碳酸鹽巖轉(zhuǎn)向酸酸化技術(shù)與應(yīng)用

王 超

（中國(guó)石油集團(tuán)長(zhǎng)城鉆探壓裂公司，遼寧 盤(pán)錦 124010）

0 前言

哈法亞油田位于伊拉克東南部米桑省，構(gòu)造上位于美素不達(dá)米亞盆地前淵帶，主力產(chǎn)層為中白堊紀(jì)碳酸鹽巖儲(chǔ)層的Mishrif組[1]。Mishrif組又可以劃分為4段15個(gè)亞段，部分小層是由泥?；?guī)r和粒泥灰?guī)r為主的碳酸鹽巖構(gòu)成的，夾少量粗粒升屑灰?guī)r，儲(chǔ)集層非均質(zhì)強(qiáng)[2]。隨著開(kāi)發(fā)井的逐年增多，酸化儲(chǔ)層改造也面臨一些問(wèn)題：各類孔隙發(fā)育導(dǎo)致酸液濾失嚴(yán)重，酸液酸蝕穿透距離短；由于儲(chǔ)層的非均質(zhì)性，酸液優(yōu)先進(jìn)入高滲透率的儲(chǔ)層，很難進(jìn)入低滲透率層，因此導(dǎo)致低滲透層難以得到改造；開(kāi)發(fā)后期地層壓力下降很快，酸化后返排困難，殘液容易造成二次污染，降低單井產(chǎn)量。

基于黏彈性表面活性劑發(fā)展起來(lái)的轉(zhuǎn)向酸分流酸化技術(shù)，是近年來(lái)實(shí)現(xiàn)多層系、非均質(zhì)儲(chǔ)層改造的新工藝。相比于傳統(tǒng)的酸化技術(shù)，該轉(zhuǎn)向酸具有已配制、濾失少、易返排以及對(duì)地層傷害小等特點(diǎn)[3]，能夠?qū)崿F(xiàn)酸液非傷害的就地自轉(zhuǎn)向，達(dá)到碳酸鹽巖非均質(zhì)性儲(chǔ)層均勻酸化的目的。

1 轉(zhuǎn)向酸作用機(jī)理

轉(zhuǎn)向酸不含有固相顆粒及聚合物，以黏彈性表面活性劑為主體形成的酸液體系。在鮮酸環(huán)境下轉(zhuǎn)向酸的黏度很低，有利于降低酸液的摩阻，適合大排量泵注。隨著轉(zhuǎn)向酸與高滲透層碳酸鹽巖反應(yīng)的進(jìn)行，酸液濃度不斷降低，并反應(yīng)產(chǎn)生大量的MgCl2和CaCl2，使分子間的靜電排斥力減小，形成了具有空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的凍膠體系，酸液黏度迅速增加，從而選擇性地封堵高滲透層，迫使酸液流向低滲透層，達(dá)到自轉(zhuǎn)向的目的[4]。

返排時(shí)凍膠與原油等烴類物質(zhì)接觸，烴類物質(zhì)會(huì)和凍膠體系反應(yīng)，破壞網(wǎng)狀膠束結(jié)構(gòu)，將其分散成球狀結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)向酸自動(dòng)破膠；同時(shí)返排液中含有大量的水，通過(guò)水的稀釋作用，也會(huì)降低轉(zhuǎn)向酸中膠束的濃度，協(xié)助轉(zhuǎn)向酸進(jìn)行破膠，迅速破膠后的轉(zhuǎn)向酸降低了對(duì)儲(chǔ)層的二次傷害。

2 轉(zhuǎn)向酸體系組成

轉(zhuǎn)向酸體系主要由鹽酸溶液、兩性表面活性劑和各類添加劑組成，轉(zhuǎn)向劑是其關(guān)鍵組分，選用的轉(zhuǎn)向劑需要具有較強(qiáng)的耐溫抗剪切能力，又具有良好的封堵性能。隨著轉(zhuǎn)向劑的濃度的增加，封堵效果也逐漸增強(qiáng)，但是需要綜合考慮性價(jià)比，考慮地面轉(zhuǎn)向酸體系的黏度，以便于泵入地層。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)常溫條件下，轉(zhuǎn)向酸的起始濃度為20%，加入不同濃度的轉(zhuǎn)向劑，再分別與碳酸鈣試劑反應(yīng)，將殘酸濃度降低至4%，模擬轉(zhuǎn)向酸與儲(chǔ)層碳酸鹽巖的反應(yīng)，測(cè)量殘酸的黏度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同濃度轉(zhuǎn)向劑加量對(duì)殘酸黏度的影響

從表1可以看出，隨著轉(zhuǎn)向劑濃度的增加，轉(zhuǎn)向酸殘酸體系的黏度也隨著增加。在轉(zhuǎn)向劑加量為5%～6%時(shí)，轉(zhuǎn)向酸的黏度能達(dá)到160 mPa·s以上，能夠起到較好的暫堵轉(zhuǎn)向效果，滿足現(xiàn)場(chǎng)施工的要求。

3 轉(zhuǎn)向酸性能評(píng)價(jià)

3.1 轉(zhuǎn)向酸變黏特性

在不同的酸液濃度下，轉(zhuǎn)向酸體系的黏度會(huì)發(fā)生變化。加入20%CaCl2，測(cè)試轉(zhuǎn)向酸體系對(duì)著酸液濃度的變黏性能，測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出，在CaCl2濃度固定的條件下，轉(zhuǎn)向酸體系的黏度隨著酸液濃度的減小，呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。在酸液濃度20%的條件下，轉(zhuǎn)向酸體系的黏度最低，僅為21 mPa·s；當(dāng)酸液濃度降低至15%時(shí)，轉(zhuǎn)向酸的黏度升至33 mPa·s；低黏度的轉(zhuǎn)向酸體系，有利于現(xiàn)場(chǎng)配制15%～20%濃度的轉(zhuǎn)向酸，實(shí)現(xiàn)低摩阻大排量泵注；當(dāng)酸液濃度降低至4%時(shí)，轉(zhuǎn)向酸體系的黏度達(dá)到最大值160 mPa·s。

圖2 轉(zhuǎn)向酸體系在不同酸液濃度下變黏曲線

3.2 轉(zhuǎn)向酸流變性能

轉(zhuǎn)向酸的流變性能是一個(gè)重要指標(biāo)，其高溫高剪切下保持的黏度，將直接影響轉(zhuǎn)向酸的轉(zhuǎn)向能力、轉(zhuǎn)向效果及儲(chǔ)層改造效果[5]。為此，在170 s-1條件下剪切1 h，測(cè)量不同溫度下轉(zhuǎn)向酸的耐溫、抗剪切性能，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同溫度梯度下流變曲線

從圖3中可以看出，在170 s-1恒定剪切速率下，在20 ℃～50 ℃，隨著溫度的升高，轉(zhuǎn)向酸體系的黏度不斷增加，在50 ℃時(shí)達(dá)到最大值600 mPa·s；在50 ℃～70 ℃，隨著溫度的升高，轉(zhuǎn)向酸體系的黏度不斷降低；在70 ℃～100 ℃，隨著溫度的升高，轉(zhuǎn)向酸體系的黏度維持在150 mPa·s～200 mPa·s，表明該體系具有較好的耐溫抗剪切能力。

3.3 轉(zhuǎn)向酸封堵性能

利用巖心流動(dòng)試驗(yàn)儀和人工碳酸鹽巖巖心[6]，進(jìn)行轉(zhuǎn)向酸+對(duì)比酸（不加轉(zhuǎn)向劑）驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，記錄驅(qū)替過(guò)程中的壓力變化情況，如圖4所示。

從圖4可以看出，注入對(duì)比酸后，隨著注入孔隙體積的增加，巖心兩段的驅(qū)替壓差逐漸降低；累計(jì)注入孔隙體積達(dá)到0.33 PV時(shí)，酸液突破巖心。而注入轉(zhuǎn)向酸初期，巖心兩段的驅(qū)替壓差與對(duì)比酸相差不大，說(shuō)明轉(zhuǎn)向酸初始黏度低，具有較低的泵注摩阻；當(dāng)酸液與巖心反應(yīng)后，形成網(wǎng)狀凍膠，黏度急劇增大，驅(qū)替壓力迅速增加，直至累計(jì)注入孔隙體積達(dá)到0.43 PV時(shí)，酸液突破巖心，證明了轉(zhuǎn)向酸具有很好的暫堵轉(zhuǎn)向能力，可以有效地提高儲(chǔ)層動(dòng)用程度，從而提高儲(chǔ)層改造效果。

圖4 驅(qū)替壓差隨累計(jì)注入孔隙體積對(duì)比圖

3.4 腐蝕速率

現(xiàn)場(chǎng)一般采用連續(xù)油管進(jìn)行酸化作業(yè)，作業(yè)時(shí)間較長(zhǎng)，在儲(chǔ)層高溫條件下對(duì)完井管柱等有一定的腐蝕，因此需要評(píng)價(jià)不同緩蝕劑加量下轉(zhuǎn)向酸體系的腐蝕速率。參照國(guó)標(biāo)《酸化用緩蝕劑性能試驗(yàn)方法及評(píng)價(jià)指標(biāo)》進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在90 ℃下反應(yīng)4 h，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 轉(zhuǎn)向酸靜態(tài)腐蝕速率

從表1可以看出，緩蝕劑加量為1.5%時(shí)，轉(zhuǎn)向酸在90 ℃下腐蝕速率為3.07g/m2·h，達(dá)到國(guó)標(biāo)一級(jí)緩蝕劑3 g/m2·h～4 g/m2·h的要求，說(shuō)明該緩蝕劑具有較好的緩釋性能。

3.5 配伍性

轉(zhuǎn)向酸泵注進(jìn)入地層后，與原油、完井液以及地層水等多種液體接觸，如果不配伍會(huì)形成酸渣沉淀，堵塞孔隙，影響酸化效果。將轉(zhuǎn)向酸與原油、地層水分別按照1∶1∶1、2∶1∶1、1：1∶2的比例混合，放入水浴鍋中加熱至90 ℃，放置6 h后觀察混合液情況，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)向酸與原油、地層水分層明顯，沒(méi)有出現(xiàn)沉淀現(xiàn)象，表明該轉(zhuǎn)向酸體系與哈法亞油田配伍性好。

3.6 轉(zhuǎn)向酸破膠性能

酸化施工結(jié)束后，轉(zhuǎn)向酸的破膠程度直接影響了酸液的返排性能。為了快速返排和投產(chǎn)，避免對(duì)儲(chǔ)層產(chǎn)生二次傷害，要求轉(zhuǎn)向酸快速破膠。將殘酸與原油按照3∶1的比例充分混合，在室溫條件下，利用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)量混合液體表觀黏度隨時(shí)間的變化情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 轉(zhuǎn)向酸破膠性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，轉(zhuǎn)向酸與原油混合后，表觀黏度迅速降低，2 min后降低至114 mPa·s，14 min后轉(zhuǎn)向酸徹底破膠，表觀黏度僅為3 mPa·s，有利于殘酸的快速返排。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為了評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)向酸的應(yīng)用效果及完善現(xiàn)場(chǎng)施工工藝，在哈法亞油田應(yīng)用多口井試驗(yàn)，取得了明顯的增產(chǎn)效果。

4.1 試驗(yàn)井基本情況

某試驗(yàn)井是一口開(kāi)發(fā)井，施工層位為Mishrif層，油層厚度為81.4 m，垂深3 000 m，儲(chǔ)層壓力為31 MPa，儲(chǔ)層溫度為90 ℃。根據(jù)測(cè)井解釋結(jié)果，該層多個(gè)小層有較好的油氣顯示，但是儲(chǔ)層物性差異較大，需要采用轉(zhuǎn)向酸進(jìn)行均勻酸化。該井受到鉆井、完井過(guò)程中不同程度的污染，完鉆后不能自噴。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)施工工藝

施工時(shí)先注入前置液，對(duì)地層進(jìn)行預(yù)沖洗，減少地層傷害。然后用連續(xù)油管交替注入15%常規(guī)酸和轉(zhuǎn)向酸，達(dá)到射孔段均勻酸化的目的，累計(jì)注入總酸量868 barrels，施工情況如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)向酸酸化施工曲線

從酸化施工曲線可以看出，轉(zhuǎn)向酸進(jìn)入儲(chǔ)層后，施工排量沒(méi)有變化，施工壓力升高，說(shuō)明轉(zhuǎn)向酸黏度升高，發(fā)揮了暫堵轉(zhuǎn)向作用，迫使酸液流向低滲透的小層[7]，造成施工壓力升高。

4.3 增產(chǎn)效果

酸化施工6 h后，起出連續(xù)油管，井口壓力明顯上升，該井自噴產(chǎn)油，然后進(jìn)行了地面測(cè)試求產(chǎn)，測(cè)試產(chǎn)量達(dá)到3 600 bpd @48/64″(3 600 桶/d，1.9 cm的油嘴)油嘴，增產(chǎn)效果明顯。

5 結(jié)論

通過(guò)轉(zhuǎn)向酸技術(shù)在碳酸鹽巖油田的應(yīng)用，得到如下結(jié)論：1）分析了轉(zhuǎn)向酸的作用機(jī)理，轉(zhuǎn)向酸體系具有很好的自轉(zhuǎn)向特征，與儲(chǔ)層反應(yīng)后能形成“網(wǎng)狀凍膠”，迅速增大轉(zhuǎn)向酸的黏度，起到暫堵轉(zhuǎn)向的作用。2）流變性實(shí)驗(yàn)表明，轉(zhuǎn)向酸體系具有較好的抗高溫、耐剪切性能，在100 ℃、170 s-1條件下黏度可以保持在150 mPa·s以上。3）巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)表明，轉(zhuǎn)向酸體系驅(qū)替壓力明顯升高，證明其具有較好的暫堵轉(zhuǎn)向能力，可以有效地提高儲(chǔ)層動(dòng)用程度。4）實(shí)驗(yàn)表明，轉(zhuǎn)向酸體系腐蝕速率低，與原油、地層水的配伍性好，與原油混合后能快速破膠，提高了返排效率。5）某試驗(yàn)井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，應(yīng)用轉(zhuǎn)向酸體系后增產(chǎn)效果明顯，單井產(chǎn)量達(dá)到3 600 bpd，具有良好的推廣應(yīng)用前景。