劉雪峰，吳向陽，朱 杰，易愛文，陳 棟

(陜西延長油田股份有限公司，陜西 延安 717400)

0 引 言

黏彈性表面活性劑(VES)自轉(zhuǎn)向酸相比于常規(guī)酸液體系具有自動轉(zhuǎn)向、破膠控水和緩速降濾的優(yōu)點，成為油田酸化領(lǐng)域的研究熱點[1-4]。相比于常規(guī)酸液體系，黏彈性表面活性劑酸液體系對pH值非常敏感，在低pH值環(huán)境下體系黏度較低，能順利進入儲層大孔道，大孔道中的酸液體系pH值隨酸液的消耗而增加，當(dāng)pH值到達體系增黏臨界值后，體系黏度迅速增加呈凍膠狀，從而封堵高滲透層大孔道，迫使酸液作用于低滲透層段。以上過程反復(fù)，從而實現(xiàn)擴大儲層改造面積的作用。黏彈性表面活性劑自轉(zhuǎn)向酸液體系能實現(xiàn)自轉(zhuǎn)向的核心在于其中的黏彈性表面活性劑對pH值的敏感性，在酸化后生成的金屬陽離子的螯合作用下，將以游離態(tài)存在的表面活性劑膠束螯合成體形結(jié)構(gòu)[5]，進而導(dǎo)致體系黏度增加；而黏彈性表面活性劑分子形成的棒狀膠束遇到烴類物質(zhì)時，膠束自行破壞，轉(zhuǎn)變成球狀膠束[6-7]，使殘酸黏度降低，有利于返排和提高酸化改造的效果。

目前關(guān)于黏彈性表面活性劑自轉(zhuǎn)向酸酸化技術(shù)的研究主要集中于自轉(zhuǎn)向酸主劑的研制、流變性評價和反應(yīng)動力學(xué)研究等方面[8-14]。在自轉(zhuǎn)向酸酸化效果評價方面，目前可見報道的有采用最大注酸壓力、注入孔隙體積倍數(shù)、酸化處理前后的滲透率比等參數(shù)定性評價自轉(zhuǎn)向酸酸化效果，但以上參數(shù)受注酸速度、作用時間、基質(zhì)物性等因素密切影響，無法準確評判自轉(zhuǎn)向酸是否達到轉(zhuǎn)向以及如何達到最佳轉(zhuǎn)向效果等。為此，有必要系統(tǒng)分析各因素對自轉(zhuǎn)向酸體系增黏的影響規(guī)律。

1 VES自轉(zhuǎn)向酸黏度變化影響研究

1.1 自轉(zhuǎn)向酸與碳酸鈣反應(yīng)過程中的黏度變化

采用20%HCl+6%VES配制成自轉(zhuǎn)向酸基礎(chǔ)酸液，將一系列不同質(zhì)量的碳酸鈣粉末與自轉(zhuǎn)向酸反應(yīng)，模擬自轉(zhuǎn)向酸與儲層巖石反應(yīng)過程。將模擬反應(yīng)得到的不同pH值的自轉(zhuǎn)向酸殘酸在剪切速率為170 s-1下測定其黏度。實驗結(jié)果表明：隨酸液pH值升高，在pH值為-0.57～0.35時，VES轉(zhuǎn)向酸液體系的黏性迅速增大，由10 mPa·s增至約400 mPa·s；在酸液體系pH值為0.35～9.00時，酸液體系的黏度變化較小，說明VES自轉(zhuǎn)向酸體系在該pH值區(qū)間內(nèi)比較穩(wěn)定。與前一區(qū)間相比，酸液黏度變化的趨勢是先增大再稍微降低，在酸液pH值約為2.00時，其黏度具有最大值。在酸液pH值為2.00～9.00時，酸液黏度緩慢下降。

1.2 剪切速率對自轉(zhuǎn)向酸黏度的影響

為真實模擬自轉(zhuǎn)向酸在儲層酸化過程中的轉(zhuǎn)向情況，模擬測定了自轉(zhuǎn)向酸在儲層裂縫或多孔介質(zhì)中流動狀態(tài)下的黏度變化情況。酸液在儲層裂縫或多孔介質(zhì)的滲流過程中，酸液的剪切速率為5～50 s-1，因此，設(shè)計并測定了在5、10、50 s-1不同剪切速率條件下，自轉(zhuǎn)向酸在酸巖反應(yīng)過程中的黏度變化情況。實驗結(jié)果表明：pH值對不同剪切速率下的酸液黏度的影響規(guī)律基本一致。即在pH值為-0.57～0.35時隨酸液pH值升高，VES自轉(zhuǎn)向酸酸液體系的黏度迅速增大。在酸液體系pH值為0.35～9.00時，酸液體系的黏度變化較小。3組不同剪切速率下的自轉(zhuǎn)向酸黏度隨pH值變化均存在最大值，即pH值為1.75時，黏度達到最大。

隨著剪切速率的增大，在相同反應(yīng)狀態(tài)下殘酸的黏度降低，說明自轉(zhuǎn)向酸的殘酸具有剪切變稀的特性。同時說明自轉(zhuǎn)向酸在進入儲層微裂縫和孔隙中，由于剪切速率降低，使殘酸的黏度增大，阻止殘酸的大量濾失，導(dǎo)致后續(xù)酸液的轉(zhuǎn)向或深穿透，從而提高自轉(zhuǎn)向酸的改造效果。

1.3 VES濃度的影響

保持酸濃度與VES濃度比例不變，進行VES在不同濃度條件下使酸液增黏的實驗(圖1)。由圖1可知：相同酸與VES的比例條件下，濃度為5%～6%的VES增黏效果明顯好于濃度為2%～4%的VES增黏效果，說明自轉(zhuǎn)向酸酸液體系在達到臨界pH值觸發(fā)點時，必須有足夠的VES分子才能觸發(fā)形成高黏度的體系；VES濃度較高時，在較低的酸度下，體系的黏度有較大幅度地增加。

圖1 黏彈性表面活性劑濃度對增黏效果的影響

1.4 介質(zhì)因素對變黏效果的影響

1.4.1 陽離子類型的影響

碳酸鹽巖儲層進行酸化處理時，酸化過程中產(chǎn)生的陽離子主要有Ca2+和Mg2+[17]。圖2為在pH值為2時陽離子類型與體系黏度的關(guān)系，體系中離子的濃度均為20%。由圖2可知：自轉(zhuǎn)向酸液體系增黏與陽離子的類型關(guān)系不大，Mg2+和Ca2+達到一定濃度均可使體系增黏，只是增黏后體系的黏度有差異。Ca2+是碳酸鹽巖儲層酸化改造中產(chǎn)生最多的陽離子，同時，Ca2+對自轉(zhuǎn)向酸中黏彈性表面活性劑分子的螯合效果最好。

圖2 陽離子類型對增黏效果的影響

1.4.2 陽離子濃度和pH值的協(xié)同作用

單獨改變介質(zhì)的酸堿度或陽離子的濃度均不能使VES酸液體系增黏，只有同時改變介質(zhì)的酸堿度和陽離子的濃度才能使VES酸液體系增黏，且增黏過程存在臨界點，pH值約為0.26(約2%殘酸環(huán)境)時，體系才開始大幅度增黏。

2 VES自轉(zhuǎn)向酸轉(zhuǎn)向標準的推導(dǎo)

根據(jù)VES自轉(zhuǎn)向酸的作用機理，沿自轉(zhuǎn)向酸流動方向上，依次可劃分為酸液體系充分作用的高滲透區(qū)域、酸液體系呈凍膠態(tài)的阻力區(qū)域[18]、酸液濾液區(qū)域和儲層物性保持為原始狀態(tài)的初始狀態(tài)區(qū)。相比較而言，常規(guī)酸液的流動剖面只包括高滲透區(qū)域、酸液濾液區(qū)域和初始狀態(tài)區(qū)域，沒有阻力區(qū)域。

分析常規(guī)酸化時注酸壓降與時間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，隨注酸時間增加，注酸壓降基本呈線性下降趨勢[19-20]，可視為酸蝕孔的擴展速度為常數(shù)，即：

Lwh=awht

(1)

式中：Lwh為流動剖面最左側(cè)截面處到高滲透區(qū)前緣的長度，cm；awh酸蝕孔前緣擴展速度，cm/s；t為注酸時間，s。

定義參數(shù)無因次突破孔隙體積為θwh，即酸液突破巖石時的注入體積與巖心孔隙體積之比。其他參數(shù)一定時，θwh是酸液作用區(qū)相對增長速度的倒數(shù)，即酸蝕孔前緣相對速度為：

(2)

式中：awh為酸蝕孔前緣相對成長速度；V為平均達西速度，cm/s；φo為初始孔隙度。

在線性流條件下，可將自轉(zhuǎn)向酸和常規(guī)酸液作用區(qū)前緣的生長速度視為相同。當(dāng)自轉(zhuǎn)向酸注酸壓力最大時，對應(yīng)的自轉(zhuǎn)向酸儲層阻力最大[21]。將自轉(zhuǎn)向酸注酸壓力最大時的注酸體積與巖心孔隙體積之比定義為阻力孔隙體積倍數(shù)θr。自轉(zhuǎn)向酸阻力區(qū)前緣生長速度與常規(guī)酸液酸蝕孔前緣相對生長速度相似，可得阻力區(qū)前緣生長速度為：

(3)

式中：αr阻力區(qū)前緣相對成長速度；Lr為流動剖面最左側(cè)截面處到阻力區(qū)前緣的長度，cm。

根據(jù)注酸壓力曲線上最大注酸壓力與初始注酸壓力的關(guān)系，定義無因次最大壓力比為：

Rp=Δpr/Δpo

(4)

式中：Rp為無因次最大壓力比；Δpr和Δpo分別為最大注酸壓力和初始注酸壓力。

與常規(guī)酸液類似，近井筒區(qū)域自轉(zhuǎn)向酸為徑向流[22]。根據(jù)自轉(zhuǎn)向酸的酸化作用原理可得：

高滲透區(qū)：

(5)

阻力區(qū)：

(6)

式中：rwh和rr分別為高滲透區(qū)和阻力區(qū)前緣移動距離；Vr為阻力區(qū)的平均達西速度，cm/s。

(7)

在阻力區(qū)，即r∈[rwh，rr] ，有：

(8)

式中：Q為產(chǎn)量，cm2/s；h為厚度，cm；Ko為原始滲透率，10-3μm2；pwh為酸液前緣區(qū)壓力，Pa；pr為阻力區(qū)壓力，Pa；μr為酸液黏度，mPa·s。

理想狀態(tài)下，酸化處理后的酸液能在2個具有滲透率差異的產(chǎn)層中實現(xiàn)均勻進酸[23]，即Qi=Qj，則：

(9)

式中：rwhi為i層的酸液前緣作用半徑，cm；rwhj為j層的酸液前緣作用半徑，cm。

由式(5)、(8)及Q=V·2πrh，得：

(10)

式中：△p為壓差，Pa；μd為自轉(zhuǎn)向酸酸液黏度，mPa·s。

(11)

式中：(Rp)i、(Rp)j分別為產(chǎn)層i、j的無因次最大壓力比。

式(11)即為黏彈性表面活性劑自轉(zhuǎn)向酸液體系在儲層中均勻推進，實現(xiàn)理想轉(zhuǎn)向的判別方法。

3 巖心驅(qū)替實驗研究

選用4塊油田現(xiàn)場孔隙型灰?guī)r巖心，巖心的直徑均為2.54 cm，巖心的長度分別為6.03、5.90、6.11、6.12 cm。4塊巖心分為A、B組進行實驗(表1)。分為2組的目的：一是為了更深入研究自轉(zhuǎn)向酸的轉(zhuǎn)向機理；二是為了進一步驗證實驗的可重復(fù)性，消除實驗誤差。實驗使用的自轉(zhuǎn)向酸配方為：20%HCl+6%VES+2%DCA-6酸液緩蝕劑。在并聯(lián)巖心酸液驅(qū)替實驗時，由于無法單獨測量每塊巖心的初始注酸壓力，因此，采用液測滲透率時的初始注入壓力作為初始注酸壓力。

由表1可知，2組存在級差的4塊巖心均得到一定程度的有效改造。滲透率相對低的2塊巖心，其自轉(zhuǎn)向酸改造后滲透率分別提高至酸化前的1.80倍和1.93倍；滲透率值相對高的2塊巖心改造后，其滲透率分別提高至酸化前的2.18倍和2.09倍。

表1 自轉(zhuǎn)向酸巖心流動實驗數(shù)據(jù)

根據(jù)式(4)、(11)，分別計算A、B組的無因次最大壓力比、滲透率與孔隙度之比。由表1可知：A組酸液的無因次最大壓力比為0.564，2塊巖心的滲透率與孔隙度比值之比為0.632；B組酸液的無因次最大壓力比為0.610，2塊巖心的滲透率與孔隙度比值之比為0.674。因此，有如下關(guān)系式：

(12)

式中：Rp為最大注入壓力比；A1、A2、B1、B2分別為A組和B組的2塊巖心。

由式(11)判別可得，當(dāng)自轉(zhuǎn)向酸達到最佳轉(zhuǎn)向效果時，2塊巖心的無因次阻力系數(shù)之比與巖心的滲透率和孔隙度之比的系數(shù)應(yīng)為1；而根據(jù)式(12)的計算結(jié)果，實驗中2組巖心的系數(shù)分別為0.892和0.905。可見，實驗中雖然對具有滲透率差異的2塊巖心實現(xiàn)了自轉(zhuǎn)向基質(zhì)酸化處理，但并沒有達到最佳轉(zhuǎn)向效果。

4 結(jié) 論

(1) 系統(tǒng)評價了pH值、剪切速率、黏彈性表面活性劑濃度、陽離子類型等對黏彈性表面活性劑自轉(zhuǎn)向酸酸液體系黏度的影響。在pH值為1.75時，體系黏度達最大值；當(dāng)黏彈性表面活性劑濃度為5%～6%時，體系黏度增加較為明顯；Ca2+和Mg2+均可使體系增黏，其中，Ca2+的效果最好；當(dāng)其他條件一定時，只有同時滿足pH值和陽離子濃度2個條件時，自轉(zhuǎn)向酸液體系才能實現(xiàn)黏度的提高。

(2) 根據(jù)黏彈性表面活性劑自轉(zhuǎn)向酸酸液的作用機理，沿自轉(zhuǎn)向酸酸液流動剖面可將其分為高滲透區(qū)域、阻力區(qū)域、酸液濾液區(qū)域和原始地層區(qū)域。阻力區(qū)域的存在是自轉(zhuǎn)向酸酸液能夠?qū)崿F(xiàn)自轉(zhuǎn)向的關(guān)鍵。

(3) 在酸液流動符合達西滲流的基礎(chǔ)上，引入阻力孔隙體積倍數(shù)和無因次最大壓力比推導(dǎo)了自轉(zhuǎn)向酸在儲層實現(xiàn)均勻推進的判別依據(jù)，自轉(zhuǎn)向酸在非均質(zhì)儲層的均勻推進受無因次最大壓力比、原始滲透率和原始孔隙度的影響。

(4) 采用室內(nèi)并聯(lián)巖心驅(qū)替方式評價了自轉(zhuǎn)向酸的轉(zhuǎn)向效果，自轉(zhuǎn)向酸改造后滲透率分別升至酸化前的1.80倍和1.93倍；滲透率值相對高的2塊巖心改造后，滲透率分別升至酸化前的2.18倍和2.09倍。根據(jù)推導(dǎo)的自轉(zhuǎn)向酸均勻推進的判別標準，判斷該基質(zhì)酸化處理沒有達到最佳轉(zhuǎn)向效果。

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