转向酸的实验室评价及现场应用

王道成 张 燕 邓素芬 向 超 王 川 龙顺敏 张亚东 刘 爽

（1．中国石油西南油气田公司天然气研究院）（2．中国石油西南油气田公司蜀南气矿）

海相碳酸盐岩储层是油气勘探开发的重要领域［1－12］。川渝地区碳酸盐岩油气藏分布较广，勘探潜力巨大，先后发现了一批储层复杂的气田，如龙岗、川中高石梯～磨溪及川东石炭系等，此类气田储层具有低孔、中低渗、非均质性强、储层井段长等特征，施工工艺较为复杂，给酸压改造带来了较大的难度。转向酸具有“变黏、缓速、降滤”的特征，纤维具有封堵裂缝的性能，在此类长井段、非均质储层中得到了广泛的应用［12］。转向性能为转向酸、纤维的重要性能指标之一，为此，室内开展了大量的研究工作（如变黏持续时间、峰值大小及出现的时间等），但是，大量研究者只对转向酸体系的室内性能进行定性评价，并没有与现场的施工条件相结合（如部分施工需要多次转向，部分施工需要快速转向），室内实验结果不能有效指导现场施工，且纤维转向剂室内转向性能评价实验较少公开报道［2，12］。因此，针对目前研究的不足，通过实验室定量评价变黏持续时间长度，定量评价变黏的峰值大小及出现的时间，定性确定转向过程压力变化特征，探索纤维转向剂封堵转向压力实验，初步探索形成了转向酸、纤维转向剂的适应条件。在结合现场施工工艺要求及储层特征的基础上，应用转向酸、纤维转向剂适应条件选择标准，推荐适宜的转向酸及纤维体系，并在石炭系水平井Y5井中进行了成功应用。

1 转向酸性能评价认识

大量研究者针对转向酸的主要性能，即转向性能、变黏过程特征和耐温性能，开展了大量的室内实验评价，并获得了相应的认识［2－10］。

1．1 转向性能评价

转向性能是衡量转向酸最为重要的性能指标之一，一般应用双（多）岩心流动实验的压差值或岩心酸化效果对转向性能进行表征，研究者对其变化规律进行了研究，并获得了初步的认识：温度升高，转向效果下降；渗透率倍数增加，转向效果下降；大排量注入可能对转向效果不利；转向剂含量的增加，可以适当提高转向效果［3－5］。

1．2 变黏过程评价

用酸液黏度随酸液浓度的变化关系，对酸液黏度变化过程进行模拟，明确酸液的黏度达到最大时的浓度值、酸液降低为残酸的黏度值、酸液的最大变黏黏度值等参数，以便优选最优的转向酸体系［2，6］。

1．3 耐温性能评价

用酸液黏度随温度的变化关系，对酸液在分子热运动及胶束降解的作用下酸液黏度的变化过程进行模拟，明确酸液的耐温性能，研究认为，在转向剂充分溶胀后，随温度升高，黏度逐渐降低［7－10］。

上述研究成果主要集中在转向酸的最大变黏黏度值及变黏宽度的定性模拟，没有对不同转向酸体系具体的变黏持续时间长度、最大变黏黏度值出现的时间进行对比研究，所以，为了更好地指导现场施工，需要开展相应的实验室评价工作。

2 转向酸及纤维转向剂性能评价

本实验评价采用的CT转向剂主要为两性表面活性剂，通过分子结构的调整优化，形成不同性能的系列转向剂，采用转向剂、缓蚀剂、铁离子稳定剂及其他添加剂进行配制，配方如下：

20%（w）HCl＋4%（w）CT1－18（转向剂）＋1%（w）CT1－3C（缓蚀剂）＋1%（w）CT1－7（铁离子稳定剂）＋其他添加剂。

2．1 转向范围评价

利用酸岩反应中黏度变化持续的时间表征转向酸的转向范围（包括最大黏度值出现的时间），该评价结果可以有效表征转向酸与储层反应时，持续变黏的过程特征，为优选适宜转向范围的酸液体系提供数据支撑。本次实验评价温度为90℃，评价时固定酸液量及酸岩反应面积，且岩石过量。

从实验结果（图1和图2）可看出，实验用的两种酸液体系都有明显的变黏性能，且在残酸时自动破胶。本次评价的酸液体系初始黏度为21mPa·s左右，酸液需要保持一定的黏度才能实现转向，为了转向范围对比较为准确，采用残酸黏度降低为初始黏度时对应的时间为转向过程结束时间。图1为第一类典型的变黏转向过程，在反应20min后黏度值达到42mPa·s；反应50min后降低至初始酸液黏度，即转向过程结束；反应至80min后降低为5mPa·s，变为残酸，该变黏过程持续50min。图2为第二类典型的变黏转向过程，该体系初始黏度为21mPa·s，随反应的进行，在反应70min时黏度值达到69mPa·s，反应90min降低为初始黏度，即转向过程结束；反应至110min后降低为5mPa·s，变为残酸，该变黏过程持续90min。从黏度变化曲线可以看出，总体上表现为两类特征：第一类，转向范围相对较窄型（图1），可以在较快的条件下反应产生黏弹体，封堵储层；第二类，转向范围相对较宽型（图2），在酸岩反应相对较长时间后，才能产生封堵效果较好的黏弹体。从上述两种体系转向范围特征说明这两类转向酸适用于不同的储层特征及施工工艺的要求。

以上的变化特征，可能与转向酸变黏过程分子微观结构有关。转向酸变黏过程为：酸液首先与储层发生反应，消耗酸液中的H＋，使转向酸pH值升高，同时产生大量的Ca2＋、Mg2＋，使转向剂分子形成棒状胶束，在Ca2＋、Mg2＋达到发生相互缠绕的临界胶束浓度时，形成网状结构，黏度达到最大值。该变黏过程中，不同分子结构转向剂形成的胶束水动力学尺寸大小和网状结构强度不同，而宏观表现为最大变黏黏度值的大小、时间和变黏宽度的不同，通过调整转向剂主剂分子结构，实现不同转向酸转向范围和最大变黏值及出现的时间［11］。

2．2 转向性能评价

利用转向酸双岩心封堵转向压力差实验对非均质储层转向性能进行评价，可以有效地表征转向酸与储层反应转向压力变化过程（即为封堵压力峰值），为优选适宜的酸液体系提供数据支撑。本次实验温度为90℃，固定注酸速率，采用两种转向范围差异较大的酸液体系对一定渗透率倍数的岩心进行转向性能评价（实验用高、低渗透率岩心渗透率倍数为6倍左右）。

图3和图4为典型的两种转向酸转向压力变化过程，图3采用的转向酸体系比图4采用的转向范围窄。大多数研究结果的压力曲线变化趋势如图3。随反应的进行，压力缓慢升高，反应80min，压差到达峰值后迅速降低（部分实验结果，最大压差阶段会持续一段时间），此过程出现多次压力微微下降过程（出现3次压力降落），说明转向酸在储层中发生变黏、转向，但是压力降低幅度较小。由于其转向变黏的范围较窄，在形成一定黏度后封堵高渗透层，封堵时间相对较短，使酸液进入低渗透层液量相对较少，并不能实现较长时间的封堵。从图4可看出，转向酸注入时压差出现至少3次明显升高及降低过程，第一次为酸液注入约30min时，出现压差峰值，并持续较长时间，此阶段酸液进入高渗透岩心，随反应的进行，酸液黏度逐渐升高，并没有完全封堵高渗透层，压差基本保持不变，说明酸液在同时进入高、低渗透储层，并没有形成持续增加的封堵压力；随后，压差不断升高及降低，说明此阶段转向酸进入高、低渗透岩心中发生了变黏转向。图3和图4注入压差的变化过程，说明转向酸具有明显的转向性能，且转向压力的变化特征与转向范围直接相关，转向范围窄时，封堵时间相对较短，出现1次明显压力峰值；转向范围较宽时，由于封堵时间相对较长，实验中出现多次峰值，此实验结果与转向酸峰值大小、峰值出现时间、持续时间及实验模拟条件密切相关。

2．3 纤维转向剂转向性能评价

针对孔隙型储层，转向酸封堵转向效果较好，但是针对具有裂缝的储层，需要结合物理转向剂才能获得较好的转向效果，如Schlumberger等大型公司对应用较为广泛的可降解纤维体系现场应用进行了大量报道，但是较少公开报道相关纤维转向剂实验室评价实验［12］。本次针对川渝油气田应用较为广泛的纤维转向剂进行了室内实验评价探索，为了保证实验结果的准确性和可重复性，分别采用盐水、盐水＋纤维在同一裂缝型岩心中进行渗透率及压力对比实验。实验中将岩心剖开，人为固定裂缝开度，采用纤维转向剂在岩心裂缝端面进行测试，模拟现场加量大小，裂缝入口铺入纤维转向剂，测试铺入纤维转向剂前后的注入压力和渗透率变化情况。实验结果见表1，采用纤维注入较盐水单独注入岩心时，注入压力提高3．2MPa，说明纤维有效地封堵了裂缝。

表1 纤维转向剂转向性能评价Table 1 Diverting performance assessment of fiber diverting－agent

3 转向酸及纤维转向剂的适应性探索

基于上述评价结果，初步得出转向酸、纤维转向剂在不同施工工艺、不同储层特征下的适应性：①第一类转向酸适用于施工时间相对较短、液量相对较少、储层相对较短的施工井，如龙岗长兴组、飞仙关储层酸化施工时间在1h左右，酸化规模在300m3以内，井段在20m以内，可达到快速转向的目的；②第二类转向酸适用于施工时间相对较长、液量相对较大、储层段相对较长的施工井，如川东石炭系及川中雷口坡水平井，施工时间在1h以上，施工液量在300～1 000m3左右，储层段长达100m以上，可实现均匀布酸的目的；③纤维转向剂适用于需要实现层间转向，渗透率倍数相差极大，有大量微裂缝存在的施工井，如高石梯～磨溪构造，施工段达50m以上，且含有大量的缝（洞），渗透率相差高达40倍以上，结合转向酸及纤维转向剂可以封堵高渗透裂缝带，改造低渗透带，实现沟通远井渗流带的目的。

由于转向酸体系的转向性能与储层的温度、施工井段长度、裂缝（孔洞）发育程度、发育形状及施工工艺要求等有关，室内实验模拟条件与现场条件相差较大，建立在本次实验研究适应性探索结果基础上的，有待进一步进行实验研究。

4 现场应用

Y5井为位于四川盆地某高陡构造区的一口水平井，试油段解释储层9段，为灰色云岩。孔隙度4．35%～8．65%，渗透率（0．267～6．655）×10－3μm2，为裂缝－孔隙型储层，井底温度80℃。

通过该井施工段特征分析认为，酸化施工需要解除钻完井过程中对储层造成的污染，同时力争能沟通远井区可能存在的天然缝洞系统。本次酸化施工分为3段，段长在60～74．5m，但单段试油段内储层渗透率差异较大（高达25倍），因此整个施工段均匀布酸存在一定困难。设计中采用快速增黏且能达到封堵效果（针对本次工艺设计施工液量较少）的转向酸体系、纤维转向剂（针对裂缝、渗透率差异较大储层）作为酸化工作液，既能实现施工井段合理布酸，又能达到形成深穿透改造的酸化目标。

从本次施工曲线（图5）可以看出，在第一阶段转向酸进入地层后3min即出现了第一次压力上升1．2MPa（图上“1”至“2”点），说明酸液快速地建立了黏度，但是，随即压力从77MPa下降到72MPa，说明转向酸在近井储层反应，解除了污染，沟通了裂缝或渗流带；第二、第三阶段在加入纤维转向液后，施工压力明显高于第一个阶段（纤维转向液注入后，压力上升到87MPa左右），可能为纤维转向剂注入后，纤维与转向酸共同作用下，封堵能力明显增强，阻止酸液进入高渗透层，使酸液转向进入低渗透层，由于本次施工井段较长、施工酸液总液量较少，随酸液的不断注入，转向酸只能承受一定的封堵压力，其承受的压力、自动破胶能力和其增黏能力相互平衡，所以施工曲线表现为储层压力不断上升和下降的过程，不能形成长时间的压力升高过程，图中“3”在排量逐渐升高的条件下，出现3次压力明显升高且快速降低的过程，最大压差达到9MPa，与第一类转向酸体系快速升高及降低的转向特征相同，且纤维转向剂有助于封堵裂缝等高渗层，进一步提高转向效果，出现多次转向特征，使酸液进入低渗透储层，沟通天然缝洞［5］。

该井施工后油压14．34MPa，为初始油压的2．7倍，测试产气12．32×104m3／d，为初测产量的3．95倍，从图5可以看出，本次采用纤维转向酸体系，达到了快速增黏，持续转向的目的，与室内的实验结果变化趋势较为接近，表明采用转向范围、转向过程对转向酸的性能评价，从而推荐的体系是可行的。

5 结 论

（1）转向范围评价实验表明，不同转向酸体系的转向范围特征差别较大，第一类可以在20min内反应产生黏弹体，封堵储层；第二类在酸岩反应70 min后才能产生封堵效果较好的黏弹体，封堵储层。

（2）转向性能评价实验表明，不同转向范围转向酸体系的转向压力差值差别较大，转向范围窄，不能实现多次明显封堵转向；转向范围较宽的转向酸体系，可以实现多次封堵转向，转向时间持续更长。

（3）应用转向范围理论，优选的快速增黏转向酸＋纤维体系对Y5井进行施工后，获得了较好的效果，施工曲线表现出转向剂封堵裂缝储层、转向酸多次快速转向的特征，说明应用该方法推荐不同转向范围的转向酸体系及纤维转向剂是可行的。

［1］Al－Anzi E，Al－Mutawa M，Al－Habib N，et al．Positive reactions in carbonate reservoir stimulation［J］．Oilfield Review，2003，158（4）：28－45．

［2］刘友权，王小红，王川，等．CT高温转向酸的研制及应用［J］．石油与天然气化工，2011，40（6）：614－615．

［3］王小红，刘友权，廖军，等．转向酸转向性能影响因素研究［J］．石油与天然气化工，2012，41（2）：204－206．

［4］Bernhard Lungwitz，Chris Fredd，Mark Brady，et al．Diversion and cleanup studies of viscoelastic surfactant－Based self－diverting Acid［C］．SPE 86504，2007．

［5］Mathew Samuel，Dan Polson，Don Graham，et al．Viscoelastic surfactant fracturing fluids：applications in low permeability reservoirs［C］．SPE 60322，2000

［6］刘友权，赵万伟，王小红，等．粘弹体表面活性剂自转向酸特点及其在川渝油气田的应用［J］．石油与天然气化工，2008，37（增刊）：103－107．

［7］王永辉，李永平，程兴生，等．高温深层碳酸盐岩储层酸化压裂改造技术［J］．石油学报，2012，33（2）：165－173．

［8］王彦玲，徐超，王增宝，等．变粘分流酸液流变性影响因素的研究［J］．应用化工，2012，41（6）：1000－1005．

［9］张俊，胡君诚，童维进．变粘酸的室内合成及性能研究［J］．海洋石油，2011，31（3）：60－63．

［10］刘合，张劲，张士诚．多功能清洁酸性压裂液的设计［J］．石油学报，2009，30（3）：427－429．

［11］何春明，郭建春．VES自转向酸变粘机理实验研究［J］．油田化学，2011：363－366．

［12］Quevedo M，Tellez F，Resendiz T．An innovative solution to optimizing production in naturally fractured carbonate reservoirs in southern mexico［C］．SPE 152554，2012．