中性解堵工作液開發與應用

孫海波，陳小娟，張 倩，巨江濤

（中國石油長慶油田分公司第五采油廠，陜西西安 710200）

姬塬油田目前已經達到年產原油300×104t，是長慶油田實現5 000×104t 目標的重要資源基礎[1]。姬塬油田自2004 年大規模開發，近年來一定數量的油水井逐漸呈現地層堵塞現象，導致油井產量遞減快，地層能量損失嚴重，油水井增產穩定壓力大[2]。針對儲層堵塞問題，常用酸化和重復壓裂進行解堵，姬塬油田油水井經以上儲層改造手段起到較好的穩產效果，其中酸化措施占比達到55 %以上[3]。從儲層保護和提高區域整體采收率角度來看，酸化解堵是最佳解決方案之一。2016年以來對油田環保作業提出了更高要求，關于酸化使用的酸液在運輸、配液、施工、殘酸返排過程中存在的安全與環保隱患屢屢出現[4，5]。針對以上難題，提出開發一種中性解堵工作液，以期望可以替代酸化作業的解堵液，降低了酸化解堵作業安全、環保風險，為增產作業提供一項環保解堵的新方向。

1 實驗材料和儀器

1.1 實驗材料

氨基羧酸鹽、羥基羧酸鹽、有機磷酸鹽、滲透劑、增溶劑（均為自制），水樣、垢樣、天然巖心（均來自長慶油田采油五廠）。

1.2 實驗儀器

AFS-870 型酸化多功能巖心驅替儀（美國），D8 X-射線衍射儀（德國），ICS-5000 離子色譜，JSM6510掃描電子顯微鏡（日本），JHDG 地層動態結垢試驗儀，263A-1 電化學綜合測試系統。

2 姬塬油田儲層堵塞分析

姬塬油田耿19 區2003 年以300 m×300 m 正方形反九點投入注水開發，主力層位為長2。平均孔隙度為13.3%，平均滲透率為4.4 mD。目前綜合含水為46.7%，地質儲量采出程度為13.3 %。自2004 年開始進行注水開發，隨著開發時間的延長，地層堵塞頻繁，堵塞井次逐年增多，且產能恢復率在60 %以下，措施效果逐年變差。室內對姬塬油田儲層堵塞進行分析，明確堵塞因素，從而進行針對性開發解堵工作液。

采用離子色譜儀對姬塬油田注入水和地層水進行水質分析，結果（見表1）。

注入水礦化度較低，成垢離子中硫酸根離子含量較高，含有一定量的碳酸氫根離子，礦化度在5.2 g/L。地層水中二價金屬離子含量較高，并含有一定量鋇鍶離子。

根據油田水結垢趨勢預測標準（SY/T 0600-2009），室內注入水和地層水分別按照0：100、10：90、20：80、30：70、40：60、50：50、60：40、70：30、80：20、90：10 和100：0 體積數混合均勻后，在75 ℃下恒溫測定結垢離子前后變化，實驗結果（見圖1）。

表1 水樣水質分析結果

圖1 離子結垢預測結果

從預測結果來看，注入水與對應油井的地層水混合后，存在結垢現象，主要是硫酸鋇（鍶）垢，其次是碳酸鈣垢和硫酸鈣垢。當注入水和地層水混合比例為1：9時結垢量最小211.6 mg/L。隨注水周期延長，硫酸鹽垢結垢量將進一步加劇，當注入水和地層水混合比例為6:4 時結垢量最大。

采用XRD 和能譜儀對油井垢樣進行分析，結果（見表2、表3）。表2、表3 結果顯示，垢樣主要成分是：碳酸鈣、硫酸鈣、硫鐵礦，含有少量硫酸鋇、硫酸鍶，垢樣表面混有黏土礦物。

通過以上測試結果可知，堵塞物的垢樣成分復雜，一般酸液能起到一定的解堵效果，但仍有一定量的堵塞物無法解除，這也是儲層經多次酸化后效果逐次降低的主要因素。由于儲層敏感性資料顯示存在一定堿敏，堿性工作液會對儲層帶來一定傷害，不利于儲層保護。鑒于酸液在運輸、配液、施工、殘酸返排過程中存在的安全、環保風險，室內開發一種中性解堵工作液既可以解除儲層復雜堵塞物，同時減少酸液使用。

表2 垢樣X-衍射分析結果表

表3 垢樣成分的能譜分析結果

3 中性解堵工作液開發

3.1 工作液開發

結合前期對姬塬油田水質分析、離子結垢預測和垢樣測試結果，室內有針對性的開發一種工作液進行解堵。該工作液應具有解除碳酸鈣、硫酸鈣垢、硫垢及少量硫酸鋇垢能力。為了避免使用酸液，同時具有解堵性能，工作液中不能含有酸性物質，不能對金屬管柱嚴重腐蝕。工作液開發思路：螯合劑將堵塞物螯合、絡合，轉化為產生可以溶于水的、比成垢物質本身更加穩定的螯合物。增溶劑增加螯合劑的溶解度，增大溶垢質量，提高溶垢效率。滲透劑使螯合劑快速滲透到堵塞物內部，提高螯合劑與堵塞物接觸表面，從而加快反應速度，減少反應時間。

室內自制了三種性能優良的螯合劑，分別為氨基羧酸鹽，羥基羧酸鹽，有機磷酸鹽，篩選了增溶劑和滲透劑，采用正交實驗考察材料對現場垢樣的解堵率，其中工作液為100 mL，堵塞物為10 g，反應時間為12 h，反應溫度為75 ℃，實驗結果（見表4、表5）。

得出中性解堵工作液中各材料的最佳配比為E2、A2、C2、D2、B2，因此中性解堵工作液配方為15 %氨基羧酸鹽類+8 %羥基羧酸鹽+4 %有機磷酸鹽+1 %增溶劑+1 %滲透劑。

合成中性解堵工作液采用pH 計測量溶液pH 值為7.8，自來水pH 值為7.21，中性解堵工作液與自來水pH 相當。

3.2 工作液性能評價

3.2.1 溶蝕性能 室內配制好中性解堵工作液，對碳酸鈣、硫酸鈣、硫酸鋇、垢樣、巖心、黏土進行溶蝕，工作液100 mL，溶蝕對象為10 g，反應時間為12 h，反應溫度為75 ℃，不同物質的溶蝕率結果（見圖2）。

圖2 工作液對不同物質的溶蝕能力測試

結果顯示，12 h 以內工作液對碳酸鈣、硫酸鈣、硫酸鋇和垢樣的溶蝕率隨時間增加而快速增加，12 h 后隨時間增加溶蝕率增加緩慢，其中12 h 時對碳酸鈣溶蝕率為63.2 %，對硫酸鈣溶蝕率為84.8 %、對硫酸鋇溶蝕率為12.9%、對垢樣溶蝕率為74.5%。工作液對巖屑和黏土溶蝕主要集中在前6 h，對巖屑溶蝕率為5.4 %、對黏土礦物溶蝕率29.4 %。說明工作液具有一定的解堵能力。

表4 正交實驗表頭

表5 正交實驗表L12（211）

3.2.2 腐蝕性能 室內參考《碎屑巖油藏注水水質推薦指標及分析方法》（SY/T 5329-2012）行業標準，評價了中性解堵工作液在75 ℃下、30 d 條件下對J55 鋼片平均腐蝕速率為0.057 mm/a。其對管柱的腐蝕性能與注入水相當，因此該工作液注入地層后無需洗井、返排，可直接按生產流程正常投產。

3.2.3 螯合性能 取中性解堵工作液與垢樣進行反應，測定工作液對垢樣溶解后釋放出來的金屬離子的螯合能力，實驗中測得螯合量通過前期滴定測試的標準圖版進行取值，可得到工作液在不同階段反應時間下對金屬離子的螯合能力，實驗條件為工作液為100 mL、堵塞物為10 g、反應溫度75 ℃，結果（見圖3）。

圖3 結果顯示，工作液具有良好的螯合性能，與垢樣反應12 h 時對金屬離子螯合總量達到373.4 mg/L，24 h 對金屬離子螯合總量達到503.7 mg/L，利于工作液解除堵塞物后抑制二次沉淀對儲層堵塞。

3.2.4 巖心流動性能 巖心流動性能是在室內采用高溫高壓巖心流動儀，通過巖心靜態傷害實驗進一步評價了中性解堵工作液對儲層的適應性。實驗用巖心為姬塬油田延長組儲層巖心，實驗溫度為75 ℃，實驗程序：正向飽和地層水→正向驅煤油測得滲透率K1→反向驅中性解堵工作液2 PV，保持12 h→正向驅煤油測得滲透率K2，求出傷害率（1-K2/K1），實驗結果（見表6）。表6 結果顯示，在75 ℃條件下中性解堵工作液對儲層巖心傷害率為1.2 %，工作液進入儲層后對儲層巖心傷害率極低，不會對儲層帶來較大負面傷害，說明工作液對儲層具有較好的適應性。

4 施工方式

由于中性解堵工作液對生產管柱腐蝕速率極低，根據室內解堵參數及現場生產實際情況，該工作液注入可分為兩種施工方式：

施工方式一：（1）更換施工管串；（2）通過水泥泵車將中性解堵工作液由油管注入（施工壓力在25 MPa 以內）；（3）靜止浸泡24 h～48 h 后；（4）更換生產管串，轉正常生產流程。

施工方式二：（1）不更換施工管串，僅取出生產泵掛；（2）通過水泥泵車（緩慢）將中性解堵工作液由油套環空注入（施工壓力在5 MPa 以內）；（3）靜止浸泡24 h～72 h 后；（4）直接轉正常生產流程。

5 現場應用

該技術在姬塬油田現場應用34 口井，根據儲層厚度和堵塞狀況，平均單井設計工作液22 m3，施工排量450 L/min～500 L/min，關井反應24 h，施工全過程無酸性氣體產生，施工順利，采出液（返排液）pH 為7.32 呈中性，直接投產完井。措施后平均日增油1.4 t，單井日增油同比酸化措施提高了53.3 %，取得了較好的增產效果。其中X36-65 為底水油藏一口采油井，措施后產液量達到預期目標，含水率得到較好的控制，對比井含水率上升明顯（見表7）。經分析認為由于中性解堵工作液對儲層基質的溶蝕率極低，主要針對無機堵塞物的解除，防止底水油藏基質過度溶蝕引起底水快速上升，該技術特點適應于底水油藏解堵作業。

6 結論

（1）通過姬塬油田堵塞因素分析，確定堵塞物成分為中性解堵工作液開發提高明顯方向。

表6 中性解堵工作液對儲層巖心流動實驗結果

表7 實驗井效果統計

（2）研發出一種中性解堵工作液產品，工作液pH為7.8 呈中性、對管柱腐蝕速率極低，對金屬離子具有較強的螯合性能，減少二次沉淀產生，對姬塬油田垢樣12 h 溶蝕率為74.5 %，對儲層巖心傷害率為1.2 %，儲層適應性好。

（3）該工作液應用34 口井，措施后平均日增油達到1.4 t，同比酸化措施提高了53.3 %，較好解除了儲層堵塞，達到中性解堵目的。

（4）中性解堵工作液成功應用降低了解堵作業安全、環保風險，同時為底水油藏解堵難題提供了一項新途徑。