李旭
(中國石化江漢油田分公司采油工藝研究院,湖北 武漢430035)
箭竹1井是部署在四川盆地川東褶皺帶石柱復(fù)向斜箭竹溪長興組生物礁巖性圈閉上的一口預(yù)探井,開孔層位為中侏羅統(tǒng)沙溪廟組。完鉆井深4 610m,完鉆層位為上二疊統(tǒng)長興組長一段。在長興組一段4 394.34m~4 452.90m連續(xù)取心,取心段巖性分析為臺地邊緣海綿障積-粘結(jié)礁灰?guī)r,其中白云巖共3.77m/4層,白云巖溶蝕孔發(fā)育。平均孔隙度4.4%,平均滲透率0.271×10-3μm2。箭竹1井2012年8月3日采用膠凝酸酸化施工,施工最高壓力60MPa,施工排量(4~5)m3/min,總用液量536m3。
針對這種低滲碳酸鹽巖地層,采用膠凝酸壓開地層,鹽酸溶蝕地層,溝通縫隙。具有一定粘度膠凝酸既能延緩H+的釋放速度,又能降低鹽酸在地層中的濾失,從而提高酸蝕裂縫長度。膠凝酸主要由鹽酸和膠凝劑配制而成,膠凝劑是一種改性的丙烯酰胺共聚物,加入酸后變稠,注入地層,與地層巖石進(jìn)行反應(yīng),在地層溫度下,稠化劑部分降解,加上地層的吸附,粘度降低,利于返排。
1)增粘機(jī)理。合成的聚合物是以碳-碳為主鏈的線型高分子,具有較高的分子量,大分子鏈既長又柔順,在溶液中成無規(guī)則線團(tuán)流動,分子內(nèi)和分子間相互纏繞和摩擦,從而使高分子溶液粘度增大。如膠凝劑PDA具有這種分子結(jié)構(gòu)(見圖1)。
2)抗溫機(jī)理。以碳-碳為主鏈的高分子,在主鏈中存在共軛雙鍵、叁鍵或環(huán)狀結(jié)構(gòu),在主鍵或側(cè)基中引有強(qiáng)極性基團(tuán),使大分子間產(chǎn)生氫鍵,由于分子鏈間這些化學(xué)鍵和極性基團(tuán)的存在,阻礙了分子鏈的運(yùn)動,因此增加了高分子聚合物的耐熱性。
3)耐鹽機(jī)理。在高分子鏈中引入了強(qiáng)陰離子基團(tuán)-SO32-或相應(yīng)的耐鹽機(jī),增強(qiáng)了聚合物的抗鹽性。
4)緩速機(jī)理。在酸液之中加入膠凝劑,粘度增大,使酸液的流度降低,濾失減少,同時 H+的傳質(zhì)速度變慢,與地層的巖石接觸機(jī)會減少,因而鹽酸與巖層的反應(yīng)速率降低,有利于膠凝酸注入更深地層,產(chǎn)生更長的酸蝕裂縫。
圖1 膠凝劑PDA分子結(jié)構(gòu)
從圖2看,返排液量大于100m3時,返排液液中的氫離子含量為50mg/L左右,而原酸中的氫離子含量為5 499.71mg/L。反應(yīng)時間大約為2h。
圖2 箭竹1井膠凝酸酸化返排液量與氫離子含量關(guān)系
從圖3看,返排液量大于100m3時,返排液中的原酸消耗量大于99%。
圖3 箭竹1井膠凝酸酸化返排液量與酸液消耗關(guān)系
從圖4看,返排液量大于80m3時,返排液中的鈣離子為140 000mg/L左右,隨后排出的液中鈣離子濃度變化不大。返排液中的鈣離子的濃度比地層水中鈣離子的濃度高得多,地層水中的鈣離子的濃度一般小于5 000mg/L。
圖4 箭竹1井膠凝酸酸化返排液中鈣離子含量與返排量的關(guān)系
從圖5看,膠凝酸原酸表面張力為34mm2/s,而返排液表面張力為(33~28)mm2/s左右,有一定下降。
圖5 箭竹1井膠凝酸酸化返排液表面張力與返排量的關(guān)系
從圖6看,膠凝酸原酸的粘度為9mPa·s,而返排液的粘度從9mPa·s降為6mPa·s。
圖6 箭竹1井膠凝酸酸化返排液粘度變化
從圖7看,膠凝酸原酸的密度為1g/cm3,而返排液的密度從1g/cm3上升到1.2g/cm3。這是由于酸液溶蝕地層礦物質(zhì),而使返排液的礦物離子增加,所以密度增加。
圖7 箭竹1井膠凝酸酸化返排液的密度變化
箭竹1井膠凝酸酸化返排到(180~280)m3時,總礦化度為(278 448.00~280 542.56)mg/L;Ca2+離子為(90 180.00~94 689.00)mg/L;Mg2+離子為(6 566.40~3 830.40)mg/L;HCO3-離子為(1 803.14~2 163.77)mg/L;總礦化度、Ca2+、Mg2+、HCO3-這四項(xiàng)指標(biāo)比一般地層水都高(見表1),這是膠凝酸溶蝕地層碳酸巖的結(jié)果。
表1 箭竹1井膠凝酸酸化返排液6項(xiàng)離子分析結(jié)果
總之,從箭竹1井膠凝酸酸化返排液的分析結(jié)果看,返排液大于80m3時,酸基本消耗完、鈣離子、總礦化度、密度增加,是酸液溶蝕地層礦物的結(jié)果,粘度、表面張力下降,是大分子的膠凝劑在地層溫度下已部分降解和部分被地層吸附的結(jié)果。
從箭竹1井膠凝酸酸化返排液的分析結(jié)果看,必須將返排液中的殘酸、過飽和離子、機(jī)雜除掉,才能回注地層。
用NaOH和Na2CO3對返排液的殘酸和過飽和的鈣離子進(jìn)行中和,其反應(yīng)式和試驗(yàn)結(jié)果如下:
從表2看,箭竹1井膠凝酸酸化返排到200m3左右的pH 值為4.73,加入20mL的10%Na2CO3,pH 為5.36,上升很少但產(chǎn)生的沉淀很多,除 Ca2+、Mg2+和機(jī)械雜質(zhì)效果較好。而加入0.5mL的10%NaOH,pH就為5.68,NaOH調(diào)pH的效果比Na2CO3明顯,加入1mL的10%NaOH時,pH已調(diào)到了6.48,此時返排液的NaOH的濃度為0.2%,故建議現(xiàn)場返液NaOH的加入濃度少于0.2%,因后續(xù)返出來的地層水殘酸越來越少,需中和的NaOH需要量也越來越少。
表2 中和試驗(yàn)情況分析日期:2012-08-15
1)返排液除殘酸。從返排液的分析結(jié)果來看,返排液量小于80m3時,用0.2%NaOH 中和,大于80m3時,用小于0.2%NaOH中和,使返排液的pH值維持在6~7左右。
2)一級沉降。NaOH與過飽和離子反應(yīng)及膠凝酸與地層反應(yīng)沉淀下來的 Ca(OH)2、CaCl2、CaCO3等沉淀物經(jīng)過80m3和兩個100m3放噴池自然沉降。
3)二級沉降。經(jīng)一級自然沉降,再經(jīng)過撬裝設(shè)備的水池-電絮凝氧化-混凝氣浮-活性炭吸附-膜過濾,二次除機(jī)雜。
主要設(shè)備處理流程是,輸送泵→電解氧化設(shè)備(電絮凝)→混凝和絮凝劑添加裝置(加藥裝置)→管道混合器→絮凝氣浮設(shè)備→輸送泵→活性炭吸附罐→膜過濾器→排放(見圖8),設(shè)備占地面積:6m×10m。
圖8 撬裝裝置
經(jīng)過撬裝沉降過濾,雜質(zhì)含量達(dá)到注入水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)后,再進(jìn)行殺菌、防腐、防垢等處理即可注入地層。其返排液處理流程見圖9。
圖9 箭竹1井返排液處理
1)對膠凝酸酸壓返排液的分析結(jié)果看,2小時內(nèi)膠凝酸基本反應(yīng)完。由于鹽酸溶蝕地層礦物,返排液的鈣離子、總礦化度、密度增加;由于膠凝酸中的膠凝劑在地層溫度下已部分降解和部分被地層吸附,粘度、表面張力下降。
2)為了消除返排液中的殘酸,進(jìn)行了中和試驗(yàn),評選了以NaOH為主的堿中和劑。
3)為了除掉返排液中的 Ca2+、Mg2+、HCO3-等飽和的離子和機(jī)械雜質(zhì),進(jìn)行了絮凝劑評選和水處理設(shè)備研制及殺菌、防腐、防垢劑的評選。返排液可以通過中和、沉降過濾、殺菌防腐防垢等一系列的處理回注地層。
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