螯合酸完井液体系的研究及应用

权宝华，　方培林，　任强，　杨凯，　王冬

螯合酸完井液体系的研究及应用

权宝华，方培林，任强，杨凯，王冬

（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津300452）

权宝华等.螯合酸完井液体系的研究及应用［J］.钻井液与完井液，2016，34（4）：122-126.

针对渤中某油田的储层和原油特性，研发了一种螯合酸完井液体系。室内实验评价结果表明，螯合酸完井液在60 ℃下对渤中某油田油砂溶蚀率为3.62%、与渤中某油田油砂按质量比为1︰1反应72 h后pH值为6.98，防膨率达到88.7%，对渤中某油田岩心渗透率恢复值达到127.6%，对铁离子螯合能力为110.15 mg/g，对钙离子螯合能力为878.3 mg/mL，体系的腐蚀速率能够满足现场要求。经渤中某油田应用表明，螯合酸完井液作为射孔液取得了增产效果。

螯合酸；完井液；储层保护；渗透率；增产

渤中某油田储层具有高孔、中高渗的储集物性特征，孔喉连通性一般，储层孔渗范围分布广，储层地层非均质性强。该油田储集层埋藏浅，成岩作用较弱，因此砂岩疏松、黏土含量较高，易产生颗粒运移和水化膨胀伤害。为了防止储层受到损害，研究了一种螯合酸完井液，适用于渤中某油田的射孔、修井和洗井作业，能有效地抑制储层中黏土矿物的水化膨胀，防止微粒的分散运移。该体系呈酸性［1］，可以防止无机垢沉淀的产生，对酸溶性屏蔽物及矿物具有一定的溶解作用，可以提高储层的渗透率。

1　渤中某油田储层特性

渤中某油田明化镇组下段地层属浅水三角洲沉积，储集空间以粒间孔为主，具有高孔、高渗的储集物性特征。孔隙度为12.6%～39.7%，平均为31.6%；渗透率为0.011～6.820 μm2，平均为1.787 μm2；地层水矿化度为2 050.4 mg/L。

储层主要为细粒和中-细粒岩屑长石砂岩，碎屑颗粒为石英、长石、岩屑及少量的云母和重矿物。岩石成分成熟度较低，石英含量为38.0%～66.0%，平均为54.3%；长石含量为15.0%～35.0%，平均为22.9%；岩屑含量为15.0%～35.0%，平均为22.8%，X射线衍射分析显示，黏土矿物以伊/蒙混层为主，另有少量伊利石、高岭石和绿泥石。

该油田温度梯度为2.8 ℃/100 m，地层压力系数为0.99，原油黏度为17.81～36.15 mPa·s（50 ℃），相对密度为0.889～0.906 g/cm3（20 ℃），含蜡为18.15%～20.89%，胶质沥青质含量为10.2%～12.29%，凝固点为18～20 ℃，饱和压力为11.090～13.210 MPa。

2　螯合酸完井液配方优选

2.1螯合酸完井液组成

为满足螯合酸完井液的特点，螯合酸完井液配方中的单剂应具有良好的防膨效果、良好的钙铁离子螯合能力和良好的无机垢溶蚀率。在室内选取了不同类型的黏土稳定剂、螯合剂和除垢剂，分别从防膨率、钙离子和铁离子螯合能力、无机垢溶蚀率4个方面对螯合酸完井液的单剂进行筛选。

针对渤中某油田储层易产生颗粒运移、水化膨胀伤害和作业用水与地层水不配伍产生无机垢沉淀等特性，螯合酸完井液应具有如下特点。

1）能够有效抑制储层中黏土矿物的水化膨胀以及微粒运移。

2）能够改变高价金属离子的存在环境，能够解除流体不配伍形成的无机垢沉淀。

3）可对近井壁地带的可酸溶性的储层矿物产生溶蚀作用，提高储层的渗透率。

4）对流体中的钙离子和铁离子具有螯合作用，有效防止二次沉淀的形成［2］。

2.2不同黏土稳定剂的防膨效果

参考石油天然气行业标准［3］，用一级钠膨润土对无机盐类黏土稳定剂和阳离子型黏土稳定剂进行防膨性能考察，实验结果见表1。

表1　不同类型黏土稳定剂的防膨率

由表1可知，4种黏土稳定剂中，2%浓度的黏土稳定剂BH-PF03防膨效果最好，对一级钠膨润土的防膨率可以达到90.7%，满足现场施工对储层保护的要求。

2.3不同类型螯合剂对金属离子的螯合能力

钙离子螯合能力测定方法为：取0.25 g螯合剂，洗入500 mL容量瓶过程中加入50 mL 0.05 mol/L的CaCl2标准溶液，吸取上述溶液50 mL，加入2.5 mol/L的NaOH溶液2 mL，加钙指示剂2～3滴，用0.01 mol/L的EDTA标准溶液滴定，溶液由酒红色变为蓝色为终点，记录EDTA溶液的消耗量，计算螯合剂的钙螯合能力，平行测试3次，取平均值。

铁离子螯合能力测定方法为：取10 mL螯合剂，洗入1 000 mL容量瓶中，取10 mL上述溶液于烧杯中，加入四氟磁性搅拌粒子置于搅拌器上，加入5 mL已知铁离子浓度的铁离子标准溶液，加入5%的Na2CO3溶液调节pH值至4.0～5.0，边搅拌边用已知浓度的铁离子标准溶液滴定，滴定过程中用质量分数5%的Na2CO3溶液调节pH值维持在4.0～5.0。滴定至溶液由澄清透明变为明显浑浊，即为终点，记录所消耗的铁离子标准溶液体积。平行测试3次，取平均值，实验结果见表2。

表2　不同类型螯合剂对钙离子与铁离子的螯合能力

实验分别对PASP、BH-AH01、GL-47S和D50 4种螯合剂进行了钙离子螯合能力与铁离子螯合能力的测定，由表2可知，4种螯合剂中，BH-AH01的钙离子螯合能力最强，为750.43 mg/g；BH-AH01的铁离子螯合能力最强，为100.23 mg/mL，选择BH-AH01为螯合酸完井液的螯合剂，加量为1%。

2.4不同浓度除垢剂对无机垢的溶蚀率

取渤中某油田油管中无机垢样，105 ℃烘干后称取5 g左右，置入50 g左右不同浓度的除垢剂BH-SA中，在60 ℃下反应1～6 h，反应后冷却到室温，过滤并用蒸馏水反复冲洗，烘干后计算不同浓度BH-SA对渤中某油田油管中无机垢的溶蚀率，实验结果见表3。

除垢剂BH-SA可在井下释放H+，对已经形成的无机垢进行溶解，并可以改变金属离子的存在环境，抑制无机垢的形成。随着BH-SA浓度的增大，对无机垢的溶解速度逐渐增大。当BH-SA的浓度大于4%时，溶垢效果比较明显。综合比较各个浓度的溶蚀率，选择BH-SA的浓度为4%。

最终的螯合酸完井液由黏土稳定剂、螯合剂、除垢剂、无机盐、缓蚀剂及水溶液组成。

表3　不同浓度除垢剂BH-SA对无机垢的溶蚀率

3　螯合酸完井液性能

3.1螯合酸完井液对油砂溶蚀率的影响

洗去渤中某油田油砂中的原油，烘干后称取5 000 mg，置入50 mL螯合酸完井液中，密封，在60 ℃下反应3 d，反应后冷却到室温，过滤并用蒸馏水水反复冲洗，烘干后计算螯合酸完井液对渤中某油砂的溶蚀率为3.62%，螯合酸完井液pH值从反应前1.22上升到反应后的1.32。螯合酸完井液在井下释放出H+，与渤中某油田油砂发生了反应，从油砂的溶蚀量和反应前后的pH值可以得到证实。这也是螯合酸能疏通储层孔道、提高油层渗透率的重要原因之一。

3.2螯合酸完井液pH值随时间和油砂加量变化情况

分别称取5、10、20、30、40、50 g洗去原油的渤中某油田油砂，分别置入50 mL螯合酸完井液中在60 ℃下反应3 d，反应后冷却到室温测定反应后螯合酸完井液的pH值，考察渤中某油田油砂加量对发生溶蚀反应后螯合酸完井液的pH值的影响，实验结果见表4。

表4　油砂加量对发生溶蚀反应螯合酸完井液pH值的影响

螯合酸完井液与油砂发生溶蚀反应后的pH值随油砂加量增加而增大，且与油砂加入量大致成线性关系，当油砂加入量超出50 g时，pH值接近于7，说明油砂足够多时，可使螯合酸完井液达到中性。

分别称取20、40、60 g洗去原油的渤中某油砂，分别置入50 mL螯合酸完井液中，在60 ℃下反应，反应过程中测定螯合酸完井液的pH值，考察反应时间对螯合酸完井液的pH值的影响，实验结果见图1。

图1　反应时间对螯合酸完井液pH值的影响

油砂加入螯合酸完井液的初期，渤中某油田油砂中的可溶物迅速溶出并与螯合酸完井液反应，pH值迅速变大；随着时间的推移，油砂中可溶物溶出速度变慢，pH值变化平缓；当油砂中可溶物全部溶出后，不论此时螯合酸完井液是否为酸性，2者的化学反应近于停止，在曲线中表现为pH值趋近于一恒定值。由此可知，当螯合酸完井液进入储层之后，只要能与储层岩心充分作用，螯合酸完井液的酸性随着时间的推移会逐渐消失。

3.3螯合酸完井液对金属离子螯合能力的影响

渤中某油田作业用水水型为MgCl2型，地层水水型为NaHCO3型，二者水型不配伍，相互接触时产生大量无机垢沉淀，会导致岩心渗透率下降，造成储层的伤害。对金属离子的螯合能力是考察螯合酸完井液性能的重要指标之一。从实验结果可知，螯合酸完井液的铁离子螯合能力为110.15 mg/g，钙离子螯合能力为787.37 mg/mL，钙铁离子螯合能力均大于BH-AH01单剂的螯合能力，这与BH-SA也具有一定的螯合能力有关。螯合酸完井液可以实现对钙铁离子的高效螯合，可以防止水型不配伍造成的无机垢沉淀，避免了储层伤害。

3.4防膨性能

螯合酸完井液中黏土稳定剂BH-FP03为季铵盐型表面活性剂，可以通过化学吸附起到防止黏土颗粒运移的作用。用于控制螯合酸完井液密度的无机盐，可以通过减小黏土表面扩散双电层厚度和zeta电位有效控制地层黏土水化膨胀。参考石油天然气行业标准［3］。实验结果可知，螯合酸完井液对一级钠膨润土的防膨率为88.7%，满足现场施工对储层保护的要求。

3.5螯合酸完井液对未受污染岩心渗透率的影响

考察螯合酸体系在60 ℃下对渤中某油田油砂压制的岩心的渗透率恢复值。正驱煤油（Ko为257.36×10-3μm2），反驱螯合酸完井液，正驱煤油（Kd为328.39×10-3μm2）的顺序进行岩心渗透率恢复值实验，同时测渗透率恢复值Kd/Ko随排驱体积V的变化，实验结果见表5。

表5　排驱体积对岩心渗透率恢复值的影响

实验结果表明，经过螯合酸完井液作用过的渤中某岩心的渗透率提高，渗透率恢复值达到127.6%；随着螯合酸完井液排驱体积的增加，Kd值不断增大，螯合酸完井液对储层渗透率非但无损害，反而还能提高储层的渗透率。

3.6螯合酸完井液腐蚀实验评价

参考石油天然气行业标准［4］，对螯合酸完井液的腐蚀速率进行评价；使用N80挂片，实验温度为60 ℃，反应时间为96 h，实验结果见表6。

螯合酸完井液对钢材的腐蚀性较强。但随着缓蚀剂加量增大，腐蚀速率减小，这是由于随着缓蚀剂加量增大，在钢铁上吸附成膜的致密性增强，就可减缓钢铁的腐蚀；另外，随着缓蚀剂加量的增大，腐蚀溶液的pH值增大，钢铁的腐蚀速率减小。当缓蚀剂加量为0.5%时，测得其腐蚀速率小于0.25 g/m2·h，可以满足现场使用泥浆池配液和泥浆泵注入的要求。

表6　螯合酸完井液的腐蚀速率

3.7螯合酸射孔液与原油配伍性实验

参考石油天然气行业标准［5-8］，进行螯合酸完井液与原油破乳脱水实验，采用渤中某综合油样，60 ℃恒温水浴，评价样品分别加入35 mg/L破乳剂BH-41D，分别考察螯合酸完井液与岩心在60℃下按质量比1∶1反应3 d后的螯合酸完井液的残液对原油破乳脱水的影响，实验结果见表7。

表7　螯合酸完井液配伍性实验

从表7可以看出，螯合酸完井液的加入影响前5 min的脱水速率，5 min后加入螯合酸完井液的油样的脱水速率与空白样脱水速率相同。分析原因为，螯合酸完井液含有氢离子，增加了液膜的稳定性，阻碍了初期破乳脱水作用，随着时间的推移，在10 min后脱水量相同。螯合酸完井液与岩心反应后的残液对破乳脱水没有影响，不会影响流程的破乳脱水。

4　现场应用

渤中某油田A40、A24h井射孔后冲砂及再完井过程中，采用螯合酸完井液作为射孔工作液，来抑制储层中黏土矿物的水化膨胀，防止微粒分散运移，降低作业过程中对储层的伤害。A40井产液量为57.37 m3、产油量为29.22 m3，含水量为24.5%，A24h井产液量为36.15 m3，产油量为12.83 m3，含水量为66.6%，证明使用螯合酸完井液进行施工是成功的。

5　结论

1.室内实验评价结果表明，针对渤中某油田，螯合酸完井液在油砂溶蚀率、反应后pH值、防膨率、岩心渗透率恢复值、铁离子螯合能力、钙离子螯合能力、腐蚀速率和配伍性均能够满足现场要求。

2.渤中某油田A40、A24h井现场应用后的产油量和产水量表明，研制的螯合酸完井液在抑制储层中黏土矿物的水化膨胀、防止微粒分散运移、降低作业过程中对储层的伤害方面取得了成功。

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Study and Application of a Completion Fluid Containing Acid Chelating Agents

QUAN Baohua， FANG Peilin， REN Qiang， YANG Kai， WANG Dong
（CNOOC EnerTech-Drilling & Production Co， Tianjin 300452）

A completion fluid treated with acid chelating agents has been specially developed for use in Bozhong. In laboratory studies，the percent solution rate of the completion fluid to the oil sand taken from Bozhong was 3.62% at 60 ℃. At a mass ratio of 1∶1，reaction of the completion fluid and the oil sand for 72 hours resulted in a pH of 6.98. Percent reduction of swelling of the 28-2S sand cores was 88.7%. In permeability experiments， the permeability return of the oil sand tested with the completion fluid was 127.6%. The chelating capacity of the completion fluid was 110.15 mg/g to ferric ions， and 878.3 mg/mL to calcium ions. The corrosion rate of the completion fluid satisfied the needs for field operation. Oil production rate has been enhanced using the completion fluid as a perforation fluid.

Acid chelating agent； Completion fluid； Reservoir protection； Permeability； Stimulation

TE257.6

A

1001-5620（2016）04-0122-05

10.3696/j.issn.1001-5620.2016.04.026

权宝华，工程师，1986年生，获得中国石油大学（华东）化学工程与技术专业硕士学位，现从事海上油气田增产措施和油气层保护方向的工作。电话 13820005846 ；E-mail：quanbaohua@163.com。

（2015-10-9；HGF=2016F5；编辑付玥颖）