高壓注水井解堵體系研制及實(shí)驗(yàn)分析

郭 奎，李燕承，魏 飛，董小剛

（延長(zhǎng)油田股份有限公司 靖邊采油廠，陜西 榆林 718500）

我國(guó)油氣田開(kāi)發(fā)已經(jīng)進(jìn)入中后期，需要進(jìn)行地層能量補(bǔ)充，采取注水、注聚、酸化壓裂等多重手段提高采收率[1]。而限于井況和開(kāi)采時(shí)間影響，地層情況復(fù)雜、儲(chǔ)層污染嚴(yán)重、地面附件缺失等情況不斷困擾著現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)。運(yùn)用高效化學(xué)劑在低成本、高效率前提下，進(jìn)行有效儲(chǔ)層保護(hù)與整體系統(tǒng)優(yōu)化能極大產(chǎn)生開(kāi)發(fā)效益，提高綜合效率[2,3]。

在油層解堵、防腐、清防蠟等過(guò)程中需要運(yùn)用多種化學(xué)劑。而基于儲(chǔ)層保護(hù)的主動(dòng)性，儲(chǔ)層保護(hù)類注水井解堵體系化學(xué)劑研制前景最為廣泛，本文基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，針對(duì)高壓注水井解堵體系研制進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探索[4,5]。

1 地層污染堵塞原因及解堵原理

1.1 地層堵塞原因

油氣田的開(kāi)發(fā)需要鉆井、儲(chǔ)層改造、工具下入等一系列工序。而漫長(zhǎng)的開(kāi)采調(diào)整還可能注入各種化學(xué)劑，并在人工異常高壓下強(qiáng)化地層能量，實(shí)現(xiàn)原油的驅(qū)替開(kāi)采[6]。在不同工況下，壓裂液的破膠不徹底或者不及時(shí)發(fā)生反應(yīng)，在驅(qū)替力不足時(shí)會(huì)發(fā)生地層滲透性的不可逆損壞。而在開(kāi)發(fā)環(huán)節(jié)，由于需要補(bǔ)充地層能量，需要進(jìn)行采出水的處理和回注，但是油田水的污染物復(fù)雜，夾雜有大量的細(xì)菌。其中SRB硫酸鹽還原菌就會(huì)誘發(fā)不同程度的金屬腐蝕并誘發(fā)大量重金屬離子沉淀。有害物伴隨著前期有機(jī)污染物會(huì)形成多重污染交互作用，在FeS作用下形成污染物機(jī)械堵塞。大規(guī)模損傷儲(chǔ)層，造成不可逆損失。

1.2 地層解堵原理

化學(xué)污染物、碳酸鹽類堵塞物及其金屬雜質(zhì)為解堵過(guò)程中需要首先考慮和祛除的。基于此，在保護(hù)井筒及其地面流程管線的前提下，首選以ClO2為主導(dǎo)的解堵劑，對(duì)碳酸鹽、粘土礦物堵塞物進(jìn)行清除，并結(jié)合殺菌劑和其他添加劑進(jìn)行聚合物、細(xì)菌和FeS等復(fù)雜污染物的消除和抑制，在確保經(jīng)濟(jì)合理，施工安全，工藝可控的前提下進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工[8]，其關(guān)鍵技術(shù)原理為：運(yùn)用ClO2中正4價(jià)的強(qiáng)氧化性Cl-進(jìn)行未飽和狀態(tài)前提下的得電子和統(tǒng)一失電子。以至于充分發(fā)揮藥劑反應(yīng)特性，在電化學(xué)合規(guī)前提下確保腐蝕性最低，效果最佳。具體反應(yīng)式為：

據(jù)相關(guān)研究可知，最佳反應(yīng)過(guò)程中，相關(guān)電子的親和力高達(dá)3.43eV，反應(yīng)過(guò)程中電子得到較為容易，所以整體氧化能力能超過(guò)本同物質(zhì)氧化氫的10～100倍。所以在用量上更少，效果更佳。比傳統(tǒng)的氯酸鹽綜合效果高達(dá)10000倍。

利用ClO2在油田高壓水井中進(jìn)行解堵，主要是其具有在堿性條件下穩(wěn)定，而只要與酸性物接觸混合反應(yīng)5～15min就能快速發(fā)揮活性，具有強(qiáng)氧化殺菌能力，在不同工況下，很好快速的分解堵塞物質(zhì)和其他雜質(zhì)的能力；更能氧化H2S氣體能在一定承受下快速?gòu)氐椎娜芙釬eS。所以進(jìn)行改性后的ClO2氧化劑能在很大程度下氧化聚合物和細(xì)菌，分解金屬離子，降低溶液粘度，創(chuàng)造較好的流變性環(huán)境，使其他堵塞雜質(zhì)很好的排除，解除地層污染堵塞。而ClO2和FeS很好的反應(yīng)能生成鐵鹽類溶劑，防止Fe3+離子沉淀或反應(yīng)形成其他淤堵物，同時(shí)反應(yīng)過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生劇烈的有害氣體，其次最終的氧化氫產(chǎn)物在烴類中能較好溶解，不會(huì)形成氯化物，綜合類比評(píng)定為最佳。

2 實(shí)驗(yàn)分析

在此基于ClO2氧化體系解堵劑性能，預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行聚合物、細(xì)菌和FeS作用的規(guī)律下的綜合性能評(píng)定，確保真實(shí)使用前提下的效果可控[9]。

（1）聚合物分解降粘實(shí)驗(yàn) 預(yù)設(shè)恒溫反應(yīng)釜，粘度計(jì)和數(shù)據(jù)記錄臺(tái)架。進(jìn)行兩組共4個(gè)小樣的配比封存。取井筒采出水，并模擬壓裂液所用通用聚合物殘留，測(cè)定粘度。配比：1.5%CMC 25mL+水25mL；1.5%CMC 25mL+ClO2水25mL；0.5%聚丙烯酸鉀25mL+水25mL；0.5%聚丙烯酸鉀25mL+ClO2水25mL溶液，分別置于反應(yīng)釜中，攪拌均勻。封存保證無(wú)菌種干擾前提下24h。而后分別再次測(cè)定粘度核算μa/μb從而得出粘度下降率。

聚合物分解降粘實(shí)驗(yàn)科學(xué)可靠，得到數(shù)據(jù)真實(shí)可信，由表1可知，通過(guò)分組1對(duì)比a、b樣在初始粘度64.76mPa·s的1.5%CMC溶液中進(jìn)行25mL ClO2水溶液混配，其粘度驟降至3.87mPa·s。核算μa/μb僅為18，其粘度下降率為95%。通過(guò)分組2對(duì)比a、b樣在初始粘度14.98mPa·s的0.5%聚丙烯酸鉀溶液中進(jìn)行25mL ClO2水溶液混配，其粘度驟降至3.01mPa·s。核算μa/μb僅為7，其粘度下降率為87%，可以看出，ClO2在不同主含介質(zhì)用效果均優(yōu)。

表1 粘度對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Viscosity contrast experimental data

綜合證明在常溫條件下ClO2可以大幅度降低聚合物溶液粘度，獲得最佳溶液流動(dòng)性，充分氧化分解聚合物凝膠，以至于后續(xù)液體攜帶物順暢排出。

（2）微生物菌體殺生實(shí)驗(yàn) 油田采出水由于長(zhǎng)時(shí)間放置及其附屬過(guò)濾設(shè)施污染，會(huì)滋生細(xì)菌，并存在微生物活動(dòng)繁殖現(xiàn)象。最常見(jiàn)且危害最大的為SRB硫酸鹽還原菌和TGB腐生菌。現(xiàn)簡(jiǎn)要介紹各細(xì)菌危害性原理如下：

通過(guò)化學(xué)反應(yīng)式可以看出，反應(yīng)生成的FeS會(huì)沉淀聚集與水垢混合，且最終堵塞過(guò)濾設(shè)備并嚴(yán)重?fù)p害儲(chǔ)層。該細(xì)菌有厭氧特性，能在任何場(chǎng)景進(jìn)行作用，腐蝕井下管柱和地面工藝流程，需要首先消殺。

預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)通用采用恒溫式反應(yīng)釜，確保整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程在45℃條件下進(jìn)行。先后配置好200、100、30、20mg·L-1Cl O2溶液多份，依次進(jìn)行不同反應(yīng)時(shí)間前提下的SRB硫酸鹽還原菌殺生實(shí)驗(yàn)。

由表2可以看出，200mg·L-1ClO2溶液濃度前提下30 min反應(yīng)能獲得100%殺生率。但基于成本考量，20mg·L-1ClO2溶液濃度前提下15min反應(yīng)也能獲得99.9%殺生率。不過(guò)限于現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)和其他因素影響，運(yùn)用30mg·L-1ClO2溶液濃度前提下進(jìn)行60min的反應(yīng)接觸能獲得穩(wěn)定而高效的殺生率。而真實(shí)成品藥劑中也可以添加一系列穩(wěn)定劑和確保水質(zhì)達(dá)標(biāo)進(jìn)行配比反應(yīng)的手段進(jìn)行殺生效果穩(wěn)定。

表2 SRB硫酸鹽還原菌殺生效果Tab.2 Killing effect of SRB sulfate reducing bacteria

TGB腐生菌主要為微生物菌群類細(xì)菌，在多重環(huán)境下會(huì)產(chǎn)生粘液。而這種有害粘液會(huì)附著管線并堵塞精細(xì)過(guò)濾器和儲(chǔ)層孔隙，還會(huì)為其他有害堵塞物提供交互影響環(huán)境。最為典型的是產(chǎn)生腐蝕濃差電池效應(yīng)，而導(dǎo)致長(zhǎng)效性大面積腐蝕。需要注意該種細(xì)菌會(huì)有滋生其他危險(xiǎn)物載體而變化溶液系統(tǒng)性質(zhì)，以至于攜帶雜質(zhì)類污染物，并且誘發(fā)其他菌群生長(zhǎng)，嚴(yán)重危害相關(guān)系統(tǒng)安全。

同樣預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)，采用恒溫式反應(yīng)釜，確保整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程在45℃條件下進(jìn)行。先后配置好100、30、20、10mg·L-1ClO2溶液多份，依次進(jìn)行不同反應(yīng)時(shí)間前提下的TGB細(xì)菌殺生實(shí)驗(yàn)。

由表3可以看出，最大100mg·L-1ClO2溶液濃度前提下的60min反應(yīng)也能獲得100%殺生率。而最低限度的5mg·L-1ClO2溶液濃度前提下的15min反應(yīng)也能獲得100%殺生率。但是基于現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)和其他綜合工況，需要進(jìn)行具體情況優(yōu)選，在成本可控前提下綜合考慮菌群交互影響關(guān)系，并做最終濃度和反應(yīng)時(shí)間區(qū)分規(guī)定。

表3 TGB細(xì)菌殺生效果Tab.3 TGB bactericidal effect

3 成果及應(yīng)用

在實(shí)際應(yīng)用上，ClO2溶液在化學(xué)方面能有效清除FeS沉淀，且無(wú)H2S氣體生成。在此不做闡述。基于前章論證，先做現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用展示。

現(xiàn)場(chǎng)選取某距離聯(lián)合站較近注水井，在排采管線沿途水力損失，并部署一定數(shù)據(jù)探頭后。配置相應(yīng)藥劑。選用強(qiáng)氧化解堵技術(shù)，采用多段塞分級(jí)處理施工工藝。綜合考慮研究區(qū)低滲透酸敏特征，在一定儲(chǔ)層埋藏深度下進(jìn)行井下溫度控制。選用低酸性ClO2溶液替代原有土酸解堵溶劑，并將實(shí)用濃度進(jìn)行室內(nèi)優(yōu)化。最終確定20mg·L-1濃度前提下的藥劑使用量得到運(yùn)用效果見(jiàn)圖1。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)某井解堵效果Fig.1 Plugging effect of a well in site

由圖1可知，當(dāng)反應(yīng)使用時(shí)間達(dá)到120min后，溶解效率達(dá)到最高85%。而當(dāng)反應(yīng)時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng)后相應(yīng)效果不再增加，基于井下不同工況其他因素，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)殺生率發(fā)生因?yàn)榻换プ饔糜绊懙钠睿F(xiàn)場(chǎng)85%的適應(yīng)性效率已經(jīng)達(dá)標(biāo)。能綜合適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)要求，所以可以擴(kuò)大運(yùn)用規(guī)模。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，聚合物分解降粘實(shí)驗(yàn)表明，1.5%CMC 25mL+水25mL；1.5%CMC 25mL+ClO2水25mL；0.5%聚丙烯酸鉀25mL+水25mL前提下，加入預(yù)設(shè)Cl O2溶液，粘度下降率分別可達(dá)95%和87%。微生物菌體殺生實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，SRB硫酸鹽還原菌前提下，ClO2溶液濃度為20mg·L-1的前提下，反應(yīng)15min能獲得99.9%的最優(yōu)殺生率。TGB細(xì)菌前提下，最低限度ClO2溶液濃度為5mg·L-1時(shí)，反應(yīng)15min也能獲得100%的最優(yōu)殺生率。

（2）在實(shí)際應(yīng)用上，選取20mg·L-1濃度前提下的藥劑使用量在反應(yīng)120min后得到最佳處理效果85%。判定其他工藝流程無(wú)誤、誤差真實(shí)可信，反應(yīng)效果良好。而基于現(xiàn)場(chǎng)不同井況下的交互作用影響，需要精細(xì)核算藥劑穩(wěn)定性、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境工況、井下液體影響以及其他人為因素導(dǎo)致的誤差。