艾 池，王潁驊

（東北石油大學 石油工程學院，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。濾餅地層在鉆井過程中是非常必要的，因為它在鉆井過程中提供了許多所需的功能，如穩(wěn)定地層，減少鉆井液對地層的過濾，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，才能成功進行一次固井作業(yè)。未能除去濾餅會導致水泥環(huán)與地層巖石之間形成弱粘結。此外，在開始生產作業(yè)之前，必須去除濾餅來防止阻礙井筒的流動能力。除去濾餅還可以增強流體在井筒與儲層之間的流通能力。

鉆井液成分和添加劑對濾餅的結構和特性有很大影響。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，如重晶石、鈦鐵礦、Mn3O4或CaCO3，添加到鉆井液中來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源[2]。因此，濾餅的去除效率主要取決于加重物質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非常復雜的問題[3]。

Ba geri等人[2]開發(fā)了一種通過改性高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，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增強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、轉化劑和聚合物降解酶組成，并發(fā)現以K2CO3為溶劑，在200℃和270℃時溶解度分別達到86%和96%，濾餅去除效率得到再次提升。

Mahmoud和Elkatatny[5]開發(fā)了一種新的方法去除重晶石濾餅。先用K2CO3將重晶石轉化為BaCO3，再用HCl溶液溶解BaCO3。因為最終產物BaCl2有毒，因此，建議使用低pH值的螯合劑，如GLDA來安全地溶解BaCO3。他們還開發(fā)了一種單步去除重晶石濾餅的K4EDTA+GLDA體系，去除率可達86%。在實際應用時，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產生的一個問題是，螯合劑與重晶石的反應以及螯合劑與地層巖石之間的反應可能會導致地層二次損傷[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，在鉆井液領域中用做加重劑，可以在H2SO4或HCl等無機酸中溶解。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、酸濃度和溫度對鈦鐵礦在H2SO4溶液中溶解的影響。結果表明，粒度對鈦鐵礦的溶出有顯著影響;而對于粒徑較?。?～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%。當使用HCl+甲醇溶液時，發(fā)現甲醇的加入可以增加溶解度，當甲醇濃度超過0.5mol·L-1后再加入，溶解速率會逐漸下降。

Elkatatny等人[9]分別評價了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。結果表明，反應10h后HCl溶液對鐵的溶解率最高，達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的高濃度HCl。所以需要進一步的研究，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去除效率的影響。

3 去除CaCO3濾餅

很多種化學溶液（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]評估了單級酸前體+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持續(xù)一段時間（24h），當使用含氧鹽時，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用甲酸前體去除CaCO3鉆井液濾餅的現場應用。

Mahapatra和Kosztin[17]研究了使用MgO2作為CaCO3濾餅內部破碎劑的可能性。測試結果證實，鉆井液中添加MgO2不會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，僅使用螯合劑溶液不能去除浸泡12h后的淀粉，這表明，使用酶來分解聚合物是必須的。反應6h后，淀粉被HTA酶完全降解。配伍實驗證實了螯合劑與HTA酶不配伍，所以泥餅去除工作必須分兩個階段進行。本研究推薦的工藝可使濾餅去除率達到100%。

Ba geri等研究了砂巖儲層水平井鉆井過程中砂巖顆粒對CaCO3鉆井液濾餅去除的影響。得出結論，當濾餅層中含有20（wt）%砂巖時，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，但過程耗時且成本高。若能找到合適的酶來研發(fā)一種高效廉價的體系，將成為這一領域的重大進展。

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。因為濾餅中的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。當使用高濃度的HCl時，會釋放出Cl2。當溫度達到284℃時，Mn3O4的溶解度也隨之增加，但在高溫下，會產生更多的Cl2，危害操作人員的健康。

由于產生有毒氣體和腐蝕的問題，在去除泥餅的過程中使用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時所達到的效果要低。為了提高Mn3O4的溶解度和保持安全的HCl使用濃度，Elkatatny等人[24]開發(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+有機酸濾餅去除溶液，并建議添加表面活性劑來控制反應速率。

5 結語

本文在前人研究的基礎上，總結了以重晶石、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)。根據現有的研究和成果，建議進一步研究濾餅中含有碳酸鹽巖或砂巖巖屑對于去除效率的影響，并找到更好的酶來研發(fā)更高效低廉的濾餅去除體系。