三元復合驅注入井共軛酸解堵增注體系

趙昌明 郭紅光 王銳 王慶國 王玉鑫

1.中國石油大慶油田有限責任公司采油工程研究院；2.黑龍江省油氣藏增產增注重點實驗室

化學解堵增注技術是提高注入能力的有效手段，三元復合驅結垢堵塞機理復雜，常規注入井化學解堵技術多采用無機酸，酸液活性高、反應速度快，難以深部運移，解堵半徑通常小于1.5 m，解堵有效期僅130 d左右；同時由于強酸體系中存在氫氟酸，與儲層基質反應產生氟硅酸鹽二次沉淀，解堵措施后需返排殘酸，殘液處理費用高達1萬元/口井，措施成本高、安全環保風險大［1-8］。

通過掃描電鏡及CT三維數字巖心重構，明確注入井堵塞物主要為聚合物、垢質、蠟膠質形成的多元團狀聚集體［9-12］；研發了三元復合驅注入井共軛酸解堵增注體系，共軛酸解堵劑在中性條件下對無機垢的溶垢率仍達到60%以上；抗沉積劑對Fe2+、Ca2+的絡合率分別達86.6%和59.7%。巖心解堵實驗表明，該解堵劑對巖心滲透率的恢復率較常規解堵劑提高29.2%。現場應用23口井，措施成功率91.3%，措施后平均單井降壓1.3 MPa，日增注15 m3，平均有效期193 d，措施效果顯著，且均無需返排殘酸，實現了三元復合驅注入井解堵措施的高效環保［13-15］。

1 室內實驗

1.1 注入井堵塞機理研究實驗

三元復合驅儲層中聚合物、垢質、蠟膠質等多組分共存，彼此之間通過化學鍵、氫鍵和范德華力相互作用，聚合物首先與金屬離子 (Ca2+、Mg2+和Fe3+)交聯形成三維網狀結構(圖1a)，然后聚合物表面酰胺基團捕捉膠質、吸附垢粒子，最終形成多元團狀聚集體(圖1b)。

圖1 聚合物和團狀聚集體形貌Fig.1 Morphology of polymer and clump-like aggregates

采用三元液對天然長巖心進行驅替，對三元驅替前的空白巖心及三元驅替后的堵塞巖心分別進行CT掃描，利用最大球算法對巖心孔隙進行簡化，提取孔隙網絡模型，對三元驅替前后的巖心進行數字巖心重構，分別得到空白巖心和堵塞巖心的數字三維巖心模型，通過分析計算模型中孔隙體積、配位數、喉道尺寸等微觀參數，明確了巖心堵塞狀態。

1.2 共軛酸解堵劑性能評價實驗

1.2.1 溶垢實驗

利用有機酸和弱堿三元復合驅中的碳酸鈉反應形成有機酸的共軛酸體系，借助共軛酸緩沖溶液的電離平衡效應(圖2)，可以有效抑制三元體系中堿對酸液體系的影響，進而實現酸液的深部運移，解除儲層深部堵塞。室內采用礦場弱堿垢樣，對比分析了共軛酸解堵劑與常規的酸性解堵劑在三元復合驅儲層不同pH值環境下的溶垢性能。

圖2 共軛酸反應機理Fig.2 Reaction mechanism of conjugate acid

1.2.2 絡合實驗

解堵反應過程中會產生大量的鈣鐵離子，與儲層內三元液碳酸根離子生成碳酸鹽和氫氧化物沉淀，再次堵塞油層，導致解堵措施效果變差。為此，在共軛酸解堵劑體系中添加了金屬離子螯合劑、阻垢分散劑，阻止上述成垢離子的沉淀。室內實驗中通過在解堵劑體系中添加一定質量濃度的FeCl2和CaCl2，調節pH值至堿性 (約 9～10)，利用電感耦合等離子光譜發射儀測定體系中鈣鐵離子濃度，可得出共軛酸解堵劑的鈣鐵絡合率。

1.3 巖心解堵模擬實驗

室內開展3段串聯巖心動態解堵模擬實驗。將3塊巖心順次連接，分別進行“水-聚合物-三元復合驅”的全過程注入，并分別在相同位置進行測壓取樣，如圖3所示。在完成“水-聚合物-三元復合驅”歷史驅替模擬儲層結垢堵塞狀態后，分別注入常規的酸性解堵劑和共軛酸解堵體系，通過巖心滲透率的恢復率評價共軛酸解堵劑的深部解堵性能。

圖3 長巖心驅替模擬流程Fig.3 Simulation flow of long core flooding

2 實驗結果分析

2.1 三元復合驅巖心微觀結構特征分析

經過對簡化球管模型的三維重構，得出空白巖心模型和三元驅替后堵塞巖心的三維數字巖心模型，如圖4所示。利用納米CT掃描巖心的微觀孔隙結構，分析計算驅替后堵塞巖心的三維數字微觀結構參數較空白巖心的降幅情況。由分析結果可知，平均孔隙體積降幅92.2%，平均配位數降幅45.3%，平均喉道半徑降幅66.8%，平均喉道體積降幅84.9%，平均喉道長度降幅37.6%，各項數值下降明顯，具體數據見表1。通過與掃描電鏡形貌分析結合，可快速確定三元復合驅的巖心堵塞狀況，準確量化堵塞程度。

圖4 巖心電鏡掃描形貌Fig.4 Morphology of core under scanning electron microscope

表1 巖心微觀結構參數表Table 1 Micro-structure parameters of core

2.2 共軛酸解堵劑性能分析

2.2.1 溶垢性能

圖5溶垢實驗結果表明，常規的酸性解堵劑在體系pH=7時，溶垢率僅為3.5%；共軛酸解堵劑體系pH=7時，溶垢率仍能保持在60%以上。常規的酸性解堵劑被儲層內OH-中和，活性消耗快、作用距離短；而共軛酸解堵劑在三元復合驅堿性儲層環境下，將會形成有機弱酸和共軛酸鹽的緩沖溶液。通過緩沖溶液中弱酸的電離平衡和共軛酸鹽的水解相互作用機制，降低外界(地層)堿環境對其體系pH值的影響，達到深部解堵的目的。

圖5 不同pH值條件下解堵劑溶垢率對比曲線Fig.5 Comparison curve of scale dissolution rate of plug removal agent with different pH values

2.2.2 絡合性能

絡合實驗結果表明，共軛酸解堵體系中絡合保護劑通過配位螯合、阻垢分散等作用機理，實現了對鈣鐵離子的高效絡合，絡合率分別達86.6%和59.7%，大幅降低了成垢離子的二次污染(表2)。

表2 不同質量分數共軛酸解堵劑的離子絡合率Table 2 Complexation rate of ions under conjugated acid plug removal agents with different concentrations

2.3 巖心解堵模擬實驗分析

分段巖心解堵對比實驗結果表明，常規的酸性解堵劑在對第1段巖心進行驅替解堵時，具有較好的解堵效果，第1段巖心的滲透率恢復率高達74.3%；對第2段巖心進行驅替時，由于常規解堵劑的主劑為無機酸，其活性反應強度高、速度快，此時酸液活性大幅下降，解堵效果大幅降低，巖心滲透率的恢復率僅為26.6%；當驅替液進入到第3段巖心時，由于次生反應二次污染的發生，巖心的滲透率恢復率下降至-9.5%，總滲透率的恢復率31.7%。

共軛酸解堵體系經過3段巖心的驅替解堵后，解堵劑體系仍然保持較好的反應活性，長巖心滲透率的恢復率為51.8%，總滲透率的恢復率為60.9%，較常規解堵劑提高了29.2%，如表3所示。

表3 巖心解堵實驗滲透率恢復效果Table 3 Permeability recovery effect of the core in plug removal experiment

3 現場應用

應用共軛酸解堵劑開展了23口井現場試驗，措施成功率91.3%，措施后平均單井降壓1.3 MPa，日增注15 m3，平均有效期193 d，且措施后均無需返排殘酸，有效緩解了三元復合驅注入井“注不進”的問題，實現了三元復合驅化學解堵措施的環保高效。某典型井施工前注入量20 m3，注母液量3 m3，施工前壓力13.2 MPa，措施后日增注48.3 m3，降壓5.5 MPa，措施有效期270 d，措施生產數據見表4。

表4 某井措施前后生產數據對比Table 4 Comparison of production data from some well before and after stimulation

4 結論

(1)三元復合驅體系與儲層巖石發生多種化學反應和物理變化，造成儲層堵塞，三元驅替前后巖心平均孔隙體積降幅為92.2%，平均配位數降幅為45.3%，平均喉道半徑降幅為66.8%，平均喉道體積降幅為84.9%，平均喉道長度降幅為37.6%，對三元驅替后巖心的堵塞程度進行準確量化。

(2)研發了共軛酸解堵劑，能產生緩沖溶液效應，適用pH范圍廣，與三元體系互不影響，有效作用距離大，解堵率高。該解堵劑在三元復合驅礦場注入井進行了應用并取得較好降壓增注效果，有效期達6個月以上，由于解堵過程無二次沉淀，措施后均未采取返排殘液。