甲酸鹽完井液泥餅清除室內實驗研究

孫玉學，肖平平，曹曉春，聞守斌

甲酸鹽完井液泥餅清除室內實驗研究

孫玉學，肖平平，曹曉春，聞守斌

（東北石油大學， 黑龍江 大慶163318）

含碳酸鈣顆粒的甲酸鹽完井液體系常在裸眼礫石填充完井過程中使用，充填過程中會在井壁上形成泥餅。為了提高產能，該泥餅需要用一種合適的清除體系去掉。無機、有機酸和泥餅反應速度過快，造成泥餅清除不完全。原酸酯能在鹽水溶液中水解并形成緩釋酸，但由于甲酸鹽體系較高的pH值，甲酸鹽溶液體系對于原酸酯來說并非合適的基液。提出一種方法來解決這個問題：向甲酸鹽體系中加入NaBr溶液后，原酸酯體系能用于甲酸鹽體系的泥餅破膠。最后提出了一種螯合劑破膠體系，能夠高效清除泥餅，并且滿足緩速要求。

甲酸鹽；完井液；泥餅清除；破膠

水平井裸眼礫石充填能最大程度提高產能、降低地層壓降。水平裸眼段礫石充填用完井液應當在礫石充填過程形成高質量的泥餅。

甲酸鹽鉆完井液體系具有地層配伍性好，抑制性強，環保性能好等優點，并且具有提高聚合物的熱穩定性的特殊性質。甲酸鹽體系可以用來進行裸眼礫石填充完井的完井液體系。本文以含超細碳酸鈣的甲酸鹽完井液體系做為研究對象，開展泥餅清除實驗研究。

1 破膠體系的發展

針對某口井設計洗井液配方來溶解泥餅具有較強的針對性。傳統方法來清洗碳酸鈣泥餅是通過使用酸（如鹽酸，乙酸，甲酸）來溶解一定大小的碳酸鈣顆粒。Svendsen研究了甲酸鉀溶液混合不同的有機酸作為破膠配方用來清洗甲酸鹽鉆井液體系的泥餅。但是在長裸眼段完井過程中，用酸進行高效清洗十分困難。這些酸快速反應的特性使鄰近注入區域的泥餅快速溶解，酸大量消耗，剩余井段的泥餅無法被完全清除。使用無機酸時，除了反應速度過快還會造成工具的腐蝕［1］。

所以，選擇合理方式來注入洗井液使全部目標區段受效十分重要。延緩酸的反應活性直到全部洗井液被注入到整個目標區域。

酯類能作為酸的供體，可以緩慢在地下釋放酸并提供必要的緩速反應。其中一個最早的方法是用乙酸酯類，它可以通過在介質中水解提供乙酸。然而這個體系涉及兩個問題：首先，乙酸酯十分穩定，當溫度低于100 ℃時水解產生酸的速度十分緩慢。其次，碳酸鈣與乙酸反應不完全，在某些時候，實際反應的量不足預計的化學反應計算量的50%。

為了避免乙酸與乙酸酯所遇到的問題，另一個方案就是用甲酸酯。甲酸比乙酸的酸性更強，溶解反應常數是乙酸的10倍左右。本文通過開展室內實驗研究利用甲酸鹽鹽水作為攜砂液來設計破膠配方。

OE-1(一種原酸酯)用于本文研究作為甲酸的供體，該原酸酯有一個嚴重的缺點就是在甲酸鹽溶液中溶解性差，阻礙了其在甲酸鹽體系中的應用。本文討論了解決這個問題的不成功的嘗試。另外的與甲酸鉀完井液配伍的鹽水攜砂液體系被認為可用原酸酯解決溶解性問題。

另外的可選擇的方式就是通過使用碳酸鈣螯合劑作為破膠劑。前人的文獻已經介紹過螯合劑體系現場相關試驗和應用情況。本文研究了類似螯合劑破膠配方的應用性，該配方的設計是基于甲酸鉀作為攜砂液。這種螯合劑能與碳酸鈣反應而完全不需要酸［2］。

2 實驗部分

2.1 實驗材料

2.1.1 鉆井液

配方：甲酸鉀溶液+2%淀粉+0.3%增粘劑+8%CaCO3顆粒+2%井壁穩定劑。

2.1.2 化學劑

實驗中各種化學藥劑如表1所示。

表1 實驗中化學藥劑Table 1 Additives used in the study

2.1.3 實驗裝置

利用高溫高壓濾失儀評價鉆井液的濾失性能，產生泥餅同時還可用來評價不同破膠劑配方的破膠性能。

2.2 實驗方法

2.2.1 準備泥餅

利用高溫高壓濾失儀在5 μm孔徑的陶片上形成鉆井液泥餅。利用高溫高壓濾失儀控制陶片兩端的壓差為2.0 MPa，溫度50 ℃。一旦溫度達到預設溫度，打開下方閥門，使濾液能在壓差為 2.0 MPa下濾失1 h。測定不同時間的濾失量。然后釋放壓力，剩下的泥漿從釜內倒掉，得到實驗用的泥餅。

2.2.2 突破實驗

突破實驗在高溫高壓濾失儀中用泥餅做實驗，破膠液放在泥餅上保持壓差0.35 MPa,溫度50 ℃，測定不同時間的濾失量。某一時間，濾失量突然增加視為突破時間。

2.2.3 破膠實驗

破膠實驗將破膠液倒在高溫高壓濾失儀釜內泥餅上，并把溫度設置為 50 ℃，保持數小時。讓泥餅浸泡在破膠液中，不加壓。一段時間后，得到浸泡后泥餅的形貌圖。

2.2.4 處理前后注入性能測試

通過測試初始與最終的注入性能得到用破膠實驗模擬清洗完成后對陶片滲透率傷害。比較形成泥餅前與清洗泥餅后陶片通過一定體積水所需要的時間。

3 不同破膠體系對比

3.1 甲酸鹽體系中用原酸酯作為酸供體實驗

將OE-1加入到甲酸鉀攜砂液中，但是甲酸鉀溶液的pH值很高，與原酸酯的配伍性差。嘗試向甲酸鉀溶液中加入乳化劑乳化原酸酯形成穩定體系。

先調節甲酸鉀溶液的pH值到中性，然后分別加入兩種不同的聚氧乙烯醚類的乳化劑（S1,S2）用來乳化原酸酯。

實驗發現，在甲酸鉀體系下乳化劑 S2的乳化原酸酯的效果比乳化劑S1的更好。

在室溫下，即使加入5 %的乳化劑S1，乳狀液也不能形成。然而，在室溫下2%以上的乳化劑S2就能形成穩定的乳狀液。該乳狀液在環境溫度下穩定時間超過24 h。但溫度達到50 ℃時乳狀液發生分層。如圖1所示。因此用S2乳化原酸酯的破膠配方也不可行。表2與表3給出了具體的乳狀液組成與用量。

表2 乳狀液中原酸酯做酸供體的實驗數據表（乳化劑：S-1）Table 2 Emulsification of OE-1 acid precursor using the ethoxylated emulsifier (S-1)

表3 乳狀液中原酸酯做酸供體的實驗數據表（乳化劑：S-2）Table 3 Emulsification of OE-1 acid precursor using the ethoxylated emulsifier (S-2)

圖1 乳狀液在密度為1.25 g/cm3甲酸鉀鹽水溶液中分層狀態（50 ℃）Fig.1 Layered emulsion in 1.25 g/cm3sodium bromide brine(50 ℃)

3.2 在溴化鈉溶液中使用原酸酯作為緩釋酸供體

從實驗結果可以看出，使原酸酯在甲酸鉀體系中乳化方案不可行，嘗試在溴化鈉攜砂液體系中應用原酸酯。選擇溴化鈉是因為它與甲酸鉀鉆井液能很好地配伍不會產生任何沉淀。當加入 2%以上的乳化劑時能與比重為1.25的溴化鈉溶液形成穩定的乳狀液。穩定超過8 h，然后才出現分層。圖2為溴化鈉體系中在50 ℃條件穩定8 h后的照片。

圖2 用2%S-1在密度為1.25 g/cm3的溴化鈉鹽溶液中形成的乳狀液（50 ℃下穩定8 h）Fig.2 Emulsion formed by using 2% of S-1 1.25 g/cm3sodium bromide brine (stable for 8 h at 50 ℃)

用pH計測定溴化鈉乳狀液pH值隨時間變化如圖3所示，用原酸酯作為酸供體并用S1乳化的混合液在48 h內pH從7.3下降到2.1 。

圖3 2%S-1的溴化鈉與原酸酯的乳狀液pH時間變化曲線Fig.3 pH variation of the ortho-ester emulsion in sodium bromide with 2% S-1

3.3 螯合劑作為破膠劑

選取改性聚羧酸鹽螯合劑配方用來做評價實驗，配方中的螯合劑能有效地溶解泥餅中的含鈣成分［3,4］。避免了用酸洗除含鈣成分。適用于酸敏性地層［5,6］。

在濾失儀釜內裝入鉆井液，升高溫度到 50 ℃保持壓差 2.0 MPa。在陶片上形成泥餅并記錄一定時間的濾失體積。打開濾失儀，可以看到泥餅形成。如圖4(a)所示為5 μm陶片上的鉆井液泥餅。

圖4 鉆井液在陶片上形成的泥餅Fig.4 Mud cake formed in the pottery of the drilling fluid

圖5 比較CTR-1與CTR-1M螯合劑體系的突破時間Fig.5 Comparison of the break time of CTR-1 and CTR-1M recipes

測定螯合劑處理配方的突破時間。在圖4中可以看出自發快速反應導致濾失量快速增加。在1 h內總共300 mL破膠液中有大約95 mL濾失。大量的失水可能是由于較快反應速度造成泥餅中形成裂隙，如圖4(b)所示。關閉濾失儀下面的閥門，停止進一步的濾失，泥餅繼續浸泡在破膠液中并在這個過程不加壓。圖4(c)顯示了陶片經過18 h浸泡后的形貌。

為了使反應速度減慢，對CTR-1配方進行改性。改性后的配方加入了甲酸鹽并且使螯合劑的濃度調到原來的一半。突破實驗顯示CTR-1M突破時間相比CTR-1推遲了。相比CTR-1的60 min，同樣95 mL的濾失量CTR-1M則需要200 min。見圖5。

4 結 論

（1）由于在測試溫度下原酸酯與比重為 1.25的甲酸鉀鹽溶液發生分層，不能形成穩定的乳狀液，所以在甲酸鉀體系中不能用原酸酯作為酸供體。

（2）原酸酯配方在比重為1.25的溴化鉀鹽溶液中能在50 ℃下穩定8 h。實驗溫度下釋放酸的速度很慢，可作為有效的破膠體系。

（3）改進的螯合劑配方與實驗準備的好的甲酸鹽體系是清除泥餅的最佳選擇。

（4）通過調節螯合劑配方的組成濃度可以控制反應時間與反應量。因此，可以通過調節反應速度來適應不同的工作條件。

（5）中性pH值的螯合劑體系對管道的腐蝕更小。因此，在低溫或者中等溫度下該體系不需要使用緩蝕劑。

［1］ 馮德杰,張建國,趙勇. 勝利油田博24區塊水平井篩管外泥餅酸洗工藝應用[J]. 中外能源,2010(03):45-48.

［2］李麗,劉偉. 一種用于清除大位移井甲酸鹽鉆井液泥餅的優化方法[J]. 國外油田工程,2010(04):41-44+47.

［3］李麗,劉偉,劉徐慧. 川西低固相鉆井完井液泥餅清除技術初探[J].鉆井液與完井液,2010(06):27-29+97.

［4］劉英爽. 過氧化鎂膠體系可改善泥餅清除效果[J]. 鉆采工藝,1996(06):63.

［5］ 付琛,楊勝利. 高效無傷害泥餅清除體系評價研究[J]. 中國石油和化工標準與質量,2011(01):95.

［6］王澤東,李經緯. Pop-Off技術在水平井眼清除泥餅的技術原理研究[J]. 中國石油和化工標準與質量,2014(10):44.

Experimental Investigation on Formate Completion Fluid Mud Cake Cleaning

SUN Yu-xue，XIAO Ping-ping，CAO Xiao-chun，WEN Shou-bin
（Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318, China）

Formate completion fluid system with calcium carbonate particles is always used in open-hole gravel packing process. The mud cake is often formed in the packing process. It is important to clear the mud cake on the wellbore for restoring the productivity. Because of excessive high reacting rate with inorganic and organic acids, the mud cake can not be cleared adequately. Ortho ester can dissolve in the brine to produce sustained-release acid. But formate brine is not suitable base fluid for the ortho ester because of its high pH value. By adding sodium bromide solution to formate system, the ortho ester can be used to clear the mud cake. Another chelating agent system which can clear the mud cake efficiently was proposed in this paper. This system can meet the requirement of sustained-release.

Formate; Completion fluids; Mud cake clearing; Gel breaking

TQ 028

： A

： 1671-0460（2015）04-0715-03

黑龍江省教育廳科學技術研究項目資助，項目號：No.12521045。

2015-02-16

孫玉學（1961-），男，黑龍江青岡人，教授，博士，1983年畢業于大慶石油學院，研究方向：鉆井液與儲層保護。E-mail：syx1760@163.com。

肖平平（1987-），女，碩士研究生，研究方向：鉆井液與儲層保護。E-mail：xiandan5hao242@163.com。