甲酸盐完井液泥饼清除室内实验研究

孙玉学，肖平平，曹晓春，闻守斌

甲酸盐完井液泥饼清除室内实验研究

孙玉学，肖平平，曹晓春，闻守斌

（东北石油大学， 黑龙江 大庆163318）

含碳酸钙颗粒的甲酸盐完井液体系常在裸眼砾石填充完井过程中使用，充填过程中会在井壁上形成泥饼。为了提高产能，该泥饼需要用一种合适的清除体系去掉。无机、有机酸和泥饼反应速度过快，造成泥饼清除不完全。原酸酯能在盐水溶液中水解并形成缓释酸，但由于甲酸盐体系较高的pH值，甲酸盐溶液体系对于原酸酯来说并非合适的基液。提出一种方法来解决这个问题：向甲酸盐体系中加入NaBr溶液后，原酸酯体系能用于甲酸盐体系的泥饼破胶。最后提出了一种螯合剂破胶体系，能够高效清除泥饼，并且满足缓速要求。

甲酸盐；完井液；泥饼清除；破胶

水平井裸眼砾石充填能最大程度提高产能、降低地层压降。水平裸眼段砾石充填用完井液应当在砾石充填过程形成高质量的泥饼。

甲酸盐钻完井液体系具有地层配伍性好，抑制性强，环保性能好等优点，并且具有提高聚合物的热稳定性的特殊性质。甲酸盐体系可以用来进行裸眼砾石填充完井的完井液体系。本文以含超细碳酸钙的甲酸盐完井液体系做为研究对象，开展泥饼清除实验研究。

1 破胶体系的发展

针对某口井设计洗井液配方来溶解泥饼具有较强的针对性。传统方法来清洗碳酸钙泥饼是通过使用酸（如盐酸，乙酸，甲酸）来溶解一定大小的碳酸钙颗粒。Svendsen研究了甲酸钾溶液混合不同的有机酸作为破胶配方用来清洗甲酸盐钻井液体系的泥饼。但是在长裸眼段完井过程中，用酸进行高效清洗十分困难。这些酸快速反应的特性使邻近注入区域的泥饼快速溶解，酸大量消耗，剩余井段的泥饼无法被完全清除。使用无机酸时，除了反应速度过快还会造成工具的腐蚀［1］。

所以，选择合理方式来注入洗井液使全部目标区段受效十分重要。延缓酸的反应活性直到全部洗井液被注入到整个目标区域。

酯类能作为酸的供体，可以缓慢在地下释放酸并提供必要的缓速反应。其中一个最早的方法是用乙酸酯类，它可以通过在介质中水解提供乙酸。然而这个体系涉及两个问题：首先，乙酸酯十分稳定，当温度低于100 ℃时水解产生酸的速度十分缓慢。其次，碳酸钙与乙酸反应不完全，在某些时候，实际反应的量不足预计的化学反应计算量的50%。

为了避免乙酸与乙酸酯所遇到的问题，另一个方案就是用甲酸酯。甲酸比乙酸的酸性更强，溶解反应常数是乙酸的10倍左右。本文通过开展室内实验研究利用甲酸盐盐水作为携砂液来设计破胶配方。

OE-1(一种原酸酯)用于本文研究作为甲酸的供体，该原酸酯有一个严重的缺点就是在甲酸盐溶液中溶解性差，阻碍了其在甲酸盐体系中的应用。本文讨论了解决这个问题的不成功的尝试。另外的与甲酸钾完井液配伍的盐水携砂液体系被认为可用原酸酯解决溶解性问题。

另外的可选择的方式就是通过使用碳酸钙螯合剂作为破胶剂。前人的文献已经介绍过螯合剂体系现场相关试验和应用情况。本文研究了类似螯合剂破胶配方的应用性，该配方的设计是基于甲酸钾作为携砂液。这种螯合剂能与碳酸钙反应而完全不需要酸［2］。

2 实验部分

2.1 实验材料

2.1.1 钻井液

配方：甲酸钾溶液+2%淀粉+0.3%增粘剂+8%CaCO3颗粒+2%井壁稳定剂。

2.1.2 化学剂

实验中各种化学药剂如表1所示。

表1 实验中化学药剂Table 1 Additives used in the study

2.1.3 实验装置

利用高温高压滤失仪评价钻井液的滤失性能，产生泥饼同时还可用来评价不同破胶剂配方的破胶性能。

2.2 实验方法

2.2.1 准备泥饼

利用高温高压滤失仪在5 μm孔径的陶片上形成钻井液泥饼。利用高温高压滤失仪控制陶片两端的压差为2.0 MPa，温度50 ℃。一旦温度达到预设温度，打开下方阀门，使滤液能在压差为 2.0 MPa下滤失1 h。测定不同时间的滤失量。然后释放压力，剩下的泥浆从釜内倒掉，得到实验用的泥饼。

2.2.2 突破实验

突破实验在高温高压滤失仪中用泥饼做实验，破胶液放在泥饼上保持压差0.35 MPa,温度50 ℃，测定不同时间的滤失量。某一时间，滤失量突然增加视为突破时间。

2.2.3 破胶实验

破胶实验将破胶液倒在高温高压滤失仪釜内泥饼上，并把温度设置为 50 ℃，保持数小时。让泥饼浸泡在破胶液中，不加压。一段时间后，得到浸泡后泥饼的形貌图。

2.2.4 处理前后注入性能测试

通过测试初始与最终的注入性能得到用破胶实验模拟清洗完成后对陶片渗透率伤害。比较形成泥饼前与清洗泥饼后陶片通过一定体积水所需要的时间。

3 不同破胶体系对比

3.1 甲酸盐体系中用原酸酯作为酸供体实验

将OE-1加入到甲酸钾携砂液中，但是甲酸钾溶液的pH值很高，与原酸酯的配伍性差。尝试向甲酸钾溶液中加入乳化剂乳化原酸酯形成稳定体系。

先调节甲酸钾溶液的pH值到中性，然后分别加入两种不同的聚氧乙烯醚类的乳化剂（S1,S2）用来乳化原酸酯。

实验发现，在甲酸钾体系下乳化剂 S2的乳化原酸酯的效果比乳化剂S1的更好。

在室温下，即使加入5 %的乳化剂S1，乳状液也不能形成。然而，在室温下2%以上的乳化剂S2就能形成稳定的乳状液。该乳状液在环境温度下稳定时间超过24 h。但温度达到50 ℃时乳状液发生分层。如图1所示。因此用S2乳化原酸酯的破胶配方也不可行。表2与表3给出了具体的乳状液组成与用量。

表2 乳状液中原酸酯做酸供体的实验数据表（乳化剂：S-1）Table 2 Emulsification of OE-1 acid precursor using the ethoxylated emulsifier (S-1)

表3 乳状液中原酸酯做酸供体的实验数据表（乳化剂：S-2）Table 3 Emulsification of OE-1 acid precursor using the ethoxylated emulsifier (S-2)

图1 乳状液在密度为1.25 g/cm3甲酸钾盐水溶液中分层状态（50 ℃）Fig.1 Layered emulsion in 1.25 g/cm3sodium bromide brine(50 ℃)

3.2 在溴化钠溶液中使用原酸酯作为缓释酸供体

从实验结果可以看出，使原酸酯在甲酸钾体系中乳化方案不可行，尝试在溴化钠携砂液体系中应用原酸酯。选择溴化钠是因为它与甲酸钾钻井液能很好地配伍不会产生任何沉淀。当加入 2%以上的乳化剂时能与比重为1.25的溴化钠溶液形成稳定的乳状液。稳定超过8 h，然后才出现分层。图2为溴化钠体系中在50 ℃条件稳定8 h后的照片。

图2 用2%S-1在密度为1.25 g/cm3的溴化钠盐溶液中形成的乳状液（50 ℃下稳定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计测定溴化钠乳状液pH值随时间变化如图3所示，用原酸酯作为酸供体并用S1乳化的混合液在48 h内pH从7.3下降到2.1 。

图3 2%S-1的溴化钠与原酸酯的乳状液pH时间变化曲线Fig.3 pH variation of the ortho-ester emulsion in sodium bromide with 2% S-1

3.3 螯合剂作为破胶剂

选取改性聚羧酸盐螯合剂配方用来做评价实验，配方中的螯合剂能有效地溶解泥饼中的含钙成分［3,4］。避免了用酸洗除含钙成分。适用于酸敏性地层［5,6］。

在滤失仪釜内装入钻井液，升高温度到 50 ℃保持压差 2.0 MPa。在陶片上形成泥饼并记录一定时间的滤失体积。打开滤失仪，可以看到泥饼形成。如图4(a)所示为5 μm陶片上的钻井液泥饼。

图4 钻井液在陶片上形成的泥饼Fig.4 Mud cake formed in the pottery of the drilling fluid

图5 比较CTR-1与CTR-1M螯合剂体系的突破时间Fig.5 Comparison of the break time of CTR-1 and CTR-1M recipes

测定螯合剂处理配方的突破时间。在图4中可以看出自发快速反应导致滤失量快速增加。在1 h内总共300 mL破胶液中有大约95 mL滤失。大量的失水可能是由于较快反应速度造成泥饼中形成裂隙，如图4(b)所示。关闭滤失仪下面的阀门，停止进一步的滤失，泥饼继续浸泡在破胶液中并在这个过程不加压。图4(c)显示了陶片经过18 h浸泡后的形貌。

为了使反应速度减慢，对CTR-1配方进行改性。改性后的配方加入了甲酸盐并且使螯合剂的浓度调到原来的一半。突破实验显示CTR-1M突破时间相比CTR-1推迟了。相比CTR-1的60 min，同样95 mL的滤失量CTR-1M则需要200 min。见图5。

4 结 论

（1）由于在测试温度下原酸酯与比重为 1.25的甲酸钾盐溶液发生分层，不能形成稳定的乳状液，所以在甲酸钾体系中不能用原酸酯作为酸供体。

（2）原酸酯配方在比重为1.25的溴化钾盐溶液中能在50 ℃下稳定8 h。实验温度下释放酸的速度很慢，可作为有效的破胶体系。

（3）改进的螯合剂配方与实验准备的好的甲酸盐体系是清除泥饼的最佳选择。

（4）通过调节螯合剂配方的组成浓度可以控制反应时间与反应量。因此，可以通过调节反应速度来适应不同的工作条件。

（5）中性pH值的螯合剂体系对管道的腐蚀更小。因此，在低温或者中等温度下该体系不需要使用缓蚀剂。

［1］ 冯德杰,张建国,赵勇. 胜利油田博24区块水平井筛管外泥饼酸洗工艺应用[J]. 中外能源,2010(03):45-48.

［2］李丽,刘伟. 一种用于清除大位移井甲酸盐钻井液泥饼的优化方法[J]. 国外油田工程,2010(04):41-44+47.

［3］李丽,刘伟,刘徐慧. 川西低固相钻井完井液泥饼清除技术初探[J].钻井液与完井液,2010(06):27-29+97.

［4］刘英爽. 过氧化镁胶体系可改善泥饼清除效果[J]. 钻采工艺,1996(06):63.

［5］ 付琛,杨胜利. 高效无伤害泥饼清除体系评价研究[J]. 中国石油和化工标准与质量,2011(01):95.

［6］王泽东,李经纬. Pop-Off技术在水平井眼清除泥饼的技术原理研究[J]. 中国石油和化工标准与质量,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

黑龙江省教育厅科学技术研究项目资助，项目号：No.12521045。

2015-02-16

孙玉学（1961-），男，黑龙江青冈人，教授，博士，1983年毕业于大庆石油学院，研究方向：钻井液与储层保护。E-mail：syx1760@163.com。

肖平平（1987-），女，硕士研究生，研究方向：钻井液与储层保护。E-mail：xiandan5hao242@163.com。