轉(zhuǎn)向酸的實驗室評價及現(xiàn)場應用

王道成 張 燕 鄧素芬 向 超 王 川 龍順敏 張亞東 劉 爽

（1．中國石油西南油氣田公司天然氣研究院）（2．中國石油西南油氣田公司蜀南氣礦）

海相碳酸鹽巖儲層是油氣勘探開發(fā)的重要領(lǐng)域［1－12］。川渝地區(qū)碳酸鹽巖油氣藏分布較廣，勘探潛力巨大，先后發(fā)現(xiàn)了一批儲層復雜的氣田，如龍崗、川中高石梯～磨溪及川東石炭系等，此類氣田儲層具有低孔、中低滲、非均質(zhì)性強、儲層井段長等特征，施工工藝較為復雜，給酸壓改造帶來了較大的難度。轉(zhuǎn)向酸具有“變黏、緩速、降濾”的特征，纖維具有封堵裂縫的性能，在此類長井段、非均質(zhì)儲層中得到了廣泛的應用［12］。轉(zhuǎn)向性能為轉(zhuǎn)向酸、纖維的重要性能指標之一，為此，室內(nèi)開展了大量的研究工作（如變黏持續(xù)時間、峰值大小及出現(xiàn)的時間等），但是，大量研究者只對轉(zhuǎn)向酸體系的室內(nèi)性能進行定性評價，并沒有與現(xiàn)場的施工條件相結(jié)合（如部分施工需要多次轉(zhuǎn)向，部分施工需要快速轉(zhuǎn)向），室內(nèi)實驗結(jié)果不能有效指導現(xiàn)場施工，且纖維轉(zhuǎn)向劑室內(nèi)轉(zhuǎn)向性能評價實驗較少公開報道［2，12］。因此，針對目前研究的不足，通過實驗室定量評價變黏持續(xù)時間長度，定量評價變黏的峰值大小及出現(xiàn)的時間，定性確定轉(zhuǎn)向過程壓力變化特征，探索纖維轉(zhuǎn)向劑封堵轉(zhuǎn)向壓力實驗，初步探索形成了轉(zhuǎn)向酸、纖維轉(zhuǎn)向劑的適應條件。在結(jié)合現(xiàn)場施工工藝要求及儲層特征的基礎(chǔ)上，應用轉(zhuǎn)向酸、纖維轉(zhuǎn)向劑適應條件選擇標準，推薦適宜的轉(zhuǎn)向酸及纖維體系，并在石炭系水平井Y5井中進行了成功應用。

1 轉(zhuǎn)向酸性能評價認識

大量研究者針對轉(zhuǎn)向酸的主要性能，即轉(zhuǎn)向性能、變黏過程特征和耐溫性能，開展了大量的室內(nèi)實驗評價，并獲得了相應的認識［2－10］。

1．1 轉(zhuǎn)向性能評價

轉(zhuǎn)向性能是衡量轉(zhuǎn)向酸最為重要的性能指標之一，一般應用雙（多）巖心流動實驗的壓差值或巖心酸化效果對轉(zhuǎn)向性能進行表征，研究者對其變化規(guī)律進行了研究，并獲得了初步的認識：溫度升高，轉(zhuǎn)向效果下降；滲透率倍數(shù)增加，轉(zhuǎn)向效果下降；大排量注入可能對轉(zhuǎn)向效果不利；轉(zhuǎn)向劑含量的增加，可以適當提高轉(zhuǎn)向效果［3－5］。

1．2 變黏過程評價

用酸液黏度隨酸液濃度的變化關(guān)系，對酸液黏度變化過程進行模擬，明確酸液的黏度達到最大時的濃度值、酸液降低為殘酸的黏度值、酸液的最大變黏黏度值等參數(shù)，以便優(yōu)選最優(yōu)的轉(zhuǎn)向酸體系［2，6］。

1．3 耐溫性能評價

用酸液黏度隨溫度的變化關(guān)系，對酸液在分子熱運動及膠束降解的作用下酸液黏度的變化過程進行模擬，明確酸液的耐溫性能，研究認為，在轉(zhuǎn)向劑充分溶脹后，隨溫度升高，黏度逐漸降低［7－10］。

上述研究成果主要集中在轉(zhuǎn)向酸的最大變黏黏度值及變黏寬度的定性模擬，沒有對不同轉(zhuǎn)向酸體系具體的變黏持續(xù)時間長度、最大變黏黏度值出現(xiàn)的時間進行對比研究，所以，為了更好地指導現(xiàn)場施工，需要開展相應的實驗室評價工作。

2 轉(zhuǎn)向酸及纖維轉(zhuǎn)向劑性能評價

本實驗評價采用的CT轉(zhuǎn)向劑主要為兩性表面活性劑，通過分子結(jié)構(gòu)的調(diào)整優(yōu)化，形成不同性能的系列轉(zhuǎn)向劑，采用轉(zhuǎn)向劑、緩蝕劑、鐵離子穩(wěn)定劑及其他添加劑進行配制，配方如下：

20%（w）HCl＋4%（w）CT1－18（轉(zhuǎn)向劑）＋1%（w）CT1－3C（緩蝕劑）＋1%（w）CT1－7（鐵離子穩(wěn)定劑）＋其他添加劑。

2．1 轉(zhuǎn)向范圍評價

利用酸巖反應中黏度變化持續(xù)的時間表征轉(zhuǎn)向酸的轉(zhuǎn)向范圍（包括最大黏度值出現(xiàn)的時間），該評價結(jié)果可以有效表征轉(zhuǎn)向酸與儲層反應時，持續(xù)變黏的過程特征，為優(yōu)選適宜轉(zhuǎn)向范圍的酸液體系提供數(shù)據(jù)支撐。本次實驗評價溫度為90℃，評價時固定酸液量及酸巖反應面積，且?guī)r石過量。

從實驗結(jié)果（圖1和圖2）可看出，實驗用的兩種酸液體系都有明顯的變黏性能，且在殘酸時自動破膠。本次評價的酸液體系初始黏度為21mPa·s左右，酸液需要保持一定的黏度才能實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，為了轉(zhuǎn)向范圍對比較為準確，采用殘酸黏度降低為初始黏度時對應的時間為轉(zhuǎn)向過程結(jié)束時間。圖1為第一類典型的變黏轉(zhuǎn)向過程，在反應20min后黏度值達到42mPa·s；反應50min后降低至初始酸液黏度，即轉(zhuǎn)向過程結(jié)束；反應至80min后降低為5mPa·s，變?yōu)闅埶幔撟凁み^程持續(xù)50min。圖2為第二類典型的變黏轉(zhuǎn)向過程，該體系初始黏度為21mPa·s，隨反應的進行，在反應70min時黏度值達到69mPa·s，反應90min降低為初始黏度，即轉(zhuǎn)向過程結(jié)束；反應至110min后降低為5mPa·s，變?yōu)闅埶?，該變黏過程持續(xù)90min。從黏度變化曲線可以看出，總體上表現(xiàn)為兩類特征：第一類，轉(zhuǎn)向范圍相對較窄型（圖1），可以在較快的條件下反應產(chǎn)生黏彈體，封堵儲層；第二類，轉(zhuǎn)向范圍相對較寬型（圖2），在酸巖反應相對較長時間后，才能產(chǎn)生封堵效果較好的黏彈體。從上述兩種體系轉(zhuǎn)向范圍特征說明這兩類轉(zhuǎn)向酸適用于不同的儲層特征及施工工藝的要求。

以上的變化特征，可能與轉(zhuǎn)向酸變黏過程分子微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)。轉(zhuǎn)向酸變黏過程為：酸液首先與儲層發(fā)生反應，消耗酸液中的H＋，使轉(zhuǎn)向酸pH值升高，同時產(chǎn)生大量的Ca2＋、Mg2＋，使轉(zhuǎn)向劑分子形成棒狀膠束，在Ca2＋、Mg2＋達到發(fā)生相互纏繞的臨界膠束濃度時，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，黏度達到最大值。該變黏過程中，不同分子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向劑形成的膠束水動力學尺寸大小和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)強度不同，而宏觀表現(xiàn)為最大變黏黏度值的大小、時間和變黏寬度的不同，通過調(diào)整轉(zhuǎn)向劑主劑分子結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)不同轉(zhuǎn)向酸轉(zhuǎn)向范圍和最大變黏值及出現(xiàn)的時間［11］。

2．2 轉(zhuǎn)向性能評價

利用轉(zhuǎn)向酸雙巖心封堵轉(zhuǎn)向壓力差實驗對非均質(zhì)儲層轉(zhuǎn)向性能進行評價，可以有效地表征轉(zhuǎn)向酸與儲層反應轉(zhuǎn)向壓力變化過程（即為封堵壓力峰值），為優(yōu)選適宜的酸液體系提供數(shù)據(jù)支撐。本次實驗溫度為90℃，固定注酸速率，采用兩種轉(zhuǎn)向范圍差異較大的酸液體系對一定滲透率倍數(shù)的巖心進行轉(zhuǎn)向性能評價（實驗用高、低滲透率巖心滲透率倍數(shù)為6倍左右）。

圖3和圖4為典型的兩種轉(zhuǎn)向酸轉(zhuǎn)向壓力變化過程，圖3采用的轉(zhuǎn)向酸體系比圖4采用的轉(zhuǎn)向范圍窄。大多數(shù)研究結(jié)果的壓力曲線變化趨勢如圖3。隨反應的進行，壓力緩慢升高，反應80min，壓差到達峰值后迅速降低（部分實驗結(jié)果，最大壓差階段會持續(xù)一段時間），此過程出現(xiàn)多次壓力微微下降過程（出現(xiàn)3次壓力降落），說明轉(zhuǎn)向酸在儲層中發(fā)生變黏、轉(zhuǎn)向，但是壓力降低幅度較小。由于其轉(zhuǎn)向變黏的范圍較窄，在形成一定黏度后封堵高滲透層，封堵時間相對較短，使酸液進入低滲透層液量相對較少，并不能實現(xiàn)較長時間的封堵。從圖4可看出，轉(zhuǎn)向酸注入時壓差出現(xiàn)至少3次明顯升高及降低過程，第一次為酸液注入約30min時，出現(xiàn)壓差峰值，并持續(xù)較長時間，此階段酸液進入高滲透巖心，隨反應的進行，酸液黏度逐漸升高，并沒有完全封堵高滲透層，壓差基本保持不變，說明酸液在同時進入高、低滲透儲層，并沒有形成持續(xù)增加的封堵壓力；隨后，壓差不斷升高及降低，說明此階段轉(zhuǎn)向酸進入高、低滲透巖心中發(fā)生了變黏轉(zhuǎn)向。圖3和圖4注入壓差的變化過程，說明轉(zhuǎn)向酸具有明顯的轉(zhuǎn)向性能，且轉(zhuǎn)向壓力的變化特征與轉(zhuǎn)向范圍直接相關(guān)，轉(zhuǎn)向范圍窄時，封堵時間相對較短，出現(xiàn)1次明顯壓力峰值；轉(zhuǎn)向范圍較寬時，由于封堵時間相對較長，實驗中出現(xiàn)多次峰值，此實驗結(jié)果與轉(zhuǎn)向酸峰值大小、峰值出現(xiàn)時間、持續(xù)時間及實驗模擬條件密切相關(guān)。

2．3 纖維轉(zhuǎn)向劑轉(zhuǎn)向性能評價

針對孔隙型儲層，轉(zhuǎn)向酸封堵轉(zhuǎn)向效果較好，但是針對具有裂縫的儲層，需要結(jié)合物理轉(zhuǎn)向劑才能獲得較好的轉(zhuǎn)向效果，如Schlumberger等大型公司對應用較為廣泛的可降解纖維體系現(xiàn)場應用進行了大量報道，但是較少公開報道相關(guān)纖維轉(zhuǎn)向劑實驗室評價實驗［12］。本次針對川渝油氣田應用較為廣泛的纖維轉(zhuǎn)向劑進行了室內(nèi)實驗評價探索，為了保證實驗結(jié)果的準確性和可重復性，分別采用鹽水、鹽水＋纖維在同一裂縫型巖心中進行滲透率及壓力對比實驗。實驗中將巖心剖開，人為固定裂縫開度，采用纖維轉(zhuǎn)向劑在巖心裂縫端面進行測試，模擬現(xiàn)場加量大小，裂縫入口鋪入纖維轉(zhuǎn)向劑，測試鋪入纖維轉(zhuǎn)向劑前后的注入壓力和滲透率變化情況。實驗結(jié)果見表1，采用纖維注入較鹽水單獨注入巖心時，注入壓力提高3．2MPa，說明纖維有效地封堵了裂縫。

表1 纖維轉(zhuǎn)向劑轉(zhuǎn)向性能評價Table 1 Diverting performance assessment of fiber diverting－agent

3 轉(zhuǎn)向酸及纖維轉(zhuǎn)向劑的適應性探索

基于上述評價結(jié)果，初步得出轉(zhuǎn)向酸、纖維轉(zhuǎn)向劑在不同施工工藝、不同儲層特征下的適應性：①第一類轉(zhuǎn)向酸適用于施工時間相對較短、液量相對較少、儲層相對較短的施工井，如龍崗長興組、飛仙關(guān)儲層酸化施工時間在1h左右，酸化規(guī)模在300m3以內(nèi)，井段在20m以內(nèi)，可達到快速轉(zhuǎn)向的目的；②第二類轉(zhuǎn)向酸適用于施工時間相對較長、液量相對較大、儲層段相對較長的施工井，如川東石炭系及川中雷口坡水平井，施工時間在1h以上，施工液量在300～1 000m3左右，儲層段長達100m以上，可實現(xiàn)均勻布酸的目的；③纖維轉(zhuǎn)向劑適用于需要實現(xiàn)層間轉(zhuǎn)向，滲透率倍數(shù)相差極大，有大量微裂縫存在的施工井，如高石梯～磨溪構(gòu)造，施工段達50m以上，且含有大量的縫（洞），滲透率相差高達40倍以上，結(jié)合轉(zhuǎn)向酸及纖維轉(zhuǎn)向劑可以封堵高滲透裂縫帶，改造低滲透帶，實現(xiàn)溝通遠井滲流帶的目的。

由于轉(zhuǎn)向酸體系的轉(zhuǎn)向性能與儲層的溫度、施工井段長度、裂縫（孔洞）發(fā)育程度、發(fā)育形狀及施工工藝要求等有關(guān)，室內(nèi)實驗模擬條件與現(xiàn)場條件相差較大，建立在本次實驗研究適應性探索結(jié)果基礎(chǔ)上的，有待進一步進行實驗研究。

4 現(xiàn)場應用

Y5井為位于四川盆地某高陡構(gòu)造區(qū)的一口水平井，試油段解釋儲層9段，為灰色云巖?？紫抖?．35%～8．65%，滲透率（0．267～6．655）×10－3μm2，為裂縫－孔隙型儲層，井底溫度80℃。

通過該井施工段特征分析認為，酸化施工需要解除鉆完井過程中對儲層造成的污染，同時力爭能溝通遠井區(qū)可能存在的天然縫洞系統(tǒng)。本次酸化施工分為3段，段長在60～74．5m，但單段試油段內(nèi)儲層滲透率差異較大（高達25倍），因此整個施工段均勻布酸存在一定困難。設(shè)計中采用快速增黏且能達到封堵效果（針對本次工藝設(shè)計施工液量較少）的轉(zhuǎn)向酸體系、纖維轉(zhuǎn)向劑（針對裂縫、滲透率差異較大儲層）作為酸化工作液，既能實現(xiàn)施工井段合理布酸，又能達到形成深穿透改造的酸化目標。

從本次施工曲線（圖5）可以看出，在第一階段轉(zhuǎn)向酸進入地層后3min即出現(xiàn)了第一次壓力上升1．2MPa（圖上“1”至“2”點），說明酸液快速地建立了黏度，但是，隨即壓力從77MPa下降到72MPa，說明轉(zhuǎn)向酸在近井儲層反應，解除了污染，溝通了裂縫或滲流帶；第二、第三階段在加入纖維轉(zhuǎn)向液后，施工壓力明顯高于第一個階段（纖維轉(zhuǎn)向液注入后，壓力上升到87MPa左右），可能為纖維轉(zhuǎn)向劑注入后，纖維與轉(zhuǎn)向酸共同作用下，封堵能力明顯增強，阻止酸液進入高滲透層，使酸液轉(zhuǎn)向進入低滲透層，由于本次施工井段較長、施工酸液總液量較少，隨酸液的不斷注入，轉(zhuǎn)向酸只能承受一定的封堵壓力，其承受的壓力、自動破膠能力和其增黏能力相互平衡，所以施工曲線表現(xiàn)為儲層壓力不斷上升和下降的過程，不能形成長時間的壓力升高過程，圖中“3”在排量逐漸升高的條件下，出現(xiàn)3次壓力明顯升高且快速降低的過程，最大壓差達到9MPa，與第一類轉(zhuǎn)向酸體系快速升高及降低的轉(zhuǎn)向特征相同，且纖維轉(zhuǎn)向劑有助于封堵裂縫等高滲層，進一步提高轉(zhuǎn)向效果，出現(xiàn)多次轉(zhuǎn)向特征，使酸液進入低滲透儲層，溝通天然縫洞［5］。

該井施工后油壓14．34MPa，為初始油壓的2．7倍，測試產(chǎn)氣12．32×104m3／d，為初測產(chǎn)量的3．95倍，從圖5可以看出，本次采用纖維轉(zhuǎn)向酸體系，達到了快速增黏，持續(xù)轉(zhuǎn)向的目的，與室內(nèi)的實驗結(jié)果變化趨勢較為接近，表明采用轉(zhuǎn)向范圍、轉(zhuǎn)向過程對轉(zhuǎn)向酸的性能評價，從而推薦的體系是可行的。

5 結(jié) 論

（1）轉(zhuǎn)向范圍評價實驗表明，不同轉(zhuǎn)向酸體系的轉(zhuǎn)向范圍特征差別較大，第一類可以在20min內(nèi)反應產(chǎn)生黏彈體，封堵儲層；第二類在酸巖反應70 min后才能產(chǎn)生封堵效果較好的黏彈體，封堵儲層。

（2）轉(zhuǎn)向性能評價實驗表明，不同轉(zhuǎn)向范圍轉(zhuǎn)向酸體系的轉(zhuǎn)向壓力差值差別較大，轉(zhuǎn)向范圍窄，不能實現(xiàn)多次明顯封堵轉(zhuǎn)向；轉(zhuǎn)向范圍較寬的轉(zhuǎn)向酸體系，可以實現(xiàn)多次封堵轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向時間持續(xù)更長。

（3）應用轉(zhuǎn)向范圍理論，優(yōu)選的快速增黏轉(zhuǎn)向酸＋纖維體系對Y5井進行施工后，獲得了較好的效果，施工曲線表現(xiàn)出轉(zhuǎn)向劑封堵裂縫儲層、轉(zhuǎn)向酸多次快速轉(zhuǎn)向的特征，說明應用該方法推薦不同轉(zhuǎn)向范圍的轉(zhuǎn)向酸體系及纖維轉(zhuǎn)向劑是可行的。

［1］Al－Anzi E，Al－Mutawa M，Al－Habib N，et al．Positive reactions in carbonate reservoir stimulation［J］．Oilfield Review，2003，158（4）：28－45．

［2］劉友權(quán)，王小紅，王川，等．CT高溫轉(zhuǎn)向酸的研制及應用［J］．石油與天然氣化工，2011，40（6）：614－615．

［3］王小紅，劉友權(quán)，廖軍，等．轉(zhuǎn)向酸轉(zhuǎn)向性能影響因素研究［J］．石油與天然氣化工，2012，41（2）：204－206．

［4］Bernhard Lungwitz，Chris Fredd，Mark Brady，et al．Diversion and cleanup studies of viscoelastic surfactant－Based self－diverting Acid［C］．SPE 86504，2007．

［5］Mathew Samuel，Dan Polson，Don Graham，et al．Viscoelastic surfactant fracturing fluids：applications in low permeability reservoirs［C］．SPE 60322，2000

［6］劉友權(quán)，趙萬偉，王小紅，等．粘彈體表面活性劑自轉(zhuǎn)向酸特點及其在川渝油氣田的應用［J］．石油與天然氣化工，2008，37（增刊）：103－107．

［7］王永輝，李永平，程興生，等．高溫深層碳酸鹽巖儲層酸化壓裂改造技術(shù)［J］．石油學報，2012，33（2）：165－173．

［8］王彥玲，徐超，王增寶，等．變粘分流酸液流變性影響因素的研究［J］．應用化工，2012，41（6）：1000－1005．

［9］張俊，胡君誠，童維進．變粘酸的室內(nèi)合成及性能研究［J］．海洋石油，2011，31（3）：60－63．

［10］劉合，張勁，張士誠．多功能清潔酸性壓裂液的設(shè)計［J］．石油學報，2009，30（3）：427－429．

［11］何春明，郭建春．VES自轉(zhuǎn)向酸變粘機理實驗研究［J］．油田化學，2011：363－366．

［12］Quevedo M，Tellez F，Resendiz T．An innovative solution to optimizing production in naturally fractured carbonate reservoirs in southern mexico［C］．SPE 152554，2012．