氨基磺酸低摩阻凍膠酸前置液體系對某礦井改造研究

劉 暢，王 彬，肖魏媛，潘 錚，張其平，羅 鏡

(四川省威沃敦化工有限公司，四川 廣漢 618304)

世界上有50%的油氣資源來源于碳酸鹽巖儲層。鄂爾多斯盆地作為我國致密砂巖、碳酸鹽巖主要分布點之一，存在孔隙度低、滲透率低的特點，同時非均質性較強。針對此種地質特點，傳統(tǒng)酸化存在酸巖反應速度快、無法壓裂造縫等缺點。本文以延5××-1井為出發(fā)點，使用氨基磺酸低摩阻凍膠酸前置液體系，配合生物膠壓裂液對延5××-1井進行改造，結合室內實驗分析，證明該體系在壓裂酸化過程中有增產的優(yōu)勢。延5××-1井地質情況(孔隙度、地層巖性)和測井情況如表1所示。

表1 延551-1井地層基礎巖性

該井位于鄂爾多斯盆地，巖性以致密砂巖為主，為非均質砂巖地層，該井壓裂采用生物膠裂液進行加砂壓裂[1]。為達到連續(xù)混配、遠端改造效果，需要對該井進行前置造縫、酸化改造。但是傳統(tǒng)常規(guī)酸有以下缺點：施工摩阻大，泵注排量低，施工效率低下且無法對低孔隙度、低滲透率地層進行施工；僅有近井帶解堵的效果，酸巖傳質速率快，在近井帶快速形成乏酸后，無法對遠端地層進行刻蝕和壓裂改造；黏度低，無造縫效果，對后續(xù)壓裂加砂施工幫助??；需要使用鹽酸配液，現場存在儲運、泄漏等事故風險[2]。

基于以上問題，需要一種高黏度、低傳質速率、安全有保障的前置酸液體系。本文所述的施工中使用一種氨基磺酸凍膠體系，該體系使用8%～15%氨基磺酸代替鹽酸，能夠達到與15%鹽酸相當的巖心溶蝕效果，同時有較低的酸巖反應速率；為到達造主裂縫的效果，使用了酸液稠化劑、交聯劑，使得酸液呈現凍膠狀，有較好的造縫效果，為后續(xù)壓裂加砂施工提供更多導流通道，達到更大的改造體積和產氣量的目的。

1 材料和方法

1.1 實驗材料

有機酸稠化劑(公司產品，WLD75B)，氨基磺酸(HGT 2527 工業(yè)氨基磺酸標準)，緩蝕劑(公司產品，WLD31F)，交聯劑(公司產品，WLD77C)，助排劑(公司產品，WLD27)，套管鋼片(N80，山東省陽信縣晟鑫科技有限公司)，乙醇(分析純，成都市科龍化工試劑廠)，丙酮(分析純，成都市科龍化工試劑廠)，氫氧化鈉(分析純，成都市科龍化工試劑廠)，40mm×20mm×20mm大理石樣塊，山西組巖心。

1.2 儀器設備

六速旋轉粘度計(ZNN-D6B)，超聲清洗儀(CH-10BM)，水熱反應釜。

1.3 實驗方法

基液配制，按照8%～15%氨基磺酸+0.2%WLD75B+2%WLD31F+1%WLD27的配方組成，在 500 r/min的攪拌速度下配制基液，攪拌至少 20 min。使用滴定法測定當量酸濃度，使用精制水和 0.1 mol/L 氫氧化鈉標準溶液滴定8%～15%氨基磺酸水溶液，得到生酸濃度。在上述基液中按照0.3%～0.5%比例加入交聯劑，攪拌均勻。攪拌過程中記錄成膠狀態(tài)，進行交聯劑加量優(yōu)選實驗。使用玻璃棒對交聯后的液體進行挑掛性測試，通過六速旋轉黏度計進行交聯后的黏度測試。使用流變儀測試體系的耐溫耐剪切性能，測試條件為使用RotorP38轉子，剪切速率 170 s-1，溫度 90 ℃。腐蝕速率按照SY/T 5405《酸化用緩蝕劑性能試驗方法及評價指標》中方法進行評價。使用山西組巖心使用粉和山西組巖心樣塊(40 mm×20 mm×20 mm)、大理石樣塊(40 mm×20 mm×20 mm)，通過失重法測定緩速率[3]。

2 結果與討論

2.1 凍膠酸體系交聯劑配方優(yōu)選

取配制基液，使用六速旋轉黏度計測試，基液黏度為15 mPa·s。該體系交聯劑配方選用有機鋯交聯劑，考察交聯劑用量對膠液交聯狀態(tài)的影響，具體結果如表2，圖1中所示。

表2 交聯劑加量和交聯狀態(tài)表格

a.配方基液+0.3%WLD77C；b.基液+0.2%WLD77C；

c.基液+0.1%WLD77C

圖1 交聯狀態(tài)圖

根據實驗結果可知，在交聯劑添加量為0.3%時即可達到較好的交聯效果，在0.2%添加量時，雖然已經形成凍膠狀，但成膠耐挑性能較差；0.1%添加量時，僅為弱交聯狀態(tài)。具體原因為交聯劑與聚合物的交聯比例未達到最佳比例，導致羥橋離子中心強度未達到最大。

2.2 緩蝕劑加量配方優(yōu)選

按照15%氨基磺酸+0.2%WLD75B+2%WLD31F+1%WLD27的配方配制基液。在緩蝕劑中加入1%～5%硫脲，以改善氨基磺酸對鋼片產生的腐蝕[4]，考察不同添硫脲的加量對腐蝕速率的影響。

對比表3數據和圖2中鋼片狀態(tài)可知，WLD31F緩蝕劑對鋼片腐蝕有較好的抑制作用，在硫脲添加量為3%～5%時，可在 90 ℃ 條件下有效抑制鋼片點蝕，同時大大降低鋼片腐蝕速率。

表3 凍膠酸體系對N80鋼片腐蝕速率表

a.加入5%硫脲的緩蝕劑；b.1%硫脲緩的蝕劑

2.3 氨基磺酸質量分數優(yōu)選

使用不同質量分數梯度的鹽酸和氨基磺酸，以酸堿滴定法測定氨基磺酸不同質量分數下的酸含量，同時使用8%～15%氨基磺酸+0.2%WLD75B+2%WLD31F+1%WLD27+0.3%WLD77C的配方加入水中，對比10%鹽酸的效果。評價結果如表4。

表4 不同氨基磺酸生酸濃度和酸巖反應速率

根據數據對比，氨基磺酸具有良好的緩速效果，15%氨基磺酸與10%鹽酸的巖心溶蝕率相當，但酸巖反應速率大大降低，緩速率達到88.37%。由于氨基磺酸在常溫下為弱電解質，雖然顯強酸性，但生酸濃度低。在 60 ℃ 以上氨基磺酸發(fā)生水解反應生成硫酸氫銨，進一步水解為硫酸，表現出較強的溶蝕能力。反應方程式如下：

HSO3NH2+H2O→NH4HSO4

(1)

(2)

氨基磺酸溶蝕效果如圖3所示。

由圖3看出，10%鹽酸對巖心的刻蝕效果明顯，在刻蝕下，產生巖心樣品中部斷裂，表面坑蝕較少，整體較平整；15%氨基磺酸對于該巖心樣品，表面明顯坑蝕較多，形成凹凸不平的表面，證明氨基磺酸對致密碳酸巖石表面可形成更加復雜的外觀，在裂縫閉合之后能夠有更好的形成溶蝕孔道的效果。巖心具有一定的非均質性，由于鹽酸的氫離子當量較高，會優(yōu)先與碳酸鹽分布多的區(qū)域產生優(yōu)先反應，并迅速形成乏酸，酸巖反應速率大大降低，對于低密度區(qū)域無法形成較好的溶蝕效果[5]；而氨基磺酸由于其初始酸濃度低，具有較好的緩速效果，能夠在較長時間保持酸濃度，所以整體巖心形成均勻刻蝕，也能對碳酸鹽分布較少的區(qū)域有一定刻蝕效果，在巖心表面產生大面積坑蝕。

a/b.刻蝕前的山西組巖心；c.10%鹽酸對山西組巖心刻蝕效果；

2.4 現場施工效果

圖4中曲線中標注段為凍膠酸泵注階段，結束泵注后，降低排量到1.5m3/min。泵注生物膠作為隔離液，凍膠酸進入地層后，有較明顯的地層破裂響應，導致壓力從19 MPa降低至17 MPa；凍膠酸完全進入地層后，酸巖反應導致2～3 MPa酸降，說明凍膠酸具有壓開地層的能力和較好的巖心溶蝕效果，而不僅是在近井帶進行解堵和初步酸化。前置液泵注程序見表5。在壓裂施工完后，產氣情況如表6所示。

圖4 施工曲線圖

表5 該井施工前置液泵注程序

表6 產氣量表格

試氣時的產氣量從 8670 m3/d 提升至 22302 m3/d，提升率為157%，說明凍膠酸體系可以良好配合生物膠壓裂液體系，達到良好的增產助產效果。

3 結論

1)根據室內實驗，得到了優(yōu)化后的凍膠酸配方為：15%氨基磺酸 + 0.2%WLD75B+2%WLD31F+1%WLD27。其中，緩蝕劑中需添加至少3%硫脲，以保證能在90℃條件下抑制鋼片表面點蝕。

2)通過實驗證明，該體系對山西組巖心有較好的刻蝕效果。通過相近溶蝕率情況下的酸巖反應速率對比，凍膠酸比傳統(tǒng)鹽酸酸化液具有更低的生酸速率，更高的緩速率，緩速率可達88.37%；同時氨基磺酸的使用和運輸相比鹽酸更具安全性。

3)在施工泵注過程中，由于長鏈聚合物的添加，施工摩阻低，泵注排量3m3/min時施工壓力僅為 19 MPa，且表現出良好的造縫和酸化效果。

綜上所述，針對山西組致密砂巖碳酸鹽巖地層，凍膠酸可作為一種低摩阻、緩速、安全高效的壓裂酸化前置液，起到良好的助產和增產效果。