水基钻井液滤饼去除方法

2021-01-10王颍骅

化学工程师 2021年11期

艾池，王颍骅

（东北石油大学石油工程学院，黑龙江大庆163318）

滤饼是一层非常薄的不渗透层，渗透率在0.01～0.0001mD之间，它是钻井液在渗透性地层的井筒表面沉积的固体物质。滤饼地层在钻井过程中是非常必要的，因为它在钻井过程中提供了许多所需的功能，如稳定地层，减少钻井液对地层的过滤，减少固体颗粒侵入含油地层。然而，在钻井作业之后，必须将钻井液和滤饼从井筒中移除，才能成功进行一次固井作业。未能除去滤饼会导致水泥环与地层岩石之间形成弱粘结。此外，在开始生产作业之前，必须去除滤饼来防止阻碍井筒的流动能力。除去滤饼还可以增强流体在井筒与储层之间的流通能力。

钻井液成分和添加剂对滤饼的结构和特性有很大影响。为了防止井喷和抑制地层压力，钻井泥浆的配方通常包括加重物质，如重晶石、钛铁矿、Mn3O4或CaCO3，添加到钻井液中来为钻井液提供必要的密度[1]。滤饼约70%～80%（wt）由加重材料形成，加重材料是滤饼形成的主要来源[2]。因此，滤饼的去除效率主要取决于加重物质在滤饼去除剂中的溶解度，去除剂或酸与聚合物破胶剂的相容性是决定除去滤饼所需阶段数的重要因素。

本文的目的是提出去除由重晶石、钛铁矿、CaCO3或Mn3O4加重材料组成的水基滤饼的方法。此外，还列出了去除各种滤饼的研究要点和建议，以供今后的工作参考。

1 去除重晶石滤饼

重晶石不溶于水和稀HCl，微溶于HAc、甲酸、柠檬酸及螯合物（如EDTA和HEDTA），这使得去除重晶石滤饼成为一个非常复杂的问题[3]。

Ba geri等人[2]开发了一种通过改性高pH值螯合剂（EDTA或HEDTA）两步去除重晶石滤饼的方法。但由于螯合剂能够与碱金属和碱土金属反应，重晶石颗粒在EDTA和HEDTA的溶解度分别只有27%和18%。因此，需要加入不同的催化剂来增强EDTA和HEDTA溶解重晶石颗粒的能力。修改后的EDTA配方可以去除85%的滤饼，HEDTA配方则可以去除60%。为了降低成本，他们又开发了一种单步去除重晶石滤饼的体系[4]，其配方由DTPA螯合剂、转化剂和聚合物降解酶组成，并发现以K2CO3为溶剂，在200℃和270℃时溶解度分别达到86%和96%，滤饼去除效率得到再次提升。

Mahmoud和Elkatatny[5]开发了一种新的方法去除重晶石滤饼。先用K2CO3将重晶石转化为BaCO3，再用HCl溶液溶解BaCO3。因为最终产物BaCl2有毒，因此，建议使用低pH值的螯合剂，如GLDA来安全地溶解BaCO3。他们还开发了一种单步去除重晶石滤饼的K4EDTA+GLDA体系，去除率可达86%。在实际应用时，必须将重晶石滤饼浸泡在该配方中24h，以确保有效去除滤饼。

使用螯合剂去除重晶石滤饼时产生的一个问题是，螯合剂与重晶石的反应以及螯合剂与地层岩石之间的反应可能会导致地层二次损伤[6]。因此，需要更深入地研究滤饼中的碳酸盐或砂岩岩屑对去除效率的影响。

2 去除钛铁矿滤饼

钛铁矿是一种广泛用于获得TiO2颜料的工业原料，在钻井液领域中用做加重剂，可以在H2SO4或HCl等无机酸中溶解。由于钛铁矿的硬度较高，比重晶石更具研磨性且钛铁矿的磁化率比重晶石高100倍，因此，可能会影响定向钻井和其他一些井下工具的操作[7]。

Han等人研究了粒度、酸浓度和温度对钛铁矿在H2SO4溶液中溶解的影响。结果表明，粒度对钛铁矿的溶出有显著影响;而对于粒径较小（9～14μm）的颗粒，其浓度要高得多。溶解速率也随着酸浓度的增加而增加，达到一定浓度（14.1～16mol·L-1）后又下降，溶解速率也随着温度的升高而增加。

Habib等人[8]分别比较了钛铁矿在HCl溶液和甲醇+HCl溶液中的溶解情况。第一种配方Ti和Fe的溶解率分别为53.5%和60%，第二种配方Ti和Fe的溶解率分别为91%和95%。当使用HCl+甲醇溶液时，发现甲醇的加入可以增加溶解度，当甲醇浓度超过0.5mol·L-1后再加入，溶解速率会逐渐下降。

Elkatatny等人[9]分别评价了10%HCl+20%HEDTA（pH值为4）、20（wt）%EDTA（pH值为5.9）和10（wt）%乙醇酸（180℉、300℉），3种体系下去除钛铁矿滤饼的效率。结果表明，反应10h后HCl溶液对铁的溶解率最高，达93%。而乙醇酸只能溶解5（wt）%的铁，因此，不建议使用。

钛铁矿在HCl中溶解速率较好，但需要使用腐蚀性强的高浓度HCl。所以需要进一步的研究，找出腐蚀性较低的滤饼去除体系。同样，也需要研究滤饼中含有砂岩或碳酸盐岩的岩屑对去除效率的影响。

3 去除CaCO3滤饼

很多种化学溶液（氧化剂、酶、酸和酸前体）都可作为CaCO3滤饼的溶剂[10-12]，常用的滤饼去除方法为浸渍法或酸喷法。

Siddiqui等人[13]评估了单级酸前体+酶体系去除含有聚合物和CaCO3的钻井液滤饼的效率，并注意到酸的生成会持续一段时间（24h），当使用含氧盐时，生成的酸体积增加一倍（6 vol%），且小颗粒Ca－CO3在生成酸中的溶解速度比中等颗粒CaCO3快。

Nasr-El-Din等人[14]提出了乙酸前体的使用，Nasr-El-Din和al Moajil[15]比较了3种不同的酸前体。甲酸前体与乳酸和乙酸前体相比，具有更好的滤饼去除率、产酸速度和较低的表面张力。Al-Anzi等人[16]介绍了在石灰石地层中运用甲酸前体去除CaCO3钻井液滤饼的现场应用。

Mahapatra和Kosztin[17]研究了使用MgO2作为CaCO3滤饼内部破碎剂的可能性。测试结果证实，钻井液中添加MgO2不会影响泥浆的流变性能。将含不同浓度MgO2颗粒的钻井液所形成的不同滤饼浸入15%HCl溶液（滤饼去除剂）中浸泡2h，加入10%MgO2颗粒的钻井液提高了15%的滤饼去除率。

Elkatatny和Nasr-El-Din[18]研究了一种含有黄原胶、淀粉、KCl、CaCO3和固体聚乳酸的钻井液，分析其热稳定性、滤饼特性和滤饼去除效率。所研究的钻井液在24h/250℉时流变性能稳定。形成的滤饼有两层，靠近岩石的一层是CaCO3颗粒和酸前体的混合物，远离岩石的一层是聚合物/淀粉混合物。使用10（wt）%的α-淀粉酶去除聚合物层，酯水解产生的乳酸足以去除接近100%的剩余滤饼。

Elkatatny和Nasr-El-Din[19]研究了不同的螯合物与高温稳定酶（HTA酶）在不同温度下的相容性，并分析了HTA酶溶液与所研究的螯合物（DTPA、EDTA和GLDA）的不相容性。

Elkatatny等人[20]提出了一种基于低pH值GLDA配方的两阶段工艺，用于去除CaCO3滤饼。由于GLDA与聚合物破胶剂不相容，应用两段工艺。在第一阶段，使用10%的淀粉酶酶解聚合物，而在第二阶段，使用GLDA在pH值为3.3的作为处理溶液。

Elkatatny等人[21]研究了与不同EDTA溶液（20（wt）%浓度和不同pH值）的酶相容性，以去除Ca－CO3滤饼。研究中，评估了pH值为7、12的EDTA和DTPA以及pH值为4、7和12的GLDA 3种不同的螯合剂。他们发现，仅使用螯合剂溶液不能去除浸泡12h后的淀粉，这表明，使用酶来分解聚合物是必须的。反应6h后，淀粉被HTA酶完全降解。配伍实验证实了螯合剂与HTA酶不配伍，所以泥饼去除工作必须分两个阶段进行。本研究推荐的工艺可使滤饼去除率达到100%。

Ba geri等研究了砂岩储层水平井钻井过程中砂岩颗粒对CaCO3钻井液滤饼去除的影响。得出结论，当滤饼层中含有20（wt）%砂岩时，在pH值为3.8的GLDA处理液中，CaCO3的溶解速率从100%降低到80%。

尽管CaCO3滤饼去除效率高，但过程耗时且成本高。若能找到合适的酶来研发一种高效廉价的体系，将成为这一领域的重大进展。

4 去除Mn3O4滤饼

Al Moajil等[22]研究了不同酸在不同温度和酸浓度下去除Mn3O4基滤饼的效率，考虑的酸有柠檬酸、乳酸、甲酸、乙酸。研究表明，采用两段法可以有效去除Mn3O4滤饼。因为滤饼中的Mn3O4被一层聚合物覆盖。在HCl、柠檬酸和原位乳酸中，Mn3O4的溶出度较高。当使用高浓度的HCl时，会释放出Cl2。当温度达到284℃时，Mn3O4的溶解度也随之增加，但在高温下，会产生更多的Cl2，危害操作人员的健康。

由于产生有毒气体和腐蚀的问题，在去除泥饼的过程中使用HCl有一些限制。所以Elkatatny等人[23]研究了乙醇酸去除Mn3O4滤饼的使用。研究结果表明，75（wt）%的Mn3O4颗粒在4（wt）%乙醇酸溶液中的溶解度为75%，85%～90%的Mn3O4颗粒在5（wt）%乙醇酸溶液中的溶解度为85%。这种去除效率比在之前的研究中使用HCl时所达到的效果要低。为了提高Mn3O4的溶解度和保持安全的HCl使用浓度，Elkatatny等人[24]开发了HCl+乙醇酸溶液体系去除滤饼，这种新的溶液将Mn3O4滤饼去除效率提高到近90%。Al-Moajil和Nasr-El-Din[25]也研究了HCl+有机酸滤饼去除溶液，并建议添加表面活性剂来控制反应速率。