水基鉆井液濾餅去除方法

艾 池，王潁驊

（東北石油大學(xué) 石油工程學(xué)院，黑龍江 大慶163318）

濾餅是一層非常薄的不滲透層，滲透率在0.01～0.0001mD之間，它是鉆井液在滲透性地層的井筒表面沉積的固體物質(zhì)。濾餅地層在鉆井過(guò)程中是非常必要的，因?yàn)樗阢@井過(guò)程中提供了許多所需的功能，如穩(wěn)定地層，減少鉆井液對(duì)地層的過(guò)濾，減少固體顆粒侵入含油地層。然而，在鉆井作業(yè)之后，必須將鉆井液和濾餅從井筒中移除，才能成功進(jìn)行一次固井作業(yè)。未能除去濾餅會(huì)導(dǎo)致水泥環(huán)與地層巖石之間形成弱粘結(jié)。此外，在開(kāi)始生產(chǎn)作業(yè)之前，必須去除濾餅來(lái)防止阻礙井筒的流動(dòng)能力。除去濾餅還可以增強(qiáng)流體在井筒與儲(chǔ)層之間的流通能力。

鉆井液成分和添加劑對(duì)濾餅的結(jié)構(gòu)和特性有很大影響。為了防止井噴和抑制地層壓力，鉆井泥漿的配方通常包括加重物質(zhì)，如重晶石、鈦鐵礦、Mn3O4或CaCO3，添加到鉆井液中來(lái)為鉆井液提供必要的密度[1]。濾餅約70%～80%（wt）由加重材料形成，加重材料是濾餅形成的主要來(lái)源[2]。因此，濾餅的去除效率主要取決于加重物質(zhì)在濾餅去除劑中的溶解度，去除劑或酸與聚合物破膠劑的相容性是決定除去濾餅所需階段數(shù)的重要因素。

本文的目的是提出去除由重晶石、鈦鐵礦、CaCO3或Mn3O4加重材料組成的水基濾餅的方法。此外，還列出了去除各種濾餅的研究要點(diǎn)和建議，以供今后的工作參考。

1 去除重晶石濾餅

重晶石不溶于水和稀HCl，微溶于HAc、甲酸、檸檬酸及螯合物（如EDTA和HEDTA），這使得去除重晶石濾餅成為一個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題[3]。

Ba geri等人[2]開(kāi)發(fā)了一種通過(guò)改性高pH值螯合劑（EDTA或HEDTA）兩步去除重晶石濾餅的方法。但由于螯合劑能夠與堿金屬和堿土金屬反應(yīng)，重晶石顆粒在EDTA和HEDTA的溶解度分別只有27%和18%。因此，需要加入不同的催化劑來(lái)增強(qiáng)EDTA和HEDTA溶解重晶石顆粒的能力。修改后的EDTA配方可以去除85%的濾餅，HEDTA配方則可以去除60%。為了降低成本，他們又開(kāi)發(fā)了一種單步去除重晶石濾餅的體系[4]，其配方由DTPA螯合劑、轉(zhuǎn)化劑和聚合物降解酶組成，并發(fā)現(xiàn)以K2CO3為溶劑，在200℃和270℃時(shí)溶解度分別達(dá)到86%和96%，濾餅去除效率得到再次提升。

Mahmoud和Elkatatny[5]開(kāi)發(fā)了一種新的方法去除重晶石濾餅。先用K2CO3將重晶石轉(zhuǎn)化為BaCO3，再用HCl溶液溶解BaCO3。因?yàn)樽罱K產(chǎn)物BaCl2有毒，因此，建議使用低pH值的螯合劑，如GLDA來(lái)安全地溶解BaCO3。他們還開(kāi)發(fā)了一種單步去除重晶石濾餅的K4EDTA+GLDA體系，去除率可達(dá)86%。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，必須將重晶石濾餅浸泡在該配方中24h，以確保有效去除濾餅。

使用螯合劑去除重晶石濾餅時(shí)產(chǎn)生的一個(gè)問(wèn)題是，螯合劑與重晶石的反應(yīng)以及螯合劑與地層巖石之間的反應(yīng)可能會(huì)導(dǎo)致地層二次損傷[6]。因此，需要更深入地研究濾餅中的碳酸鹽或砂巖巖屑對(duì)去除效率的影響。

2 去除鈦鐵礦濾餅

鈦鐵礦是一種廣泛用于獲得TiO2顏料的工業(yè)原料，在鉆井液領(lǐng)域中用做加重劑，可以在H2SO4或HCl等無(wú)機(jī)酸中溶解。由于鈦鐵礦的硬度較高，比重晶石更具研磨性且鈦鐵礦的磁化率比重晶石高100倍，因此，可能會(huì)影響定向鉆井和其他一些井下工具的操作[7]。

Han等人研究了粒度、酸濃度和溫度對(duì)鈦鐵礦在H2SO4溶液中溶解的影響。結(jié)果表明，粒度對(duì)鈦鐵礦的溶出有顯著影響;而對(duì)于粒徑較?。?～14μm）的顆粒，其濃度要高得多。溶解速率也隨著酸濃度的增加而增加，達(dá)到一定濃度（14.1～16mol·L-1）后又下降，溶解速率也隨著溫度的升高而增加。

Habib等人[8]分別比較了鈦鐵礦在HCl溶液和甲醇+HCl溶液中的溶解情況。第一種配方Ti和Fe的溶解率分別為53.5%和60%，第二種配方Ti和Fe的溶解率分別為91%和95%。當(dāng)使用HCl+甲醇溶液時(shí)，發(fā)現(xiàn)甲醇的加入可以增加溶解度，當(dāng)甲醇濃度超過(guò)0.5mol·L-1后再加入，溶解速率會(huì)逐漸下降。

Elkatatny等人[9]分別評(píng)價(jià)了10%HCl+20%HEDTA（pH值為4）、20（wt）%EDTA（pH值為5.9）和10（wt）%乙醇酸（180℉、300℉），3種體系下去除鈦鐵礦濾餅的效率。結(jié)果表明，反應(yīng)10h后HCl溶液對(duì)鐵的溶解率最高，達(dá)93%。而乙醇酸只能溶解5（wt）%的鐵，因此，不建議使用。

鈦鐵礦在HCl中溶解速率較好，但需要使用腐蝕性強(qiáng)的高濃度HCl。所以需要進(jìn)一步的研究，找出腐蝕性較低的濾餅去除體系。同樣，也需要研究濾餅中含有砂巖或碳酸鹽巖的巖屑對(duì)去除效率的影響。

3 去除CaCO3濾餅

很多種化學(xué)溶液（氧化劑、酶、酸和酸前體）都可作為CaCO3濾餅的溶劑[10-12]，常用的濾餅去除方法為浸漬法或酸噴法。

Siddiqui等人[13]評(píng)估了單級(jí)酸前體+酶體系去除含有聚合物和CaCO3的鉆井液濾餅的效率，并注意到酸的生成會(huì)持續(xù)一段時(shí)間（24h），當(dāng)使用含氧鹽時(shí)，生成的酸體積增加一倍（6 vol%），且小顆粒Ca－CO3在生成酸中的溶解速度比中等顆粒CaCO3快。

Nasr-El-Din等人[14]提出了乙酸前體的使用，Nasr-El-Din和al Moajil[15]比較了3種不同的酸前體。甲酸前體與乳酸和乙酸前體相比，具有更好的濾餅去除率、產(chǎn)酸速度和較低的表面張力。Al-Anzi等人[16]介紹了在石灰石地層中運(yùn)用甲酸前體去除CaCO3鉆井液濾餅的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

Mahapatra和Kosztin[17]研究了使用MgO2作為CaCO3濾餅內(nèi)部破碎劑的可能性。測(cè)試結(jié)果證實(shí)，鉆井液中添加MgO2不會(huì)影響泥漿的流變性能。將含不同濃度MgO2顆粒的鉆井液所形成的不同濾餅浸入15%HCl溶液（濾餅去除劑）中浸泡2h，加入10%MgO2顆粒的鉆井液提高了15%的濾餅去除率。

Elkatatny和Nasr-El-Din[18]研究了一種含有黃原膠、淀粉、KCl、CaCO3和固體聚乳酸的鉆井液，分析其熱穩(wěn)定性、濾餅特性和濾餅去除效率。所研究的鉆井液在24h/250℉時(shí)流變性能穩(wěn)定。形成的濾餅有兩層，靠近巖石的一層是CaCO3顆粒和酸前體的混合物，遠(yuǎn)離巖石的一層是聚合物/淀粉混合物。使用10（wt）%的α-淀粉酶去除聚合物層，酯水解產(chǎn)生的乳酸足以去除接近100%的剩余濾餅。

Elkatatny和Nasr-El-Din[19]研究了不同的螯合物與高溫穩(wěn)定酶（HTA酶）在不同溫度下的相容性，并分析了HTA酶溶液與所研究的螯合物（DTPA、EDTA和GLDA）的不相容性。

Elkatatny等人[20]提出了一種基于低pH值GLDA配方的兩階段工藝，用于去除CaCO3濾餅。由于GLDA與聚合物破膠劑不相容，應(yīng)用兩段工藝。在第一階段，使用10%的淀粉酶酶解聚合物，而在第二階段，使用GLDA在pH值為3.3的作為處理溶液。

Elkatatny等人[21]研究了與不同EDTA溶液（20（wt）%濃度和不同pH值）的酶相容性，以去除Ca－CO3濾餅。研究中，評(píng)估了pH值為7、12的EDTA和DTPA以及pH值為4、7和12的GLDA 3種不同的螯合劑。他們發(fā)現(xiàn)，僅使用螯合劑溶液不能去除浸泡12h后的淀粉，這表明，使用酶來(lái)分解聚合物是必須的。反應(yīng)6h后，淀粉被HTA酶完全降解。配伍實(shí)驗(yàn)證實(shí)了螯合劑與HTA酶不配伍，所以泥餅去除工作必須分兩個(gè)階段進(jìn)行。本研究推薦的工藝可使濾餅去除率達(dá)到100%。

Ba geri等研究了砂巖儲(chǔ)層水平井鉆井過(guò)程中砂巖顆粒對(duì)CaCO3鉆井液濾餅去除的影響。得出結(jié)論，當(dāng)濾餅層中含有20（wt）%砂巖時(shí)，在pH值為3.8的GLDA處理液中，CaCO3的溶解速率從100%降低到80%。

盡管CaCO3濾餅去除效率高，但過(guò)程耗時(shí)且成本高。若能找到合適的酶來(lái)研發(fā)一種高效廉價(jià)的體系，將成為這一領(lǐng)域的重大進(jìn)展。

4 去除Mn3O4濾餅

Al Moajil等[22]研究了不同酸在不同溫度和酸濃度下去除Mn3O4基濾餅的效率，考慮的酸有檸檬酸、乳酸、甲酸、乙酸。研究表明，采用兩段法可以有效去除Mn3O4濾餅。因?yàn)闉V餅中的Mn3O4被一層聚合物覆蓋。在HCl、檸檬酸和原位乳酸中，Mn3O4的溶出度較高。當(dāng)使用高濃度的HCl時(shí)，會(huì)釋放出Cl2。當(dāng)溫度達(dá)到284℃時(shí)，Mn3O4的溶解度也隨之增加，但在高溫下，會(huì)產(chǎn)生更多的Cl2，危害操作人員的健康。

由于產(chǎn)生有毒氣體和腐蝕的問(wèn)題，在去除泥餅的過(guò)程中使用HCl有一些限制。所以Elkatatny等人[23]研究了乙醇酸去除Mn3O4濾餅的使用。研究結(jié)果表明，75（wt）%的Mn3O4顆粒在4（wt）%乙醇酸溶液中的溶解度為75%，85%～90%的Mn3O4顆粒在5（wt）%乙醇酸溶液中的溶解度為85%。這種去除效率比在之前的研究中使用HCl時(shí)所達(dá)到的效果要低。為了提高M(jìn)n3O4的溶解度和保持安全的HCl使用濃度，Elkatatny等人[24]開(kāi)發(fā)了HCl+乙醇酸溶液體系去除濾餅，這種新的溶液將Mn3O4濾餅去除效率提高到近90%。Al-Moajil和Nasr-El-Din[25]也研究了HCl+有機(jī)酸濾餅去除溶液，并建議添加表面活性劑來(lái)控制反應(yīng)速率。

5 結(jié)語(yǔ)

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，總結(jié)了以重晶石、鈦鐵礦、CaCO3和Mn3O4為加重劑的水基鉆井液去除濾餅所面臨的挑戰(zhàn)。根據(jù)現(xiàn)有的研究和成果，建議進(jìn)一步研究濾餅中含有碳酸鹽巖或砂巖巖屑對(duì)于去除效率的影響，并找到更好的酶來(lái)研發(fā)更高效低廉的濾餅去除體系。