用于低渗透性水库中混合有机-无机堵塞物靶向溶解的酸氧协同技术

《ACS Omega》：Acid-Oxygen Synergistic Technology for Targeted Dissolution of Hybrid Organic–Inorganic Blockages in Low-Permeability Reservoirs

低渗透储层水注入井面临有机-无机混合堵塞导致的注水压力过高（>10 MPa）难题，传统化学处理在冬季失效。本研究通过EA/XRD/FTIR/ICP-OES多维表征，确认堵塞以40.8% CaCO3为主，伴生20%含羧基/酰胺基的聚合物降解物。创新性开发LTDS系统（10% sulfamic acid+3% APS+APG-12+0.5% urotropine），实现40℃下1小时85%溶解率，-20℃下48小时保持液态，现场试验3口井注水压力稳定降至2 MPa以下，6个月无二次堵塞。该系统攻克低温（-20℃）与低渗透（0.3-1 mD）双重约束，为非常规储层高效注水提供新方案。

　　在低渗透性储层中，水驱技术是维持地层压力、提高采油效率的重要手段。然而，这类储层常常面临由水注入引发的形成损害和井筒堵塞问题，这些问题不仅降低了注入能力，还导致泵压升高，严重制约了水驱作业的效率。特别是在中国陕北地区的Z油田，由于低温环境和复杂的地质条件，水注入井存在长期高压欠注现象（>10 MPa），这一问题与未解决的结垢和有机残留物堆积密切相关。传统化学处理方法在冬季因试剂冻结和双相靶向效率低下而难以有效应对。因此，开发一种适应低温环境、能够同时处理无机结垢和有机残留的新型化学处理系统显得尤为重要。

本研究提出了一种分阶段酸-氧协同系统（LTDS），该系统结合了磺酰胺酸（用于无机结垢溶解）、过硫酸铵（用于有机聚合物氧化）以及烷基聚甘油表面活性剂，同时引入了一种抗冻添加剂（YangtzeU-TRA）以确保低温下的液体稳定性。通过多模式表征技术（包括元素分析仪、X射线衍射仪、傅里叶变换红外光谱仪和电感耦合等离子体光谱仪），确认了水注入井中形成的混合堵塞物主要由无机相（如碳酸钙和氢氧化铁）和有机成分（如含羧基和酰胺基团的高氧含量聚合物）组成。这些表征方法不仅弥补了单一技术在分析盲点方面的不足，还通过交叉验证提高了结果的可靠性。

在实验室测试中，LTDS系统在40 °C下1小时内实现了≥85%的堵塞物溶解，12小时内达到≥90%的溶解率。更关键的是，该系统在?20 °C条件下保持了48小时的流动性，有效解决了冬季操作失败的问题。现场试验结果显示，三个典型井在处理后，水注入压力稳定在2 MPa（处理前>10 MPa），单次操作成功率100%，并在6个月内保持稳定性能。这些结果表明，LTDS系统在复杂堵塞物的双相去除方面具有显著优势，为低渗透性储层的可持续开发提供了可行的解决方案。

LTDS系统的设计基于对堵塞物成分的深入分析。在Z油田的水注入井中，堵塞物主要由碳酸钙构成，占40.81%，同时伴有微量的铁化合物和硫酸盐物质。此外，有机成分在总堵塞物中占比约20%，其中含有丰富的氧元素，表明聚合物降解是形成混合堵塞的关键因素。因此，系统中引入了磺酰胺酸和盐酸作为主要的酸性成分，分别用于溶解碳酸钙和氢氧化铁等无机堵塞物，同时利用过硫酸铵生成自由基，以氧化降解有机残留。此外，表面活性剂的加入有效降低了界面张力，使得处理剂能够深入渗透至<1 μm的孔喉，提高堵塞物的清除效率。

为了确保系统在低温条件下的稳定性，抗冻添加剂YangtzeU-TRA被优化添加。通过实验评估，发现YangtzeU-TRA在5–10 wt %范围内能够有效防止液体在?20 °C下的冻结，同时保持其与酸性成分和氧化剂的良好兼容性。进一步的经济分析表明，5 wt %的YangtzeU-TRA能够在成本控制和性能维持之间取得最佳平衡，为低温环境下的水驱作业提供了经济可行的解决方案。

在实验室测试中，LTDS系统的溶解效率和耐腐蚀性能均表现出色。系统在40 °C下实现了高达85.96%的堵塞物溶解率，同时保持了低于0.076 mm/a的腐蚀速率，确保了井筒结构的完整性。此外，系统对黏土膨胀和金属离子稳定性的优化也有效防止了二次堵塞的发生。通过SEM-EDS成像和元素分布分析，观察到处理前后堵塞物的显著变化，如碳酸钙含量下降38.9%，铁和氧元素重新分布，形成Fe?O?簇团，同时硅含量的增加来源于残留的硅酸盐。这些结果不仅验证了LTDS系统的有效性，也展示了其在恢复储层渗透性方面的潜力。

在实际应用中，LTDS系统经过现场测试，成功应用于三个水注入井（Wall067、Wall093、Wall102）。这些井在处理前均面临严重的高压欠注问题，处理后水注入压力显著下降，分别降至2.0–3.5 MPa，同时水注入量从50 m3/d提升至120 m3/d。处理过程分为三个阶段：预冲洗阶段使用10%磺酰胺酸和2%盐酸，以溶解近井筒区域的碳酸钙结垢；主酸阶段引入磺酰胺酸和复合稳定剂，进一步降低井筒压力；最后的排驱阶段则通过过硫酸铵和表面活性剂的协同作用，实现对堵塞物的全面清除。这种分阶段的处理策略不仅提高了堵塞物的清除效率，还确保了处理过程的稳定性和可控性。

从长远来看，LTDS系统为低渗透性储层的可持续水驱提供了重要参考。通过精准的成分分析和系统的优化设计，该系统能够在复杂地质条件下实现高效的堵塞物清除，同时适应极端低温环境，为类似储层的开发提供了可复制的技术方案。研究结果表明，LTDS系统不仅能够有效解决当前水注入井中的堵塞问题，还具备良好的经济性和环境适应性，为全球范围内低渗透性储层的水驱作业提供了新的思路和技术支持。