碳酸鹽巖轉向酸酸化技術與應用

王 超

（中國石油集團長城鉆探壓裂公司，遼寧 盤錦 124010）

0 前言

哈法亞油田位于伊拉克東南部米桑省，構造上位于美素不達米亞盆地前淵帶，主力產層為中白堊紀碳酸鹽巖儲層的Mishrif組[1]。Mishrif組又可以劃分為4段15個亞段，部分小層是由泥粒灰巖和粒泥灰巖為主的碳酸鹽巖構成的，夾少量粗粒升屑灰巖，儲集層非均質強[2]。隨著開發井的逐年增多，酸化儲層改造也面臨一些問題：各類孔隙發育導致酸液濾失嚴重，酸液酸蝕穿透距離短；由于儲層的非均質性，酸液優先進入高滲透率的儲層，很難進入低滲透率層，因此導致低滲透層難以得到改造；開發后期地層壓力下降很快，酸化后返排困難，殘液容易造成二次污染，降低單井產量。

基于黏彈性表面活性劑發展起來的轉向酸分流酸化技術，是近年來實現多層系、非均質儲層改造的新工藝。相比于傳統的酸化技術，該轉向酸具有已配制、濾失少、易返排以及對地層傷害小等特點[3]，能夠實現酸液非傷害的就地自轉向，達到碳酸鹽巖非均質性儲層均勻酸化的目的。

1 轉向酸作用機理

轉向酸不含有固相顆粒及聚合物，以黏彈性表面活性劑為主體形成的酸液體系。在鮮酸環境下轉向酸的黏度很低，有利于降低酸液的摩阻，適合大排量泵注。隨著轉向酸與高滲透層碳酸鹽巖反應的進行，酸液濃度不斷降低，并反應產生大量的MgCl2和CaCl2，使分子間的靜電排斥力減小，形成了具有空間網狀結構的凍膠體系，酸液黏度迅速增加，從而選擇性地封堵高滲透層，迫使酸液流向低滲透層，達到自轉向的目的[4]。

返排時凍膠與原油等烴類物質接觸，烴類物質會和凍膠體系反應，破壞網狀膠束結構，將其分散成球狀結構，轉向酸自動破膠；同時返排液中含有大量的水，通過水的稀釋作用，也會降低轉向酸中膠束的濃度，協助轉向酸進行破膠，迅速破膠后的轉向酸降低了對儲層的二次傷害。

2 轉向酸體系組成

轉向酸體系主要由鹽酸溶液、兩性表面活性劑和各類添加劑組成，轉向劑是其關鍵組分，選用的轉向劑需要具有較強的耐溫抗剪切能力，又具有良好的封堵性能。隨著轉向劑的濃度的增加，封堵效果也逐漸增強，但是需要綜合考慮性價比，考慮地面轉向酸體系的黏度，以便于泵入地層。在實驗室內常溫條件下，轉向酸的起始濃度為20%，加入不同濃度的轉向劑，再分別與碳酸鈣試劑反應，將殘酸濃度降低至4%，模擬轉向酸與儲層碳酸鹽巖的反應，測量殘酸的黏度，實驗結果見表1。

表1 不同濃度轉向劑加量對殘酸黏度的影響

從表1可以看出，隨著轉向劑濃度的增加，轉向酸殘酸體系的黏度也隨著增加。在轉向劑加量為5%～6%時，轉向酸的黏度能達到160 mPa·s以上，能夠起到較好的暫堵轉向效果，滿足現場施工的要求。

3 轉向酸性能評價

3.1 轉向酸變黏特性

在不同的酸液濃度下，轉向酸體系的黏度會發生變化。加入20%CaCl2，測試轉向酸體系對著酸液濃度的變黏性能，測試結果如圖2所示。

從圖2可以看出，在CaCl2濃度固定的條件下，轉向酸體系的黏度隨著酸液濃度的減小，呈現出先增大后減小的趨勢。在酸液濃度20%的條件下，轉向酸體系的黏度最低，僅為21 mPa·s；當酸液濃度降低至15%時，轉向酸的黏度升至33 mPa·s；低黏度的轉向酸體系，有利于現場配制15%～20%濃度的轉向酸，實現低摩阻大排量泵注；當酸液濃度降低至4%時，轉向酸體系的黏度達到最大值160 mPa·s。

圖2 轉向酸體系在不同酸液濃度下變黏曲線

3.2 轉向酸流變性能

轉向酸的流變性能是一個重要指標，其高溫高剪切下保持的黏度，將直接影響轉向酸的轉向能力、轉向效果及儲層改造效果[5]。為此，在170 s-1條件下剪切1 h，測量不同溫度下轉向酸的耐溫、抗剪切性能，結果如圖3所示。

圖3 不同溫度梯度下流變曲線

從圖3中可以看出，在170 s-1恒定剪切速率下，在20 ℃～50 ℃，隨著溫度的升高，轉向酸體系的黏度不斷增加，在50 ℃時達到最大值600 mPa·s；在50 ℃～70 ℃，隨著溫度的升高，轉向酸體系的黏度不斷降低；在70 ℃～100 ℃，隨著溫度的升高，轉向酸體系的黏度維持在150 mPa·s～200 mPa·s，表明該體系具有較好的耐溫抗剪切能力。

3.3 轉向酸封堵性能

利用巖心流動試驗儀和人工碳酸鹽巖巖心[6]，進行轉向酸+對比酸（不加轉向劑）驅替實驗，記錄驅替過程中的壓力變化情況，如圖4所示。

從圖4可以看出，注入對比酸后，隨著注入孔隙體積的增加，巖心兩段的驅替壓差逐漸降低；累計注入孔隙體積達到0.33 PV時，酸液突破巖心。而注入轉向酸初期，巖心兩段的驅替壓差與對比酸相差不大，說明轉向酸初始黏度低，具有較低的泵注摩阻；當酸液與巖心反應后，形成網狀凍膠，黏度急劇增大，驅替壓力迅速增加，直至累計注入孔隙體積達到0.43 PV時，酸液突破巖心，證明了轉向酸具有很好的暫堵轉向能力，可以有效地提高儲層動用程度，從而提高儲層改造效果。

圖4 驅替壓差隨累計注入孔隙體積對比圖

3.4 腐蝕速率

現場一般采用連續油管進行酸化作業，作業時間較長，在儲層高溫條件下對完井管柱等有一定的腐蝕，因此需要評價不同緩蝕劑加量下轉向酸體系的腐蝕速率。參照國標《酸化用緩蝕劑性能試驗方法及評價指標》進行實驗，在90 ℃下反應4 h，實驗結果見表2。

表2 轉向酸靜態腐蝕速率

從表1可以看出，緩蝕劑加量為1.5%時，轉向酸在90 ℃下腐蝕速率為3.07g/m2·h，達到國標一級緩蝕劑3 g/m2·h～4 g/m2·h的要求，說明該緩蝕劑具有較好的緩釋性能。

3.5 配伍性

轉向酸泵注進入地層后，與原油、完井液以及地層水等多種液體接觸，如果不配伍會形成酸渣沉淀，堵塞孔隙，影響酸化效果。將轉向酸與原油、地層水分別按照1∶1∶1、2∶1∶1、1：1∶2的比例混合，放入水浴鍋中加熱至90 ℃，放置6 h后觀察混合液情況，發現轉向酸與原油、地層水分層明顯，沒有出現沉淀現象，表明該轉向酸體系與哈法亞油田配伍性好。

3.6 轉向酸破膠性能

酸化施工結束后，轉向酸的破膠程度直接影響了酸液的返排性能。為了快速返排和投產，避免對儲層產生二次傷害，要求轉向酸快速破膠。將殘酸與原油按照3∶1的比例充分混合，在室溫條件下，利用旋轉黏度計測量混合液體表觀黏度隨時間的變化情況，實驗結果見表3。

表3 轉向酸破膠性能實驗結果

從實驗結果可以看出，轉向酸與原油混合后，表觀黏度迅速降低，2 min后降低至114 mPa·s，14 min后轉向酸徹底破膠，表觀黏度僅為3 mPa·s，有利于殘酸的快速返排。

4 現場試驗

為了評價轉向酸的應用效果及完善現場施工工藝，在哈法亞油田應用多口井試驗，取得了明顯的增產效果。

4.1 試驗井基本情況

某試驗井是一口開發井，施工層位為Mishrif層，油層厚度為81.4 m，垂深3 000 m，儲層壓力為31 MPa，儲層溫度為90 ℃。根據測井解釋結果，該層多個小層有較好的油氣顯示，但是儲層物性差異較大，需要采用轉向酸進行均勻酸化。該井受到鉆井、完井過程中不同程度的污染，完鉆后不能自噴。

4.2 現場施工工藝

施工時先注入前置液，對地層進行預沖洗，減少地層傷害。然后用連續油管交替注入15%常規酸和轉向酸，達到射孔段均勻酸化的目的，累計注入總酸量868 barrels，施工情況如圖5所示。

圖5 轉向酸酸化施工曲線

從酸化施工曲線可以看出，轉向酸進入儲層后，施工排量沒有變化，施工壓力升高，說明轉向酸黏度升高，發揮了暫堵轉向作用，迫使酸液流向低滲透的小層[7]，造成施工壓力升高。

4.3 增產效果

酸化施工6 h后，起出連續油管，井口壓力明顯上升，該井自噴產油，然后進行了地面測試求產，測試產量達到3 600 bpd @48/64″(3 600 桶/d，1.9 cm的油嘴)油嘴，增產效果明顯。

5 結論

通過轉向酸技術在碳酸鹽巖油田的應用，得到如下結論：1）分析了轉向酸的作用機理，轉向酸體系具有很好的自轉向特征，與儲層反應后能形成“網狀凍膠”，迅速增大轉向酸的黏度，起到暫堵轉向的作用。2）流變性實驗表明，轉向酸體系具有較好的抗高溫、耐剪切性能，在100 ℃、170 s-1條件下黏度可以保持在150 mPa·s以上。3）巖心驅替實驗表明，轉向酸體系驅替壓力明顯升高，證明其具有較好的暫堵轉向能力，可以有效地提高儲層動用程度。4）實驗表明，轉向酸體系腐蝕速率低，與原油、地層水的配伍性好，與原油混合后能快速破膠，提高了返排效率。5）某試驗井現場試驗表明，應用轉向酸體系后增產效果明顯，單井產量達到3 600 bpd，具有良好的推廣應用前景。