甜菜堿類酸化自轉向劑的性能評價

榮新明，張博，張強，馮浦涌，王春林，王貴，丁文剛

(中海油田服務股份有限公司油田生產事業部，天津 300459)

酸化是油水井增產增注常用的措施之一，酸化處理儲層能有效地恢復或提高儲層的滲透率[1]，然而對于非均質性強的儲層，酸液進入儲層后難以實現均勻置放[2]，酸液主要沿著高滲透層突進，很少進入滲流阻力較大的低滲透層，造成酸化低效問題[3-4]。且存在機械轉向工藝復雜，施工難度大，成本高問題；泡沫轉向受到穩定性問題限制；聚合物轉向存在儲層傷害的問題[5-7]。而黏彈性表面活性劑轉向克服了常規轉向技術存在的問題，具有施工簡單、自轉向、穩定性強、傷害性低等優點。本文基于自制的芥酸酰胺丙基甜菜堿，對甜菜堿型黏彈性表面活性劑自轉向酸進行了性能評價，以滿足非均質碳酸鹽巖儲層酸化轉向的需要。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

芥酸酰胺丙基甜菜堿JAB，自制；鹽酸、碳酸鈣均為分析純；緩蝕劑、鐵離子穩定劑、粘土穩定劑均為工業品。

7012S型Waring Blender；DV-II+PRO布氏旋轉粘度計；2PB00C系列平流泵；202-2型電熱恒溫干燥箱；TY-4型巖心夾持器等。

1.2 實驗方法

1.2.1 流變性實驗 在鹽酸中快速加入甜菜堿活性劑JAB，制得自轉向酸鮮酸溶液，模擬酸巖反應，向其中緩慢加入碳酸鈣，通過調節加入量，制取不同pH值的殘酸溶液，整個過程采用Waring Blender進行配制。制備完畢后，采用布氏旋轉粘度計測定酸液的流變性。

1.2.2 分流轉向實驗 采用雙巖心并聯流動實驗來評價酸液的分流轉向性能。實驗溫度設為60 ℃，實驗主要步驟如下：將烘干稱重的巖心真空飽和模擬地層水，測定巖心的孔隙體積；使用基液測定并聯巖心的初始滲透率K0；向并聯巖心中注入工作液，記錄巖心的注入壓力和流量，測定巖心酸化后的滲透率K1。酸化后的滲透率改善率(R)按下式計算：

2 結果與討論

2.1 自轉向酸流變性能評價

自轉向酸的分流轉向能力取決于殘酸的流變性，因此著重考察pH值、酸液濃度、剪切作用、溫度和酸液添加劑對殘酸溶液黏度的影響。

2.1.1 pH值的影響 配制鹽酸濃度為15%，JAB濃度不同的鮮酸，用碳酸鈣調節酸液pH，在60 ℃和170 s-1剪切速率下不同濃度JAB的殘酸黏度隨pH的變化見圖1。

圖1 不同JAB濃度的殘酸黏度隨pH變化曲線Fig.1 Residual acid viscosity at different JABconcentrations as a function of pH

由圖1可知，相同pH下，JAB濃度越大，酸液黏度越高。當JAB濃度>5%后，酸液黏度增幅明顯降低，濃度為5%的JAB可使酸液黏度最高達 414 mPa·s；JAB濃度一定時，隨著pH升高，酸液黏度先增大后趨于穩定，當pH>4之后，酸液黏度幾乎無變化。酸液黏度增加的原因是隨著pH升高，JAB表面活性劑分子逐漸由陽離子形式轉變為“內鹽”形式存在[8-9]，分子間排斥力減小，導致蠕蟲狀膠束形成，膠束間相互糾纏形成網狀結構，使得酸液黏度增加[10-13]。

2.1.2 酸液濃度的影響 配制JAB濃度為5%，鹽酸濃度不同的鮮酸，利用碳酸鈣調節酸液的pH=4，測定60 ℃和170 s-1剪切速率下殘酸黏度隨鹽酸濃度的變化見圖2。

圖2 殘酸黏度隨鹽酸濃度變化曲線Fig.2 Residual acid viscosity as a function ofHCl concentration

由圖2可知，酸液黏度隨著鹽酸濃度的增加而增大，分析原因是鹽酸濃度越高，酸巖反應產生的 Ca2+越多，而Ca2+能夠破壞甜菜堿表面活性劑膠束的水化膜[14-15]，從而促進膠束聚集，顯著提高酸液黏度。

2.1.3 剪切作用和溫度的影響 考察剪切作用和溫度對殘酸黏度的影響，配制鹽酸濃度為15%，JAB濃度為5%的鮮酸，用碳酸鈣調節酸液pH=4，測定其在不同溫度下殘酸黏度隨剪切率的變化，結果見圖3。

圖3 不同溫度下剪切對殘酸黏度的影響Fig.3 Effect of shearing on residual acid viscosity atdifferent temperatures

由圖3可知，隨著剪切率的增加，酸液黏度降低，具有明顯的剪切稀釋性；酸液黏度隨著溫度增加先增大后減小，在60 ℃時具有最高的黏度，分析原因是隨著溫度增加，JAB表面活性劑分子熱運動加劇，蠕蟲狀膠束更容易形成，酸液黏度增大，當溫度高于60 ℃時，分子熱運動過于劇烈導致膠束結構被破壞，酸液黏度大幅降低，但90 ℃時170 s-1下酸液黏度仍可達220 mPa·s，表明甜菜堿自轉向酸具有較好的抗剪切和耐溫性能，可保證酸化過程中酸液的轉向能力不受儲層剪切和溫度的影響。

2.1.4 酸液添加劑的影響 考察緩蝕劑、鐵離子穩定劑和粘土穩定劑這些主要的酸液添加劑對殘酸黏度的影響，配制鹽酸濃度為15%，JAB濃度為5%的鮮酸，用碳酸鈣調節酸液pH=4，分別加入不同的酸液添加劑測定酸液黏度隨溫度的變化，結果見圖4。

圖4 不同酸液添加劑對殘酸黏度的影響Fig.4 Effect of different acid additives on theviscosity of residual acid

由圖4可知，緩蝕劑和鐵離子穩定劑均使酸液黏度有略微下降，而粘土穩定劑使酸液黏度略微上升，總體來看酸液添加劑對殘酸黏度的影響較小。

2.2 自轉向酸破膠性能評價

酸化施工后殘酸需要及時返排，以減輕儲層傷害，為此需要考察自轉向酸的破膠性能。配制鹽酸濃度為15%，JAB濃度為5%的鮮酸，用碳酸鈣調節酸液pH=4，初始黏度為414 mPa·s。采用加入原油、添加劑和地層水稀釋的方法評價自轉向酸的破膠性能，實驗結果見表1。

表1 自轉向酸破膠實驗數據Table 1 Experimental data of self-divertingacid gel breaking

由表1可知，原油、異丙醇、乙二醇丁醚和大量的地層水均可使自轉向酸破膠，破膠后黏度小于 5 mPa·s，破膠液澄清透明，有利于殘酸返排，對儲層傷害小。

2.3 自轉向酸轉向性能評價

采用雙巖心并聯流動實驗，通過對比常規酸和自轉向酸對高滲和低滲巖心的滲透率改善率，評價自轉向酸分流轉向能力。配制常規酸(15%鹽酸)和自轉向酸(5%JAB+15%鹽酸)作為工作液，分別采用滲透率級差相近的兩組灰巖巖心進行驅替實驗，結果見表2，驅替過程中雙管并聯巖心的壓降曲線見圖5。

表2 常規酸和自轉向酸雙巖心流動實驗評價結果Table 2 Evaluation of conventional acid and self-divertingacid through dual core flow experiments

圖5 常規酸和自轉向酸壓力曲線Fig.5 Pressure curves of conventional and self-diverting acid

由圖5可知，自轉向酸酸化過程中注酸壓力有一個陡增出現，而常規酸酸化過程中注酸壓力幾乎沒有太大變化，說明自轉向酸在并聯巖心中發生了分流轉向。另外對比常規酸和自轉向酸的酸化效果(表2)可知，自轉向酸對高滲和低滲巖心的滲透率改善率均明顯高于常規酸，自轉向酸對低滲透巖心的滲透率改善率達到了78.2%，而常規酸僅為18.1%，表明自轉向酸起到了顯著的分流轉向效果，明顯增強低滲透巖心的滲流能力。

3 結論

(1)JAB自轉向酸體系的殘酸黏度隨著pH升高先增大后趨于穩定，且酸巖反應產生的Ca2+能顯著提高酸液的黏度，能夠滿足非均質儲層酸化轉向的需要。

(2)JAB自轉向酸體系具有較好的耐溫性和抗剪切性，其增黏效果不會受到酸液添加劑的影響，而且殘酸破膠性能好，利于返排，對儲層傷害小。

(3)雙巖心并聯流動實驗表明，相比于常規酸，JAB自轉向酸體系起到了很好的分流轉向作用，能夠顯著改善低滲透巖心的酸化效果。