高壓致密砂巖油藏螯合酸在線酸化增注技術(shù)*

鄧志穎，王偉波，宋昭杰，王爾珍，吳文超

（1.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710018；2.中國石油長慶油田分公司油氣工藝研究院，陜西 西安 710018；3.西安長慶化工集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710018；4.陜西明德石油科技有限公司，陜西 西安 710018）

0 前言

長慶油田屬于典型的低孔、特低滲致密砂巖油藏。姬塬長X油藏為陸相沉積，以綠泥石膜長石溶蝕相、鐵方解石膠結(jié)相和長石溶蝕相為主，發(fā)育多個(gè)水下斜坡，砂連通性較差，有機(jī)碳含量在2%數(shù)10%之間，已探明的含油面積遠(yuǎn)低于北美同條件油區(qū)［1-2］。目標(biāo)儲層的黏土礦物含量平均高達(dá)15%以上，填隙物中綠泥石膜的含量約為12%左右，巖石黏土礦物的綠泥石含量高達(dá)30%左右，儲層巖石中鐵泥質(zhì)雜基和黏土礦物含量偏高造成儲層物性差［3-4］，平均滲透率0.52×10-3μm2，平均孔隙度9.42%。目標(biāo)區(qū)塊共有欠注井157口，占長X油藏注水井總數(shù)的13.3%，欠注井平均油壓18.0 MPa，較區(qū)塊平均油壓高2.6 MPa，平均單井日欠注16.2 m3，欠注矛盾突出。

酸化是注水井增注的常用措施，但當(dāng)儲層的酸敏礦物含量高時(shí)，酸巖反應(yīng)速度快，容易形成二次沉淀而造成儲層傷害。近年來，常規(guī)酸化在姬塬長X 儲層的降壓增注效果并不理想，酸液不能實(shí)現(xiàn)深穿透和儲層滲流通道的擴(kuò)大［5-7］，“壓力高、水難注、多次酸化措施無效”已成為姬塬油田注水開發(fā)油田穩(wěn)產(chǎn)的難題。針對該問題，結(jié)合現(xiàn)有酸化工藝存在施工工序多、占井時(shí)間長等問題［8-9］，提出了注水井在線酸化降壓增注工藝技術(shù)，采用自制的螯合酸體系，并配套在線酸化工藝，形成了適合姬塬油田欠注井治理的酸化新技術(shù)，該技術(shù)可簡化常規(guī)酸化中“前置液、主體酸、后置液、頂替液”等多種工序，且注酸過程中無需更改注水流程，實(shí)現(xiàn)了不停井、不動管柱、不返排的酸化，做到了真正意義上的注水井“一步”在線酸化。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

螯合酸：采用鹽酸、氫氟酸、有機(jī)磷酸、新型螯合劑、表面活性劑和增效劑等多種添加劑配制而成，自制；常規(guī)土酸（12%HCl+3%HF），自制；多氫酸（3% HCl+3%SA601+1%HF），自制；無水乙醇、無水碳酸鈉、氫氧化鈉、氯化鈣、三氯化鐵、三氯化鋁，分析純；實(shí)驗(yàn)用水：配液用水和注入水均為模擬姬塬油田長X 儲層姬X 聯(lián)注入水，礦化度5637.2 mg/L，地層水為模擬姬塬油田長X儲層J3-2井采出水，礦化度100.0×103mg/L，水質(zhì)分析結(jié)果見表1；N80 標(biāo)準(zhǔn)鋼片、J55 標(biāo)準(zhǔn)鋼片，山東省陽信縣晟鑫科技有限公司；注水管線涂層掛片和注水管線外涂層脫落的掛片，尺寸50 mm×10 mm×5.5 mm；巖心取自姬塬油田長X 儲層D193-3 井，尺寸25 mm×50 mm，滲透率0.1×10-3數(shù) 0.5×10-3μm2；巖心粉取自姬塬油田長X儲層D193-3井，粒度0.250數(shù)0.425 mm。

CMS-Ⅲ型儲層敏感性傷害評價(jià)裝置，江蘇華安科研儀器有限公司；FDS-800-10000 型地層傷害測試系統(tǒng)，美國TEMCO 公司；M370 型掃描電化學(xué)顯微鏡，美國AMETEK公司；ICP-OES-5110型超電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀，美國安捷倫公司；DZKW-4電子恒溫水浴鍋，北京中興偉業(yè)儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 溶蝕實(shí)驗(yàn)

按中國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5405—1996《酸化用緩蝕劑性能試驗(yàn)方法及評價(jià)指標(biāo)》測定螯合酸對巖心粉的溶蝕率。取1.5 g 巖心粉裝入塑料杯中，加入10 mL的50%的螯合酸溶液（螯合酸與注入水的體積比1∶1），置于60℃水浴鍋，每10 min 手工震蕩塑料杯一次，分別在反應(yīng)15 min、30 min、1 h、1.5 h、2 h、3 h、6 h和10 h時(shí)取出，過濾。用蒸餾水沖洗過濾后粉樣至濾液的pH值為7，將沖洗過的粉樣連同濾紙放人100℃烘箱中烘干至質(zhì)量恒定后稱量，計(jì)算酸液對巖心粉的溶蝕率。用等離子體發(fā)射光譜儀測定過濾后（或反應(yīng)后）的酸液（簡稱殘酸）中酸敏離子濃度，同等條件下，用常規(guī)土酸和多氫酸作對比實(shí)驗(yàn)。

1.2.2 沉淀抑制性實(shí)驗(yàn)

（1）金屬氟化物沉淀抑制性：將50 mL的質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%的CaCl2溶液（鹽水1）與50 mL的50%的螯合酸混合，然后加入Na2CO3調(diào)節(jié)混合液pH值，將混合溶液放入60℃恒溫水浴中放置2 h，再將反應(yīng)后的溶液過濾，用等離子體發(fā)射光譜儀測定殘酸中Ca2+離子含量；

（2）氟鋁酸鹽沉淀抑制性：將50 mL 的2%Al-Cl3+2%NaHCO3（鹽水2）溶液與50 mL 的50%的螯合酸等體積混合，將混合溶液放入60℃恒溫水浴中放置2 h，將溶液過濾后用等離子體發(fā)射光譜儀測定殘酸中Al3+離子含量；

（3）金屬氫氧化物沉淀抑制性：將50 mL 的10.2 g/L 的FeCl3（鹽水3）與50 mL 的50%的螯合酸等體積混合，然后加入Na2CO3調(diào)節(jié)混合液pH 值至3，將混合溶液放入60℃恒溫水浴中放置2 h，過濾后用等離子體發(fā)射光譜儀測定殘酸中Fe3+離子含量。同等條件下，用常規(guī)土酸和多氫酸作對比實(shí)驗(yàn)。

1.2.3 腐蝕率測定

按中國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5405—1996《酸化用緩蝕劑性能試驗(yàn)方法及評價(jià)指標(biāo)》分別測定螯合酸對N80鋼片、J55鋼片、注水管線涂層掛片和注水管線外涂層脫落的掛片的腐蝕率。分別取兩塊N80標(biāo)準(zhǔn)鋼片、J55鋼片、涂層掛片和涂層脫落掛片，用無水乙醇清洗后取出烘干、稱重、測量尺寸，分別放入50%的螯合酸溶液中，在60℃恒溫水浴中放置4 h 后取出，清洗、烘干、稱重、測量尺寸，根據(jù)腐蝕前后掛片的質(zhì)量變化計(jì)算腐蝕率。

1.2.4 巖心流動實(shí)驗(yàn)

按中國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T5358—2002《儲層敏感性流動實(shí)驗(yàn)評價(jià)方法》測定螯合酸對巖心滲透率的影響。①用模擬地層水飽和1數(shù)6號巖心；②在60℃下以0.1 mL/min的速度驅(qū)替模擬地層水，測量巖心的初始滲透率；③在溫度和驅(qū)替速度不變的條件下，向1數(shù)3號巖心注入50%的螯合酸；④注入模擬地層水，測定酸化后的巖心滲透率。用等離子體發(fā)射光譜儀測定殘酸中酸敏離子濃度，用電化學(xué)顯微鏡掃描酸化前后的巖心入口端面。在同等條件下，用土酸處理4數(shù)6號巖心做對比實(shí)驗(yàn)。

表1 姬塬油田長X儲層模擬地層水和模擬注入水的離子組成（單位：mg/L）

2 結(jié)果與討論

2.1 螯合酸的緩速性能和螯合性能

以酸液對巖心粉的溶蝕率來評價(jià)其緩速性能，以殘酸中酸敏離子濃度來評價(jià)其穩(wěn)定金屬離子能力。螯合酸對巖心粉的溶蝕率與殘酸離子濃度隨反應(yīng)時(shí)間變化情況見圖1，常規(guī)土酸和多氫酸對巖心粉的溶蝕率與殘酸離子濃度隨反應(yīng)時(shí)間變化情況見表2。由圖1可知，螯合酸對儲層巖心的溶蝕速率呈平穩(wěn)上升趨勢，最終溶蝕率達(dá)到29.5%，與常規(guī)土酸和多氫酸的相當(dāng)（見表2），但螯合酸具有明顯的緩速性能，可減緩酸巖反應(yīng)速率。在反應(yīng)1 h時(shí)，對巖心粉的溶蝕率分別是常規(guī)土酸和多氫酸對巖心粉的溶蝕率的63.5%和88.9%，螯合酸殘酸中的Ca2+濃度分別是常規(guī)土酸和多氫酸中的Ca2+濃度的85.8%和85.7%，反應(yīng)4 h后，螯合酸的最終溶蝕能力與常規(guī)土酸和多氫酸的相當(dāng)，說明螯合酸酸化溶蝕堵塞物過程中，溶液中H+逐漸電離趨于平衡［10］；從圖1和表2殘酸中酸敏離子變化可知，在反應(yīng)1 h后，常規(guī)土酸和多氫酸殘酸中Ca2+、Mg2+、Fe3+等酸敏離子濃度降低，說明殘酸中生成了含Ca2+、Mg2+、Fe3+等酸敏離子的二次沉淀，而螯合酸殘酸不會出現(xiàn)這種現(xiàn)象，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長，殘酸中的酸敏離子濃度緩慢增加，說明螯合酸殘酸中金屬離子未參與沉淀，這說明螯合酸具有較好的螯合能力，穩(wěn)定了金屬離子，避免了二、三次沉淀生成。

圖1 螯合酸對巖心粉的溶蝕率和殘酸中離子濃度隨反應(yīng)時(shí)間的變化

表2 常規(guī)土酸和多氫酸對巖心粉的溶蝕率和殘酸中離子濃度隨反應(yīng)時(shí)間的變化

2.2 螯合酸的沉淀抑制性

殘酸中酸敏離子含量的測定結(jié)果見表3。相比于常規(guī)土酸，螯合酸殘酸中的金屬離子濃度與鹽水更為接近。說明螯合酸能起到有效抑制金屬氟化物、氟鋁酸鹽化物和金屬氫氧化物沉淀生成的作用，可實(shí)現(xiàn)殘酸不返排，簡化常規(guī)砂巖酸化的復(fù)雜酸化工序。螯合酸之所以能表現(xiàn)出良好的二次沉淀抑制性，是因?yàn)槠潋纤嶂械尿蟿┛膳c金屬離子形成以八元環(huán)為主的穩(wěn)定絡(luò)合物，同時(shí)螯合酸中有機(jī)磷酸含有電負(fù)性較大的N、O 等未共用電子對的雜原子，其能與金屬缺電子d軌道反饋成鍵，提高了絡(luò)合物的穩(wěn)定性和酸液抑制二次沉淀的有效性。

表3 殘酸中酸敏離子含量的測定

2.3 螯合酸的腐蝕性

50%的螯合酸對N80 鋼片、J55 鋼片、注水管線涂層掛片和注水管線外涂層脫落的掛片的腐蝕速率分別為0.3983、0.5733、2.2814 和0.5680 g/（m2·h），遠(yuǎn)小于行業(yè)一級標(biāo)準(zhǔn)（3.0 g/（m2·h））。酸液對注水管柱有涂層的掛片腐蝕率高于涂層脫落的掛片，說明螯合酸酸液體系對注水管線掛片內(nèi)層腐蝕無較大影響，從而可以在不停井、不動管柱的情況下進(jìn)行酸化。

2.4 巖心流動實(shí)驗(yàn)分析

不同酸液處理前后巖心的孔隙度、滲透率和巖心入口端面變化情況見表4。由表4可知，隨著注酸量增加，螯合酸提高巖心的滲透率程度和孔隙度增加量呈上升趨勢，而常規(guī)土酸因過度溶蝕巖心而使提高巖心的滲透率程度和孔隙度增加量呈下降趨勢；同時(shí)注酸初期螯合酸對滲透率和孔隙度的增加幅度明顯小于常規(guī)土酸的，但逐步超過常規(guī)土酸的。由注酸后巖心入口端面三維照片也可以看出，注入5 PV 后，隨注酸量增加，常規(guī)土酸酸化后的巖心端面孔隙變小、溶蝕面變淺，而螯合酸酸化后的巖心端面孔隙變大、溶蝕面變深，說明螯合酸酸液避免了常規(guī)土酸生成二次沉淀而導(dǎo)致孔隙度減小的缺點(diǎn)，其金屬離子螯合能力較為穩(wěn)定。

2.5 螯合酸的主要作用對象

為了確定螯合酸主要溶蝕對象，室內(nèi)測定了巖心流動實(shí)驗(yàn)?zāi)M酸化過程中殘酸中金屬離子濃度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，隨著出口端收集的注酸量增加，殘酸中Al3+、Fe3+、Ca2+、Mg2+酸敏性離子含量均先增加后降低，最后逐漸趨于穩(wěn)定；Al3+、Fe3+的含量變化最大，Ca2+、Mg2+次之；Si4+含量隨注酸量增加而逐漸平穩(wěn)增加至穩(wěn)定。由此可以推斷，螯合酸先與孔隙中含Al3+、Fe3+的礦物和碳酸鹽礦物反應(yīng)，再與硅酸鹽礦物反應(yīng)。后期酸巖反應(yīng)結(jié)束后，酸敏性離子含量逐漸保持平穩(wěn)，說明螯合酸高效螯合酸敏性離子，形成的絡(luò)合物較穩(wěn)定，避免了二、三次沉淀生成，為酸液不返排提供了依據(jù)。

圖2 酸敏離子濃度隨注酸量的變化曲線

表4 注酸前后巖心滲透率、孔隙度的變化

2.6 螯合酸現(xiàn)場應(yīng)用效果

2017年8月19日，對姬塬油田長X儲層J1井進(jìn)行了螯合酸在線酸化現(xiàn)場施工，螯合酸酸液體系在配制站配好后拉至井場。酸化施工過程中不改變注水流程，注水井仍保持正常注水；直接將酸液通過注水井測試閥門隨注入水一同進(jìn)入地層，并實(shí)時(shí)監(jiān)測注酸速度和注水速度，確保注酸速度與注水速度之比為1∶1 左右；施工結(jié)束后，關(guān)閉測試閥門，拆除注酸管線，同時(shí)根據(jù)配注要求調(diào)整注水速度，進(jìn)而轉(zhuǎn)入注水階段。整個(gè)酸化施工中無換液、起下管柱和返排工序。施工曲線如圖3，酸液用量10 m3，施工用時(shí)5 h 左右。酸化前配注10 m3/d，實(shí)注3 m3/d，注水壓力14.5 MPa；酸化結(jié)束后，實(shí)注12 m3/d，注水量增加9 m3/d，注水壓力降為11.5 MPa，壓力下降3 MPa，達(dá)到了配注要求。

圖3 J1井在線酸化作業(yè)施工曲線

目前在線酸化工藝已經(jīng)在姬塬油田長X 儲層現(xiàn)場高壓注水井應(yīng)用38 口，平均單井用量9 m3，平均單井用時(shí)10 h，工藝成功率100%，措施有效率90.1%；平均單井注水壓力由19.2 MPa 下降至17.5 MPa，下降了1.7 MPa；酸化前平均單井日注量7 m3，酸化后日注量20 m3，日增注13 m3，視吸水指數(shù)增加3.1倍；2018年6月份累計(jì)增加注水量311695 m3，降壓增注效果顯著。

3 結(jié)論

螯合酸通過鹽酸、氫氟酸、有機(jī)磷酸、螯合劑、表面活性劑和增效劑之間的協(xié)同、增效作用，提高了溶液的解堵和溶蝕性能，增加了溶液的緩速性，增強(qiáng)了對溶液中酸敏離子的螯合能力并降低了對管柱的腐蝕率，具有用量少、成本低的特點(diǎn)。

該酸液體系適應(yīng)于低滲透砂巖油藏，對于富含鐵泥質(zhì)雜基、綠泥石、日實(shí)際注水量低的欠注井具有較好的適應(yīng)性。

注水井螯合酸酸化工藝減少了起下管柱和殘酸返排的步驟，實(shí)現(xiàn)了“以一步代多步”，具有施工簡單、工藝成功率高的特點(diǎn)。現(xiàn)場施工38 口，酸化后平均單井注水壓力下降1.7 MPa，平均單井日注水量增加13 m3，降壓增注效果顯著。