塔河油田深穿透酸液體系性能研究

關海杰，胡文庭，羅攀登

(中國石化西北油田分公司工程技術研究院，烏魯木齊 830011)

塔河油田碳酸鹽巖儲層采用常規酸壓工藝改造存在以下主要問題：1)縫洞型碳酸鹽巖儲層酸壓液濾失量大，酸蝕裂縫穿透距離有限；2)單一儲層改造工藝改造區域有限，控制范圍不理想；3)常規酸液體系不能實現長裸眼井段均質改造。為此筆者優選出了3種適合塔河油田深穿透酸壓的工作液體系，即FRK-V180高溫膠凝酸體系、KMS-50變黏酸體系和SRGE地面交聯酸體系，對3種酸液體系的綜合性能進行了對比研究。

1　深穿透酸液體系調研

膠凝酸即稠化酸，是碳酸鹽巖儲層深度酸化的主流酸液體系之一。酸液稠化劑主要由丙烯酰胺或烯類單體與一些含有耐溫抗鹽基團的單體共聚得到，目前這類稠化劑的應用最為廣泛[1]。

變黏酸是一種能有效控制酸液濾失的新型酸液體系，包括溫控變黏酸和pH控制變黏酸。溫控變黏酸具有良好的高溫流變性能，其酸巖反應速度為目前常用膠凝酸的1/3左右，能實現活性酸酸液的深穿透。pH變黏酸目前應用較多的是降濾失酸和黏彈性表面活性劑基變黏酸[2]。

地面交聯酸具有黏度高、濾失低、摩阻低、易泵送、酸巖反應速度慢、造縫效率高、易返排、流變性好、能攜沙等一系列優點，可以實現酸液體系深穿透。目前常用的稠化劑是丙烯酰胺類聚合物及乙烯類聚合物[3]，其中丙烯酰胺類聚合物應用最廣。

2　深穿透酸液體系性能研究

實驗中3種酸液體系中鹽酸的質量分數均為20%。通過酸巖表面反應動力學參數試驗、巖心溶蝕率測定、酸液黏溫性能試驗、酸液攜砂性能及破膠性能試驗、酸液體系傷害實驗等對酸液體系的綜合性能進行研究。

2.1　巖心溶蝕率

實驗溫度為90 ℃，巖樣質量為5～6 g，酸液用量約100 mL，分別測定不同反應時間下的巖心溶蝕率，結果表1所示。酸巖接觸時間越長，溶蝕率越高。但隨著時間的增加，溶蝕速率趨緩，這是因為隨著反應的進行，酸液中H+濃度降低，酸巖接觸面積減小。地面交聯酸的溶蝕率遠小于膠凝酸和變黏酸，是因為地面交聯酸的黏度遠大于后者，H+傳質系數也比后者小很多。

表1　酸液溶蝕率隨反應時間的變化

2.2　酸液性能參數

2.2.1酸液黏度

測定不同溫度下3種酸液體系的黏度，結果如表2所示。膠凝酸和變黏酸的初始黏度相近，地面交聯酸的初始黏度最大。溫度相同時，地面交聯酸的黏度遠大于另外2種酸液體系。隨著溫度升高，膠凝酸和變黏酸的黏度整體呈緩慢下降趨勢，而地面交聯酸的黏度則急劇下降。溫度升至125 ℃時，膠凝酸和地面交聯酸的黏度均達到100 ℃以上高溫條件下的相對高峰值。

表2　3種酸液體系在不同溫度下的黏度

2.2.2酸-巖表面反應動力學

酸蝕裂縫的導流能力與巖石的成分、酸-巖反應的速度、酸對裂縫壁面的不均勻刻蝕程度、酸壓形成的裂縫長度等因素有關[4]，酸-巖反應基本參數的研究對酸化施工具有重要意義。

用質量分數為20%的鮮酸制得性能穩定的酸液體系，圓柱形巖心長3 cm，直徑2.5 cm，巖心/酸液質量比為1∶40。將巖心置于反應釜中，調節加熱控制裝置，將酸液加熱至預設溫度，將酸液倒入反應釜，在設定的時間內以一定的轉速模擬酸-巖反應。一定反應時間后取出殘酸，用氫氧化鈉標定反應后殘酸的濃度。巖樣表面積為5.07 cm2，試驗壓力為7 MPa，攪拌轉速為500 r/min，變黏酸和地面交聯酸試驗溫度為140 ℃，膠凝酸試驗溫度為130 ℃。3種酸液體系的酸-巖反應動力學試驗結果見表3～表5。

表3　變黏酸酸-巖反應動力學試驗結果

表4　地面交聯酸酸-巖反應動力學試驗結果

表5　膠凝酸酸-巖反應動力學試驗結果

根據質量作用定律，當溫度、壓力恒定時，酸巖反應速率與反應物濃度的m次方成正比，計算公式如下：

J=K×cm

式中，J為酸巖反應速率，mol /(cm2·s)；K為反應速率常數，(mol/L)-m·mol/(cm2·s)；c為酸液起始濃度，mol/L；m為反應級數，無因次。

根據表3～表5的數據，采用最小二乘法線性回歸得到3種酸液體系的酸巖反應動力學參數， 140 ℃時變黏酸和地面交聯酸、130 ℃時膠凝酸的酸巖反應動力學方程分別如下：

J=6.404 7×10-7×c1.591 4

J=4.265 8×10-7×c11.151 1

J=1.676 1×10-5×c10.192 3

膠凝酸的反應速率常數大于變黏酸和地面交聯酸，高溫時變黏酸的反應速率常數和地面交聯酸相差不大，說明高溫下變黏酸和地面交聯酸的黏度較大，可以有效降低酸巖反應速率。

2.2.3H+傳質系數

酸壓時酸液沿裂縫流動并反應，濃度逐漸降低，氫離子有效傳質系數De發生變化。利用旋轉巖盤試驗測定De值[5]，實驗溫度為120 ℃，壓力為7 MPa，攪拌轉速為500 r/min，巖樣直徑為2.5 cm，巖樣表面積為5.07 cm2，反應時間均為120 s。3種酸液體系的H+傳質 系數測定結果見表6～表8。

表6　膠凝酸配方氫離子有效傳質系數測定結果

表7　變黏酸配方氫離子有效傳質系數測定結果

表8　地面交聯酸配方氫離子有效傳質系數測定結果

由表6～表8可知，膠凝酸的H+傳質系數大于變黏酸和地面交聯酸。高溫下變黏酸的反應速率常數和地面交聯酸相近，變黏酸和地面交聯酸的黏度較大，可以有效降低H+傳質系數，從而減緩酸巖反應速率。

2.3　酸液黏溫性能

2.3.1變黏酸、膠凝酸的黏溫性能

用哈克HAAKE RS6000流變儀測試變黏酸和膠凝酸的黏溫曲線。實驗條件：剪切速度170 s-1，溫度由30 ℃升至150 ℃，變黏酸升溫速率1 ℃/min，膠凝酸升溫速率3 ℃/min。2種酸液體系的黏溫曲線如圖1和圖2所示。

圖1　變黏酸黏溫曲線

圖2　膠凝酸黏溫曲線

變黏酸的初始黏度約為40 mPa·s，當溫度升至70 ℃后，變黏酸的黏度迅速上升，溫度達 85 ℃時黏度最大，而后又迅速下降，隨著溫度升至120 ℃，黏度下降得更為迅速，直至維持在10～20 mPa·s；膠凝酸的初始黏度約為70 mPa·s，隨著溫度的升高黏度緩慢下降，可以達到45～50 mPa·s，當溫度高于120 ℃時，黏度有較大程度下降，最終黏度仍可維持在20～30 mPa·s。

2.3.2地面交聯酸的黏溫性能

用哈克HAAKE RS600流變儀測試地面交聯酸的黏溫曲線，實驗溫度為150 ℃，在170 s-1下剪切2 h，地面交聯酸的耐溫耐剪切曲線如圖3所示。地面交聯酸的初始黏度較大，隨著溫度升至150 ℃，黏度開始迅速下降，但始終維持在50 mPa·s左右。

圖3　地面交聯酸耐溫耐剪切曲線

2.4　酸液配伍性

壓裂液進入地層后與地層中的巖石礦物及各種流體接觸，不應發生不利于油氣滲濾的物化反應[6]。考察裂液與地層水的配伍性就是測試壓裂液中的破膠液與地層水作用是否產生乳化及沉淀[7]，以便采取措施，降低其對地層滲透率的損害。

將酸液體系與標準鹽水分別按照1∶2、1∶1、2∶1的體積比混合，總體積分別為75，100，150 mL，靜置并觀察有無沉淀。實驗結果顯示3種酸液體系在與標準鹽水混合的0～24 h內均無沉淀產生，酸液體系與地層水的配伍性良好。

2.5　攜砂及破膠性能

由前面的實驗結果可知，與另外2種酸液體系相比，地面交聯酸的黏度更高，溶蝕速率更低，更適合深穿透酸壓，所以重點研究地面交聯酸的攜砂性能。攜砂能力不但可以檢驗交聯酸的黏彈性，還可以了解交聯強度，支撐劑在交聯酸中的沉降速度越小，攜砂能力越強。

2.5.1地面交聯酸攜砂性能

實驗中可分別測定單顆粒砂的沉降速率和多砂粒共同沉降的速率。室內可以通過一套簡單的實驗方法，近似測出多顆粒砂在酸液中的沉降速度，為實驗室評價交聯酸懸砂性能提供參考和依據。

1)支撐劑沉降實驗

通常用支撐劑顆粒在壓裂液中的自由沉降速度來表示單顆粒沉降速度，單顆粒最佳沉降速度應≤0.08 mm/s。實驗結果顯示，30，60，90 ℃時地面交聯酸單顆粒支撐劑的平均沉降速率分別為0.018 4 ，0.027 9，0.047 8 mm/s，3個溫度下均可以有效攜砂。

2)攜砂濃度優化

對于攜砂壓裂液而言，當砂比增大到一定程度后，支撐劑顆粒在沉降過程中會帶動周圍壓裂液向下運動，每一股壓裂液的下沉都會引起周圍相同體積壓裂液的上升，反過來對支撐劑具有一定的提攜作用[8]。但是沉降速度最終會隨著砂比的增大而增大，當顆粒濃度達到一定程度后會出現顆粒群的相互聚集，即顆粒團聚現象。不同砂比條件下砂粒的分散情況如表9所示。當砂比≤25%時，地面交聯酸對砂粒有較好的支撐作用，砂比過大則會造成支撐劑的聚集和沉降，建議砂比為25%。

表9　不同砂比條件下砂粒分散情況

2.5.2地面交聯酸破膠性能

根據壓裂液破膠機理，當壓裂液與氧化劑混合時，稠化劑分子可以被氧化破膠。將100 mL地面交聯酸加入破膠劑后裝入密閉容器內，置于恒溫水浴鍋中加熱，2 h后加入碳酸鈣粉末，反應至殘酸后測量殘酸黏度。殘酸黏度與破膠劑用量的關系如圖4所示。

圖4　殘酸黏度與破膠劑加量的關系

從圖4可看出，當破膠劑的質量分數為0.03%時，殘酸黏度<10 mPa·s，有利于返排，對地層傷害也較小，建議破膠劑用量為0.0.3%。

3　結論

1)酸巖接觸時間越長，溶蝕率越高，但隨著溶解時間的增加，溶蝕速率趨緩，地面交聯酸的溶蝕率遠小于同時間的膠凝酸和變黏酸；膠凝酸的反應速率常數大于變黏酸和地面交聯酸。

2)黏溫試驗結果顯示，膠凝酸和變黏酸的初始黏度相近，地面交聯酸的初始黏度最大。溫度相同時，地面交聯酸的黏度遠大于另外2種酸液體系。當溫度為125 ℃時，膠凝酸和地面交聯酸的黏度均達到100 ℃以上高溫條件下的相對高峰值。

3)酸巖表面反應動力學實驗結果顯示，膠凝酸的反應速率常數最大，變黏酸次之，地面交聯酸最小。H+傳質系數測定結果顯示，膠凝酸的H+傳質系數大于變黏酸和地面交聯酸。

4)地面交聯酸、變黏酸及膠凝酸與地層水配伍性能良好，地面交聯酸擁有較好的攜砂能力，破膠后殘酸黏度為9 mPa·s。

[1]威廉斯B B，吉德里J L，謝克特R S.油井酸化原理[M].北京:石油工業出版社，1983：20-25.

[2]王姹娣，周江譯.一種用于酸化壓裂的新型膠凝體系[J].國外油田工程，2000(9):8-11.

[3]修書志，杜成良，鄭云，等.SCJ-1稠化酸的研究與應用[J].鉆井液與完井液，1999，16(5):41-44.

[4]馬喜平.提高酸化效果的緩速酸[J].鉆采工藝，1996,19(1):55-62.

[5]方婭.油氣井酸化工作液增稠劑[J].鉆采工藝，1993，6(3):69-74.

[6]Chavanne C，Perthuis H G.A fluid selection expert system for matrix treatment[J].SPE24995-MS,1992.

[7]SPE G W，Lope H ，Calf A S M.A new gelling system for acid fracturing[J].SPE52196-MS,1999.

[8] 原青民.油氣井酸化緩蝕劑評述[J].石油鉆采工藝,1986(3):67-69.