碳酸鹽巖酸液注入段塞組合方式及其協(xié)同效應(yīng)

崔 波 馮浦涌 榮新明 姚二冬 周福建 張 強(qiáng)

（1.中海油田服務(wù)股份有限公司油田生產(chǎn)事業(yè)部，天津 300450；2.中國(guó)石油大學(xué)（北京）非常規(guī)油氣科學(xué)技術(shù)研究院，北京 102249）

0 引 言

伊拉克S油田碳酸鹽巖儲(chǔ)層溫度高，酸巖反應(yīng)速度快，且儲(chǔ)層孔隙、裂縫發(fā)育，酸液作用距離有限。為獲得理想的增產(chǎn)效果，必須實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層深部改造。近年來，國(guó)內(nèi)外逐步開發(fā)了以控濾失、延緩酸巖反應(yīng)速度為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)碳酸鹽巖深部酸化處理的各種緩速酸體系［1?4］。其中，乳化酸、交聯(lián)酸和螯合酸體系緩速性能較為優(yōu)異。乳化酸體系將鹽酸乳化在油相中，形成物理隔離界面，以降低酸擴(kuò)散到碳酸鹽巖表面的速度［5?6］；交聯(lián)酸利用高黏度降低氫離子向巖石壁面的傳遞速度［7?9］；螯合酸中的螯合劑具有通過較慢的絡(luò)合作用將金屬離子包裹在一個(gè)或多個(gè)環(huán)狀配體中，從而溶解碳酸鹽巖中的鈣鎂離子，反應(yīng)速度極慢［10］。

酸化改造的關(guān)鍵在于酸處理后在儲(chǔ)層巖石中形成酸蝕蚓孔，有效溝通井筒，提高儲(chǔ)層滲透性。因此，酸液體系的選擇對(duì)酸化效果至關(guān)重要。現(xiàn)有技術(shù)主要針對(duì)單一酸液體系在最優(yōu)注入速度、最優(yōu)酸量等方面開展實(shí)驗(yàn)來評(píng)價(jià)酸液體系性能，對(duì)不同類型酸液段塞組合的研究尚未見相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。本文采用伊拉克S油田儲(chǔ)層模擬巖心，通過巖心流動(dòng)儀和CT掃描儀對(duì)單一緩速酸體系及其兩兩段塞組合時(shí)形成的酸蝕蚓孔形態(tài)及變化規(guī)律進(jìn)行了研究，探索最佳的段塞組合方式及其協(xié)同效應(yīng)，對(duì)酸液體系的選擇及酸化工藝參數(shù)的優(yōu)化具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑

交聯(lián)酸、乳化酸和螯合酸，工業(yè)品，中海油田服務(wù)股份有限公司，酸液體系配方見表1；甲醇，分析純，天津化學(xué)試劑供銷公司；石油醚，分析純，天津市百世化工有限公司。

表1 酸液體系配方Table 1 Formula of acid system

1.2 實(shí)驗(yàn)巖心

伊拉克S油田模擬巖心，成分為碳酸鈣，直徑為2.5 cm，長(zhǎng)度為6 cm。

1.3 儀器設(shè)備

巖心酸化流動(dòng)實(shí)驗(yàn)儀，江蘇拓創(chuàng)科研儀器有限公司，型號(hào)為SH?6，如圖1所示；微米CT掃描儀，卡爾蔡司（上海）管理有限公司，型號(hào)為ZEISSVersaXRM500。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

本文定義了一種碳酸鹽巖用酸液段塞組合優(yōu)選實(shí)驗(yàn)方法，包括以下步驟：

（1）確定酸液段塞組合中使用的酸液體系，分別對(duì)不同的酸液體系進(jìn)行巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)，確定不同注酸速率下各酸液體系的突破體積（實(shí)驗(yàn)溫度95 ℃）；酸液突破注入量表征意義為注入酸液的體積與實(shí)驗(yàn)巖心孔隙體積之比，其確定方法：當(dāng)酸液濾液流出巖心流動(dòng)儀，且?guī)r心流動(dòng)儀入口端和出口段壓差為0 MPa時(shí)，記錄此時(shí)使用的酸液體積VAcid，然后計(jì)算得到酸液突破注入量Qibt，計(jì)算公式為

式中：Qibt——酸液突破注入量，PV；VAcid——酸液體積，mL；VP——巖心孔隙體積，cm3。

（2）對(duì)酸蝕后巖心的蚓孔進(jìn)行量化表征，選擇突破注入量最小的注入速度為對(duì)應(yīng)酸液體系的最佳注入速度，對(duì)應(yīng)的突破注入量為最優(yōu)突破注入量，如酸液A的最小突破注入量記為QibtA'，酸液B的最小突破注入量記為QibtB'。

（3）對(duì)不同的酸液體系進(jìn)行段塞組合，第1段塞選取A酸液體系，第2段塞選取B酸液體系；根據(jù)每一種酸液體系在步驟（2）中確定的最佳注入速度，計(jì)算2種酸液體系的最佳注入速度平均值，以平均最優(yōu)注入速度，注入A酸液體系的最優(yōu)突破注入量的一半，記錄酸液A的注入量QibtA″，用煤油進(jìn)行頂替，然后對(duì)酸蝕后的巖心的蚓孔進(jìn)行量化表征（CT掃描）；再以平均最優(yōu)注入速度注入B酸液體系，記錄此時(shí)酸液B的突破注入量QibtB″，之后對(duì)酸蝕后的巖心的蚓孔再進(jìn)行量化表征。

（4）計(jì)算不同酸液體系段塞組合的協(xié)同效應(yīng)δ，δ值越大，酸液的協(xié)同效應(yīng)越好，節(jié)省酸液體積越多，酸液成本越低。其計(jì)算公式為

式中：δ——協(xié)同效應(yīng)； QibtA'——酸液A的最小突破注入量，PV；QibtB'——酸液B的最小突破注入量，PV；QibtA″——段塞組合時(shí)酸液A的注入量，PV；QibtB″——段塞組合時(shí)酸液B的注入量，PV。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 緩速酸體系巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)

對(duì)交聯(lián)酸、乳化酸和螯合酸體系進(jìn)行酸液巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)，確定最優(yōu)注入速度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果及參數(shù)見圖2和表2。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，3種緩速酸體系的最佳注入速度均集中在1.0 mL/min左右。當(dāng)注入速度小于最佳注入速度時(shí)，易形成面溶蝕或錐形溶蝕；注入速度為最佳注入速度時(shí)，易形成主蚓孔；注入速度大于最佳注入速度時(shí)，易形成分枝型蚓孔［11?12］。主蚓孔溶蝕對(duì)應(yīng)酸化效率最高，此時(shí)用最少的酸液便可以形成有效穿透?jìng)У牧鲃?dòng)通道，達(dá)到增產(chǎn)最大化的目的［13?16］。

圖2 3種酸液在不同注入速度下的酸液突破注入量Fig. 2 Acid breakthrough volume of 3 kinds of acid system at different injection rates

表2 巖心參數(shù)及緩速酸體系注入?yún)?shù)Table 2 Core parameters and injection parameters of retarded acid system

圖3為交聯(lián)酸巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)后巖心CT掃描照片。交聯(lián)酸在0.25 mL/min時(shí)未能形成蚓孔，其他3組均形成貫穿蚓孔。隨著注入速度的增大，酸液突破所需注入量降低，在1.0 mL/min達(dá)到最小值，為5.27 PV，之后酸液突破注入量增大。交聯(lián)酸在注入速率較低時(shí)，入口端的巖心面大量溶蝕，這種溶蝕消耗了大量酸，對(duì)巖心整體滲透率改善有限，而在1.0~2.0 mL/min注入速度下，巖心中形成主蚓孔，導(dǎo)流提升效果較為理想。

圖3 交聯(lián)酸巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)后巖心CT掃描照片F(xiàn)ig. 3 CT scan after core flow experiment with cross-linked acid

圖4為乳化酸巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)后巖心CT掃描照片。乳化酸注入速度分別為0.25、0.5、1.0和2.0 mL/min，實(shí)驗(yàn)均形成貫穿蚓孔。隨著注入速度增大，酸液突破所需注入量降低，在注入速度為1.0 mL/min時(shí)達(dá)到最小值，為2.68 PV，之后酸液突破注入量增大。當(dāng)注入速度為1.0 mL/min時(shí)，形成的主蚓孔最好。

圖4 乳化酸巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)后巖心CT掃描照片F(xiàn)ig. 4 CT scan after core flow experiment with emulsified acid

圖5為螯合酸巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)后巖心CT掃描照片。螯合酸是通過較為緩慢的絡(luò)合作用溶蝕，孔隙溶蝕較慢，均勻溶蝕能力較強(qiáng)，傾向于擴(kuò)大基質(zhì)孔道，提高基質(zhì)滲透率，形成突破主蚓孔的速度較慢。從實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)螯合酸最佳的注入速度為1.0 mL/min，突破注入量高達(dá)8.40 PV。

圖5 螯合酸巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)后巖心CT掃描照片F(xiàn)ig. 5 CT scan after core flow experiment with chelated acid

此外，螯合酸在低注入速度下，流體與巖心的接觸時(shí)間增加，沒有出現(xiàn)表面溶解。在相同注入速度下，螯合酸由于螯合反應(yīng)最慢，形成蚓孔需要的酸液體積遠(yuǎn)大于交聯(lián)酸和乳化酸。

2.2 緩速酸體系段塞組合優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

結(jié)合3種緩速酸液體系形成蚓孔所需的酸液注入量和突破速度，設(shè)計(jì)3種酸液的段塞組合（表3），段塞組合原則為：

表3 酸液段塞組合方案Table 3 Acid slug combinations

（1）酸巖反應(yīng)速度慢的酸液放置在段塞組合的第1段，這樣設(shè)置有利于酸液段塞組合的深穿透；

（2）3種酸液體系最優(yōu)注入速度為1.0 mL/min，因此段塞注入速度也設(shè)置為1.0 mL/min；

（3）每個(gè)段塞注入體積設(shè)置為最優(yōu)突破注入量的一半，為了方便計(jì)量進(jìn)行取整，其中乳化酸體系最佳注入速度下的突破注入量為2.68 PV（表2中7號(hào)巖心），螯合酸體系最佳注入速度下的突破注入量為8.4 PV（表2中10號(hào)巖心），因此這2種體系中酸液A的注入量設(shè)置為1 PV和4 PV。

2.2.1 乳化酸+交聯(lián)酸

按照上述段塞組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路，在乳化酸和交聯(lián)酸段塞組合中，乳化酸注入量為1 PV，然后測(cè)試注入交聯(lián)酸直至突破時(shí)的注入量。乳化酸和交聯(lián)酸段塞組合的注入實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表4，巖心CT掃描圖像見圖6。

表4 乳化酸+交聯(lián)酸段塞組合的注入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 4 Experiment data of emulsified acid+cross-linked acid slug combination injection

從圖6可以看出，乳化酸注入后巖心沒有形成貫穿的蚓孔，巖心中有酸液溶解方解石時(shí)形成的孔洞；當(dāng)交聯(lián)酸注入后，形成貫穿的蚓孔，且蚓孔存在大量分支，無主蚓孔特征，貫穿后用酸總量為2 PV，遠(yuǎn)小于乳化酸最小突破注入量2.68 PV和交聯(lián)酸最小突破注入量5.27 PV之和的一半，其理論值為3.98 PV。

圖6 乳化酸+交聯(lián)酸段塞組合注入巖心CT掃描照片F(xiàn)ig. 6 CT scan of cores with emulsified acid+cross-linked acid slug combination injection

說明乳化酸注入段塞后，巖心滲透性已經(jīng)能得到較大程度改善，交聯(lián)酸溶蝕可形成更多基質(zhì)大孔道，能穿過乳化酸創(chuàng)造的蚓孔或者孔洞，并將這些孔隙連通。

2.2.2 螯合酸+交聯(lián)酸

在螯合酸和交聯(lián)酸段塞組合中，螯合酸注入量為4 PV，然后注入交聯(lián)酸直至突破，記錄交聯(lián)酸突破時(shí)的注入量。螯合酸和交聯(lián)酸段塞組合注入實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表5，巖心CT掃描圖像見圖7。3組實(shí)驗(yàn)中交聯(lián)酸突破注入量均在2 PV左右，總注酸量為6 PV左右，均形成了較好形態(tài)的蚓孔。而單一螯合酸和交聯(lián)酸的最小突破注入量分別為8.40 PV和5.27 PV，其平均值為6.84 PV，說明這2種酸液間也存在協(xié)同作用。在螯合酸注入階段巖心沒有形成貫穿的蚓孔，僅形成非連續(xù)的孔洞；交聯(lián)酸注入直至突破階段，巖心形成少量分支蚓孔、細(xì)小的主蚓孔。

表5 螯合酸+交聯(lián)酸段塞組合的注入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 5 Experiment data of chelated acid+cross-linked acid slug combination injection

從圖7可以看出，隨著巖心滲透率的增加，蚓孔長(zhǎng)度和直徑都有增大的趨勢(shì)，在巖心中形成帶有分支蚓孔的大直徑貫穿蚓孔。

圖7 螯合酸+交聯(lián)酸段塞組合注入巖心CT掃描照片F(xiàn)ig. 7 CT scan of cores with chelated acid+cross-linked acid slug combination injection

2.2.3 螯合酸+乳化酸

在螯合酸和乳化酸段塞組合中，螯合酸注入量為4 PV，然后注入乳化酸直到突破，記錄注入乳化酸突破時(shí)的注入量。螯合酸+乳化酸段塞組合注入實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表6，巖心CT掃描圖像見圖8。3組實(shí)驗(yàn)中乳化酸段塞突破注入量在1 PV左右，總突破注入量約為5 PV。而單一螯合酸和交聯(lián)酸的最小突破注入量積分別為8.40 PV和2.68 PV，其平均值為5.54 PV，協(xié)同作用弱于前兩種酸液段塞組合。在螯合酸注入階段巖心中沒有貫穿的蚓孔，僅形成非連續(xù)溶蝕孔；當(dāng)注入乳化酸至突破階段巖心形成了貫穿巖心的主蚓孔。

圖8 螯合酸+乳化酸段塞組合注入巖心CT掃描照片F(xiàn)ig. 8 CT scan of cores with chelated acid+emulsified acid slug combination injection

表6 螯合酸+乳化酸段塞組合的注入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 6 Experiment data of chelated acid+emulsified acid slug combination injection

從圖8可以看出，隨著巖心滲透率的增加，溶解的孔洞增多，巖心中的蚓孔分支也較多。螯合酸注入后巖心滲透率同樣得到很大程度改善，乳化酸注入過程中壓差小，所需突破體積小，蚓孔形態(tài)好。相比單獨(dú)用螯合酸或者乳化酸，每種酸的用量小于每種酸最小突破注入量的一半。

2.3 段塞組合協(xié)同效應(yīng)

以單一緩速酸液體系在最優(yōu)注入速度（1.0 mL/min）下的突破體積為基礎(chǔ)，計(jì)算出段塞組合的2種酸液的平均酸液突破注入量，與段塞組合實(shí)際酸液突破注入量進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算緩速酸體系協(xié)同效應(yīng)，結(jié)果見表7。

表7 緩速酸體系協(xié)同效應(yīng)Table 7 Synergistic effect of retarded acid system

表7數(shù)據(jù)顯示，交聯(lián)酸+乳化酸段塞組合實(shí)際酸液突破注入量最少，為2 PV，協(xié)同效應(yīng)最高可達(dá)49.69%，即可節(jié)約一半的總體酸液用量，降本增效顯著。這與乳化酸黏度低、迅速突破溶蝕，易于孔隙喉道快速連通，交聯(lián)酸黏度高，易于局部溶蝕，擴(kuò)大孔隙喉道的溶蝕機(jī)制相符合。其他2種段塞組合也具有一定的正協(xié)同作用，能夠發(fā)揮2種酸液各自的優(yōu)勢(shì)，其中酸液體系是協(xié)同效應(yīng)的主控因素。

乳化酸+交聯(lián)酸段塞組合注入過程中壓差變化曲線見圖9，曲線分4個(gè)階段：煤油驅(qū)替（4 PV）、乳化酸段塞（1 PV）、煤油驅(qū)替（4 PV）、交聯(lián)酸段塞（1 PV）。乳化酸注入巖心后，酸液溶蝕使巖心驅(qū)替壓差明顯降低，巖心滲透率大幅增加，滲透率越低的巖心驅(qū)替壓差降低幅度越大。交聯(lián)酸段塞后，酸液溶蝕使巖心驅(qū)替壓差降為0 MPa，形成貫穿巖心的主蚓孔。

圖9 乳化酸+交聯(lián)酸段塞組合注入過程中壓差變化Fig. 9 Pressure difference change of emulsified acid+crosslinked acid slug combination injection

不同緩速酸體系通過段塞組合，在減少酸液用量的情況下，同樣可以形成酸蝕主蚓孔，突破巖心，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層改造的目的。

3 結(jié) 論

（1）交聯(lián)酸、乳化酸和螯合酸均能產(chǎn)生有效蚓孔，且存在最佳注入速度，約為1.0 mL/min。在最佳注入速度下，3種緩速酸巖心流動(dòng)后CT掃描顯示：乳化酸可實(shí)現(xiàn)巖心的有效溶蝕、孔隙喉道快速連通，酸液突破注入量最小；交聯(lián)酸酸液濾失低，易形成主蚓孔，酸液突破注入量居中；螯合酸通過絡(luò)合作用溶蝕，孔隙均勻溶蝕能力較強(qiáng)，傾向于擴(kuò)大基質(zhì)孔道，提高基質(zhì)滲透率，難以形成突破主蚓孔，酸液突破注入量最大。

（2）通過定義的碳酸鹽巖酸液段塞組合選擇方法，定量探索了不同酸液之間協(xié)同增效作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明不同緩速酸段塞組合均具有一定的協(xié)同作用，其中乳化酸和交聯(lián)酸協(xié)同作用最強(qiáng)，協(xié)同效應(yīng)達(dá)49.69%，螯合酸和交聯(lián)酸協(xié)同作用次之，螯合酸和乳化酸協(xié)同作用較低。

（3）通過對(duì)不同緩速酸體系巖心最佳注入速度、段塞組合方式及其協(xié)同效應(yīng)的研究，可實(shí)現(xiàn)降低酸液成本的目的，為酸液體系的選擇及優(yōu)化酸化工藝參數(shù)提供理論依據(jù)。