深層碳酸鹽巖儲(chǔ)層新型酸壓液體體系研究現(xiàn)狀

李 丹，伊向藝，2，王彥龍，李 沁，劉 亨

（1.成都理工大學(xué)能源學(xué)院，四川成都 610059；2.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（成都理工大學(xué)），四川成都 610059）

專論與綜述

深層碳酸鹽巖儲(chǔ)層新型酸壓液體體系研究現(xiàn)狀

李 丹1，伊向藝1，2，王彥龍1，李 沁1，劉 亨1

（1.成都理工大學(xué)能源學(xué)院，四川成都 610059；2.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（成都理工大學(xué)），四川成都 610059）

酸壓是油氣井增產(chǎn)增注的重要措施之一，選擇適當(dāng)?shù)乃嵋后w系對(duì)酸壓施工十分重要。本文主要論述了深層碳酸鹽巖儲(chǔ)層酸壓改造難點(diǎn)及應(yīng)對(duì)措施，概述了新型碳酸鹽巖儲(chǔ)層酸壓液體體系的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，分析了每種新型酸壓液體體系的作用機(jī)理、特點(diǎn)及應(yīng)用。新型酸壓液體體系總體發(fā)展趨勢(shì)為“低傷害，低成本，低濾失，低反應(yīng)速度，高溶蝕效果”。清潔自轉(zhuǎn)向酸的分流轉(zhuǎn)向效果良好，遇烴自動(dòng)破膠，易返排，無(wú)污染。常規(guī)乳化酸濾失量小，緩速性能好，能進(jìn)入地層深部，是目前最為常用的緩速酸液。緩蝕劑在外相的新型乳化酸，使得緩蝕劑更快速地分散在管道金屬表面形成保護(hù)膜，防止酸液對(duì)管道表面的腐蝕，可使酸液進(jìn)入更深的地層。納米微乳酸分子直徑為納米級(jí)，具有極低的界面張力，黏度低，易泵入。無(wú)傷害合成酸對(duì)人類健康無(wú)傷害，溶蝕能力與鹽酸相當(dāng)，在當(dāng)今提倡的環(huán)保型社會(huì)中，這種酸液具有很好的發(fā)展前景。復(fù)合酸克服了單一酸液的局限，發(fā)揮各種酸壓液體的優(yōu)點(diǎn)，適用于不同類型的復(fù)雜碳酸鹽巖儲(chǔ)層。

深層碳酸鹽巖；酸壓改造；新型酸壓液體體系；研究現(xiàn)狀

近些年我國(guó)陸續(xù)發(fā)現(xiàn)并開發(fā)了一批深層或超深層碳酸鹽巖油氣藏，該類油氣藏的特點(diǎn)是儲(chǔ)層埋藏深，地層溫度高，產(chǎn)層厚度大，儲(chǔ)層的非均質(zhì)性嚴(yán)重，基質(zhì)中碳酸鹽純度高，自然投產(chǎn)率很低[1]。酸壓是該類儲(chǔ)層重要的增產(chǎn)措施，酸壓工作液的性能直接影響酸壓效果，因此該類儲(chǔ)層對(duì)酸壓液體體系具有更高的要求[2，3]。

1 深層碳酸鹽巖儲(chǔ)層酸壓改造難點(diǎn)分析

影響常規(guī)酸壓改造效果的關(guān)鍵因素是酸蝕裂縫的有效長(zhǎng)度和酸壓后酸蝕裂縫的導(dǎo)流能力，而酸蝕裂縫的有效長(zhǎng)度是致密碳酸鹽巖儲(chǔ)集層酸壓改造的關(guān)鍵。如何有效獲得較長(zhǎng)的酸蝕裂縫一直是酸壓技術(shù)要解決的難題[4]。尤其是對(duì)于深層碳酸鹽巖儲(chǔ)層，裂縫的有效延伸更加困難，其技術(shù)難點(diǎn)主要有[5，6]：

（1）儲(chǔ)層溫度較高，為100℃～140℃，酸巖反應(yīng)速度較快，酸液緩速性能要求高；

（2）儲(chǔ)層中縫洞較發(fā)育，酸液濾失較嚴(yán)重以及降濾失性能要求高；

（3）儲(chǔ)層埋藏深，多在4 000 m～5 700 m，施工過程中管線摩阻大，井口泵壓高，井底施工壓力不易達(dá)到地層的破裂壓力；

（4）井筒垂向靜液柱壓差大，殘酸不易返排，對(duì)儲(chǔ)層的二次污染嚴(yán)重；

（5）深層或超深層油氣藏多采用稀井高產(chǎn)，要求單井動(dòng)用儲(chǔ)量規(guī)模大，具有較高的產(chǎn)能。

以往酸壓過程中，采用的酸液都是酸接觸巖石就馬上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，酸的有效作用范圍有限。若要進(jìn)行深部地層酸化，就應(yīng)從本質(zhì)上改變酸巖反應(yīng)過程，人為控制其作用過程[7]。為此出現(xiàn)了一系列新型酸壓液體體系，它們逐步向具有耐高溫、降濾失、緩速、緩蝕、低摩阻、易返排的多性能方向發(fā)展，獲得更大規(guī)模的酸壓裂縫和更高的酸蝕裂縫導(dǎo)流能力。

目前，新型酸壓液體體系主要包括清潔自轉(zhuǎn)向酸、乳化酸、無(wú)傷害合成酸、復(fù)合酸等，這些酸液在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用且增產(chǎn)效果理想，為油田的增儲(chǔ)上產(chǎn)提供了重要保障[8]。

2 新型碳酸鹽巖酸壓液體體系研究現(xiàn)狀

2.1 清潔自轉(zhuǎn)向酸

目前使用的常規(guī)酸壓液體體系主要存在兩個(gè)問題：（1）由于儲(chǔ)層的非均質(zhì)性，注酸過程中，酸液優(yōu)先進(jìn)入高滲帶或裂縫發(fā)育區(qū)域，而低滲透和污染嚴(yán)重的層，得不到相應(yīng)的改造；（2）酸壓過程中，裂縫向下延伸至水層，導(dǎo)致壓后產(chǎn)水和快速水淹。為了改善非均質(zhì)儲(chǔ)層酸壓效果，一種新的酸液體系-清潔自轉(zhuǎn)向酸應(yīng)運(yùn)而生。該體系依靠反應(yīng)生成的鹽類物質(zhì)濃度自然調(diào)節(jié)酸液黏度，遇油降解，遇水后還能保持一定的結(jié)構(gòu)，對(duì)油層進(jìn)行改造的同時(shí)兼具控水功能[9]。

這種新型的轉(zhuǎn)向酸體系，酸液中含有獨(dú)特性能的黏彈性表面活性劑，活性劑在鮮酸中分散為單個(gè)小分子，因此鮮酸黏度低。鮮酸會(huì)首先進(jìn)入阻力較小的高滲透層或天然裂縫，隨著酸巖反應(yīng)的進(jìn)行，pH值升高，活性劑形成片狀膠束，酸液快速變黏，增加了酸液在高滲透層中的滲透阻力，從而使鮮酸轉(zhuǎn)向其他的低滲透層，實(shí)現(xiàn)對(duì)非均質(zhì)性儲(chǔ)層或低滲裂縫性儲(chǔ)層的全面改造。當(dāng)酸液與地層內(nèi)的烴類或大量水接觸后，膠束結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙?，殘酸黏度迅速下降，利于后期返排[10]。

近年來(lái)，由于儲(chǔ)層條件越來(lái)越苛刻，常規(guī)酸體系適用范圍受到限制，國(guó)內(nèi)外關(guān)于清潔自轉(zhuǎn)向酸的研究也越來(lái)越活躍。1988年，日本Osaka大學(xué)的Okahara等[11]合成并研究了柔性基團(tuán)連接親水基團(tuán)的若干雙烷烴鏈表面活性劑，而真正系統(tǒng)開展這類新型表面活性劑的研究工作，則是從1991年開始。同年Menger合成了以剛性基團(tuán)連接親水基團(tuán)的雙烷烴鏈表面活性劑。Tianping Huang等[12]研究表明，兩相不混容的體系如果不能充分混合，而僅僅依靠地層能量使低黏相以黏性指進(jìn)方式流經(jīng)高黏相（自轉(zhuǎn)向酸）很難充分破膠。

2.2 乳化酸

2.2.1 常規(guī)乳化酸 常規(guī)乳化酸通常是指酸與油按適當(dāng)比例（通常為70：30）在乳化劑的作用下混配而成的油包酸乳化液。油為連續(xù)相，酸為分散相。一般用原油、柴油或輕質(zhì)烴等作外相，內(nèi)相一般為15%～31%濃度的鹽酸，或根據(jù)需要用有機(jī)酸、土酸等[13，14]。其作用機(jī)理是利用乳化酸的高黏度和外相油的阻礙作用延遲酸液與裂縫壁面的接觸，延遲酸巖反應(yīng)速度，使酸液的濾失時(shí)間推后，從而使整個(gè)施工過程中的液體平均濾失量降低。其優(yōu)點(diǎn)是濾失量小，緩速性能好，能進(jìn)入地層深部，達(dá)到了深穿透酸壓溝通地層深部縫洞的目的[15]。

圖1 常規(guī)油包酸乳化液滴橫斷面形態(tài)Fig.1 Normal acid in oil emulsion drop cross section morphology

國(guó)外在大型重復(fù)酸壓中使用乳化酸較多。國(guó)內(nèi)華北、大港、江漢、四川等油田也開展過乳化酸的研究與應(yīng)用并取得了一定的施工成功率。其中塔河油田發(fā)展了低摩阻乳化酸，實(shí)現(xiàn)了乳化酸大排量（達(dá)到4 m3·min-1）、高泵壓、深穿透酸壓目的，有效酸蝕縫長(zhǎng)可達(dá)到150 m，在現(xiàn)場(chǎng)獲得了較成功應(yīng)用[16]。

2.2.2 新型乳化酸 Alzahrani A A等[17]研究了一種緩蝕劑在外相的乳化酸。乳化酸中的緩蝕劑能在管道金屬表面形成保護(hù)膜，緩解酸與管道金屬表面的反應(yīng)效果。常規(guī)油包酸乳液中的緩蝕劑通常存在于內(nèi)部酸相中，要形成保護(hù)膜還需要越過乳化酸外相的油，速率較慢。新型乳化酸是將緩蝕劑從乳化酸的內(nèi)相轉(zhuǎn)移到外相，這使得緩蝕劑可更快地分散在管道金屬表面形成保護(hù)膜，以防止酸液對(duì)管道表面的腐蝕，強(qiáng)化了乳化酸的緩蝕作用，進(jìn)而可使酸液進(jìn)入更深的地層。此外新型乳化酸具有較好的熱穩(wěn)定性。乳化酸用外相緩蝕劑的熱穩(wěn)定性比乳化酸用內(nèi)相緩蝕劑的熱穩(wěn)定性要好（見圖 1、圖 2）。

2.2.3 納米微乳酸 納米微乳酸是由酸、油、主表面活性劑和助表面活性劑在臨界配比下自發(fā)形成的均勻、透明、穩(wěn)定的分散體系[18]。分子粒徑介于10 nm～100 nm。納米微乳酸的緩速作用機(jī)理是[19]：（1）在納米微乳酸進(jìn)入地層之初，油外相將酸液與巖石表面隔開，從而延緩了酸液與巖石的反應(yīng)；（2）隨著納米微乳酸進(jìn)入地層深處，酸液溫度升高，同時(shí)納米微乳酸被地層流體稀釋及乳化劑不斷被地層巖石所吸附，致使酸液的穩(wěn)定性不斷減弱，使得酸液逐漸破乳而釋放出H+；（3）H+與巖石反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)深部酸化的目的。納米微乳酸的優(yōu)點(diǎn)是[20]：①油包酸體系能夠有效延緩酸巖反應(yīng)速率；②油相為外相，對(duì)油層傷害低；③降低對(duì)管線的腐蝕，可節(jié)省緩蝕劑用量；④摩阻較低，施工風(fēng)險(xiǎn)低；⑤極低界面張力，黏度低，易泵入；⑥熱力學(xué)穩(wěn)定性好。

圖2 新型油包酸乳化液滴橫斷面形態(tài)Fig.2 New acid in oil emulsion drop cross section morphology

我國(guó)最早是從20世紀(jì)40年代末期就開始進(jìn)行了微乳化的相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，但是由于諸多原因，微乳化技術(shù)并未得到廣泛應(yīng)用，80年代后微乳液的相關(guān)技術(shù)水平才出現(xiàn)了重大提升和發(fā)展。2000年以后，我國(guó)開始研究微乳酸技術(shù)，已開發(fā)出許多微乳酸配方，并在現(xiàn)場(chǎng)取得良好的應(yīng)用效果[21]。

四川石油管理局的天然氣研究院2000年之后研制的納米微乳酸克服了以往配制困難、乳液穩(wěn)定性較差、泵注困難、殘液的返排困難等系列難題。該酸在60℃～80℃的井溫下施工，緩速率是空白酸的4～6倍，已經(jīng)在川中的大安寨低滲碳酸鹽巖油田進(jìn)行了2口井的酸化施工作業(yè)，施工成功率達(dá)100%，有效率達(dá)70%[22]。

青海的尕斯庫(kù)勒油田于1990年8月開始進(jìn)行注水開發(fā)，所有的井普遍見水，但是見水以后酸化的效果逐漸變差。2005年之后開始對(duì)該油田3口油井進(jìn)行納米微乳酸的基質(zhì)酸化，排量為0.3 m3/min～0.5 m3/min，關(guān)井后反應(yīng)約4 h。3口油井都用納米微乳酸進(jìn)行酸化以后，平均單井的日增油量8.5 t，為期6個(gè)月，累計(jì)增油量為 0.82×104t。

2010年10月，在遼河油田采油五區(qū)的某區(qū)塊現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行2井次的實(shí)驗(yàn)，效果理想。兩口井顯示出較好的增油趨勢(shì)。這表明，納米微乳酸體系是適合于超稠油和低產(chǎn)超稠油層的，對(duì)提高油層產(chǎn)量有較大幫助，也有助于延長(zhǎng)油井的生產(chǎn)周期。

2.3 無(wú)傷害合成酸

目前環(huán)保問題成為我們十分重視的問題，研究對(duì)人體無(wú)傷害的工作液也成為當(dāng)今研究的熱點(diǎn)。

Al-Dahlan M等[23]研究了一種無(wú)傷害合成酸Syn-A體系。Syn-A體系是一種對(duì)人體健康傷害等級(jí)（NFPA）為1級(jí)（對(duì)人體無(wú)傷害），溶蝕能力與濃度為15%的HCl相當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)合成物，它具有正常酸液的pH值，自由氯離子含量很小。被評(píng)價(jià)為環(huán)保，無(wú)毒，無(wú)腐蝕，并被指定為FDA GRAS（食品及藥物管理局一般認(rèn)為是安全的），因此，該酸液體系能更好的解決目前用于增產(chǎn)改造處理的酸液體系的高腐蝕性和高反應(yīng)速率問題。

2.4 復(fù)合酸

單一的酸壓液體體系有時(shí)不能滿足復(fù)雜碳酸鹽巖儲(chǔ)層的要求。可能出現(xiàn)：改造區(qū)域有限，控制范圍不理想；酸液高溫性能不足，穿透距離有限的情況。通過對(duì)前期酸壓過程的總結(jié)，認(rèn)為把多種酸壓液體結(jié)合起來(lái)，發(fā)揮各種酸壓液體的優(yōu)點(diǎn)來(lái)解決目前酸壓中存在的問題，從而形成了適合不同儲(chǔ)層特點(diǎn)的復(fù)合酸液體系。

馬中國(guó)等[24]針對(duì)延長(zhǎng)氣田馬家溝組勘探成功率低的問題，通過室內(nèi)研究和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)提出了一套適合該儲(chǔ)層的復(fù)合酸壓液體體系。該酸壓液體體系包括常規(guī)酸和膠凝酸，采用交替注入的形式注入。該復(fù)合酸壓液體體系與儲(chǔ)層流體配伍性好，對(duì)儲(chǔ)層傷害??；性能指標(biāo)滿足現(xiàn)場(chǎng)施工要求，達(dá)到酸壓設(shè)計(jì)“緩速、深穿透”的要求，避免常規(guī)酸液反應(yīng)速度快、濾失大，導(dǎo)致酸蝕縫長(zhǎng)不足，削弱酸壓改造效果的問題?，F(xiàn)場(chǎng)施工4口井進(jìn)行順利，其中3口井達(dá)到了工業(yè)氣流要求，提高了馬家溝組勘探成功率，為真實(shí)認(rèn)識(shí)馬家溝組提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

Cesin S等[25]將乳化酸與低傷害清潔酸結(jié)合，采用交替注入的方式注入。應(yīng)用于墨西哥東南部高溫高壓低滲透天然裂縫性碳酸鹽巖。乳化酸具有高度緩速及低濾失的特性，可以產(chǎn)生較長(zhǎng)的酸蝕裂縫，提高低滲油層的滲透能力。低傷害清潔酸中不添加固相、聚合物或金屬，不會(huì)有殘留物損害地層。將這兩種酸液體系結(jié)合，使得產(chǎn)量明顯增加。

3 小結(jié)

酸液體系總體發(fā)展趨勢(shì)為“低傷害，低成本，低濾失，低反應(yīng)速度，高溶蝕效果”，以延長(zhǎng)酸蝕作用距離，形成高導(dǎo)流低傷害的導(dǎo)流裂縫。

清潔自轉(zhuǎn)向酸的緩速分流轉(zhuǎn)向效果良好，遇烴自動(dòng)破膠，易返排，無(wú)污染。常規(guī)乳化酸濾失量小，緩速性能好，能進(jìn)入地層深部，有效溝通地層深部縫洞的目的，是目前最為常用的緩速酸液。

緩蝕劑在外相的新型乳化酸，使得緩蝕劑可更快地分散在管道金屬表面形成保護(hù)膜，防止酸液對(duì)管道表面的腐蝕，可使酸液進(jìn)入更深的地層。此外新型乳化酸具有比常規(guī)乳化酸更好的熱穩(wěn)定性。

納米微乳酸分子直徑為納米級(jí)，具有極低的界面張力，黏度低，易泵入。

無(wú)傷害合成酸對(duì)人類健康無(wú)傷害，溶蝕能力與鹽酸相當(dāng)，在當(dāng)今提倡的環(huán)保型社會(huì)中，這種酸液具有很好的應(yīng)用前景。

復(fù)合酸克服了單一酸液的局限，發(fā)揮各種酸壓液體的優(yōu)點(diǎn)，適用于不同復(fù)雜碳酸鹽巖儲(chǔ)層。

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我國(guó)科學(xué)家發(fā)明高導(dǎo)熱超柔性石墨烯膜

浙江大學(xué)高分子系高超教授團(tuán)隊(duì)近日研發(fā)出一種高導(dǎo)熱超柔性石墨烯組裝膜，導(dǎo)熱率接近理想單層石墨烯導(dǎo)熱率的40%，可反復(fù)折疊6 000次、彎曲10萬(wàn)次，有望應(yīng)用在電子元件導(dǎo)熱、新一代柔性電子器件及航空航天等領(lǐng)域。

現(xiàn)有的宏觀材料中，高導(dǎo)熱和高柔性是一對(duì)矛盾，往往難以兼得。石墨烯微褶皺的可延展性，使它可以耐受反復(fù)折疊、打結(jié)、扭曲、彎曲、折紙等多種復(fù)雜形變，也更適合工業(yè)規(guī)?；a(chǎn)。具備高柔性的石墨烯膜還具有優(yōu)異的導(dǎo)熱導(dǎo)電性能。研究人員介紹，電子元器件核心部件都有各自的穩(wěn)定工作溫度區(qū)間，一般而言，溫度提高8℃至10℃，電子器件壽命會(huì)降低一半。在實(shí)驗(yàn)中，研究人員將這種石墨烯膜替代商用石墨膜，應(yīng)用于手機(jī)散熱膜上，發(fā)現(xiàn)手機(jī)CPU處的溫度可以控制在33℃以下，相較商用石墨膜降低了6℃。

（摘自中國(guó)石油報(bào)第6861期）

Research situation of the new acid fracturing acid system applying to deep carbonate reservoir

LI Dan1，YI Xiangyi1，2，WANG Yanlong1，LI Qin1，LIU Xiang1
（1.College of Energy Resources，Chengdu University of Technology，Chengdu Sichuan 610059，China；2.State Key Laboratory of Oil and Gas Geology and Exploitation，Chengdu University of Technology，Chengdu Sichuan 610059，China）

Acid fracturing is one of the key methods in oil and gas stimulation,it is vital to choose a appropriate acid for acid fracturing treatment.This paper discusses that the difficulties and contermeasures of acid fracturing stimulation to deep carbonate reservoirs,summarize the current state of the new acid fracturing fluids applying to carbonate reservoirs,analysisthe mechanism,characteristics and application of the new acid fracturing fluids.The overall trend of the new acid fracturing fluid system is"low damage,low cost,low filtration,low reaction rate and high dissolution effect".Clean self-diverting acid has good shunt and diversion effect,the case of hydrocarbon automatic broken,easy to return row,no pollution.Conventional emulsified acid has little filter,high retarded performance,which can enter the deep formation,is the most commonly used retarded acid.The new type of emulsified acid which corrosion inhibitors in the external phase can be quickly dispersed in the pipeline metal surface to form a protective film to prevent the acid on the pipe surface corrosion,so that acid can enter the deeper formation.Nano microemulsion acid has nano-scale molecular diameter,low interfacial tension,low viscosity and easy to pump.The new synthetic acid has no harm to human health,dissolution capacity is similar to hydrochloric acid.In today's environmental-friendly society,this acid has a promising future.The complex acid overcomes the limitations of the single acid,exerts the advantages of various acid pressure liquids,and is suitable for different types of complex carbonate reservoirs.

deep carbonate reservoir；acid fracturing stimulation；acid fracturing fluid system；research status

TE357.12

A

1673-5285（2017）07-0001-05

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.07.001

2017－06-25

四川省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目（自然科學(xué)）“白云巖儲(chǔ)層酸蝕表面形態(tài)研究”，項(xiàng)目編號(hào)：17ZA0042。

李丹，女（1991-），成都理工大學(xué)碩士研究生，從事儲(chǔ)層改造及儲(chǔ)層保護(hù)技術(shù)的學(xué)習(xí)和科研工作，郵箱：510618532@qq.com。