螯合酸完井液體系的研究及應用

權(quán)寶華，　方培林，　任強，　楊凱，　王冬

螯合酸完井液體系的研究及應用

權(quán)寶華，方培林，任強，楊凱，王冬

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津300452）

權(quán)寶華等.螯合酸完井液體系的研究及應用［J］.鉆井液與完井液，2016，34（4）：122-126.

針對渤中某油田的儲層和原油特性，研發(fā)了一種螯合酸完井液體系。室內(nèi)實驗評價結(jié)果表明，螯合酸完井液在60 ℃下對渤中某油田油砂溶蝕率為3.62%、與渤中某油田油砂按質(zhì)量比為1︰1反應72 h后pH值為6.98，防膨率達到88.7%，對渤中某油田巖心滲透率恢復值達到127.6%，對鐵離子螯合能力為110.15 mg/g，對鈣離子螯合能力為878.3 mg/mL，體系的腐蝕速率能夠滿足現(xiàn)場要求。經(jīng)渤中某油田應用表明，螯合酸完井液作為射孔液取得了增產(chǎn)效果。

螯合酸；完井液；儲層保護；滲透率；增產(chǎn)

渤中某油田儲層具有高孔、中高滲的儲集物性特征，孔喉連通性一般，儲層孔滲范圍分布廣，儲層地層非均質(zhì)性強。該油田儲集層埋藏淺，成巖作用較弱，因此砂巖疏松、黏土含量較高，易產(chǎn)生顆粒運移和水化膨脹傷害。為了防止儲層受到損害，研究了一種螯合酸完井液，適用于渤中某油田的射孔、修井和洗井作業(yè)，能有效地抑制儲層中黏土礦物的水化膨脹，防止微粒的分散運移。該體系呈酸性［1］，可以防止無機垢沉淀的產(chǎn)生，對酸溶性屏蔽物及礦物具有一定的溶解作用，可以提高儲層的滲透率。

1　渤中某油田儲層特性

渤中某油田明化鎮(zhèn)組下段地層屬淺水三角洲沉積，儲集空間以粒間孔為主，具有高孔、高滲的儲集物性特征?？紫抖葹?2.6%～39.7%，平均為31.6%；滲透率為0.011～6.820 μm2，平均為1.787 μm2；地層水礦化度為2 050.4 mg/L。

儲層主要為細粒和中-細粒巖屑長石砂巖，碎屑顆粒為石英、長石、巖屑及少量的云母和重礦物。巖石成分成熟度較低，石英含量為38.0%～66.0%，平均為54.3%；長石含量為15.0%～35.0%，平均為22.9%；巖屑含量為15.0%～35.0%，平均為22.8%，X射線衍射分析顯示，黏土礦物以伊/蒙混層為主，另有少量伊利石、高嶺石和綠泥石。

該油田溫度梯度為2.8 ℃/100 m，地層壓力系數(shù)為0.99，原油黏度為17.81～36.15 mPa·s（50 ℃），相對密度為0.889～0.906 g/cm3（20 ℃），含蠟為18.15%～20.89%，膠質(zhì)瀝青質(zhì)含量為10.2%～12.29%，凝固點為18～20 ℃，飽和壓力為11.090～13.210 MPa。

2　螯合酸完井液配方優(yōu)選

2.1螯合酸完井液組成

為滿足螯合酸完井液的特點，螯合酸完井液配方中的單劑應具有良好的防膨效果、良好的鈣鐵離子螯合能力和良好的無機垢溶蝕率。在室內(nèi)選取了不同類型的黏土穩(wěn)定劑、螯合劑和除垢劑，分別從防膨率、鈣離子和鐵離子螯合能力、無機垢溶蝕率4個方面對螯合酸完井液的單劑進行篩選。

針對渤中某油田儲層易產(chǎn)生顆粒運移、水化膨脹傷害和作業(yè)用水與地層水不配伍產(chǎn)生無機垢沉淀等特性，螯合酸完井液應具有如下特點。

1）能夠有效抑制儲層中黏土礦物的水化膨脹以及微粒運移。

2）能夠改變高價金屬離子的存在環(huán)境，能夠解除流體不配伍形成的無機垢沉淀。

3）可對近井壁地帶的可酸溶性的儲層礦物產(chǎn)生溶蝕作用，提高儲層的滲透率。

4）對流體中的鈣離子和鐵離子具有螯合作用，有效防止二次沉淀的形成［2］。

2.2不同黏土穩(wěn)定劑的防膨效果

參考石油天然氣行業(yè)標準［3］，用一級鈉膨潤土對無機鹽類黏土穩(wěn)定劑和陽離子型黏土穩(wěn)定劑進行防膨性能考察，實驗結(jié)果見表1。

表1　不同類型黏土穩(wěn)定劑的防膨率

由表1可知，4種黏土穩(wěn)定劑中，2%濃度的黏土穩(wěn)定劑BH-PF03防膨效果最好，對一級鈉膨潤土的防膨率可以達到90.7%，滿足現(xiàn)場施工對儲層保護的要求。

2.3不同類型螯合劑對金屬離子的螯合能力

鈣離子螯合能力測定方法為：取0.25 g螯合劑，洗入500 mL容量瓶過程中加入50 mL 0.05 mol/L的CaCl2標準溶液，吸取上述溶液50 mL，加入2.5 mol/L的NaOH溶液2 mL，加鈣指示劑2～3滴，用0.01 mol/L的EDTA標準溶液滴定，溶液由酒紅色變?yōu)樗{色為終點，記錄EDTA溶液的消耗量，計算螯合劑的鈣螯合能力，平行測試3次，取平均值。

鐵離子螯合能力測定方法為：取10 mL螯合劑，洗入1 000 mL容量瓶中，取10 mL上述溶液于燒杯中，加入四氟磁性攪拌粒子置于攪拌器上，加入5 mL已知鐵離子濃度的鐵離子標準溶液，加入5%的Na2CO3溶液調(diào)節(jié)pH值至4.0～5.0，邊攪拌邊用已知濃度的鐵離子標準溶液滴定，滴定過程中用質(zhì)量分數(shù)5%的Na2CO3溶液調(diào)節(jié)pH值維持在4.0～5.0。滴定至溶液由澄清透明變?yōu)槊黠@渾濁，即為終點，記錄所消耗的鐵離子標準溶液體積。平行測試3次，取平均值，實驗結(jié)果見表2。

表2　不同類型螯合劑對鈣離子與鐵離子的螯合能力

實驗分別對PASP、BH-AH01、GL-47S和D50 4種螯合劑進行了鈣離子螯合能力與鐵離子螯合能力的測定，由表2可知，4種螯合劑中，BH-AH01的鈣離子螯合能力最強，為750.43 mg/g；BH-AH01的鐵離子螯合能力最強，為100.23 mg/mL，選擇BH-AH01為螯合酸完井液的螯合劑，加量為1%。

2.4不同濃度除垢劑對無機垢的溶蝕率

取渤中某油田油管中無機垢樣，105 ℃烘干后稱取5 g左右，置入50 g左右不同濃度的除垢劑BH-SA中，在60 ℃下反應1～6 h，反應后冷卻到室溫，過濾并用蒸餾水反復沖洗，烘干后計算不同濃度BH-SA對渤中某油田油管中無機垢的溶蝕率，實驗結(jié)果見表3。

除垢劑BH-SA可在井下釋放H+，對已經(jīng)形成的無機垢進行溶解，并可以改變金屬離子的存在環(huán)境，抑制無機垢的形成。隨著BH-SA濃度的增大，對無機垢的溶解速度逐漸增大。當BH-SA的濃度大于4%時，溶垢效果比較明顯。綜合比較各個濃度的溶蝕率，選擇BH-SA的濃度為4%。

最終的螯合酸完井液由黏土穩(wěn)定劑、螯合劑、除垢劑、無機鹽、緩蝕劑及水溶液組成。

表3　不同濃度除垢劑BH-SA對無機垢的溶蝕率

3　螯合酸完井液性能

3.1螯合酸完井液對油砂溶蝕率的影響

洗去渤中某油田油砂中的原油，烘干后稱取5 000 mg，置入50 mL螯合酸完井液中，密封，在60 ℃下反應3 d，反應后冷卻到室溫，過濾并用蒸餾水水反復沖洗，烘干后計算螯合酸完井液對渤中某油砂的溶蝕率為3.62%，螯合酸完井液pH值從反應前1.22上升到反應后的1.32。螯合酸完井液在井下釋放出H+，與渤中某油田油砂發(fā)生了反應，從油砂的溶蝕量和反應前后的pH值可以得到證實。這也是螯合酸能疏通儲層孔道、提高油層滲透率的重要原因之一。

3.2螯合酸完井液pH值隨時間和油砂加量變化情況

分別稱取5、10、20、30、40、50 g洗去原油的渤中某油田油砂，分別置入50 mL螯合酸完井液中在60 ℃下反應3 d，反應后冷卻到室溫測定反應后螯合酸完井液的pH值，考察渤中某油田油砂加量對發(fā)生溶蝕反應后螯合酸完井液的pH值的影響，實驗結(jié)果見表4。

表4　油砂加量對發(fā)生溶蝕反應螯合酸完井液pH值的影響

螯合酸完井液與油砂發(fā)生溶蝕反應后的pH值隨油砂加量增加而增大，且與油砂加入量大致成線性關(guān)系，當油砂加入量超出50 g時，pH值接近于7，說明油砂足夠多時，可使螯合酸完井液達到中性。

分別稱取20、40、60 g洗去原油的渤中某油砂，分別置入50 mL螯合酸完井液中，在60 ℃下反應，反應過程中測定螯合酸完井液的pH值，考察反應時間對螯合酸完井液的pH值的影響，實驗結(jié)果見圖1。

圖1　反應時間對螯合酸完井液pH值的影響

油砂加入螯合酸完井液的初期，渤中某油田油砂中的可溶物迅速溶出并與螯合酸完井液反應，pH值迅速變大；隨著時間的推移，油砂中可溶物溶出速度變慢，pH值變化平緩；當油砂中可溶物全部溶出后，不論此時螯合酸完井液是否為酸性，2者的化學反應近于停止，在曲線中表現(xiàn)為pH值趨近于一恒定值。由此可知，當螯合酸完井液進入儲層之后，只要能與儲層巖心充分作用，螯合酸完井液的酸性隨著時間的推移會逐漸消失。

3.3螯合酸完井液對金屬離子螯合能力的影響

渤中某油田作業(yè)用水水型為MgCl2型，地層水水型為NaHCO3型，二者水型不配伍，相互接觸時產(chǎn)生大量無機垢沉淀，會導致巖心滲透率下降，造成儲層的傷害。對金屬離子的螯合能力是考察螯合酸完井液性能的重要指標之一。從實驗結(jié)果可知，螯合酸完井液的鐵離子螯合能力為110.15 mg/g，鈣離子螯合能力為787.37 mg/mL，鈣鐵離子螯合能力均大于BH-AH01單劑的螯合能力，這與BH-SA也具有一定的螯合能力有關(guān)。螯合酸完井液可以實現(xiàn)對鈣鐵離子的高效螯合，可以防止水型不配伍造成的無機垢沉淀，避免了儲層傷害。

3.4防膨性能

螯合酸完井液中黏土穩(wěn)定劑BH-FP03為季銨鹽型表面活性劑，可以通過化學吸附起到防止黏土顆粒運移的作用。用于控制螯合酸完井液密度的無機鹽，可以通過減小黏土表面擴散雙電層厚度和zeta電位有效控制地層黏土水化膨脹。參考石油天然氣行業(yè)標準［3］。實驗結(jié)果可知，螯合酸完井液對一級鈉膨潤土的防膨率為88.7%，滿足現(xiàn)場施工對儲層保護的要求。

3.5螯合酸完井液對未受污染巖心滲透率的影響

考察螯合酸體系在60 ℃下對渤中某油田油砂壓制的巖心的滲透率恢復值。正驅(qū)煤油（Ko為257.36×10-3μm2），反驅(qū)螯合酸完井液，正驅(qū)煤油（Kd為328.39×10-3μm2）的順序進行巖心滲透率恢復值實驗，同時測滲透率恢復值Kd/Ko隨排驅(qū)體積V的變化，實驗結(jié)果見表5。

表5　排驅(qū)體積對巖心滲透率恢復值的影響

實驗結(jié)果表明，經(jīng)過螯合酸完井液作用過的渤中某巖心的滲透率提高，滲透率恢復值達到127.6%；隨著螯合酸完井液排驅(qū)體積的增加，Kd值不斷增大，螯合酸完井液對儲層滲透率非但無損害，反而還能提高儲層的滲透率。

3.6螯合酸完井液腐蝕實驗評價

參考石油天然氣行業(yè)標準［4］，對螯合酸完井液的腐蝕速率進行評價；使用N80掛片，實驗溫度為60 ℃，反應時間為96 h，實驗結(jié)果見表6。

螯合酸完井液對鋼材的腐蝕性較強。但隨著緩蝕劑加量增大，腐蝕速率減小，這是由于隨著緩蝕劑加量增大，在鋼鐵上吸附成膜的致密性增強，就可減緩鋼鐵的腐蝕；另外，隨著緩蝕劑加量的增大，腐蝕溶液的pH值增大，鋼鐵的腐蝕速率減小。當緩蝕劑加量為0.5%時，測得其腐蝕速率小于0.25 g/m2·h，可以滿足現(xiàn)場使用泥漿池配液和泥漿泵注入的要求。

表6　螯合酸完井液的腐蝕速率

3.7螯合酸射孔液與原油配伍性實驗

參考石油天然氣行業(yè)標準［5-8］，進行螯合酸完井液與原油破乳脫水實驗，采用渤中某綜合油樣，60 ℃恒溫水浴，評價樣品分別加入35 mg/L破乳劑BH-41D，分別考察螯合酸完井液與巖心在60℃下按質(zhì)量比1∶1反應3 d后的螯合酸完井液的殘液對原油破乳脫水的影響，實驗結(jié)果見表7。

表7　螯合酸完井液配伍性實驗

從表7可以看出，螯合酸完井液的加入影響前5 min的脫水速率，5 min后加入螯合酸完井液的油樣的脫水速率與空白樣脫水速率相同。分析原因為，螯合酸完井液含有氫離子，增加了液膜的穩(wěn)定性，阻礙了初期破乳脫水作用，隨著時間的推移，在10 min后脫水量相同。螯合酸完井液與巖心反應后的殘液對破乳脫水沒有影響，不會影響流程的破乳脫水。

4　現(xiàn)場應用

渤中某油田A40、A24h井射孔后沖砂及再完井過程中，采用螯合酸完井液作為射孔工作液，來抑制儲層中黏土礦物的水化膨脹，防止微粒分散運移，降低作業(yè)過程中對儲層的傷害。A40井產(chǎn)液量為57.37 m3、產(chǎn)油量為29.22 m3，含水量為24.5%，A24h井產(chǎn)液量為36.15 m3，產(chǎn)油量為12.83 m3，含水量為66.6%，證明使用螯合酸完井液進行施工是成功的。

5　結(jié)論

1.室內(nèi)實驗評價結(jié)果表明，針對渤中某油田，螯合酸完井液在油砂溶蝕率、反應后pH值、防膨率、巖心滲透率恢復值、鐵離子螯合能力、鈣離子螯合能力、腐蝕速率和配伍性均能夠滿足現(xiàn)場要求。

2.渤中某油田A40、A24h井現(xiàn)場應用后的產(chǎn)油量和產(chǎn)水量表明，研制的螯合酸完井液在抑制儲層中黏土礦物的水化膨脹、防止微粒分散運移、降低作業(yè)過程中對儲層的傷害方面取得了成功。

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Study and Application of a Completion Fluid Containing Acid Chelating Agents

QUAN Baohua， FANG Peilin， REN Qiang， YANG Kai， WANG Dong
（CNOOC EnerTech-Drilling & Production Co， Tianjin 300452）

A completion fluid treated with acid chelating agents has been specially developed for use in Bozhong. In laboratory studies，the percent solution rate of the completion fluid to the oil sand taken from Bozhong was 3.62% at 60 ℃. At a mass ratio of 1∶1，reaction of the completion fluid and the oil sand for 72 hours resulted in a pH of 6.98. Percent reduction of swelling of the 28-2S sand cores was 88.7%. In permeability experiments， the permeability return of the oil sand tested with the completion fluid was 127.6%. The chelating capacity of the completion fluid was 110.15 mg/g to ferric ions， and 878.3 mg/mL to calcium ions. The corrosion rate of the completion fluid satisfied the needs for field operation. Oil production rate has been enhanced using the completion fluid as a perforation fluid.

Acid chelating agent； Completion fluid； Reservoir protection； Permeability； Stimulation

TE257.6

A

1001-5620（2016）04-0122-05

10.3696/j.issn.1001-5620.2016.04.026

權(quán)寶華，工程師，1986年生，獲得中國石油大學（華東）化學工程與技術(shù)專業(yè)碩士學位，現(xiàn)從事海上油氣田增產(chǎn)措施和油氣層保護方向的工作。電話 13820005846 ；E-mail：quanbaohua@163.com。

（2015-10-9；HGF=2016F5；編輯付玥穎）