高壓注水井解堵體系研制及實驗分析

郭 奎，李燕承，魏 飛，董小剛

（延長油田股份有限公司 靖邊采油廠，陜西 榆林 718500）

我國油氣田開發已經進入中后期，需要進行地層能量補充，采取注水、注聚、酸化壓裂等多重手段提高采收率[1]。而限于井況和開采時間影響，地層情況復雜、儲層污染嚴重、地面附件缺失等情況不斷困擾著現場生產。運用高效化學劑在低成本、高效率前提下，進行有效儲層保護與整體系統優化能極大產生開發效益，提高綜合效率[2,3]。

在油層解堵、防腐、清防蠟等過程中需要運用多種化學劑。而基于儲層保護的主動性，儲層保護類注水井解堵體系化學劑研制前景最為廣泛，本文基于現場實際，針對高壓注水井解堵體系研制進行實驗探索[4,5]。

1 地層污染堵塞原因及解堵原理

1.1 地層堵塞原因

油氣田的開發需要鉆井、儲層改造、工具下入等一系列工序。而漫長的開采調整還可能注入各種化學劑，并在人工異常高壓下強化地層能量，實現原油的驅替開采[6]。在不同工況下，壓裂液的破膠不徹底或者不及時發生反應，在驅替力不足時會發生地層滲透性的不可逆損壞。而在開發環節，由于需要補充地層能量，需要進行采出水的處理和回注，但是油田水的污染物復雜，夾雜有大量的細菌。其中SRB硫酸鹽還原菌就會誘發不同程度的金屬腐蝕并誘發大量重金屬離子沉淀。有害物伴隨著前期有機污染物會形成多重污染交互作用，在FeS作用下形成污染物機械堵塞。大規模損傷儲層，造成不可逆損失。

1.2 地層解堵原理

化學污染物、碳酸鹽類堵塞物及其金屬雜質為解堵過程中需要首先考慮和祛除的。基于此，在保護井筒及其地面流程管線的前提下，首選以ClO2為主導的解堵劑，對碳酸鹽、粘土礦物堵塞物進行清除，并結合殺菌劑和其他添加劑進行聚合物、細菌和FeS等復雜污染物的消除和抑制，在確保經濟合理，施工安全，工藝可控的前提下進行現場施工[8]，其關鍵技術原理為：運用ClO2中正4價的強氧化性Cl-進行未飽和狀態前提下的得電子和統一失電子。以至于充分發揮藥劑反應特性，在電化學合規前提下確保腐蝕性最低，效果最佳。具體反應式為：

據相關研究可知，最佳反應過程中，相關電子的親和力高達3.43eV，反應過程中電子得到較為容易，所以整體氧化能力能超過本同物質氧化氫的10～100倍。所以在用量上更少，效果更佳。比傳統的氯酸鹽綜合效果高達10000倍。

利用ClO2在油田高壓水井中進行解堵，主要是其具有在堿性條件下穩定，而只要與酸性物接觸混合反應5～15min就能快速發揮活性，具有強氧化殺菌能力，在不同工況下，很好快速的分解堵塞物質和其他雜質的能力；更能氧化H2S氣體能在一定承受下快速徹底的溶解FeS。所以進行改性后的ClO2氧化劑能在很大程度下氧化聚合物和細菌，分解金屬離子，降低溶液粘度，創造較好的流變性環境，使其他堵塞雜質很好的排除，解除地層污染堵塞。而ClO2和FeS很好的反應能生成鐵鹽類溶劑，防止Fe3+離子沉淀或反應形成其他淤堵物，同時反應過程中不會產生劇烈的有害氣體，其次最終的氧化氫產物在烴類中能較好溶解，不會形成氯化物，綜合類比評定為最佳。

2 實驗分析

在此基于ClO2氧化體系解堵劑性能，預設實驗，進行聚合物、細菌和FeS作用的規律下的綜合性能評定，確保真實使用前提下的效果可控[9]。

（1）聚合物分解降粘實驗 預設恒溫反應釜，粘度計和數據記錄臺架。進行兩組共4個小樣的配比封存。取井筒采出水，并模擬壓裂液所用通用聚合物殘留，測定粘度。配比：1.5%CMC 25mL+水25mL；1.5%CMC 25mL+ClO2水25mL；0.5%聚丙烯酸鉀25mL+水25mL；0.5%聚丙烯酸鉀25mL+ClO2水25mL溶液，分別置于反應釜中，攪拌均勻。封存保證無菌種干擾前提下24h。而后分別再次測定粘度核算μa/μb從而得出粘度下降率。

聚合物分解降粘實驗科學可靠，得到數據真實可信，由表1可知，通過分組1對比a、b樣在初始粘度64.76mPa·s的1.5%CMC溶液中進行25mL ClO2水溶液混配，其粘度驟降至3.87mPa·s。核算μa/μb僅為18，其粘度下降率為95%。通過分組2對比a、b樣在初始粘度14.98mPa·s的0.5%聚丙烯酸鉀溶液中進行25mL ClO2水溶液混配，其粘度驟降至3.01mPa·s。核算μa/μb僅為7，其粘度下降率為87%，可以看出，ClO2在不同主含介質用效果均優。

表1 粘度對比實驗數據Tab.1 Viscosity contrast experimental data

綜合證明在常溫條件下ClO2可以大幅度降低聚合物溶液粘度，獲得最佳溶液流動性，充分氧化分解聚合物凝膠，以至于后續液體攜帶物順暢排出。

（2）微生物菌體殺生實驗 油田采出水由于長時間放置及其附屬過濾設施污染，會滋生細菌，并存在微生物活動繁殖現象。最常見且危害最大的為SRB硫酸鹽還原菌和TGB腐生菌。現簡要介紹各細菌危害性原理如下：

通過化學反應式可以看出，反應生成的FeS會沉淀聚集與水垢混合，且最終堵塞過濾設備并嚴重損害儲層。該細菌有厭氧特性，能在任何場景進行作用，腐蝕井下管柱和地面工藝流程，需要首先消殺。

預設實驗通用采用恒溫式反應釜，確保整個實驗過程在45℃條件下進行。先后配置好200、100、30、20mg·L-1Cl O2溶液多份，依次進行不同反應時間前提下的SRB硫酸鹽還原菌殺生實驗。

由表2可以看出，200mg·L-1ClO2溶液濃度前提下30 min反應能獲得100%殺生率。但基于成本考量，20mg·L-1ClO2溶液濃度前提下15min反應也能獲得99.9%殺生率。不過限于現場水質和其他因素影響，運用30mg·L-1ClO2溶液濃度前提下進行60min的反應接觸能獲得穩定而高效的殺生率。而真實成品藥劑中也可以添加一系列穩定劑和確保水質達標進行配比反應的手段進行殺生效果穩定。

表2 SRB硫酸鹽還原菌殺生效果Tab.2 Killing effect of SRB sulfate reducing bacteria

TGB腐生菌主要為微生物菌群類細菌，在多重環境下會產生粘液。而這種有害粘液會附著管線并堵塞精細過濾器和儲層孔隙，還會為其他有害堵塞物提供交互影響環境。最為典型的是產生腐蝕濃差電池效應，而導致長效性大面積腐蝕。需要注意該種細菌會有滋生其他危險物載體而變化溶液系統性質，以至于攜帶雜質類污染物，并且誘發其他菌群生長，嚴重危害相關系統安全。

同樣預設實驗，采用恒溫式反應釜，確保整個實驗過程在45℃條件下進行。先后配置好100、30、20、10mg·L-1ClO2溶液多份，依次進行不同反應時間前提下的TGB細菌殺生實驗。

由表3可以看出，最大100mg·L-1ClO2溶液濃度前提下的60min反應也能獲得100%殺生率。而最低限度的5mg·L-1ClO2溶液濃度前提下的15min反應也能獲得100%殺生率。但是基于現場水質和其他綜合工況，需要進行具體情況優選，在成本可控前提下綜合考慮菌群交互影響關系，并做最終濃度和反應時間區分規定。

表3 TGB細菌殺生效果Tab.3 TGB bactericidal effect

3 成果及應用

在實際應用上，ClO2溶液在化學方面能有效清除FeS沉淀，且無H2S氣體生成。在此不做闡述。基于前章論證，先做現場應用展示。

現場選取某距離聯合站較近注水井，在排采管線沿途水力損失，并部署一定數據探頭后。配置相應藥劑。選用強氧化解堵技術，采用多段塞分級處理施工工藝。綜合考慮研究區低滲透酸敏特征，在一定儲層埋藏深度下進行井下溫度控制。選用低酸性ClO2溶液替代原有土酸解堵溶劑，并將實用濃度進行室內優化。最終確定20mg·L-1濃度前提下的藥劑使用量得到運用效果見圖1。

圖1 現場某井解堵效果Fig.1 Plugging effect of a well in site

由圖1可知，當反應使用時間達到120min后，溶解效率達到最高85%。而當反應時間繼續延長后相應效果不再增加，基于井下不同工況其他因素，室內實驗殺生率發生因為交互作用影響的偏差，但現場85%的適應性效率已經達標。能綜合適應現場要求，所以可以擴大運用規模。

4 結語

（1）在實驗研究的基礎上，聚合物分解降粘實驗表明，1.5%CMC 25mL+水25mL；1.5%CMC 25mL+ClO2水25mL；0.5%聚丙烯酸鉀25mL+水25mL前提下，加入預設Cl O2溶液，粘度下降率分別可達95%和87%。微生物菌體殺生實驗結果表明，SRB硫酸鹽還原菌前提下，ClO2溶液濃度為20mg·L-1的前提下，反應15min能獲得99.9%的最優殺生率。TGB細菌前提下，最低限度ClO2溶液濃度為5mg·L-1時，反應15min也能獲得100%的最優殺生率。

（2）在實際應用上，選取20mg·L-1濃度前提下的藥劑使用量在反應120min后得到最佳處理效果85%。判定其他工藝流程無誤、誤差真實可信，反應效果良好。而基于現場不同井況下的交互作用影響，需要精細核算藥劑穩定性、現場環境工況、井下液體影響以及其他人為因素導致的誤差。