塔河油田深穿透酸液体系性能研究

关海杰，胡文庭，罗攀登

(中国石化西北油田分公司工程技术研究院，乌鲁木齐 830011)

塔河油田碳酸盐岩储层采用常规酸压工艺改造存在以下主要问题：1)缝洞型碳酸盐岩储层酸压液滤失量大，酸蚀裂缝穿透距离有限；2)单一储层改造工艺改造区域有限，控制范围不理想；3)常规酸液体系不能实现长裸眼井段均质改造。为此笔者优选出了3种适合塔河油田深穿透酸压的工作液体系，即FRK-V180高温胶凝酸体系、KMS-50变黏酸体系和SRGE地面交联酸体系，对3种酸液体系的综合性能进行了对比研究。

1　深穿透酸液体系调研

胶凝酸即稠化酸，是碳酸盐岩储层深度酸化的主流酸液体系之一。酸液稠化剂主要由丙烯酰胺或烯类单体与一些含有耐温抗盐基团的单体共聚得到，目前这类稠化剂的应用最为广泛[1]。

变黏酸是一种能有效控制酸液滤失的新型酸液体系，包括温控变黏酸和pH控制变黏酸。温控变黏酸具有良好的高温流变性能，其酸岩反应速度为目前常用胶凝酸的1/3左右，能实现活性酸酸液的深穿透。pH变黏酸目前应用较多的是降滤失酸和黏弹性表面活性剂基变黏酸[2]。

地面交联酸具有黏度高、滤失低、摩阻低、易泵送、酸岩反应速度慢、造缝效率高、易返排、流变性好、能携沙等一系列优点，可以实现酸液体系深穿透。目前常用的稠化剂是丙烯酰胺类聚合物及乙烯类聚合物[3]，其中丙烯酰胺类聚合物应用最广。

2　深穿透酸液体系性能研究

实验中3种酸液体系中盐酸的质量分数均为20%。通过酸岩表面反应动力学参数试验、岩心溶蚀率测定、酸液黏温性能试验、酸液携砂性能及破胶性能试验、酸液体系伤害实验等对酸液体系的综合性能进行研究。

2.1　岩心溶蚀率

实验温度为90 ℃，岩样质量为5～6 g，酸液用量约100 mL，分别测定不同反应时间下的岩心溶蚀率，结果表1所示。酸岩接触时间越长，溶蚀率越高。但随着时间的增加，溶蚀速率趋缓，这是因为随着反应的进行，酸液中H+浓度降低，酸岩接触面积减小。地面交联酸的溶蚀率远小于胶凝酸和变黏酸，是因为地面交联酸的黏度远大于后者，H+传质系数也比后者小很多。

表1　酸液溶蚀率随反应时间的变化

2.2　酸液性能参数

2.2.1酸液黏度

测定不同温度下3种酸液体系的黏度，结果如表2所示。胶凝酸和变黏酸的初始黏度相近，地面交联酸的初始黏度最大。温度相同时，地面交联酸的黏度远大于另外2种酸液体系。随着温度升高，胶凝酸和变黏酸的黏度整体呈缓慢下降趋势，而地面交联酸的黏度则急剧下降。温度升至125 ℃时，胶凝酸和地面交联酸的黏度均达到100 ℃以上高温条件下的相对高峰值。

表2　3种酸液体系在不同温度下的黏度

2.2.2酸-岩表面反应动力学

酸蚀裂缝的导流能力与岩石的成分、酸-岩反应的速度、酸对裂缝壁面的不均匀刻蚀程度、酸压形成的裂缝长度等因素有关[4]，酸-岩反应基本参数的研究对酸化施工具有重要意义。

用质量分数为20%的鲜酸制得性能稳定的酸液体系，圆柱形岩心长3 cm，直径2.5 cm，岩心/酸液质量比为1∶40。将岩心置于反应釜中，调节加热控制装置，将酸液加热至预设温度，将酸液倒入反应釜，在设定的时间内以一定的转速模拟酸-岩反应。一定反应时间后取出残酸，用氢氧化钠标定反应后残酸的浓度。岩样表面积为5.07 cm2，试验压力为7 MPa，搅拌转速为500 r/min，变黏酸和地面交联酸试验温度为140 ℃，胶凝酸试验温度为130 ℃。3种酸液体系的酸-岩反应动力学试验结果见表3～表5。

表3　变黏酸酸-岩反应动力学试验结果

表4　地面交联酸酸-岩反应动力学试验结果

表5　胶凝酸酸-岩反应动力学试验结果

根据质量作用定律，当温度、压力恒定时，酸岩反应速率与反应物浓度的m次方成正比，计算公式如下：

J=K×cm

式中，J为酸岩反应速率，mol /(cm2·s)；K为反应速率常数，(mol/L)-m·mol/(cm2·s)；c为酸液起始浓度，mol/L；m为反应级数，无因次。

根据表3～表5的数据，采用最小二乘法线性回归得到3种酸液体系的酸岩反应动力学参数， 140 ℃时变黏酸和地面交联酸、130 ℃时胶凝酸的酸岩反应动力学方程分别如下：

J=6.404 7×10-7×c1.591 4

J=4.265 8×10-7×c11.151 1

J=1.676 1×10-5×c10.192 3

胶凝酸的反应速率常数大于变黏酸和地面交联酸，高温时变黏酸的反应速率常数和地面交联酸相差不大，说明高温下变黏酸和地面交联酸的黏度较大，可以有效降低酸岩反应速率。

2.2.3H+传质系数

酸压时酸液沿裂缝流动并反应，浓度逐渐降低，氢离子有效传质系数De发生变化。利用旋转岩盘试验测定De值[5]，实验温度为120 ℃，压力为7 MPa，搅拌转速为500 r/min，岩样直径为2.5 cm，岩样表面积为5.07 cm2，反应时间均为120 s。3种酸液体系的H+传质 系数测定结果见表6～表8。

表6　胶凝酸配方氢离子有效传质系数测定结果

表7　变黏酸配方氢离子有效传质系数测定结果

表8　地面交联酸配方氢离子有效传质系数测定结果

由表6～表8可知，胶凝酸的H+传质系数大于变黏酸和地面交联酸。高温下变黏酸的反应速率常数和地面交联酸相近，变黏酸和地面交联酸的黏度较大，可以有效降低H+传质系数，从而减缓酸岩反应速率。

2.3　酸液黏温性能

2.3.1变黏酸、胶凝酸的黏温性能

用哈克HAAKE RS6000流变仪测试变黏酸和胶凝酸的黏温曲线。实验条件：剪切速度170 s-1，温度由30 ℃升至150 ℃，变黏酸升温速率1 ℃/min，胶凝酸升温速率3 ℃/min。2种酸液体系的黏温曲线如图1和图2所示。

图1　变黏酸黏温曲线

图2　胶凝酸黏温曲线

变黏酸的初始黏度约为40 mPa·s，当温度升至70 ℃后，变黏酸的黏度迅速上升，温度达 85 ℃时黏度最大，而后又迅速下降，随着温度升至120 ℃，黏度下降得更为迅速，直至维持在10～20 mPa·s；胶凝酸的初始黏度约为70 mPa·s，随着温度的升高黏度缓慢下降，可以达到45～50 mPa·s，当温度高于120 ℃时，黏度有较大程度下降，最终黏度仍可维持在20～30 mPa·s。

2.3.2地面交联酸的黏温性能

用哈克HAAKE RS600流变仪测试地面交联酸的黏温曲线，实验温度为150 ℃，在170 s-1下剪切2 h，地面交联酸的耐温耐剪切曲线如图3所示。地面交联酸的初始黏度较大，随着温度升至150 ℃，黏度开始迅速下降，但始终维持在50 mPa·s左右。

图3　地面交联酸耐温耐剪切曲线

2.4　酸液配伍性

压裂液进入地层后与地层中的岩石矿物及各种流体接触，不应发生不利于油气渗滤的物化反应[6]。考察裂液与地层水的配伍性就是测试压裂液中的破胶液与地层水作用是否产生乳化及沉淀[7]，以便采取措施，降低其对地层渗透率的损害。

将酸液体系与标准盐水分别按照1∶2、1∶1、2∶1的体积比混合，总体积分别为75，100，150 mL，静置并观察有无沉淀。实验结果显示3种酸液体系在与标准盐水混合的0～24 h内均无沉淀产生，酸液体系与地层水的配伍性良好。

2.5　携砂及破胶性能

由前面的实验结果可知，与另外2种酸液体系相比，地面交联酸的黏度更高，溶蚀速率更低，更适合深穿透酸压，所以重点研究地面交联酸的携砂性能。携砂能力不但可以检验交联酸的黏弹性，还可以了解交联强度，支撑剂在交联酸中的沉降速度越小，携砂能力越强。

2.5.1地面交联酸携砂性能

实验中可分别测定单颗粒砂的沉降速率和多砂粒共同沉降的速率。室内可以通过一套简单的实验方法，近似测出多颗粒砂在酸液中的沉降速度，为实验室评价交联酸悬砂性能提供参考和依据。

1)支撑剂沉降实验

通常用支撑剂颗粒在压裂液中的自由沉降速度来表示单颗粒沉降速度，单颗粒最佳沉降速度应≤0.08 mm/s。实验结果显示，30，60，90 ℃时地面交联酸单颗粒支撑剂的平均沉降速率分别为0.018 4 ，0.027 9，0.047 8 mm/s，3个温度下均可以有效携砂。

2)携砂浓度优化

对于携砂压裂液而言，当砂比增大到一定程度后，支撑剂颗粒在沉降过程中会带动周围压裂液向下运动，每一股压裂液的下沉都会引起周围相同体积压裂液的上升，反过来对支撑剂具有一定的提携作用[8]。但是沉降速度最终会随着砂比的增大而增大，当颗粒浓度达到一定程度后会出现颗粒群的相互聚集，即颗粒团聚现象。不同砂比条件下砂粒的分散情况如表9所示。当砂比≤25%时，地面交联酸对砂粒有较好的支撑作用，砂比过大则会造成支撑剂的聚集和沉降，建议砂比为25%。

表9　不同砂比条件下砂粒分散情况

2.5.2地面交联酸破胶性能

根据压裂液破胶机理，当压裂液与氧化剂混合时，稠化剂分子可以被氧化破胶。将100 mL地面交联酸加入破胶剂后装入密闭容器内，置于恒温水浴锅中加热，2 h后加入碳酸钙粉末，反应至残酸后测量残酸黏度。残酸黏度与破胶剂用量的关系如图4所示。

图4　残酸黏度与破胶剂加量的关系

从图4可看出，当破胶剂的质量分数为0.03%时，残酸黏度<10 mPa·s，有利于返排，对地层伤害也较小，建议破胶剂用量为0.0.3%。

3　结论

1)酸岩接触时间越长，溶蚀率越高，但随着溶解时间的增加，溶蚀速率趋缓，地面交联酸的溶蚀率远小于同时间的胶凝酸和变黏酸；胶凝酸的反应速率常数大于变黏酸和地面交联酸。

2)黏温试验结果显示，胶凝酸和变黏酸的初始黏度相近，地面交联酸的初始黏度最大。温度相同时，地面交联酸的黏度远大于另外2种酸液体系。当温度为125 ℃时，胶凝酸和地面交联酸的黏度均达到100 ℃以上高温条件下的相对高峰值。

3)酸岩表面反应动力学实验结果显示，胶凝酸的反应速率常数最大，变黏酸次之，地面交联酸最小。H+传质系数测定结果显示，胶凝酸的H+传质系数大于变黏酸和地面交联酸。

4)地面交联酸、变黏酸及胶凝酸与地层水配伍性能良好，地面交联酸拥有较好的携砂能力，破胶后残酸黏度为9 mPa·s。

[1]威廉斯B B，吉德里J L，谢克特R S.油井酸化原理[M].北京:石油工业出版社，1983：20-25.

[2]王姹娣，周江译.一种用于酸化压裂的新型胶凝体系[J].国外油田工程，2000(9):8-11.

[3]修书志，杜成良，郑云，等.SCJ-1稠化酸的研究与应用[J].钻井液与完井液，1999，16(5):41-44.

[4]马喜平.提高酸化效果的缓速酸[J].钻采工艺，1996,19(1):55-62.

[5]方娅.油气井酸化工作液增稠剂[J].钻采工艺，1993，6(3):69-74.

[6]Chavanne C，Perthuis H G.A fluid selection expert system for matrix treatment[J].SPE24995-MS,1992.

[7]SPE G W，Lope H ，Calf A S M.A new gelling system for acid fracturing[J].SPE52196-MS,1999.

[8] 原青民.油气井酸化缓蚀剂评述[J].石油钻采工艺,1986(3):67-69.