水包油乳液型復合泥餅清除劑的室內研究

艾正青， 葉艷， 李家學， 周意程， 劉舉， 張謦文

（1.中國石油塔里木油田分公司，新疆庫爾勒841000；2.中國石油大學（北京）石油工程學院，北京102249）

水包油乳液型復合泥餅清除劑的室內研究

艾正青1， 葉艷2， 李家學1， 周意程2， 劉舉1， 張謦文2

（1.中國石油塔里木油田分公司，新疆庫爾勒841000；2.中國石油大學（北京）石油工程學院，北京102249）

針對裂縫性致密砂巖儲層存在的高密度油基鉆井液固相顆粒侵入以及泥餅難以清除等問題，開發出一種高效率、抗高溫、低成本的水包油型復合泥餅清除劑。復合泥餅清除劑由混合酸、抗高溫滲透劑、清洗劑、乳化劑等組成。通過對復合泥餅清除劑——水包油型乳液體系以及新型泥餅清除劑——納米乳液體系的對比研究分析表明，在洗油方面以及溶蝕泥餅結構方面，復合泥餅清除劑效果優于納米乳液。該復合泥餅清除劑的穩定性能強，抗溫可達120 ℃；在靜態條件下泥餅清除率可以達到90%以上，在動態條件下清除后巖心滲透率恢復值可以達到89%，最佳作業時間為8 h。在目前求降本增效的形勢下，該復合泥餅清除劑劑配方簡單，性能優良，解堵時間較短，能夠有效改善和提高巖心滲透率恢復值。

裂縫性氣藏；油基鉆井液；儲層傷害；泥餅清除劑；滲透率恢復值

高密度油基鉆井液由于其性能穩定、抗高溫穩定性能佳、抗鹽抗污染能力強，因而成為目前塔里木油田山前地區超深井鉆井的主要使用體系。但是在鉆進過程中，油基鉆井液在儲層形成的泥餅不易清除，對后期固井質量和完井作業施工造成了較為嚴重的影響。目前國內外清除泥餅技術主要采用物理方法及化學方法[1]。物理清除技術，主要通過物理手段破壞泥餅的結構和形態，使泥餅從井壁上脫落，以超聲波、高壓射流等清除技術為主，已在四川、江蘇等地應用并取得較為明顯的增產效果。化學清除技術主要通過化學方法溶蝕、攜帶、清除堵塞物，降低通道阻力，以提高巖石滲透率。相比物理清除技術，化學清除技術成本較低，應用簡便，是目前油田最常用的清除泥餅的方法。筆者在克深區塊現用油基鉆井液的基礎上，明確了裂縫性儲層傷害機理以及泥餅成因，研制了針對該體系的水包油型復合泥餅清除劑，與目前新興的納米乳液清除劑體系對比得知，復合型清除劑清洗泥餅效果優于納米乳液體系，可改善和提高巖心的滲透率恢復值[1-15]。

1 塔里木油田克深區塊儲層特征及現用鉆井液分析

塔里木油田克深區塊屬于致密砂巖裂縫性儲層，巖心物性分析表明，該區塊平均滲透率為0.66 mD，孔隙度平均為6.86%。從測井資料來看，儲層裂縫縱向發育較強，裂縫發育規模較大，延伸較遠，裂縫開度一般在0.05～0.1 mm，是該區塊氣井高產的主導原因。目前克深區塊主要采用油基鉆井液進行鉆完井作業，配方如下。

0#柴油+CaCl2溶液（油水比為 9∶1）+（2%～3%）有機土+（2%～3%）主乳化劑+（5%～7%）輔乳化劑+ 2%CaO+（5%～7%）瀝青類降濾失劑+重晶石（加重至密度1.9 g/cm3）

該油基鉆井液具有抗高溫、性能穩定、濾失量低等特點，但是會對儲層造成一定的傷害，儲層傷害發生后，不僅會增加后續的儲層改造費用和難度，甚至也會造成產能急劇下降。

2 油基鉆井液儲層傷害及泥餅成因

克深區塊目的層裂縫發育規模較大，且延伸較遠，因而裂縫成為產氣的重要通道。根據巖心觀察法、成像測井解釋法、造縫巖心應力敏感實驗、漏失數據計算法、試井解釋法等裂縫靜/動態開度描述方法，得到克深區塊儲層裂縫開度主要分布為50 μm。綜合分析，認為損害致密砂巖裂縫性氣藏的主要原因為固相侵入傷害，見圖1。該區塊使用的油基鉆井液密度達1.9 g/cm3，固相含量高達50%，其中加重材料通過聚合物分子相互膠結，構成油基泥餅的骨架結構，并在油膜的包裹下形成泥餅結構[2]。因泥餅的固相成分由重晶石、有機土、瀝青類降濾失劑等組成，在正壓差作用下，鉆井液中較大的固相顆粒（D90=55.331 μm，見圖 2），在井壁上形成外泥餅（見圖1），而細顆粒（D90=33.717 μm）固相（見圖3），則侵入儲層一定深度形成內泥餅（見圖1），堵塞裂縫以及裂縫網絡，這類型傷害不僅會造成裂縫滲流能力的降低，還會造成基塊與裂縫之間的竄流能力降低。因此對于致密砂巖裂縫性儲層，裂縫的固相堵塞深度一般較大，且難以解除。

圖1 巖心端面的泥餅（左）和巖心裂縫中的固相顆粒（右）

圖3 侵入裂縫中的固相顆粒

3 泥餅清除劑體系優選及作用機理

1）泥餅清除劑體系優選。基于油田常規泥餅清除劑體系Z4，進行了配方優化，如表1所示。通過計算泥餅失重率和測量清洗泥餅后油膜厚度的實驗方法，來優選出性能優良、泥餅清除效率高的復配體系。由圖4浸泡后油膜厚度和圖5浸泡后泥餅失重率可知，配方Z1洗油效果和溶蝕泥餅結構方面均優于其他3組配方。

表1 泥餅清除劑配方組成

圖4 不同清除劑浸泡后的油膜厚度對比圖

圖5 浸泡后不同清除劑的泥餅失重率

2） 泥餅清除劑作用機理。由儲層特性可知，內外泥餅是造成儲層傷害最主要的原因，根據泥餅的結構特點，清除劑作用機理如下。①基礎油，利用相似相溶原理，油相對界面上的油膜具有一定的滲透溶解能力，也有利于表面活性劑加速對泥餅油膜剝離，達到協同增效的作用。②表面活性劑，不僅具有增溶作用，還具有去污等能力，能有效清洗泥餅外部油質，協同混合酸破壞泥餅骨架結構。③混合酸,具有螯合作用，能破壞泥餅骨架結構即加重材料，將致密、堅韌的泥餅變成松散、破碎的結構，在大排量循環流體作用下，攜帶出井底，最終達到清除泥餅的目的。表面活性劑的篩選是整個復合體系中的關鍵環節，該水包油體系中表面活性劑由非離子表面活性劑和抗高溫滲透劑等組成，抗高溫滲透劑的使用不僅有利于提高水包油體系的抗溫穩定性，也有利于加速對油膜的滲透溶解能力，提高了復合泥餅清除劑的穩定性以及洗油效果，具體配方如表2所示。

表2 泥餅清除劑配方組成

4 泥餅清除劑的性能評價

復合型泥餅清除劑是基于油田常規清除劑Z4基礎上，通過進行處理劑優選以及配方優化，形成的一種清洗解堵能力強的水包油乳液體系； 而納米乳液[3]是一種粒徑范圍在50～200 nm左右的新型解堵劑體系，與混合酸復配使用，能達到清洗油膜，溶蝕泥餅的作用。對2種泥餅清除劑的性能進行了評價，以優選出適合該區塊的泥餅清除劑。

清除劑的性能評價主要分為4個部分。①通過對表面活性劑的篩選及復配，評價水包油乳狀液體系的穩定性能。②通過高溫高壓濾失儀浸泡泥餅，計算泥餅浸泡前后的失重率，對清除劑配方進行不斷優化。③對浸泡前后的泥餅，進行SEM以及EDS分析，通過觀察微觀結構評價清除劑的清洗效果。④借助巖心流動實驗模擬地層條件，計算巖心滲透率恢復值，評價在高溫高壓條件下泥餅清除劑的清洗效果。

4.1 復合型泥餅清除劑的穩定性評價

納米乳液本身屬于動力學穩定體系[3]，因此不參與穩定性評價。乳狀液的穩定性是配制復合型泥餅清除劑的基礎以及前提，根據表面活性劑的HLB值[4]（見表3）、CMC濃度、濁點等因素，選取表面活性劑且應具有強乳化作用、去污作用和滲透作用等。

1）在常溫下，取水油比為6∶4，分別加入不同的復配表面活性劑：清洗滲透劑X、非離子表面活性劑Y或Z（見表3）（HLB=11～15）；陰離子表面活性劑W（HLB=4～7），計算乳狀液的出水率，判斷穩定情況，結果見表4。在常溫條件下，3種復配表面活性劑X∶Y∶W、Y∶Z∶W、X∶W配制的乳狀液靜置48 h之后，體系依然處于穩定狀態。

表3 表面活性劑HLB值與用途的關系

表4 5種復配表面活性劑體系乳化基礎油實驗結果

2）在高溫下，將以上配制好的穩定的3種乳狀液體系倒入老化罐中，在120 ℃下老化16 h，取出并高速攪拌30 min后，取一定量置于具塞試管中，計算乳狀液的出水率，判斷穩定情況，結果見表5。在高溫老化條件下，復配表面活性劑X∶Y∶W、Y∶Z∶W穩定性能較好。

表5 3種復配表面活性劑乳狀液高溫老化實驗結果

4.2 泥餅失重率計算

分別對復合型泥餅清除劑以及納米乳液進行油基泥餅清洗效果評價，結果見表6、圖6、圖7和圖8。實驗步驟及評價方法如下：利用高溫高壓濾失儀，稱量白油濾失之后空白濾紙重量m0；采用API濾失法壓制（時間為30 min）油基鉆井液泥餅，取出壓制好的泥餅，烘干之后，拍照、稱重m1；然后將油基鉆井液倒出并清洗，之后分別注入130 mL的復合清除劑以及納米乳液，在120 ℃、2 MPa壓差下浸泡泥餅，直至濾失速率趨于穩定，最后用鑷子小心夾出泥餅，烘干之后，拍照、稱重m2，記錄總濾失量F以及濾失時間t；按下式計算浸泡前后油基鉆井液泥餅失重率K。

K=（m1-m2）×100%/（m1-m0）

表6 納米乳液和復合清除劑對油基泥餅清除效果

圖6 復合清除劑（左）、納米乳液（右）浸泡前后濾液圖

圖7 納米乳液浸泡前（左）、浸泡后（右）泥餅圖

圖8 復合清除劑浸泡前（左）、浸泡后（右）泥餅圖

納米乳液主要通過超低界面張力，將油相從泥餅表面脫離，達到潤濕反轉的目的，然后在混合酸的作用下溶蝕泥餅的骨架結構加重材料，但是對骨架結構之間的膠結物降濾失劑，并沒有明顯的溶解作用。由圖6、圖7、表6可知，納米乳液在室內條件下并不能有效清除泥餅，納米乳液浸泡之后的洗油效果并不明顯，泥餅平均失重率為58.5%，濾失量最高維持在94.4 mL，濾失不完全，且濾失時間較長，為 240 min。

復合清除劑具有良好的油相增溶和清洗作用等，能將油相穩定在清除劑中，防止清洗下來的油再沉積。復合清除劑不僅能溶蝕泥餅骨架結構，還能有效溶解骨架結構之間的膠結物質（瀝青類降濾失劑），共同破壞泥餅結構，最終達到有效清除泥餅的目的。由圖6、 圖8、 表6可知， 復合清除劑洗油效果明顯，溶解降濾失劑后的油膜呈黑褐色，泥餅失重率達到90%以上， 濾失量最高為121 mL，濾失完全， 且濾失時間較短（134 min）；能夠有效清除泥餅。

4.3 SEM分析

SEM分析可以描述泥餅的微觀結構，通過浸泡前后泥餅結構的變化，來評價清除劑的解除效果，結果見圖9和圖10。

圖9 納米乳液浸泡前（左）、浸泡后（右）泥餅的SEM圖

圖10 復合清除劑前（左）、浸泡后（右）泥餅的SEM圖

由圖9和圖10可知，浸泡前的泥餅結構致密而堅韌，分布著密集的塊柱狀的重晶石；相對于納米乳液而言，復合清除劑浸泡過后的泥餅，出現了更多的溶蝕孔洞，重晶石塊兒分布稀疏，骨架結構被破壞的泥餅更加疏松脆弱，在大排量的入井流體循環作用下，更容易攜帶出儲層，從而達到解堵的目的。

4.4 巖心滲透率恢復值評價

參照石油天然氣行業標準SY/T 6540—2002《鉆井液完井液損害油層室內評價方法》，在120 ℃、3.5 MPa圍壓下用巖心動態污染儀模擬油基鉆井液對巖心污染2 h；再分別注入配制完成的納米乳液以及復合清除劑，并驅替直至滲透率趨于穩定值，考察清洗前后巖心的滲透率變化情況，結果見表7和表8。

表7 納米乳液和復合清除劑對巖樣Kes6的清洗效果評價

表8 巖心滲透率恢復值K0S/K0隨驅替時間的變化情況

實驗結果表明，污染之后的天然巖心端面均有一層泥餅，用納米乳液清洗之后，端面上依然附著殘余泥餅（見圖11），驅替12 h之后，巖心滲透率恢復值最高為53%；選用復合清除劑清洗之后，巖心端面基本無殘余泥餅（見圖11），清洗效果優于納米乳液。由表8、圖11可知，復合清除劑作用之后的巖心，滲透率逐漸得到改善，最佳清洗時間為8 h，滲透率恢復值可達89%。

圖11 納米乳液和復合清除劑清洗前（左）、浸泡后（右）巖心端面圖

5 認識與結論

1、復合型泥餅清除劑——水包油體系具有如下特點：①可以代替常規的油包水泥餅清除劑，成本較低；②選用抗高溫滲透劑、清洗劑、乳化劑3種表面活性劑復配，清除劑性能更加穩定，抗溫120 ℃；③所添加的處理劑無毒、安全、環保。

2、復合型泥餅清除劑相比于納米乳液體系，不僅可以溶蝕泥餅骨架結構加重材料，還可溶解膠結物降濾失劑；浸泡之后泥餅失重率可達90%，清除泥餅效果明顯優于納米乳液。

3、復合型泥餅清除劑可清除內外泥餅造成的傷害，提高或者改善巖心的滲透率，滲透率恢復值可達89%，清洗效果優于納米乳液；清除泥餅時間為8 h，可為現場最佳清洗時間提供有效依據。

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Laboratory Study on Oil in Water Compound Mud Cake Remover

AI Zhengqing1, YE Yan2, LI Jiaxue1, ZHOU Yicheng2, LIU Ju1, ZHANG Qingwen2
(1. PetroChina Tarim Oilf i eld Company, Korla, Xinjiang 841000;2. School of Petroleum Engineering, China University of Petroleum, Beijing 102249)

When fractured tight sandstone reservoirs are drilled with high density oil base drilling fl uids, solid particles from drilling fl uids invade the formation fractures, and mud cakes are formed on the surface of the borehole wall and the surface of the fractures. The solid particles and mud cakes are dif fi cult to remove, causing formation damage to the reservoirs. A high ef fi ciency, high temperature and cost effective oil-in-water compound mud cake remover has recently been developed to resolve these problems. The compound mud cake remover is composed of mixed acids, high temperature penetrant, cleaning agent and emulsi fi er etc. Comparison of a compound mud cake remover - O/W emulsion system and a mud cake remover - nano-emulsion system showed that compound mud cake remover is better than the nano-emulsion in cleaning oil and eroding mud cakes. The compound mud cake remover has good high temperature stability; it works well at temperatures as high as 120 ℃. At static conditions, 90% mud cakes can be cleaned with the compound mud cake remover. At dynamic conditions, after removing mud cakes, formation permeability recovery of 89% can be reached, and the optimum treatment time is 8 h. This compound mud cake remover has simple composition and good performance, it fast removes particles and mud cakes plugging fl ow channels, thereby effectively enhancing permeability recovery, especially when cost-cutting and ef fi ciency-enhancing prevail presently.

Fractured gas reservoir; Oil base drilling fl uid; Reservoir damage; Compound mud cake remover; formation permeability recovery

艾正青，葉艷，李家學，等.水包油乳液型復合泥餅清除劑的室內研究[J].鉆井液與完井液，2017，34（5）：27-32.

AI Zhengqing, YE Yan, LI Jiaxue, et al. Laboratory study on oil in water compound mud cake remover[J]. Drilling Fluid &Completion Fluid，2017，34（5）：27-32.

TE254.4

A

1001-5620（2017）05-0027-06

10.3969/j.issn.1001-5620.2017.05.005

中石油科技創新基金“頁巖氣作業含油廢物低能深度脫附機理及處理技術研究”（2015D-5006-0306）；塔里木油田項目“克深6區塊開發初期全過程儲層保護技術研究”（20104120026）。

艾正青，高級工程師，1978年生，現從事油田化學科研及管理等工作。E-mail：281065517@qq.com。

2016-7-5；HGF=1704N6；編輯 王小娜）