塔河油田膠束軟隔擋控縫高酸壓方法研究

宋志峰 張照陽 毛金成

1.中國石化西北油田分公司石油工程技術研究院；2.西南石油大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室

塔里木盆地塔河油田主力油藏為奧陶系碳酸鹽巖縫洞型油藏［1］，油氣儲集空間以縫洞為主，具有連通性差的特點。除部分放空或鉆井漏失井，還有76%的開發井酸壓改造后才能投產［2］。塔河奧陶系碳酸鹽巖油藏部分底水發育區塊，儲層垂向應力差小(≤2 MPa)，高角度裂縫發育且無統一油水界面，酸壓改造過程中縫高易失控溝通底部水體。前期形成了以 “三降二配套”、多級停泵沉砂工藝、覆膜砂阻水工藝為主體，滿足避水高度不小于30 m的控縫高酸壓技術［2］。但隨著開發程度的加大，單井平均酸壓避水高度逐年減小至21.3 m，酸壓因縫高易失控溝通水層比例達27.9%，控縫高酸壓難度增大。酸壓注酸過程中，酸液在縫口過度酸蝕消耗，不僅降低酸液有效穿透距離，還影響酸壓改造效果及效益。因此，進一步開展控縫高酸壓方法研究，提升底水型碳酸鹽巖儲層改造效果，是亟待解決的技術難題。

通過對縫高影響因素及人工隔層控縫機理分析，提出采用一種黏彈性表面活性劑控縫高，其高黏膠束液體在裂縫中流動，因附加高阻力形成壓降，以增加儲層垂向應力差，進而在裂縫上下端形成遮擋層，阻止裂縫垂向過度延伸，達到控制裂縫高度的目的。

1 膠束軟隔擋控縫高機理

研究認為，影響縫高延伸的因素主要有隔產層垂直應力差、彈性模量等巖石力學參數，施工排量等施工參數和液體黏度等壓裂液性能等［3-7］。通過裂縫延伸模型分析計算，張士誠等指出產層垂向應力差是影響縫高的最重要因素，增大產層垂向應力差有利于延緩裂縫縱向延伸［7-10］。Siebrits 和Daneshy認為地層應力差阻止縫高延伸，其控縫高本質是通過提高垂向地應力差使得裂縫在巖層層間滑移，而剪切滑移可以使裂縫端部變鈍，從而減緩或阻止裂縫高度的延伸［11-12］。

膠束軟隔擋控縫高，其技術關鍵為構建非滲透柔性隔擋層，在前置液階段注入一定量的高黏膠束液體，充填在裂縫的上、下部位，提高了裂縫尖端的奇異性，從而達到控制縫高的目的，再利用酸液黏度小、流動性好的特性，在近井裂縫中形成酸液指進，并使裂縫橫向向前延伸，保證儲層遠端得到有效改造。

2 實驗材料和方法

2.1 主要材料與儀器

膠束軟隔擋材料，來源為自研合成，其成分是一種季銨鹽Gemini型表面活性劑，密度1.37 g/cm3，淡黃色固體粉末，溶于水。酸液為20%HCl溶液。

巖板尺寸：8 cm×5 cm×1.75 cm，來源于新疆阿克蘇柯坪奧陶系碳酸鹽巖露頭。

主要儀器：青島宏祥石油機械制造有限公司研發的ZNN-D6B數顯六速旋轉黏度計，奧地利安東帕有限公司研發的MCR302型高溫高壓流變儀，北京永光明醫療儀器廠制造的HH-8型電熱恒溫水浴鍋，西南石油大學與海安華達石油儀器有限公司聯合研制的DP-1導流能力測試儀。

2.2 膠束軟隔擋材料合成方法

首先，合成疏水鏈，將芥酸和二甲氨基丙胺按照1∶1.1的摩爾比加入三頸燒瓶，160 ℃條件下無氧減壓蒸餾8 h，得到叔胺產品。

其次，合成連接基，將環氧氯丙烷按照2∶1的摩爾比逐滴加入到胺的無水乙醇溶液中，室溫反應12 h，減壓蒸餾除去溶劑，得到無色高黏透明液體。

最后，合成季銨鹽Gemini型表面活性劑，將疏水鏈與連接基產品按摩爾比2∶1加入無水乙醇溶劑中，80 ℃條件下回流反應12 h，旋轉蒸餾除去溶劑，用一定比例的丙酮和乙酸乙酯混合溶劑洗滌，并重結晶，最后用乙醇溶解后旋干，得到淡黃色粉末狀的季銨鹽Gemini型表面活性劑。

2.3 實驗評價方法

液體黏度性能及高溫流變特性實驗參考石油天然氣行業標準SY/T 5107—2016《水基壓裂液性能評價方法》，膠束隔擋強度測試實驗和充填后裂縫導流能力測試實驗參考石油天然氣行業標準SY/T 6302—2009《壓裂支撐劑充填層短期導流能力評價推薦方法》。

3 結果與討論

3.1 膠束軟隔擋材料黏度性能測試

對具有親水和疏水基團的兩親分子結構膠束隔擋材料進行測試，在水溶液中疏水基團逃離水相，互相接觸聚集，形成疏水基團朝內、親水基團朝外的聚集體。當液體質量濃度增大到一定程度時，聚合體相互聚集形成蠕蟲狀膠束。膠束之間互相纏結，形成高黏度的彈性微觀網絡結構體(見圖1)。

圖1 電鏡掃描下隔擋材料膠束化后微觀網絡結構體Fig.1 SEM picture of microscopic network structure after the micellization of barrier material

因表面活性劑親水基團帶的電荷相同，在聚集時互相有電荷斥力，導致聚集不夠緊密。通過加入帶相反電荷的無機離子，與親水離子基團結合，降低電荷斥力，使膠束聚集得更加緊密，從而增強膠束黏彈性。實驗結果表明，無機鹽加量對膠束隔擋材料的黏度有重要作用，無機鹽加量最佳質量分數為1.5%～2%。膠束隔擋材料加量5%時，常溫(25 ℃)下溶液黏度可達543～780 mPa · s(表1)。相比不加無機鹽，液體黏度提高23.6倍。

室內常溫(25 ℃)下，測試膠束隔擋材料黏彈性，當震蕩頻率大于0.25 Hz時，彈性模量開始大于黏性模量，彈性模量平穩保持在99.3 Pa，而黏性模量開始逐漸下降，但仍然大于13.1 Pa(圖2)。顯著的黏彈性表明膠束隔擋材料具有較好的膠束結構。

無機鹽加量2%、膠束隔擋材料加量5%時，測試膠束溶液流變性能，在120 ℃，170 s-1條件下，在15 min后趨于平穩，并且剪切黏度保持在430 mPa · s以上(圖3)，說明隔擋材料在地層高溫條件下仍然具有較高的剪切黏度。

表1 不同無機鹽加量條件下隔擋材料溶液的表觀黏度(25 ℃)Table 1 Apparent viscosity of barrier material solution with different dosages of inorganic salt (25 ℃)

圖2 膠束隔擋材料黏彈性測試結果Fig.2 Tested viscoelasticity of micellar barrier material

圖3 隔擋材料120 ℃、170 s-1條件下流變曲線Fig.3 Rheological curve of barrier material at 120 ℃ and 170 s-1

3.2 膠束軟隔擋強度測試

隔擋層形成的垂向壓差是高黏液體在裂縫中流動的附加阻力，因此實驗測試膠束在裂縫中驅替壓力，可模擬膠束材料的隔擋強度。實驗巖心為新疆阿克蘇柯坪奧陶系致密碳酸鹽巖露頭加工的巖板(20%鹽酸溶蝕率95.4%～98.2%)。巖板裂縫內預制充填膠束溶液，并加熱至120 ℃，驅替液體從巖心夾持器中均勻流出，模擬在實際工況條件下，膠束軟隔擋材料在裂縫中流動狀態，記錄驅替壓力即膠束的抗壓強度。

由實驗結果可以看出：驅替排量2 mL/min條件下，初期壓力上升速度較快，在10～15 min左右壓力保持平穩，液體從巖心恒速流出，流動阻力此時保持恒定。膠束隔擋材料加量3%(無機鹽質量分數2.0%)時，驅替壓力在12 min后穩定在6 MPa左右；膠束隔擋材料加量5%(無機鹽質量分數2.0%)時，驅替壓力在22 min出現拐點后穩定到12.2 MPa左右(圖4)，為加量3%時的1倍，說明適當增加隔擋材料質量分數可提高隔擋強度，膠束軟隔擋更適合塔河油田低垂向應力差地層。

圖4 膠束隔擋材料隔擋強度測試結果Fig.4 Tested barrier strength of micellar barrier material

3.3 裂縫驅替酸后導流能力測試

為驗證膠束隔擋材料在注酸過程中對近井裂縫隔擋屏蔽效果，同時模擬低黏度酸液橫向指進、逐步突破遮擋層后由近到遠裂縫深部的導流能力情況，實驗根據塔河油田酸壓地層條件(溫度120 ℃)，將巖心裂縫內預制充填不同質量分數膠束溶液，并加熱至120 ℃后，注入低黏酸液(40～60 mPa · s)進行驅替酸化，測定人工裂縫酸化后的導流能力值，并觀察不同隔擋材料加量下的巖板刻蝕形態。

實驗結果顯示，在相同高黏彈膠束溶液加量下，酸液驅替壓力為0.03～0.43 MPa(表2),僅為高黏彈膠束驅替時的0.04倍，表明低黏的酸液很容易橫向指進，突破遮擋層后向裂縫深部酸蝕。隨著隔擋材料質量濃度從5%逐步降低至0，過酸后裂縫的導流能力逐步升高。裂縫酸蝕后，不充填膠束液的巖心裂縫為5%質量濃度條件下導流能力的19.6倍，表明在酸液指進突破膠束層前，對酸的遮擋作用明顯，且隨著膠束質量濃度的增加，遮擋效果逐漸加強。

表2 不同隔擋材料加量下的驅替壓力和導流能力Table 2 Displacement pressure and flow conductivity at different dosages of barrier material

通過過酸后巖板刻蝕形態對比(圖5)，實驗巖心為新疆阿克蘇柯坪奧陶系致密碳酸鹽巖露頭加工的巖板，20%鹽酸溶蝕率95.4%～98.2%，膠束隔擋材料加量5%的巖心面上基本保持平整，刻蝕形態不明顯，可有效實現酸蝕裂縫遮擋。膠束隔擋材料加量逐步由5%下調至3%、1%時，巖心面上刻蝕的凹凸溝槽逐漸增多，刻蝕形態明顯。由此表明，5%隔擋材料對垂向裂縫隔擋效果較好，隨著酸液的沖刷以及裂縫的延伸，隔擋材料質量分數減小后，酸液可與巖石面充分接觸進行酸巖反應，酸液對裂縫酸蝕作用變強，既有效防止近井筒縫高過度延伸的同時，深部又形成高導流能力的裂縫通道。

圖5 充填不同質量分數膠束溶液時巖心裂縫刻蝕情況Fig.5 Erosion of core fracture filled with the micellar solution of different mass fractions

4 結論

(1)黏彈性膠束隔擋材料質量分數5%時，120 ℃下膠束溶液剪切黏度保持在430 mPa · s以上，有利于增大裂縫垂向應力差。

(2)黏彈性膠束隔擋材料實驗隔擋強度達到12.2 MPa，對于塔河油田碳酸鹽巖垂向應力差小(≤2 MPa)的地層，可形成較強的柔性隔擋層，有效控制裂縫垂向延伸。

(3)結合塔河油田酸壓工藝特點，在注酸液過程中，膠束液對近井筒裂縫實現隔擋屏蔽；酸液繼續指進，在裂縫深部隨著酸液的沖刷以及裂縫的延伸，隔擋材料濃度減小，酸液對裂縫酸蝕作用變強，實現近井筒阻緩裂縫高過度延伸、深部形成強刻蝕高導流裂縫通道。