加入內(nèi)部破膠劑的黏彈性表面活性劑轉(zhuǎn)向液在酸處理中的應(yīng)用

編譯:張博 趙立強(qiáng) (西南石油大學(xué))

審校:劉平禮 (西南石油大學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

加入內(nèi)部破膠劑的黏彈性表面活性劑轉(zhuǎn)向液在酸處理中的應(yīng)用

編譯:張博 趙立強(qiáng) (西南石油大學(xué))

審校:劉平禮 (西南石油大學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

基質(zhì)酸化和酸化壓裂措施已廣泛應(yīng)用于油氣增產(chǎn)過(guò)程中。成功的酸化增產(chǎn)需要將酸液均勻分布到各個(gè)層段,特別是對(duì)于處理裸眼完井的直井、水平井、延伸井及多分支井尤為重要。黏彈性表面活性劑體系的特殊性質(zhì)可以阻塞高滲透率層段的流動(dòng),使處理液轉(zhuǎn)向進(jìn)入低滲儲(chǔ)層。據(jù)最新的SPE文獻(xiàn)報(bào)道,作為轉(zhuǎn)向酸的清潔處理液在基質(zhì)酸化和酸化壓裂過(guò)程中,特別是在處理低滲儲(chǔ)層及衰竭式開(kāi)采的氣藏中,由于需要更長(zhǎng)的回流時(shí)間,產(chǎn)生了地層傷害。在水力壓裂和壓裂充填過(guò)程中發(fā)展了內(nèi)部破膠技術(shù),內(nèi)部破膠劑能控制黏彈性膠體的破膠時(shí)間和地點(diǎn),使其易于返排。本文介紹了一種含有破膠劑的清潔轉(zhuǎn)向酸來(lái)處理碳酸鹽巖儲(chǔ)層。這種酸液體系很獨(dú)特,酸巖反應(yīng)之前黏度很小。當(dāng)酸液耗盡或者鮮酸到達(dá)新的位置時(shí),體系中的表面活性劑黏度達(dá)到最大。酸化處理過(guò)后,內(nèi)部破膠劑活化使黏彈性表面活性劑破膠,體系黏度降低,同時(shí)殘酸酸液在生產(chǎn)過(guò)程中返排,最大程度地減少了可能存在的傷害。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí),酸化過(guò)程中的黏彈性膠體溶液在低剪切速率下產(chǎn)生了很高的黏度,且其在接觸烴類(lèi)物質(zhì)后才加速破膠。進(jìn)一步研究了在控制內(nèi)部破膠劑降低殘酸黏度的可行性。碳酸鹽巖巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)表明,在礦物油清洗過(guò)程中,使用不含破膠劑的清潔處理液在蚓孔中產(chǎn)生的壓降要高于使用含破膠劑的清潔處理液產(chǎn)生的壓降。

碳酸鹽巖儲(chǔ)層 清潔轉(zhuǎn)向酸黏彈性表面活性劑 破膠劑 殘酸返排

1 引言

為提高基質(zhì)酸化和酸化壓裂效率,特別是在處理非均質(zhì)儲(chǔ)層長(zhǎng)水平井段時(shí),有效地控制酸液轉(zhuǎn)向是成功的關(guān)鍵。在過(guò)去的幾年里,表面活性膠束流體憑其特殊的分子結(jié)構(gòu)作為轉(zhuǎn)向酸用于基質(zhì)酸化和壓裂酸化中。表面活性劑形成了具有黏彈性能的延伸的分子結(jié)構(gòu),增加了流體的黏度,同時(shí)保持了對(duì)地層低傷害的特征。含有表面活性劑膠體轉(zhuǎn)向酸有兩類(lèi)用途:①用于自轉(zhuǎn)向表面活性流體配制;②使用表面活性劑膠體作為轉(zhuǎn)向顆粒。

自轉(zhuǎn)向表面活性流體由鮮酸和表面活性劑組成。在最初的混合及泵注時(shí),鮮酸體系的黏度同水差不多。與地層中的烴類(lèi)物質(zhì)接觸后,p H值上升,再加上鈣、鎂等轉(zhuǎn)向離子的作用,體系黏度驟然上升。于是,便實(shí)現(xiàn)了酸液的分流。緊接著,鮮酸便轉(zhuǎn)向進(jìn)入到地層中其他層段進(jìn)行增產(chǎn)處理。酸注入過(guò)程中的轉(zhuǎn)向處理是一個(gè)連續(xù)的過(guò)程。

正如常規(guī)的清潔壓裂液一樣,酸化用的表面活性膠束轉(zhuǎn)向劑由表面活性劑和鹽類(lèi)組成。轉(zhuǎn)向顆粒在不同階段隨鮮酸一同泵入。在鮮酸和轉(zhuǎn)向顆粒間加入隔離液用于分離兩者。體系中的轉(zhuǎn)向顆粒對(duì)酸堿度是敏感的,在p H較低時(shí)其黏度也很小。

據(jù)最新的SPE文獻(xiàn)報(bào)道,作為轉(zhuǎn)向酸的黏彈性表面活性劑流體在基質(zhì)酸化和酸化壓裂過(guò)程中,特別是在處理低滲儲(chǔ)層及衰竭式開(kāi)采的氣藏中,由于需要更長(zhǎng)的回流時(shí)間,產(chǎn)生了地層傷害。相比常規(guī)酸壓現(xiàn)場(chǎng)使用的聚合物轉(zhuǎn)向劑,運(yùn)用膠束表面活性轉(zhuǎn)向劑可獲得更長(zhǎng)的增產(chǎn)周期。原因可能是在較低的剪切速率下,未破膠的表面活性膠體自身有較高的黏度。在洗油過(guò)程中,未破膠的表面活性膠體啟動(dòng)地下滲流需要更高的壓力。低剪切速率下的高黏度影響了儲(chǔ)層流體的均勻接觸、混合及黏彈性表面活性液體的破膠。破膠的延遲產(chǎn)生了地層傷害,影響油氣產(chǎn)量可達(dá)數(shù)月之久。

工業(yè)上通常采用外部破膠劑使表面活性膠體破膠。有兩個(gè)基本的外部條件:①與儲(chǔ)層烴類(lèi)物質(zhì)接觸;②與地層鹽水接觸并稀釋。但依賴(lài)外部和油藏條件使易漏失的黏彈性表面活性流體破膠,從而達(dá)到處理液快速、徹底返排的目標(biāo)是問(wèn)題的關(guān)鍵,對(duì)干氣氣藏更為重要。很多專(zhuān)家都認(rèn)為完善黏彈性表面活性流體的返排技術(shù)非常必要。

從廣義上講,破膠劑是包含在清潔處理液體內(nèi)的化合物。不需要接觸烴類(lèi)物質(zhì),它在表面混合過(guò)程中將流體破膠成為易返排液體。內(nèi)部破膠劑產(chǎn)生破膠化合物,就地將桿狀的黏彈性表面活性膠粒轉(zhuǎn)化成非黏性的、球型膠束顆粒?，F(xiàn)有的技術(shù)能在處理過(guò)程中使破膠劑進(jìn)入清潔處理液到達(dá)的位置,增強(qiáng)流體破膠及返排能力。

本文將介紹一種含內(nèi)部破膠劑的清潔轉(zhuǎn)向酸來(lái)處理碳酸鹽巖儲(chǔ)層。較于常規(guī)的有機(jī)酸如甲酸、乙酸,特別是在高溫條件下,這種有機(jī)酸對(duì)油管、井下工具的腐蝕要小得多。利用此有機(jī)酸進(jìn)行的常規(guī)酸化不需要用緩蝕劑,所以本文并沒(méi)有研究緩蝕劑對(duì)表面活性膠體的影響。這種表面活性劑有機(jī)酸是一種自動(dòng)變黏轉(zhuǎn)向的酸液體系,在酸液開(kāi)始反應(yīng)消耗之前黏度基本不發(fā)生變化。當(dāng)酸液完全耗盡、巖石基質(zhì)中的阻塞形成時(shí),體系中的表面活性劑的黏度達(dá)到最大,此時(shí)鮮酸便進(jìn)入到了尚未酸化的層段。酸化處理過(guò)后,內(nèi)部破膠劑活化使表面活性劑膠束顆粒破膠,流體黏度降低并在生產(chǎn)過(guò)程中返排,從而使地層的潛在傷害降低到最小。實(shí)驗(yàn)室結(jié)果證實(shí)了酸化過(guò)程中在低的剪切速率下,表面活性劑會(huì)有較高的黏度;清潔處理液在接觸烴類(lèi)物質(zhì)后也不一定破膠。碳酸鹽巖巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)證實(shí),在礦物油清洗過(guò)程中,使用不含破膠劑的清潔處理液在蚓孔中產(chǎn)生的壓降,要高于使用含破膠劑的清潔處理液產(chǎn)生的壓降。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 流變性分析

用Fann 35和 Grace 5500型流變儀測(cè)試流變數(shù)據(jù)。將有機(jī)酸命名為 HTO酸,將其與表面活性劑及破膠劑混合。利用Fann 35測(cè)出酸液體系在常溫下與碳酸鈣反應(yīng)的黏度曲線。處理液配方是質(zhì)量濃度為10%的 HTO添加2.0%體積濃度的表面活性劑和0.2%體積濃度的內(nèi)部破膠劑。待酸液耗盡后,在適當(dāng)?shù)膲毫蜏囟葪l件下,將含有破膠劑及不含破膠劑的溶液體系分別在 Grace 5500加壓流變儀上測(cè)出其流變參數(shù)。

2.2 巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量壓降

取一塊印地安那石灰?guī)r巖心,直徑為1 in(1 in=2

5.4 mm),6 in長(zhǎng),在真空下用體積濃度為3%的 KCl溶液飽和。接著將巖心載入計(jì)算機(jī)輔助巖心流動(dòng)測(cè)試儀并加熱到150℉。隨后向巖心中注入10%HTO酸液。待巖心中產(chǎn)生蚓孔后,注入原油驅(qū)替巖心中的酸。第一次實(shí)驗(yàn)將含破膠劑的表面活性劑溶液 (10%HTO酸+2%表面活性劑+0.2%內(nèi)部破膠劑,p H約為6)注入巖心,然后停止管線流動(dòng),活化內(nèi)部的破膠劑使表面活性膠體破膠。在關(guān)閉16小時(shí)之后,開(kāi)始注入原油并記錄壓降來(lái)檢測(cè)壓力降落及清洗的程度。利用不含破膠劑的表面活性劑溶液 (10%HTO酸+2%表面活性劑,p H值約為6)重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)。最后,對(duì)比兩次實(shí)驗(yàn)的壓降及洗井程度數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 黏度

圖1描述了配方為10%HTO酸、2%表面活性劑及0.2%內(nèi)部破膠劑的酸液體系與碳酸鈣反應(yīng)過(guò)程中,隨著p H值升高,溶液黏度的變化情況。高p H值及高鈣離子濃度促進(jìn)了黏彈性表面活性劑形成延伸膠束,使流體顯現(xiàn)出了黏彈性的特征。破

圖1 表面活性變黏酸在常溫下與碳酸鈣反應(yīng)黏度變化曲線

膠劑的存在并不影響表面活性膠凝劑的作用。在膠束的形成過(guò)程中,破膠劑包含進(jìn)了膠束結(jié)構(gòu)。受到激活后,延長(zhǎng)的膠束結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成非黏性的球型結(jié)構(gòu)。從圖2可以看出含與不含內(nèi)部破膠劑的兩種黏彈性酸液之間的巨大差別。在低剪切速率下,未破膠黏彈性表面活性劑流體的高黏度很可能會(huì)影響處理液的返排及油氣的采收率。然而,破膠劑可在一定時(shí)間將黏彈性流體逐步降解為易返排液體。圖3為在160℉溫度下,破膠劑使黏彈性殘酸降黏的實(shí)例曲線圖。

圖2 140℉下,內(nèi)部破膠劑的加入對(duì) HTO表面活性酸液體系黏度的影響曲線 (基液配方:10%HTO酸+2%表面活性劑)

圖3 160℉下,加入內(nèi)部破膠劑體系黏度隨時(shí)間的變化情況 (實(shí)驗(yàn)溫度160℉,剪切速率100 s-1)

為了說(shuō)明并非所有的儲(chǔ)層烴類(lèi)物質(zhì)經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的接觸都會(huì)使黏彈性表面活性劑流體破膠,運(yùn)用表面活性劑流體和新采出的原油進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)。第一個(gè)實(shí)驗(yàn)采用體積濃度為1%的墨西哥灣原油(API重度為29)和99%體積濃度的清潔處理液液體混合,強(qiáng)烈震蕩。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,在震蕩過(guò)程中原油能破壞流體中膠體的結(jié)構(gòu),使流體失去黏性。下一步實(shí)驗(yàn)在150℉下運(yùn)用 Grace 5500加壓流變儀測(cè)定它的流變參數(shù)。首先向流變儀容器中加入99%體積濃度的清潔處理液,然后在其上表面緩慢加入體積濃度為1%的墨西哥灣原油。用 Grace流變儀以2 s-1的剪切速率測(cè)試16小時(shí),黏度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖4。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明了在16個(gè)小時(shí)的測(cè)試時(shí)間內(nèi)以低剪切速率簡(jiǎn)單地接觸這種墨西哥灣原油,黏彈性表面活性流體并沒(méi)有破膠。同時(shí)實(shí)驗(yàn)也說(shuō)明了要使黏彈性表面活性膠束流體破膠,原油分子需要一些混溶能力或混合能量,用來(lái)克服兩不相混溶的流體相間的排斥力。原油分子使流體膠束破膠并不存在“多米諾效應(yīng)”。

圖4 原油不能使殘酸體系破膠 (實(shí)驗(yàn)溫度100℉,剪切速率2 s-1)

3.2 巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)

取一塊印地安那石灰?guī)r巖心,直徑為1 in,6 in長(zhǎng),注入10%的 HTO酸液。在巖心內(nèi)部及表面產(chǎn)生了酸蝕孔洞。在150℉下,以1 mL/min的速率注入原油,分別驅(qū)替巖心中兩種類(lèi)型的殘酸(含和不含破膠劑)。圖5結(jié)果顯示,含有破膠劑的殘酸更易清洗流動(dòng)。在驅(qū)替過(guò)程中,低剪切速率下高黏度的未破膠流體會(huì)產(chǎn)生很高的壓降。因此,內(nèi)部破膠劑是黏彈性酸液酸壓及轉(zhuǎn)向酸液體系的關(guān)鍵組分。

圖5 150℉下,利用原油驅(qū)替含有蚓孔的印地安那石灰?guī)r巖心壓降數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

在黏彈性表面活性劑體系基礎(chǔ)上最新研制的緩蝕性能好的有機(jī)酸已運(yùn)用于碳酸鹽巖儲(chǔ)層的改造。體系自動(dòng)變黏,促進(jìn)和優(yōu)化了酸化和酸壓過(guò)程中酸液的轉(zhuǎn)向與分布?？梢允褂脙?nèi)部破膠劑降低處理液的黏度,從而擺脫了對(duì)儲(chǔ)層烴類(lèi)物質(zhì)的依賴(lài)。實(shí)驗(yàn)證實(shí)了僅通過(guò)簡(jiǎn)單的接觸,地層原油并不能使轉(zhuǎn)向酸液流體降黏,它需要更高的混合能量。即使在酸化或酸壓過(guò)后,未破膠的黏彈性表面活性流體傷害地層、影響油氣產(chǎn)量的可能性還是很大的。在使用黏彈性表面活性劑的酸化增產(chǎn)處理中,為使殘液完全返排,內(nèi)部破膠劑是關(guān)鍵組分。

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.2.006

資料來(lái)源于美國(guó)《SPE 112484》

2008-12-08)