。

4　完井液配方確定及性能評價

根據(jù)上述處理劑的篩選，結(jié)合注蒸汽對儲層的傷害特征，確定了激活型完井液的基本配方如下。

過濾海水+2.0%防膨劑HTW+2%減阻劑HUL+0.7%溶蝕劑HDB+3.0%緩蝕劑HJP+1.5%激活酸HJS（用KCl調(diào)節(jié)密度）

4.1激活能力

如圖3、圖4所示，在激活時間為60 min時，當溫度低于80 ℃，體系自身的酸度維持在5～5.5之間；當溫度高于80 ℃，體系中的激活酸在溫度的作用下被激活，降低了體系pH值；當在90 ℃激活不同時間，完井液體系的pH值隨著激活時間的延長而降低，當時間超過60 min后，體系的pH值降低緩慢，說明60 min基本完全被激活。激活型完井液體系的溶蝕效果見圖5。

圖3　激活型完井液在不同溫度下的pH值（60 min ）

圖4　激活型完井液在90 ℃激活不同時間下的pH值

圖5　激活型完井液體系的溶蝕效果

由圖5可知，在未加入HJS的體系中，在70 ～90 ℃之間，隨著溫度的升高，對鉆屑的溶蝕率變化緩慢，而在加入1.5%HJS的體系中，當溫度升高到90 ℃時，由于溫度對HJS具有一定的激活作用，激活型完井液對鉆屑的溶蝕能力大幅度提高。

4.2防膨性能

以膨潤土為膨脹介質(zhì)，采取高溫老化法測定激活型完井液的膨脹率，并以海水為空白樣進行對比，結(jié)果見表5。操作步驟為：在高溫老化罐中分別放入350 mL海水和完井液；在盛裝海水和完井液的老化罐中，分別放入14 g膨潤土，用玻璃棒攪拌均勻；密封老化罐，放入不同溫度的高溫滾子爐中老化8 h，冷卻；取出老化罐中混合物，放入量筒中至澄清；讀取膨潤土在量筒中的體積數(shù)。由表5可知，海水與完井液均隨溫度升高而膨脹率增大。

表5　高溫下膨潤土在激活型完井液中的膨脹率

4.3配伍性

將地層水與完井液以不同比例混合，測量不同混合比例下的濁度，結(jié)果見表6。由表6可知，完井液與地層水按照不同比例混合后，體系的濁度值均較小，體系清澈透明，說明不會因為混合后濁度偏高傷害儲層。從懸浮物含量的實驗數(shù)據(jù)看出，懸浮物含量非常小，完井液在地層中與地層水混合后不會產(chǎn)生懸浮物而堵塞儲層。

表6　完井液與地層水的配伍性實驗結(jié)果

4.4蒸汽驅(qū)替下儲層保護性能

蒸汽驅(qū)替下儲層保護評價方法：①巖心洗油，氣測滲透率；②用煤油在油藏溫度80 ℃下測定天然巖心的初始滲透率K0；③在80 ℃下擠入2 PV的激活型完井液；④用270 ℃高溫蒸汽進行驅(qū)替，驅(qū)替出2 PV的高溫蒸汽凝析液，停止蒸汽驅(qū)替，模擬蒸汽驅(qū)替過程；⑤冷卻至80 ℃，用煤油測定損害后的滲透率Kd；⑥計算滲透率的恢復(fù)值。結(jié)果見表7。由表7可知，單純的高溫蒸汽驅(qū)替后，巖心的滲透率恢復(fù)值僅在65%左右，說明高溫蒸汽驅(qū)對儲層造成了一定程度的傷害；注入完井液后再進行蒸汽驅(qū)替，其滲透率均有不同程度的上升，說明高溫蒸汽對儲層傷害逐漸減小，而激活型完井液注入巖心后，再進行蒸汽驅(qū)替，其滲透率恢復(fù)值大于90%，說明激活型完井液儲層保護效果較好。

表7　激活型完井液儲層保護評價結(jié)果

5　結(jié)論

1.介紹了激活酸的制備方法及工作原理，根據(jù)激活型完井液的設(shè)計思路，對引入的高溫防膨劑、高溫減阻劑、高溫溶蝕劑及高溫緩蝕劑進行了篩選和評價，并確定了篩選出的各處理劑的最佳加量。

2. 通過引入激活酸，構(gòu)建了激活型完井液體系。通過評價表明，激活溫度為80 ℃，激活時間為60 min，體系高溫下膨脹率低，與地層水配伍，蒸汽驅(qū)替后滲透率恢復(fù)值大于90%，室內(nèi)研究的激活型完井液具有很好的儲層保護效果。

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Activated Completion Fluid for Thermal Heavy Oil Recovery

XING Xijin1, LIU Shujie1, LUO Gang2, XIE Renjun1
(1.Research Institute of CNOOC, Beijing 100028;2. Hubei HANC New-Technology Research Center, Jingzhou, Hubei 434000)

AbstractIn thermal recovery of heavy oils，after well shut-in，the fltrates of the completion fuids entering the reservoir formations and water from the injected steam will react with rock minerals and formation fuids at high temperature. This reaction will inevitably damage the reservoir formations in contact. To avoid this damage，an activating completion fuid has been introduced. The activating acid，HJS，is used to activate the residue completion fuid in reservoir formations at certain temperature，and hydrogen ions are released to reduce the pH of the reaction system. This will mitigate the dissolution of formation minerals at high pH which is a cause of formation damage. Several additives such as high temperature swelling inhibitor HTW，high temperature friction reducer HUL，high temperature erosion agent HDB and high temperature corrosion inhibitor HJP were chosen and their optimum concentrations determined. With these additives，an activating completion fuid has been formulated. In laboratory experiments，the activating temperature of the completion fuid is 80 ℃，and the activating time，60 min. The use of HJS greatly enhances the dissolution of drilled cuttings by the completion fuid. The ratio of swelling of the completion fuid after aging at 220 ℃ for 8 h is only 1.11%. The completion fuid is compatible with formation waters，and the turbidity of the mixed fuid is between 3.6 NTU and 6.9 NTU. The recovery of permeability after steam (270 ℃) fooding is greater than 90% (measured at 80 ℃). These data demonstrate that the activating completion fuid plays a positive role in protecting reservoir formations.

Key wordsThermal recovery of heavy oil； Completion fuid； Activating； Friction reduction； Steam fooding； Prevent formation from damaging

中圖分類號：TE257.6

文獻標識碼：A

文章編號：1001-5620（2016）03-0112-05

doi:10.3696/j.issn.1001-5620.2016.03.023

基金項目：國家科技重大專項“海上稠油熱采井注汽過程儲層保護實驗（試驗）研究”（2011ZX05024-005）項目資助。

第一作者簡介：邢希金，高級工程師，2008年畢業(yè)于西南石油大學并獲碩士研究生學位，現(xiàn)主要從事海洋石油開發(fā)鉆完井液及非常規(guī)工作液研究工作。電話 （010）84526245；E-mail：xingxj2@cnooc.com.cn。

收稿日期（2016-3-25；HGF=1601N1；編輯王小娜）