一種新型兩性表面活性劑自轉(zhuǎn)向酸體系

董景鋒， 阿不都卡德爾¨阿不都熱西提， 李曉艷， 古麗加納提¨阿扎提（.新疆油田公司工程技術(shù)研究院，新疆克拉瑪依834000；.新疆油田公司采油二廠，新疆克拉瑪依834000）

董景鋒等.一種新型兩性表面活性劑自轉(zhuǎn)向酸體系[J].鉆井液與完井液，2016，33（1）：102-106.

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一種新型兩性表面活性劑自轉(zhuǎn)向酸體系

董景鋒1， 阿不都卡德爾¨阿不都熱西提2， 李曉艷1， 古麗加納提¨阿扎提1
（1.新疆油田公司工程技術(shù)研究院，新疆克拉瑪依834000；2.新疆油田公司采油二廠，新疆克拉瑪依834000）

董景鋒等.一種新型兩性表面活性劑自轉(zhuǎn)向酸體系[J].鉆井液與完井液，2016，33（1）：102-106.

摘要常規(guī)自轉(zhuǎn)向酸體系在乏酸（2＜pH＜4）時(shí)變黏，影響轉(zhuǎn)向效率，使轉(zhuǎn)向酸化具有一定的局限性。根據(jù)黏彈性表面活性劑的變黏機(jī)理，研制了一種新型兩性表面活性劑（VES）自轉(zhuǎn)向酸，該轉(zhuǎn)向酸在酸巖反應(yīng)過程中黏度逐漸升高，乏酸時(shí)黏度又降低?？疾炝吮砻婊钚詣?、鹽酸、鈣離子對轉(zhuǎn)向酸黏度的影響；模擬了酸巖反應(yīng)過程，根據(jù)酸巖反應(yīng)速率擬合了酸巖反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程；對新型VES體系耐溫、流變和破膠性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：酸巖反應(yīng)至鹽酸濃度為5%時(shí)VES黏度最大（144 mPa·s），酸液轉(zhuǎn)向；溫度高于90 ℃時(shí)VES黏度下降，因此該轉(zhuǎn)向酸適用于中低溫儲(chǔ)層；該轉(zhuǎn)向酸體系具有較好的耐剪切性能，剪切黏度恢復(fù)率大于90%；VES酸巖反應(yīng)速率約為普通鹽酸酸巖反應(yīng)速率的1/2，有利于緩釋轉(zhuǎn)向；乏酸黏度較低（小于30 mPa·s），遇烴類或地層水容易破膠水化，破膠液具有較低的黏度和表/界面張力，對地層不產(chǎn)生污染。該新型兩性表面活性劑自轉(zhuǎn)向酸現(xiàn)場應(yīng)用后，增油效果明顯，具有較好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞增產(chǎn)措施；酸化；自轉(zhuǎn)向酸；兩性表面活性劑；離子效應(yīng)；酸巖反應(yīng)

A New Amphoteric Surfactant Self-diverting Acid System

DONG Jingfeng1, Abudukadeer¨Abudurexiti2, LI Xiaoyan1, Gulijianati¨Azhati1
(1. Research Institute of Engineering Technology, Xinjiang Oilfield Company, Karamay Xinjiang 834000, China; 2. No. 2 Oil Production Plant, Xinjiang Oilfield Company, Karamay Xinjiang 834000, China)

Abstract In acidizing work, conventional self-diverting acid becomes viscosified at pH between 2 and 4, thus limits the function of converting acids. A new amphoteric surfactant self-diverting acid (VES) was developed based on the viscosifying mechanism viscoelastic surfactant. The viscosity of this acid is increasing during the reaction of acid and rocks, and decreasing when the pH of the reaction system is becoming low. The effects of surfactant, hydrochloric acid, calcium ions on the viscosity of the diverting acid were explored and acid-rock reactions simulated. The equation of kinetics of acid-rock reactions was fitted in accordance with the reaction rate of the acid and rocks. Heat resistance, rheology and gel-breaking ability of VES were studied. In acid-rock reaction, VES had the highest viscosity (144 mPa·s) at hydrochloric acid concentration of 5%, and the acid was diverted. The viscosity of VES was decreasing at temperature above 90 ℃, indicating that this self-diverting acid is suitable for use in medium- to low-temperature reservoirs. VES has good shear-thinning capacity; more than 90% of the viscosity of VES can be recovered. The reaction rate of VES is 1/2 of the reaction rate of hydrochloric acid, which is beneficial to slow-release diverting. The spent acid, whose viscosity is low (30 mPa·s), is easy to gel-broken and get hydrated when in contact with hydrocarbons and formation water, and the solution after gel-breaking has lower viscosity and surface tension, meaning that it will impose no damage to reservoir formations. VES in field application has obviously enhanced oil production, and shows good prospect in well stimulation.

Key words Stimulation measure; Acidizing; Self-diverting acid; Amphoteric surfactant; Ionic effect; Acid-rock reaction

常規(guī)自轉(zhuǎn)向酸的轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)能力具有一定局限性，只能在pH值為2～4的乏酸時(shí)轉(zhuǎn)向[1-5]，而在酸巖反應(yīng)的主要過程并沒有變黏效應(yīng)。由于儲(chǔ)層條件復(fù)雜，鹽酸濃度較低時(shí)，酸巖反應(yīng)速率較慢、達(dá)到殘酸階段耗時(shí)較長，嚴(yán)重影響自轉(zhuǎn)向酸的轉(zhuǎn)向效率，使轉(zhuǎn)向酸化具有一定的局限性。結(jié)合黏彈性表面活性劑的分子結(jié)構(gòu)，研究了一套新型兩性表面活性劑（VES）自轉(zhuǎn)向酸體系，該VES體系與常規(guī)自轉(zhuǎn)向酸的最大區(qū)別在于：在酸巖反應(yīng)主要過程中（鹽酸濃度為15%），黏度逐漸升高達(dá)到自轉(zhuǎn)向功能，酸液反應(yīng)至乏酸時(shí)黏度較低，有利于自動(dòng)破膠，降低對儲(chǔ)層的傷害。該VES體系是一種自轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)能力更佳的新型自轉(zhuǎn)向酸體系。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要材料和儀器

1）藥品。兩性表面活性劑VES、緩蝕劑HA，自制；濃鹽酸，工業(yè)級；碳酸鈣；氯化鈣、氫氧化鈉；配液用水為自來水。

2）儀器。雷磁PHS-25 pH計(jì)；梅特勒MS304S天平；Physica MCR 301耐酸流變儀；TX-500C界面張力儀。

1.2 酸巖反應(yīng)實(shí)驗(yàn)方法

在實(shí)驗(yàn)研究中，濃鹽酸、兩性表面活性劑VES、緩蝕劑HA和新鮮自來水配制成一定鹽酸濃度的轉(zhuǎn)向酸鮮酸溶液，配液過程中緩慢攪拌避免產(chǎn)生大量氣泡。CaCO3與HCl按照1∶2的化學(xué)計(jì)量關(guān)系進(jìn)行反應(yīng)，消耗一定量的 HCl產(chǎn)生對應(yīng)量的CaCl2；VES體系中酸濃度、CaCl2濃度及酸液黏度隨酸巖反應(yīng)而變化。最后通過加入少量HCl或CaCO3進(jìn)行調(diào)節(jié)，使VES中酸濃度與CaCl2濃度達(dá)到設(shè)定值，完成模擬酸巖反應(yīng)進(jìn)程中特定時(shí)刻。

2　結(jié)果與討論

2.1 VES流變性能研究

2.1.1 稠化劑對酸液黏度的影響

稠化劑VES的濃度對酸液體系的性質(zhì)有明顯的影響，VES濃度的選擇既要滿足酸液在地面黏度較小，具有較好的流動(dòng)能力，方便泵入地層；又要滿足當(dāng)流體進(jìn)入儲(chǔ)層后，隨著酸液與儲(chǔ)層的反應(yīng)，酸濃度降低，體系的黏度逐漸升高，達(dá)到有效分流的目的。25 ℃條件下，鹽酸濃度為15%、剪切速率為170 s-1時(shí)，VES濃度與酸液黏度的關(guān)系見圖1。由圖1可以看出，酸液黏度依賴于VES的濃度而變化：VES濃度為1%時(shí)，酸液黏度為16.5 mPa·s，隨著濃度的增加，黏度快速升高；VES濃度為5%時(shí)，酸液黏度達(dá)到47 mPa·s；繼續(xù)增加VES濃度，酸液黏度增加變緩。

圖1　VES濃度對酸液黏度的影響（15%HCl）

2.1.2 鹽酸對酸液黏度的影響

隨著酸巖反應(yīng)的進(jìn)行，VES體系中鹽酸濃度逐漸降低，鹽酸濃度對轉(zhuǎn)向酸黏度的影響成為研究的重點(diǎn)，考察鹽酸濃度對酸液黏度的影響。如圖2所示，在4%VES酸液中，剪切速率170 s-1、25 ℃條件下測得鹽酸濃度與酸液黏度的關(guān)系：鹽酸濃度為25%時(shí)，酸液黏度為12 mPa·s；隨著酸濃度的降低酸液黏度緩慢升高，當(dāng)鹽酸濃度為20%時(shí)，酸液黏度為17 mPa·s；繼續(xù)降低酸濃度，酸液黏度快速上升，當(dāng)鹽酸濃度在10%附近時(shí)，酸液黏度達(dá)到最大（65 mPa·s）；繼續(xù)降低鹽酸濃度，酸液黏度快速下降，鹽酸濃度為1%時(shí)，酸液黏度降至16 mPa·s。由酸液黏度變化趨勢推測，在低pH值條件下，兩性表面活性劑VES表現(xiàn)出正電性；負(fù)電性Cl-濃度伴隨鹽酸濃度而變化，由于酸濃度的變化及VES與Cl-之間正負(fù)電荷之間離子效應(yīng)的變化，使VES膠束性質(zhì)發(fā)生明顯改變，宏觀表現(xiàn)出酸液黏度的變化[9]。

圖2　鹽酸濃度與VES黏度的關(guān)系（4%VES）

2.1.3 Ca2+對酸液黏度的影響

酸巖反應(yīng)使酸濃度降低，酸液中Ca2+濃度逐漸升高。由于Ca2+與表面活性劑之間的離子作用對膠束的形成產(chǎn)生影響，自轉(zhuǎn)向酸中Ca2+濃度對酸液的轉(zhuǎn)向具有重要作用[5]。10%HCl+4%VES+ 1%HA體系中加入不同濃度的CaCl2，考察Ca2+對VES體系的影響。如圖3所示，25 ℃、剪切速率170 s-1時(shí)Ca2+濃度與VES黏度的關(guān)系：無CaCl2時(shí)，酸液的黏度為67 mPa·s，當(dāng)Ca2+濃度為3%時(shí)，酸液的黏度為62 mPa·s；繼續(xù)增加Ca2+濃度，VES黏度有小幅波動(dòng)，將Ca2+濃度增加至20%，VES黏度為59 mPa·s。由黏度變化曲線可知，當(dāng)鹽酸濃度保持不變時(shí)，CaCl2濃度的變化對VES黏度影響較小。原因可能是在低pH條件下，兩性表面活性劑VES表現(xiàn)出正電性[9]，與同樣帶正電荷的Ca2+之間的離子效應(yīng)較弱，VES黏度變化不明顯。

圖3　Ca2+濃度對VES黏度的影響（10%HCl+4%VES）

2.1.4 模擬儲(chǔ)層酸巖反應(yīng)

模擬儲(chǔ)層條件下酸巖反應(yīng)過程，20%HCl+5% VES+1%HA體系中，按照化學(xué)計(jì)量關(guān)系加入不同量的CaCO3，使酸液充分發(fā)生反應(yīng)。酸巖反應(yīng)結(jié)束后，酸濃度分別為20%、15%、10%、5%、1%時(shí)，對應(yīng)的Ca2+濃度分別為0%、6.5%、13%、19.5%、25.7%。如圖4所示，在25 ℃、170 s-1剪切條件下考察每個(gè)反應(yīng)節(jié)點(diǎn)VES黏度變化：在酸巖反應(yīng)初期，VES黏度較低并保持穩(wěn)定；當(dāng)鹽酸濃度低于17%并高于5%時(shí)，隨著酸巖反應(yīng)的進(jìn)行，VES黏度快速升高，當(dāng)酸濃度反應(yīng)至5%時(shí)，VES黏度達(dá)到最大值144 mPa·s，成為整個(gè)酸化過程中的轉(zhuǎn)向節(jié)點(diǎn)；酸濃度低于5%時(shí)，酸巖反應(yīng)使VES黏度逐漸下降，當(dāng)鹽酸濃度為1%時(shí)VES黏度為15 mPa·s；VES反應(yīng)為乏酸時(shí)，體系的黏度再次升高為26 mPa·s。

推測酸巖反應(yīng)過程中酸液黏度變化的原因：鹽酸濃度較高時(shí)，兩性表面活性劑表現(xiàn)為正電性，酸巖反應(yīng)使酸濃度與離子濃度不斷發(fā)生變化，在酸濃度和離子效應(yīng)的雙重作用下，VES膠束性質(zhì)受到影響，蠕蟲狀膠束發(fā)生相互纏繞使VES體系呈現(xiàn)空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，黏度達(dá)到最大，酸濃度和離子繼續(xù)變化使膠束空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)受到破壞，黏度降低；VES反應(yīng)為乏酸時(shí)，體系黏度再次小幅上升，原因可能是酸巖反應(yīng)至高pH值條件下，兩性表面活性劑由正電性轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)電性[9]，離子效應(yīng)發(fā)生改變，膠束性質(zhì)受到影響，黏度再次小幅升高。

圖4　VES酸巖反應(yīng)過程中黏度的變化

2.1.5 耐溫性能

耐溫性能為VES適應(yīng)不同溫度儲(chǔ)層的重要指標(biāo)，在10%HCl+5%VES+13%CaCl2+1%HA的酸液體系中， 剪切速率為170 s-1， 改變溫度考察VES黏度變化。如圖5所示：溫度為25 ℃時(shí)VES黏度為74 mPa·s，隨著溫度升高VES黏度緩慢下降，溫度升高至55 ℃時(shí)，VES黏度為63 mPa·s，溫度升高至85 ℃時(shí)， VES黏度為62 mPa·s， 因此在25～85 ℃的溫度區(qū)間內(nèi)，酸液黏度基本保持穩(wěn)定；溫度高于90 ℃時(shí)，隨著溫度的升高酸液黏度快速下降。VES分子有2種運(yùn)動(dòng)形式，分子的熱運(yùn)動(dòng)和分子相互纏繞形成蠕蟲狀膠束的運(yùn)動(dòng)。在中低溫區(qū)間（25～90 ℃），分子熱運(yùn)動(dòng)和分子纏繞運(yùn)動(dòng)相對較為緩和，宏觀表現(xiàn)出VES黏度比較穩(wěn)定；當(dāng)溫度高于90 ℃時(shí)，由于分子熱運(yùn)動(dòng)過于劇烈，將會(huì)掙脫分子的纏繞，導(dǎo)致蠕蟲狀膠束結(jié)構(gòu)破壞，宏觀表現(xiàn)為VES黏度明顯降低。因此，新型VES自轉(zhuǎn)向酸體系適用于中低溫儲(chǔ)層的酸化改造。

圖5　溫度對VES黏度的影響

2.1.6 耐剪切性能

5%HCl+5%VES+19.5%CaCl2+1%HA酸液體系中，剪切速率為170 s-1，考察剪切時(shí)間對VES體系的影響。如圖6所示，VES初始黏度為154 mPa·s，隨著剪切時(shí)間的增加黏度有一定程度的下降，在170 s-1剪切3 min時(shí)黏度下降為135 mPa·s，剪切時(shí)間繼續(xù)增加，VES黏度基本保持不變，在3～30 min剪切時(shí)間段黏度基本保持穩(wěn)定，VES體系具有較好的耐剪切性能。10%HCl+5%VES+ 13%CaCl2+1%HA酸液體系中，考察剪切速率對VES體系的影響，如圖7所示：當(dāng)剪切速率為50 s-1時(shí)，酸液黏度為300 mPa·s；伴隨剪切速率的階梯性增加，酸液黏度呈階梯性降低，當(dāng)剪切速率為200 s-1時(shí)，VES黏度降低為70 mPa·s；剪切速率呈階梯性降低時(shí)，VES黏度呈對稱性階梯增加，酸液黏度恢復(fù)至初始黏度的90%以上，證明VES體系不發(fā)生剪切降解。這是由于VES分子自組裝膠束性質(zhì)所決定：當(dāng)剪切速率增加時(shí)，VES膠束空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)受到破壞，轉(zhuǎn)向酸表觀黏度降低；當(dāng)剪切速率降低時(shí)，VES膠束重新纏繞形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)向酸表觀黏度恢復(fù)。結(jié)果表明，酸化過程中，VES體系具有較好的耐剪切性能，高速剪切不發(fā)生降解；地層孔隙低剪切情況下，酸液具有較高的黏度，有利于VES的緩釋、控制濾失和轉(zhuǎn)向。

圖7　剪切速率對VES黏度的影響

2.2 酸巖反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究

在相同鹽酸濃度的VES與普通鹽酸體系中，加入規(guī)格相同的過量碳酸鹽巖心，考察鹽酸濃度隨反應(yīng)時(shí)間的變化。如圖8所示，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長，2種體系的酸濃度均快速下降，酸巖反應(yīng)10 min時(shí)，鹽酸體系酸濃度降低35.9%，VES酸濃度降低20%；酸巖反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，鹽酸體系與碳酸鹽保持較快的反應(yīng)速率，反應(yīng)50 min時(shí)，鹽酸體系酸濃度降為初始濃度的18.6%；反應(yīng)時(shí)間超過10 min后，VES與碳酸鹽的反應(yīng)速率明顯降低，經(jīng)過50 min的酸巖反應(yīng)，VES中酸濃度降至初始濃度的64.7%；整個(gè)酸巖反應(yīng)過程中VES體系反應(yīng)速率明顯低于鹽酸體系。推測原因，酸巖反應(yīng)速率受傳質(zhì)過程和反應(yīng)過程共同控制，酸巖反應(yīng)過程中VES體系黏度逐漸升高，使傳質(zhì)過程明顯受阻，酸巖反應(yīng)速率降低。

VES體系中，改變酸濃度，加入規(guī)格相同的碳酸鹽巖心，考察鹽酸濃度對酸巖反應(yīng)速率的影響。如圖9所示，隨著酸濃度的增加，酸巖反應(yīng)速率呈非線性增加，以酸濃度CHCl為橫坐標(biāo)，反應(yīng)速率KS為縱坐標(biāo)，通過指數(shù)擬合[10]得出酸巖反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程KS=2.58×10-6CHCl0.457，反應(yīng)速率常數(shù)為2.58×10-6，反應(yīng)級數(shù)為0.457。由動(dòng)力學(xué)方程可知，酸巖反應(yīng)速率隨鹽酸濃度的升高呈非線性增加，變化趨勢受不同酸濃度下黏度影響。

圖8　 普通鹽酸與VES酸酸巖反應(yīng)比較

圖9　酸巖反應(yīng)速率與鹽酸濃度的關(guān)系

2.3 VES破膠性能研究

新型VES體系具有自動(dòng)破膠的性質(zhì)，與烴類或地層水接觸時(shí)容易破膠水化降黏，對儲(chǔ)層不產(chǎn)生傷害。20%HCl+5%VES+1%HA體系與過量CaCO3完全反應(yīng)，殘酸黏度約為30 mPa·s。分別將殘酸與不同體積的原油和4%KCl鹽水混合均勻，在50 ℃條件下放置進(jìn)行破膠反應(yīng)。如表1所示，殘酸中加入原油或鹽水時(shí)黏度均顯著下降，破膠液表/界面張力較低，VES體系對儲(chǔ)層不產(chǎn)生傷害。VES包括親水基團(tuán)與親油基團(tuán)，酸濃度與離子效應(yīng)使VES體系中親油基團(tuán)相互聚集成蠕蟲狀膠束，膠束之間相互纏繞形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，黏度上升；當(dāng)殘酸遇到烴類時(shí)，親油基團(tuán)之間的聚集與纏繞受到破壞，導(dǎo)致蠕蟲狀膠束與三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)解體，黏度下降；VES殘酸與大量鹽水混合時(shí)，由于稀釋作用黏度大幅下降。

表1　VES破膠性能研究

3　VES自轉(zhuǎn)向酸現(xiàn)場試驗(yàn)情況

XX井為石炭系一口采油井，2001年5月射孔生產(chǎn)，由歷史生產(chǎn)資料綜合可知，該井經(jīng)歷過多次維修及常規(guī)酸化作業(yè)，分析試驗(yàn)前產(chǎn)量下降原因是多次檢泵、修井造成近井地帶的堵塞、污染。常規(guī)的酸化處理半徑有限，無法突破前期改造半徑，因此采用VES自轉(zhuǎn)向酸體系進(jìn)行轉(zhuǎn)向酸化實(shí)驗(yàn)?，F(xiàn)場施工共使用轉(zhuǎn)向酸95 m3，在施工排量不變的條件下，轉(zhuǎn)向酸擠入儲(chǔ)層8 min后壓力升高4.2 MPa，轉(zhuǎn)向效果明顯。試驗(yàn)后日產(chǎn)液由5.8 m3/d上升至18.3 m3/d，日產(chǎn)油由0.5 m3/d上升至3.6 m3/d，酸化效果較好，達(dá)到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

4　結(jié)論

1.新型VES自轉(zhuǎn)向酸在酸巖反應(yīng)過程中，酸濃度與離子效應(yīng)的共同作用使酸液黏度升高，鹽酸濃度為5%時(shí)黏度最大，酸液自動(dòng)轉(zhuǎn)向；殘酸具有較低的黏度，有利于自動(dòng)破膠，減小儲(chǔ)層傷害。

2.新型VES體系具有較寬的溫度適用范圍，適用于中低溫儲(chǔ)層施工要求；VES體系具有較好的耐剪切性能，高速剪切黏度恢復(fù)率大于90%；低剪切高黏度有利于緩釋、轉(zhuǎn)向與控制濾失。

3.新型VES與碳酸鹽的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究表明：VES酸巖反應(yīng)速率約為普通鹽酸的1/2，酸鹽反應(yīng)使VES黏度升高降低傳質(zhì)過程，降低酸巖反應(yīng)速率。

4.新型VES遇烴類或地層水能夠自動(dòng)破膠，破膠液具有較低的黏度和表界面張力，對儲(chǔ)層不造成傷害，應(yīng)用前景廣闊。

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收稿日期（2015-11-19；HGF=1506F4；編輯 付玥穎）

作者簡介：第一董景鋒，工程師，博士，1984年生，畢業(yè)于大連理工大學(xué)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)，現(xiàn)在從事油氣田開發(fā)研究工作。電話18599200196；E-mail：djingfeng0530@163.com。

doi:10.3696/j.issn.1001-5620.2016.01.021

中圖分類號(hào)：TE357.12

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-5620（2016）01-0102-05