使用基于DTPA的螯合溶液高效且有利于形成的方法去除赤铁矿滤饼

《Journal of Molecular Liquids》：Efficient and formation-friendly removal of hematite filter cake using DTPA-based chelating solution

赤铁矿滤饼去除效率及地层兼容性研究：DTPA基螯合溶液在pH 2.5、15%浓度、20小时浸泡下实现90%滤饼溶解，与方解石接触时未发生铁沉淀，渗透率提升两倍且腐蚀率低于HCl。

　　在石油工程领域，钻井液的性能直接影响到钻井作业的效率和安全性。钻井液在钻井过程中承担着多重关键功能，包括冷却和润滑钻头、清除岩屑、保持井壁稳定以及控制地层压力。其中，滤饼的形成是钻井液在井壁上沉积的一层保护性屏障，有助于减少钻井液的滤失并维持井筒完整性。然而，滤饼的存在也可能对地层的连通性和生产性能产生不利影响，尤其是在裸眼完井的情况下。如果滤饼未被有效清除，可能会限制油气流动，降低地层渗透率，并引发诸如差粘附等操作问题。因此，滤饼的高效清除成为确保地层性能的关键环节。

在钻井液的成分选择上，重晶石（barite）是常用的加重剂，因其密度高、化学稳定性好，能够有效控制井内压力。然而，在某些特殊工况下，如高温高压（HPHT）环境，重晶石可能面临性能限制。近年来，赤铁矿（hematite）作为一种替代性加重剂逐渐受到关注。赤铁矿具有较高的密度（通常约为5.2 g/cm3），能够在较低的固体含量下实现有效的压力控制，从而改善钻井液的流体力学性能并降低等效循环密度（ECD）的风险。此外，赤铁矿在大多数井下条件下表现出良好的热稳定性和化学惰性，且其较低的钡含量使其在环境友好性方面更具优势。尽管如此，赤铁矿的使用也伴随着一些挑战，例如其硬度和磨蚀性较高，可能导致井下工具和地面设备的磨损；同时，赤铁矿具有磁性，可能干扰随钻测量（MWD）和随钻测井（LWD）工具的正常运行。

传统的滤饼清除方法主要依赖于矿物酸，尤其是盐酸（HCl）。虽然HCl在溶解某些滤饼成分和碳酸盐岩方面表现出色，但其在赤铁矿基钻井液系统中的应用存在诸多限制。首先，HCl对井下工具具有较高的腐蚀性，可能导致设备损坏和维修成本增加。其次，HCl的使用可能带来环境风险，尤其是在处理含硫化物或铁氧化物的滤饼时，其酸性特性可能引发二次地层损害。具体而言，当HCl与碳酸盐岩（如方解石）接触时，会发生中和反应，生成沉淀物，这些沉淀物可能堵塞地层孔隙，降低渗透率，从而影响油气的流动。因此，寻找一种既能有效清除滤饼又不会造成地层损害的替代方案成为当前研究的重点。

在这一背景下，螯合剂（chelating agents）被广泛认为是解决传统酸基清除方法缺陷的潜在替代方案。螯合剂是一类有机化合物，能够与金属离子形成稳定的络合物，从而有效“锁”住金属离子，防止其重新析出。这种特性使得螯合剂在处理含有铁氧化物的滤饼时表现出独特的优势。与HCl不同，螯合剂可以在较宽的pH范围内保持金属离子的溶解状态，并且在高温条件下依然具有良好的稳定性。因此，螯合剂被认为是一种适用于复杂井下条件的非酸性、低腐蚀性的滤饼清除方案。

在众多螯合剂中，二亚乙基三胺五乙酸（DTPA）因其优异的性能而备受关注。DTPA是一种多胺多羧酸类螯合剂，能够与多种多价金属离子形成稳定的络合物，包括二价铁（Fe2?）和三价铁（Fe3?）。其与铁离子的络合能力远超其他常见的螯合剂，如乙二胺四乙酸（EDTA）和甘氨酸亚乙基二胺四乙酸（GLDA）。DTPA的稳定性常数（log K）分别为28和16.5，这表明其在不同条件下对铁离子的络合能力非常强。此外，DTPA在高温和酸性至中性条件下均表现出良好的稳定性，这使其成为处理赤铁矿基滤饼的理想选择。研究表明，DTPA能够有效溶解重晶石和铁硫化物垢，并在碳酸盐岩和砂岩地层中显示出良好的滤饼清除效果。其对环境的友好性、与其他处理剂的兼容性以及较低的腐蚀性，使其在非破坏性滤饼清除策略中具有显著优势。

本研究的重点在于评估一种基于DTPA的螯合溶液在赤铁矿基钻井液系统中的滤饼清除效果及其对地层的兼容性。通过一系列溶解实验，研究了DTPA浓度（5–20 wt%）、pH值（2.5–12）、温度以及浸泡时间对赤铁矿溶解效率的影响。实验结果表明，赤铁矿的溶解效果随着pH值的降低和温度的升高而显著提高。在最优条件下，即DTPA浓度为15 wt%、pH值为2.5、浸泡时间为20小时时，滤饼清除率达到约90%。这表明DTPA在特定参数组合下能够高效地溶解赤铁矿滤饼，同时避免了传统酸基溶液可能引发的铁离子沉淀问题。

为了进一步验证DTPA的性能，研究团队还进行了核心驱替实验，并结合CT扫描技术模拟了流体-岩石相互作用的过程。实验结果表明，DTPA不仅能够有效清除滤饼，还能在地层中形成微小的溶蚀通道（wormholes），从而提高地层渗透性。同时，实验未发现深层地层损害的迹象，说明DTPA在清除滤饼的过程中对地层的破坏性极低。此外，通过引入方解石粉末，模拟了DTPA溶液与碳酸盐岩地层的相互作用，研究了铁离子在溶液中的稳定性。结果表明，即使在方解石反应导致pH值升高的情况下，DTPA仍能有效防止铁离子的析出，从而避免了二次地层损害的风险。

为了进一步评估DTPA的腐蚀性，研究团队还进行了腐蚀测试，对比了其与HCl在相同条件下的金属损耗情况。测试结果表明，DTPA在没有使用腐蚀抑制剂的情况下，对金属的腐蚀性显著低于HCl。这一特性对于提高井下工具的寿命和降低维护成本具有重要意义。此外，实验还分析了DTPA在处理赤铁矿滤饼后的化学稳定性，确认其能够保持铁离子在溶液中的状态，从而减少对地层的潜在污染。

综上所述，本研究提出了一种基于DTPA的非酸性、低腐蚀性的滤饼清除方案，该方案在处理赤铁矿基滤饼时表现出卓越的性能。通过系统实验，研究团队验证了DTPA在不同参数条件下的溶解效率，并评估了其在与碳酸盐岩地层相互作用后的稳定性。实验结果表明，DTPA不仅能够高效清除滤饼，还能在不造成二次地层损害的前提下，提高地层的连通性和渗透性。这为在酸敏感性地层中进行滤饼清除提供了一种更安全、更环保的解决方案。此外，DTPA的低腐蚀性使其在实际应用中更具可行性，能够有效延长井下工具的使用寿命并降低操作风险。

本研究的创新之处在于，它不仅针对赤铁矿作为加重剂的特殊情况进行了系统性研究，还通过引入方解石粉末模拟了实际地层中的反应条件，评估了铁离子在溶液中的稳定性。同时，研究团队结合了CT扫描技术和ICP分析，以更全面地了解DTPA在滤饼清除过程中的行为及其对地层的影响。这种多维度的实验设计为后续的滤饼清除方案优化提供了重要的数据支持和理论依据。

在实际应用中，DTPA的使用可能需要考虑其与其他化学添加剂的兼容性，以及在不同地层条件下的适应性。此外，虽然DTPA在酸性条件下表现出良好的性能，但在某些极端环境下，其稳定性可能受到挑战。因此，进一步研究DTPA在不同pH值、温度和压力条件下的性能变化，以及其与其他处理剂的协同效应，将有助于拓展其在更广泛钻井环境中的应用范围。同时，探索DTPA在不同加重剂体系中的适用性，如在处理其他金属氧化物滤饼时的表现，也将为行业提供更多的选择。

本研究的成果不仅对提高钻井液性能和优化滤饼清除过程具有重要意义，还为实现更环保、更安全的钻井作业提供了新的思路。随着全球对石油开采环境影响的关注不断增加，开发低腐蚀性、低环境风险的滤饼清除技术成为行业发展的必然趋势。DTPA作为一种非酸性螯合剂，其在处理赤铁矿基滤饼时的优势使其成为这一领域的研究热点。未来，随着实验数据的积累和技术的不断进步，DTPA有望在更多复杂地层中得到应用，为提升油气田开发效率和可持续性做出贡献。

此外，研究团队在实验过程中采用了多种先进的技术手段，如CT扫描和ICP分析，以确保实验结果的准确性和可靠性。CT扫描技术能够直观地展示滤饼清除前后地层的结构变化，从而评估清除效率和对地层的潜在影响。ICP分析则用于监测铁离子和钙离子的浓度变化，以确认DTPA在与方解石反应后是否会导致铁离子的析出。这些技术的应用不仅提高了研究的科学性和严谨性，也为后续研究提供了可借鉴的方法。

在实验设计方面，研究团队首先制备了不同浓度和pH值的DTPA溶液，并通过溶解实验评估了其对赤铁矿的清除效果。随后，研究团队构建了模拟滤饼，并使用优化后的DTPA溶液进行处理。通过核心驱替实验，研究团队模拟了实际钻井过程中流体与地层的相互作用，并分析了清除过程对地层渗透性的影响。实验结果表明，DTPA在清除滤饼的同时，能够有效提高地层的渗透性，且不会对地层造成深层次的损害。这为在实际钻井作业中应用DTPA提供了有力的支持。

本研究还特别关注了DTPA在与碳酸盐岩地层相互作用时的化学稳定性。实验中，研究团队将方解石粉末引入铁离子饱和的DTPA溶液中，模拟了实际地层中的反应条件。结果显示，即使在pH值升高的情况下，DTPA依然能够有效保持铁离子的溶解状态，从而避免了铁离子析出对地层造成的污染。这一发现对于在酸敏感性地层中应用DTPA具有重要的指导意义，表明其不仅能够高效清除滤饼，还能在清除后保持地层的清洁性和连通性。

从经济和环境角度来看，DTPA作为一种非酸性螯合剂，其使用成本相对较低，且对环境的负面影响较小。这使得DTPA在实际应用中更具吸引力，尤其是在对环境要求较高的地区。此外，DTPA的低腐蚀性也降低了对井下工具的维护需求，从而减少了整体的运营成本。这些优势使其在未来的钻井液配方设计和滤饼清除方案优化中具有广阔的应用前景。

综上所述，本研究通过系统实验验证了DTPA在赤铁矿基滤饼清除中的有效性，并展示了其在与碳酸盐岩地层相互作用时的稳定性。这些发现不仅为行业提供了一种更安全、更环保的滤饼清除技术，也为进一步优化钻井液配方和提高钻井作业效率奠定了基础。未来的研究可以进一步探索DTPA在不同加重剂体系中的适用性，以及其在更复杂地层条件下的性能表现，以推动该技术在实际应用中的普及和发展。