S 区碳酸盐岩耐高温酸压酸液体系优选及性能评价

曹广胜，李 哲，隋 雨，白玉杰，王大業

（东北石油大学提高油气采收率教育部重点实验室，黑龙江大庆163318）

酸压作业时，酸液体系是酸压成功与否的重要因素。1970 年，国外对稠化酸开始研究[1]，1984 年国内开始对稠化酸进行研究[2]；1983 年，以黄原胶作为稠化剂得到的酸液体系在美国等地区应用[3]；塔河油田在2003 年用高浓度胶凝酸进行酸压改造[4]，改造效果较好；2004 年中原油田研究出耐160 ℃高温的胶凝酸体系[5]；李爱山等[6]合成能耐温170 ℃的稠化剂；普光气田在2011 年采用胶凝酸闭合酸压对储层进行改造，得到了比较明显的效果。朱军剑等[7]针对克拉玛依油田对清洁稠化酸进行研究；张俊江等[8]针对塔河油田高温特点，研制了耐温抗盐酸液稠化剂；姚远等[9]研究稠化缓速酸液体系，有效改善岩石渗透率，可以满足现场施工要求；刘通义等[10]研究出耐100 ℃的温控变黏酸体系。国内外对酸压所用酸液体系已经进行了很多研究，但是并没有单独针对S 地区特点进行稠化酸的探究。

S 地区碳酸盐岩储层岩性致密，非均质性强，同时碳酸盐储层岩性也变化多样，主要有石灰岩、白云岩，以及两种岩性之间的过渡岩性，如白云质灰岩、灰质白云岩等。目前需要进行增产措施。碳酸盐岩储层常用的增产增注措施是酸压[11]，S 区碳酸盐岩地区由于施工温度较高，进行酸压时的难点在于稠化剂是否耐高温。因此本文主要针对S 区的特性，对酸压所用稠化酸酸液体系中的主体酸液以及稠化剂进行优选评价。

1 S 区块碳酸盐岩储层特征

储层特征是进行酸压设计时必须考虑的因素，储层的不同物性参数对主体酸液以及稠化剂的选择起着决定性作用。

1.1 孔渗特征

岩石的孔隙性决定了岩层的油气储量以及储能。储层岩石的渗透性表征了岩石允许流体流过的能力。由于储层孔隙度受埋藏深度的影响[12-13]，为了更全面地了解储层，选择不同深度岩心测其孔隙度和渗透率。首先选取不同深度的岩心柱，用气测渗透率仪测量渗透率；配制地层水并且把岩心逐个称重；用地层水饱和岩心24 h；取出岩心，将岩心表面擦拭干净、称重，计算渗透率。绘制孔隙度和渗透率分布的直方图，结果见图1。

由图1 可见，测得的孔隙度都在0.1%～2.0%，集中分布在0.5%～1.0%，平均孔隙度非常小，在1.0% 左右。测得的渗透率均在0.01 mD 以下，甚至有几块岩心测不出渗透率，而大部分主要集中在0.003 mD 左右。通过孔隙度以及渗透率的测定，发现目标储层的孔隙度和渗透率都特别低，岩性比较致密，孔隙不发育或连通性差。

1.2 矿物成分分析

矿物成分影响酸压用酸液体系的选择，同时，也会影响酸压效果，例如溶蚀率、溶蚀裂缝导流能力等[14-16]。在室内温度下，选取不同深度的岩心，通过X 射线衍射，检测目的储层不同深度的岩石矿物组成。 首先选取储层不同深度的岩石；研磨成岩粉，并过100 目筛网；用X 射线衍射仪检测，检测结果见图2。

图1 S 区块碳酸盐岩油田孔隙度和渗透率分布Fig. 1 Porosity and permeability distribution map of carbonate oil field in Block S

图2 岩样矿物成分分布Fig.2 Distribution map of mineral composition of rock samples

由图2 结果得到，编号为5、6、7、8、10 以及12-20 的岩石主要成分为方解石，质量分数约占80%，白云石质量分数不到10%，石英质量分数在7% 左右，黏土质量分数在3% 左右；编号为1、2、3、4、9、11的岩石主要成分为白云石，质量分数在60% 左右，方解石质量分数在30% 左右，石英质量分数在7%左右，黏土质量分数在3% 左右。

1.3 抗压强度

室温下，选取储层不同深度的岩心柱，用单轴压缩机测量抗压强度[12]。结果发现破碎载荷均比较高，在40 MPa 以上，高破碎载荷的原因主要有以下两个方面：一是目的储层碳酸盐岩的孔隙度特别小，都在0.1%～2.0%，并且埋藏深度特别大，最深可达6 000 m；二是目的层岩石矿物成分中，含有大量的方解石和石英，这两种成分同样导致高的破碎载荷，与此同时，岩石含有硅质胶结物也是一个重要因素。

2 酸液体系优选

在酸压过程中，裂缝发育情况以及溶蚀速率等都与酸液体系直接相关。在选择酸液时，首先要考虑主体酸液的溶蚀效果；其次，要考虑酸液增稠来控制酸压过程中的滤失和裂缝的有效作用长度[13]。由于目标储层的高温特性，因此在优选酸液体系时要从主体酸类型、浓度，以及稠化剂的类型、浓度和耐高温性能上考虑。

2.1 主体酸液选择

在碳酸盐岩酸压时，主体酸一般用盐酸[17]，由于储层含有石英，本文选择了氢氟酸以及氟硼酸等酸液。在室内温度下，进行岩粉溶蚀实验。首先将小块天然岩心放入研磨机中研磨，过100 目筛网，筛得实验所需岩粉；配制酸液，加适量岩粉，使其充分反应，置于恒温箱4 h；用漏斗过滤、烘干，计算溶蚀率。岩粉溶蚀结果见表1。

由表1 可见，当盐酸单独使用时，其他实验条件相同，不同质量分数的盐酸进行岩粉溶蚀实验时，溶蚀率较高，达到85% 以上，质量分数20% 的盐酸酸液溶蚀率要高于质量分数15% 的盐酸酸液溶蚀率，且溶蚀率提高幅度也较大，这是由于酸液有效组分增多。氢氟酸单独作用时，质量分数3% 的酸液效果更好；氟硼酸单独作用时，氟硼酸质量分数为4% 时效果最好。质量分数20% 的盐酸复配酸液比质量分数15% 的盐酸复配酸液溶蚀率效果较好，但盐酸与氢氟酸或与氟硼酸复配得到的溶蚀率提升幅度并不大，这是由于岩心中主要矿物成分为白云石和方解石，石英及黏土矿物成分含量并不高，因此选择主体酸液为质量分数20% 的盐酸。

2.2 稠化剂优选

在进行酸压时，只用盐酸很难控制酸岩反应速度以及酸蚀裂缝的长度，影响酸压效果，因此采取加入稠化剂的方法，配制稠化酸体系[18]。

由于目标储层温度为100～140 ℃，稠化剂在选择时的难点在于是否能耐高温，目前已知高温下稠化剂较少，所以选择了不同类型的稠化剂和浓度，并加入盐酸配成溶液，用流变仪测定其不同温度下黏度。当把加入质量分数0.5% 的黏弹性表面活性稠化酸（VES）溶液放在100 ℃恒温箱中一定时间，溶液完全挥发，烧杯上残留焦状物质。当把加入质量分数0.5% 的黄原胶（CHJ）溶液放在100 ℃恒温箱中一定时间，溶液变为黑色，失去增黏效果。高温下黄原胶黏度变化见图3。由图3 可见，当温度逐渐升高时，溶液黏度逐渐下降，并且在120 ℃以上时，黏度下降幅度明显增加。在140 ℃高温下，改性黄原胶仍有增黏效果。随着黄原胶质量分数的增加，黏度也增加，但是质量分数为0.5% 黄原胶溶液黏度较质量分数0.3% 黄原胶溶液黏度增加效果不大，考虑酸液返排等因素，最终确定改性黄原胶质量分数为0.3%。

表1 岩粉溶蚀结果Table 1 Dissolution results of rock powde

3 酸压适用性分析

3.1 岩粉溶蚀

选取目的层不同深度的岩石，研磨成岩粉，进行岩粉溶蚀。首先将小块天然岩心放入研磨机中研磨，过100 目筛网；配制最终酸液体系；加适量岩粉，使其充分反应，置于恒温箱中4 h；用漏斗过滤，烘干，计算溶蚀率,结果见图4。

图3 不同温度下黄原胶溶液黏度Fig. 3 Viscosity of xanthan gum solution at different temperatures

图4 岩粉溶蚀率Fig.4 Dissolution rate of rock powder.

由图4 可以看出，大部分岩石的溶蚀率在90%以上，表明酸液溶蚀效果很好。结合矿物成分，由于酸液配方中的盐酸、白云石、方解石等基本被溶解，但是没有氢氟酸和氟硼酸，石英不溶解，因此考虑剩下的成分为石英以及黏土矿物。岩粉溶蚀结果表明，该区块碳酸盐岩储层适于酸压。

3.2 吊块溶蚀

用最终酸压酸液体系配方进行吊块溶蚀实验，将岩石切割成2 cm×2 cm×2 cm 的岩块，按4 mL/cm2的面容比将岩样悬挂于盛有配制好的酸液的耐酸烧杯中，分别在不同温度下恒温2 h；取出岩块，测量反应速率，结果见图5。由图5 可以看出，随着温度的增加，反应速率逐渐加快，但是在120 ℃后变化幅度减小，对比只用盐酸的酸液，加入稠化剂明显使反应速率降低，稠化剂质量分数的增加也会使反应速率变慢，这是由于稠化剂使酸液整体黏度增加，氢离子有效传质系数会降低。

图6 为显微镜观察得到溶蚀前后岩样表面变化结果。对比反应前后的岩样表面情况可以明显看出，反应后岩样表面出现孔蚓。

图5 吊块溶蚀反应速率Fig.5 Reaction rate of dissolution of suspended block

图6 岩样溶蚀前后显微图片Fig.6 Microscopic image of rock sample before and after dissolution

3.3 动态溶蚀

选择目的储层柱状岩心，连接酸化实验仪管线，在试压试漏后，先用地层水驱替，排空岩心中气泡，测定孔隙体积；恒温4 h 后注入酸压工作液；停泵恒温反应4 h，测定溶蚀速率，结果见图7。由图7可以看出，岩石孔隙体积特别小，岩性致密，动态溶蚀率随温度变化明显，随着温度的升高，溶蚀速率加快，并且增加幅度比较大。对比不同质量分数的酸液，质量分数20% 的盐酸酸液溶蚀速率要高于质量分数15% 的盐酸酸液溶蚀速率。稠化剂的添加对最终的溶蚀率影响并不明显。总体来看，动态溶蚀的溶蚀率并不是很高，这是因为岩石岩性比较致密，酸液注入速度很小，溶蚀只发生在岩样端面。

3.4 反应速率

选取目标储层柱状岩心，将岩心装入旋转圆盘夹持器中，加入4 种不同酸液类型；加热到设定温度，将岩心浸入酸液；启动旋转电机，可测得一系列的浓度和时间，采用微分法，确定酸岩反应速率，结果见图8。

由图8 可见，旋转圆盘测得的反应速率随温度变化明显，随着温度的升高，反应速率加快，并且增加幅度较大。质量分数20% 的盐酸酸液反应速率要高于质量分数15% 的盐酸酸液反应速率，但是变化幅度不明显；稠化剂质量分数增加会使反应速率减慢，但是影响不大。

图7 岩石空隙体积和动态溶蚀速率的变化Fig.7 Variation of rock void volume and dynamic dissolution rate

4 结 论

（1）目标储层的孔隙度和渗透率较低，储层属于超低渗储层；抗压强度和矿物成分分析等实验发现储层抗压强度较高；矿物成分以白云岩和方解石居多，少量石英和黏土。

（2）针对储层特点，通过溶蚀实验，对比得到单一盐酸作为主体酸液较好，优选质量分数为20%；通过耐高温评价，筛选出改性黄原胶作为稠化剂，最终确定质量分数为0.3%。

（3）岩粉溶蚀实验效果较好，溶蚀率达到90%以上，白云石、方解石等基本被溶解，剩下的岩粉为石英以及黏土矿物。

（4）吊块溶蚀发现添加稠化剂会使反应速率明显变慢；反应后岩样表面出现孔蚓较明显。

（5）动态溶蚀率随着温度的升高而加快；盐酸质量分数20% 的酸液溶蚀率要高于盐酸质量分数15% 的酸液溶蚀率；稠化剂的添加对最终的溶蚀率影响并不明显。

（6）旋转圆盘测得的反应速率随着温度的升高而加快，并且增加幅度较大，酸液与稠化剂的质量分数的变化对反应速率影响不大。

图8 旋转圆盘测定反应速率Fig.8 Determination of reaction rate by rotating disc