一種單步法在線酸化酸液體系研究及應(yīng)用

汪本武 劉平禮 張 璐 蘭夕堂 趙立強(qiáng) 李年銀

1.中海油(中國)有限公司天津分公司 2.“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)

一種單步法在線酸化酸液體系研究及應(yīng)用

汪本武1劉平禮2張 璐1蘭夕堂1趙立強(qiáng)2李年銀2

1.中海油(中國)有限公司天津分公司 2.“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)

目前,注水井酸化主要采用常規(guī)酸化模式，但常規(guī)酸化存在酸化作業(yè)時間長、作業(yè)程序復(fù)雜、作業(yè)環(huán)境要求高、動復(fù)原復(fù)雜和協(xié)調(diào)難度大等問題。針對這些問題，提出一種單步法在線酸化技術(shù)。該技術(shù)的核心是采用一種高效酸液體系代替常規(guī)酸化三段式液體，實(shí)現(xiàn)“以一代三”功效。因此，開展了新一代單步法酸液體系—G智能復(fù)合酸液體系的研究，主要包括酸液體系與注入水、采出水配伍性、抑制沉淀、緩速、緩蝕性能、酸化流動效果評價(jià)及微觀分析。結(jié)果表明，G-智能復(fù)合酸液能夠滿足單步酸液體系的性能要求，酸液體系與注入水最優(yōu)混配體積比在1∶2～1∶8。微觀電鏡分析表明，酸液不會破壞巖石骨架。將該酸液體系應(yīng)用于渤海油田B4注水井在線單步法酸化，酸化后該井的視吸水指數(shù)大幅度升高，降壓增注效果顯著。

注水井 單步 酸化 酸液體系 微觀分析

常規(guī)酸化作業(yè)需要在注水井停注的情況下，多段塞多次注入不同工作液體系，多井次的常規(guī)酸化作業(yè)存在酸化作業(yè)時間長、作業(yè)程序復(fù)雜、作業(yè)環(huán)境要求高、動復(fù)原麻煩和協(xié)調(diào)難度大等問題。同時，需動用大量酸罐、管匯等龐大設(shè)備，進(jìn)行頻繁的酸化解堵作業(yè)，不僅費(fèi)時費(fèi)力，費(fèi)用昂貴，而且進(jìn)行多井次、多層次酸化作業(yè)時，常規(guī)酸化模式往往存在注液過程復(fù)雜、注液量大及酸化作業(yè)過程中停注影響正常注水作業(yè)等問題[1-2]。經(jīng)過近幾年的技術(shù)攻關(guān)，提出了一種新的酸化工藝即單步法酸化。2004年，U.Chike等[3]首先提出單步法酸化工藝。 此后，C.Uchendu等[4-5]研制出了含HV螯合劑的單步法酸液體系，并成功地應(yīng)用到尼日爾三角洲砂巖儲層及印度海岸氣井單步法基質(zhì)酸化過程中，酸化效果顯著。此外， Phil Rae等[6]在菲律賓對地?zé)峋渤晒Φ剡M(jìn)行了單步法酸化。經(jīng)過不斷的發(fā)展，H.A.Nasr-El-Din、Ahmed M.Gomaa等[7-10]研究了不同的單步法酸液體系，如螯合酸液體系、有機(jī)緩速酸液體系等，總體上單步法酸液體系必須能夠有效地抑制二、三次沉淀，從而成功實(shí)現(xiàn)砂巖儲層單步法酸化工藝。

本研究提出一種單步法在線酸化技術(shù)，該技術(shù)的核心在于酸液體系能夠替代常規(guī)酸化的三段液體，集前置液、處理液、后置液的所有功效于一體，與注入水、采出水具有很好的配伍性，具有緩速、緩蝕、低傷害等特性的同時穩(wěn)定黏土，不破壞巖石骨架結(jié)構(gòu)?；谶@些性能要求，提出一種新型單步法酸液，即——G-智能復(fù)合酸體系。該體系不僅具有以上的性能優(yōu)點(diǎn)，能夠“以一代三”，同時，酸液體系具有高效抑制二、三次沉淀能力，且體系中加入了高效有機(jī)溶劑。由于儲層堵塞物一般為有機(jī)與無機(jī)相互混合包裹，此時酸液與有機(jī)溶劑共同作用，使解堵效果更為顯著。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑

注入水、采出水取自渤海某油田；G-智能復(fù)合酸，自行研制；酸液添加劑，四川省成都安實(shí)得石油科技開發(fā)有限公司；金屬離子指示劑，成都科龍化學(xué)廠；Cr13鋼片，山東省陽信縣晟鑫科技有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

配伍性實(shí)驗(yàn)采用加熱靜置方法；對鈣、鎂、鐵離子的螯合能力根據(jù)螯合劑的性能評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)采用化學(xué)滴定的方法測定；緩速性能研究采用溶蝕實(shí)驗(yàn)；腐蝕速率測定根據(jù)國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 單步酸與注入水、采出水配伍性

注水井單步法在線酸化技術(shù)是將酸液泵入注水流程，隨注入水一起進(jìn)入儲層。因此，需要考慮酸液與注入水、采出水配伍性。由此設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，將酸液分別與注入水、采出水按體積比(V(酸液)∶V(采出水/注入水))1∶1、1∶3、1∶5、3∶1、5∶1相互混合，分別在室溫和90 ℃的條件下靜置2 h,觀察其配伍性，如圖1和圖2所示。

通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，酸液體系在室溫與90 ℃下反應(yīng)前配伍性很好，反應(yīng)2 h后沒有產(chǎn)生沉淀與渾濁。其中，酸液與注入水90 ℃下反應(yīng)2 h后顏色變淺，酸液與采出水按體積比1∶3、1∶5，90 ℃下反應(yīng)2 h后，顏色加深，但沒有產(chǎn)生渾濁。總體來說，酸液體系與注入水、采出水配伍性良好，能夠滿足注入水伴注單步酸液體系要求。

2.2 沉淀抑制性能評價(jià)

在砂巖酸化過程中，很容易產(chǎn)生二次、三次沉淀。單步法酸液體系對酸液的抑制沉淀能力提出了更高的要求。G-智能復(fù)合酸是一種氨基酸類有機(jī)螯合酸，其與金屬離子之間相互作用是一種螯合反應(yīng)[11]。氨基酸中給電子的羰基氧以及氨基氮可與金屬離子進(jìn)行配位，形成一種五元或者六元環(huán)，一般氨基酸與金屬離子形成的螯合物為五元環(huán)，這種結(jié)構(gòu)的化學(xué)穩(wěn)定性很好。此外，螯合劑由于其特殊的結(jié)構(gòu)可形成多層吸附，提高了對金屬離子的吸附能力，進(jìn)一步阻礙金屬離子與其他離子結(jié)合而形成大量沉淀。砂巖反應(yīng)過程中產(chǎn)生的沉淀主要為金屬氟化物、氫氧化物、硅酸鹽等，產(chǎn)生的沉淀往往與金屬離子有關(guān)，G-智能復(fù)合酸通過對金屬離子的螯合作用，發(fā)揮對沉淀的抑制作用。為此，在室內(nèi)開展了酸液對金屬離子螯合能力的測試，見表1。

表1 各種有機(jī)螯合酸對Ca2+、Mg2+、Fe3+的螯合能力Table1 ChelatingabilityofdifferentchelatingagenttoCa2+,Mg2+andFe3+有機(jī)螯合酸類型Ca2+容忍量/(mg·g-1)Mg2+容忍量/(mg·g-1)Fe3+容忍量/(mg·g-1)HE14065145HH11670165HN14655215HD104104115G-智能復(fù)合酸253158442.5

由表1可知，G-智能復(fù)合酸對金屬離子的螯合能力很強(qiáng)，金屬離子與螯合劑絡(luò)合成穩(wěn)定的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，酸液的pH值不斷升高，在酸化后期，當(dāng)溶液pH值上升后，F(xiàn)e(OH)3在pH值大于2.2的溶液中就開始沉淀。而螯合劑的優(yōu)勢還在于，在較高的pH值下，其螯合能力也會有所提高。因此，G-智能復(fù)合酸液有很好的抑制沉淀能力，能夠滿足單步法酸化的要求。

2.3 緩速性能評價(jià)

R.D.Gdanski于2000年[12]提出由于酸巖二次反應(yīng)速度快，儲層礦物組成復(fù)雜，砂巖酸化采用土酸體系存在很高風(fēng)險(xiǎn)。在高溫條件下，這種風(fēng)險(xiǎn)會擴(kuò)大化。同時，由于酸液會破壞伊利石與綠泥石結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其發(fā)生嚴(yán)重的微粒運(yùn)移，酸液對黏土礦物的過度溶蝕會引起巖石骨架結(jié)構(gòu)的破壞與嚴(yán)重的微粒運(yùn)移。因此，將土酸與G-智能復(fù)合酸對黏土礦物的溶蝕率進(jìn)行對比。

結(jié)果(圖3和圖4)表明，土酸對多種黏土的溶蝕率均表現(xiàn)出很強(qiáng)的溶解性，0.5 h時，對黏土的溶蝕率可高達(dá)22.4%；在1 h時，達(dá)到最大值29.8%；在2 h時，對高嶺石的溶蝕率甚至達(dá)到了45%。土酸對黏土的溶蝕率極高，反應(yīng)速度過快，一般在反應(yīng)初始階段就反應(yīng)完全。G-智能復(fù)合酸能夠發(fā)生多級電離，不斷釋放出H+，對黏土礦物的溶蝕率較低，大部分都在30%以下。相比于土酸較慢、較弱，且在4 h的反應(yīng)過程中，對黏土礦物的溶蝕率不斷上升。G-智能復(fù)合酸具有良好的緩速性能，且能有效保證儲層膠結(jié)物的完整性，防止因黏土被過度溶蝕而產(chǎn)生的微粒運(yùn)移堵塞儲層，同時，有利于儲層的深部酸化。

2.4 腐蝕性能評價(jià)

酸化作業(yè)要求酸液具有低的腐蝕速率，以減小對管柱的腐蝕。圖5和圖6分別為在相同緩蝕劑加量下，G-智能復(fù)合酸液與土酸在高溫下對N80鋼片的腐蝕情況。

90 ℃下，G-智能復(fù)合酸體系對N80鋼片腐蝕速率小于3 g/m2·h，土酸對N80鋼片的腐蝕速率大于3 g/m2·h；140 ℃下，G-智能復(fù)合酸的腐蝕速率小于22 g/m2·h，土酸的腐蝕速率大于30 g/m2·h。90 ℃及140 ℃條件下，G-智能復(fù)合酸鋼片腐蝕均勻，沒有出現(xiàn)點(diǎn)蝕、坑蝕現(xiàn)象，而土酸腐蝕出現(xiàn)了明顯的坑蝕及點(diǎn)蝕情況。參考SY/T 5405-1996《酸化用緩蝕劑性能試驗(yàn)方法及評價(jià)措標(biāo)》，在140 ℃下，G-智能酸液體系對鋼片腐蝕速率達(dá)到國家一級標(biāo)準(zhǔn)。

2.5 酸化流動效果評價(jià)

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的酸液體系是否有效，通過酸化流動效果評價(jià)酸液對污染巖心的滲透率恢復(fù)情況。單步法在線酸化技術(shù)是將酸液泵注進(jìn)入注水流程，隨注入水一起進(jìn)入儲層進(jìn)行酸化解堵。實(shí)驗(yàn)選用G-智能復(fù)合酸與注入水體積比分別為1∶2、1∶5、1∶8，所用巖心為渤海某油田天然巖心。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖7～圖9)表明，采用G-智能復(fù)合酸作為單步酸，G-智能復(fù)合酸與注入水按體積比1∶8、1∶5、1∶2混配進(jìn)行巖心酸化流動后，1#、2#、3#巖心滲透率顯著提高。其中，1#巖心采用V(酸液)∶V(注入水)為1∶8酸驅(qū)替后,巖心滲透率有小幅度降低，之后滲透率逐步升高，最終滲透率提高2.89倍。2#巖心采用V(酸液)∶V(注入水)為1∶5酸驅(qū)替后，滲透率有短時間降低，之后滲透率升高，最終滲透率提高3.7倍。3#巖心采用V(酸液)∶V(注入水)為1∶2酸驅(qū)替后，滲透率逐漸降低幅度較大，但之后滲透率升高，最終滲透率提高6.7倍，酸化改造效果顯著。

2.6 酸化流動效果微觀分析

目前，酸化流動較為有效的微觀分析手段是利用環(huán)境掃描電鏡分析儀分析巖心酸化前后的微觀特征，更清楚、深入地了解G-智能復(fù)合酸對目標(biāo)井的巖心結(jié)構(gòu)改善程度。

從電鏡掃描(圖10)可以看出：經(jīng)過G-智能復(fù)合酸酸化后巖心滲透率顯著提高，沒有出現(xiàn)脫砂問題。此巖心碳酸鹽巖含量較高，酸化前巖石結(jié)構(gòu)致密，基本看不到孔隙結(jié)構(gòu)，酸化后出現(xiàn)了明顯的溶蝕孔洞，且酸化流動后巖心端面附著一層薄膜狀物質(zhì)。從掃描電鏡可看出，酸化流動后，巖石的膠結(jié)情況完好，未出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞現(xiàn)象，保證了骨架的完整性。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

將研制的G-智能復(fù)合酸應(yīng)用于渤海BZ25-1油田B4注水井進(jìn)行酸化，由于初始階段儲層污染嚴(yán)重，調(diào)整酸液與注入水的體積比為1∶2。此后，根據(jù)監(jiān)測的施工壓力及施工排量，不斷對酸液與注水的比例進(jìn)行調(diào)整，使效果最優(yōu)化。通過施工曲線(圖11)可看出，酸液對地層的解堵效果很明顯，即使在沒有多段酸液注入的情況下，單步酸液體系也能保證酸化的有效性及高效性。在線單步法酸化后，視吸水指數(shù)由酸化前的5.88 m3/(d·MPa)增加到酸化后45.9 m3/(d·MPa)，增加幅度達(dá)到780%，降壓增注效果明顯。

4 結(jié) 論

(1) 單步法酸化以“一步”代“三步”，可大幅度簡化操作，節(jié)約大量時間空間。但此酸液體系必須與采出水、注入水具有良好的配伍性，同時應(yīng)具有良好的緩速性能、緩蝕性能及較強(qiáng)的抑制沉淀能力，才能保證單步法酸化的成功實(shí)現(xiàn)。

(2) 自行研制的G-智能復(fù)合酸液體系具有良好的性能，能夠滿足單步法酸化的性能要求。酸液與注入水體積比在1∶2～1∶8時，均能大幅度改善巖石滲透率。

(3) 較強(qiáng)的抑制沉淀能力是單步法酸液體系最關(guān)鍵的性能要求。性能良好的G-智能復(fù)合酸液體系通過對金屬離子的高效螯合能力，有效地抑制了沉淀。

(4) 渤海某油田B4注水井應(yīng)用G-智能復(fù)合酸液體系進(jìn)行單步法在線酸化，酸化后，顯著增加了注水井的注入能力，視吸水指數(shù)增加幅度達(dá)到780%，體現(xiàn)了G-智能復(fù)合單步法酸液體系的可行性、有效性及高效性。

[1] 鐘誠， 劉鉉東， 韓玉婷， 等. 適應(yīng)特殊巖性的酸液體系研究[J]. 石油與天然氣化工， 2012, 41(6): 597-599.

[2] 茍波, 郭建春, 何春明, 等. 復(fù)雜砂巖氣藏酸化酸液體系優(yōu)選[J]. 石油與天然氣化工， 2014, 43(4): 421-427.

[3] CHIKE U, AWOLEKE O, LINUS N. Solvent/acid blend provides economic single step matrix acidizing success for fines and organic damage removal in sandstone reservoirs:A niger-delta case study[C]//SPE Annual Technical Conference and Exhibition， Society of Petroleum Engineers,2004.

[4] UCHENDU C V, NWOKE L A, AKINLADE O, et al. A new approach to matrix sandstone acidizing using a single step hf system: a niger delta case study[C]//SPE Annual Technical Conference and Exhibition， Society of Petroleum Engineers, 2006.

[5] ALAM A, STOLYAROV S. Overcoming challenges while acidizing sandstone formation successfully in the gulf of cambay offshore india[C]//North Africa Technical Conference and Exhibition， Society of Petroleum Engineers, 2013.

[6] RAE P J, PORTMAN L N, ACORDA E P R, et al. Use of single-step 9% hf in geothermal well stimulation[C]//European Formation Damage Conference， Society of Petroleum Engineers, 2007.

[7] NASR-EL-DIN H A, SAMUEL M M, KELKAR S K. Investigation of a new single-stage sandstone acidizing fluid for high temperature formations[C]//European Formation Damage Conference， Society of Petroleum Engineers, 2007.

[8] QU Q, BOLES J L, GOMAA A M, et al. Matrix stimulation: an effective one-step sandstone acid system[C]//SPE Production and Operations Symposium， Society of Petroleum Engineers, 2013.

[9] CUTLER J L, BOLES J L, QU Q, et al. An effective single-stage acid system for sandstone formations[C]//SPE European Formation Damage Conference amp; Exhibition， Society of Petroleum Engineers, 2013.

[10] 劉平禮， 蘭夕堂， 王天慧， 等. 砂巖儲層酸化的新型螯合酸液體系研制[J]. 天然氣工業(yè)， 2014， 34(4): 72-75.

[11] 秦鵬華. 氨基酸與鈣離子相互作用的理論研究[D]. 長春： 吉林大學(xué), 2013.

[12] GDANSKI R D. Kinetics of the primary reaction of HF on alumino-silicates[J]. SPE Production amp; Facilities, 2000, 15(4): 279-287.

Researchandapplicationofasinglesteponlineacidificationacidsystem

WangBenwu1,LiuPingli2,ZhangLu1,LanXitang1,ZhaoLiqiang2,LiNianyin2

(1.TianjinBranch,CNOOC(China)CO.,Led,Tianjin,Tanggu300450,China; 2.StateKeyLaboratoryofOilandGasReservoirGeologyandExploitation,SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu610500,China)

At present, conventional acidification is the main pattern for injection wells. However, there are some problems existing in conventional acidification operation for several times, such as large equipment footprint, long operation time, difficult in treatment coordination and negative impact on water injection and production caused by repetitive acidizing. To solve these problems, a single step online acidification technology was proposed. The core of the technology is using a single kind of acid which has efficient ability to replace the three-step conventional acid. Thus, a series of research on new single step acid system (G intelligent integrated acid) were carried out, mainly including compatibility performance with injected water and produced water, precipitation inhibition, slow reaction, corrosion inhibition, effect evaluation of acidification and microscopic analysis. The results show that G intelligent integrated acid could meet the performance requirement of the single step acid system, the optimal mixed proportion with injected water is 1∶2～1∶8. SEM analysis indicated that acid could not destroy the rock skeleton, and energy spectrum analysis result showed that acid could efficiently chelate metal ion. G intelligent integrated acid system has been applied in B4 water injection wells in Bohai Oilfield for online single step acidizing and the technology increased water injectivity index significantly of B4 well, effect of reducing injection pressure and enhancing productivity is remarkable..

water injection well, single step, acidizing, acid system, microscopic analysis

國家重大專項(xiàng)“深水油田采油模式及增產(chǎn)技術(shù)研究”(2011ZX05030-005-08)。

汪本武(1974-) ，天津人，工程師，畢業(yè)于西安石油學(xué)院，主要從事油田開發(fā)生產(chǎn)及地面工程研究和管理工作。E-mailwangbw@cnooc.com.cn

TE357.2

A

10.3969/j.issn.1007-3426.2015.03.017

2014-09-05；編輯馮學(xué)軍