箭竹1井胶凝酸酸压返排液处理及回注技术

李旭

（中国石化江汉油田分公司采油工艺研究院，湖北 武汉430035）

箭竹1井是部署在四川盆地川东褶皱带石柱复向斜箭竹溪长兴组生物礁岩性圈闭上的一口预探井，开孔层位为中侏罗统沙溪庙组。完钻井深4 610m，完钻层位为上二叠统长兴组长一段。在长兴组一段4 394.34m～4 452.90m连续取心，取心段岩性分析为台地边缘海绵障积－粘结礁灰岩，其中白云岩共3.77m／4层，白云岩溶蚀孔发育。平均孔隙度4.4%，平均渗透率0.271×10－3μm2。箭竹1井2012年8月3日采用胶凝酸酸化施工，施工最高压力60MPa，施工排量（4～5）m3／min，总用液量536m3。

1 胶凝酸的作用机理

针对这种低渗碳酸盐岩地层，采用胶凝酸压开地层，盐酸溶蚀地层，沟通缝隙。具有一定粘度胶凝酸既能延缓H＋的释放速度，又能降低盐酸在地层中的滤失，从而提高酸蚀裂缝长度。胶凝酸主要由盐酸和胶凝剂配制而成，胶凝剂是一种改性的丙烯酰胺共聚物，加入酸后变稠，注入地层，与地层岩石进行反应，在地层温度下，稠化剂部分降解，加上地层的吸附，粘度降低，利于返排。

1.1 胶凝酸中的主体酸与地层矿物的主要反应

1.2 胶凝剂在酸液中的作用机理

1）增粘机理。合成的聚合物是以碳－碳为主链的线型高分子，具有较高的分子量，大分子链既长又柔顺，在溶液中成无规则线团流动，分子内和分子间相互缠绕和摩擦，从而使高分子溶液粘度增大。如胶凝剂PDA具有这种分子结构（见图1）。

2）抗温机理。以碳－碳为主链的高分子，在主链中存在共轭双键、叁键或环状结构，在主键或侧基中引有强极性基团，使大分子间产生氢键，由于分子链间这些化学键和极性基团的存在，阻碍了分子链的运动，因此增加了高分子聚合物的耐热性。

3）耐盐机理。在高分子链中引入了强阴离子基团－SO32－或相应的耐盐机，增强了聚合物的抗盐性。

4）缓速机理。在酸液之中加入胶凝剂，粘度增大，使酸液的流度降低，滤失减少，同时 H＋的传质速度变慢，与地层的岩石接触机会减少，因而盐酸与岩层的反应速率降低，有利于胶凝酸注入更深地层，产生更长的酸蚀裂缝。

图1 胶凝剂PDA分子结构

2 返排液的基本性能

2.1 返排液的酸度变化

从图2看，返排液量大于100m3时，返排液液中的氢离子含量为50mg／L左右，而原酸中的氢离子含量为5 499.71mg／L。反应时间大约为2h。

图2 箭竹1井胶凝酸酸化返排液量与氢离子含量关系

从图3看，返排液量大于100m3时，返排液中的原酸消耗量大于99%。

图3 箭竹1井胶凝酸酸化返排液量与酸液消耗关系

2.2 返排液的钙离子变化

从图4看，返排液量大于80m3时，返排液中的钙离子为140 000mg／L左右，随后排出的液中钙离子浓度变化不大。返排液中的钙离子的浓度比地层水中钙离子的浓度高得多，地层水中的钙离子的浓度一般小于5 000mg／L。

图4 箭竹1井胶凝酸酸化返排液中钙离子含量与返排量的关系

2.3 返排液的表面张力变化

从图5看，胶凝酸原酸表面张力为34mm2／s，而返排液表面张力为（33～28）mm2／s左右，有一定下降。

图5 箭竹1井胶凝酸酸化返排液表面张力与返排量的关系

2.4 返排液的粘度变化

从图6看，胶凝酸原酸的粘度为9mPa·s，而返排液的粘度从9mPa·s降为6mPa·s。

图6 箭竹1井胶凝酸酸化返排液粘度变化

2.5 返排液的密度变化

从图7看，胶凝酸原酸的密度为1g／cm3，而返排液的密度从1g／cm3上升到1.2g／cm3。这是由于酸液溶蚀地层矿物质，而使返排液的矿物离子增加，所以密度增加。

图7 箭竹1井胶凝酸酸化返排液的密度变化

2.6 返排液的六项离子变化

箭竹1井胶凝酸酸化返排到（180～280）m3时，总矿化度为（278 448.00～280 542.56）mg／L；Ca2＋离子为（90 180.00～94 689.00）mg／L；Mg2＋离子为（6 566.40～3 830.40）mg／L；HCO3－离子为（1 803.14～2 163.77）mg／L；总矿化度、Ca2＋、Mg2＋、HCO3－这四项指标比一般地层水都高（见表1），这是胶凝酸溶蚀地层碳酸岩的结果。

表1 箭竹1井胶凝酸酸化返排液6项离子分析结果

总之，从箭竹1井胶凝酸酸化返排液的分析结果看，返排液大于80m3时，酸基本消耗完、钙离子、总矿化度、密度增加，是酸液溶蚀地层矿物的结果，粘度、表面张力下降，是大分子的胶凝剂在地层温度下已部分降解和部分被地层吸附的结果。

3 箭竹1井胶凝酸酸化返排液的处理

从箭竹1井胶凝酸酸化返排液的分析结果看，必须将返排液中的残酸、过饱和离子、机杂除掉，才能回注地层。

用NaOH和Na2CO3对返排液的残酸和过饱和的钙离子进行中和，其反应式和试验结果如下:

从表2看，箭竹1井胶凝酸酸化返排到200m3左右的pH 值为4.73，加入20mL的10%Na2CO3，pH 为5.36，上升很少但产生的沉淀很多，除 Ca2＋、Mg2＋和机械杂质效果较好。而加入0.5mL的10%NaOH，pH就为5.68，NaOH调pH的效果比Na2CO3明显，加入1mL的10%NaOH时，pH已调到了6.48，此时返排液的NaOH的浓度为0.2%，故建议现场返液NaOH的加入浓度少于0.2%，因后续返出来的地层水残酸越来越少，需中和的NaOH需要量也越来越少。

表2 中和试验情况分析日期:2012－08－15

4 返排液的处理方法和工艺流程

1）返排液除残酸。从返排液的分析结果来看，返排液量小于80m3时，用0.2%NaOH 中和，大于80m3时，用小于0.2%NaOH中和，使返排液的pH值维持在6～7左右。

2）一级沉降。NaOH与过饱和离子反应及胶凝酸与地层反应沉淀下来的 Ca（OH）2、CaCl2、CaCO3等沉淀物经过80m3和两个100m3放喷池自然沉降。

3）二级沉降。经一级自然沉降，再经过撬装设备的水池－电絮凝氧化－混凝气浮－活性炭吸附－膜过滤，二次除机杂。

主要设备处理流程是，输送泵→电解氧化设备（电絮凝）→混凝和絮凝剂添加装置（加药装置）→管道混合器→絮凝气浮设备→输送泵→活性炭吸附罐→膜过滤器→排放（见图8），设备占地面积:6m×10m。

图8 撬装装置

经过撬装沉降过滤，杂质含量达到注入水水质标准后，再进行杀菌、防腐、防垢等处理即可注入地层。其返排液处理流程见图9。

图9 箭竹1井返排液处理

5 结论

1）对胶凝酸酸压返排液的分析结果看，2小时内胶凝酸基本反应完。由于盐酸溶蚀地层矿物，返排液的钙离子、总矿化度、密度增加；由于胶凝酸中的胶凝剂在地层温度下已部分降解和部分被地层吸附，粘度、表面张力下降。

2）为了消除返排液中的残酸，进行了中和试验，评选了以NaOH为主的碱中和剂。

3）为了除掉返排液中的 Ca2＋、Mg2＋、HCO3－等饱和的离子和机械杂质，进行了絮凝剂评选和水处理设备研制及杀菌、防腐、防垢剂的评选。返排液可以通过中和、沉降过滤、杀菌防腐防垢等一系列的处理回注地层。

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