宋志峰 張照陽 毛金成

1.中國石化西北油田分公司石油工程技術(shù)研究院；2.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室

塔里木盆地塔河油田主力油藏為奧陶系碳酸鹽巖縫洞型油藏［1］，油氣儲集空間以縫洞為主，具有連通性差的特點。除部分放空或鉆井漏失井，還有76%的開發(fā)井酸壓改造后才能投產(chǎn)［2］。塔河奧陶系碳酸鹽巖油藏部分底水發(fā)育區(qū)塊，儲層垂向應(yīng)力差小(≤2 MPa)，高角度裂縫發(fā)育且無統(tǒng)一油水界面，酸壓改造過程中縫高易失控溝通底部水體。前期形成了以 “三降二配套”、多級停泵沉砂工藝、覆膜砂阻水工藝為主體，滿足避水高度不小于30 m的控縫高酸壓技術(shù)［2］。但隨著開發(fā)程度的加大，單井平均酸壓避水高度逐年減小至21.3 m，酸壓因縫高易失控溝通水層比例達(dá)27.9%，控縫高酸壓難度增大。酸壓注酸過程中，酸液在縫口過度酸蝕消耗，不僅降低酸液有效穿透距離，還影響酸壓改造效果及效益。因此，進(jìn)一步開展控縫高酸壓方法研究，提升底水型碳酸鹽巖儲層改造效果，是亟待解決的技術(shù)難題。

通過對縫高影響因素及人工隔層控縫機(jī)理分析，提出采用一種黏彈性表面活性劑控縫高，其高黏膠束液體在裂縫中流動，因附加高阻力形成壓降，以增加儲層垂向應(yīng)力差，進(jìn)而在裂縫上下端形成遮擋層，阻止裂縫垂向過度延伸，達(dá)到控制裂縫高度的目的。

1 膠束軟隔擋控縫高機(jī)理

研究認(rèn)為，影響縫高延伸的因素主要有隔產(chǎn)層垂直應(yīng)力差、彈性模量等巖石力學(xué)參數(shù)，施工排量等施工參數(shù)和液體黏度等壓裂液性能等［3-7］。通過裂縫延伸模型分析計算，張士誠等指出產(chǎn)層垂向應(yīng)力差是影響縫高的最重要因素，增大產(chǎn)層垂向應(yīng)力差有利于延緩裂縫縱向延伸［7-10］。Siebrits 和Daneshy認(rèn)為地層應(yīng)力差阻止縫高延伸，其控縫高本質(zhì)是通過提高垂向地應(yīng)力差使得裂縫在巖層層間滑移，而剪切滑移可以使裂縫端部變鈍，從而減緩或阻止裂縫高度的延伸［11-12］。

膠束軟隔擋控縫高，其技術(shù)關(guān)鍵為構(gòu)建非滲透柔性隔擋層，在前置液階段注入一定量的高黏膠束液體，充填在裂縫的上、下部位，提高了裂縫尖端的奇異性，從而達(dá)到控制縫高的目的，再利用酸液黏度小、流動性好的特性，在近井裂縫中形成酸液指進(jìn)，并使裂縫橫向向前延伸，保證儲層遠(yuǎn)端得到有效改造。

2 實驗材料和方法

2.1 主要材料與儀器

膠束軟隔擋材料，來源為自研合成，其成分是一種季銨鹽Gemini型表面活性劑，密度1.37 g/cm3，淡黃色固體粉末，溶于水。酸液為20%HCl溶液。

巖板尺寸：8 cm×5 cm×1.75 cm，來源于新疆阿克蘇柯坪奧陶系碳酸鹽巖露頭。

主要儀器：青島宏祥石油機(jī)械制造有限公司研發(fā)的ZNN-D6B數(shù)顯六速旋轉(zhuǎn)黏度計，奧地利安東帕有限公司研發(fā)的MCR302型高溫高壓流變儀，北京永光明醫(yī)療儀器廠制造的HH-8型電熱恒溫水浴鍋，西南石油大學(xué)與海安華達(dá)石油儀器有限公司聯(lián)合研制的DP-1導(dǎo)流能力測試儀。

2.2 膠束軟隔擋材料合成方法

首先，合成疏水鏈，將芥酸和二甲氨基丙胺按照1∶1.1的摩爾比加入三頸燒瓶，160 ℃條件下無氧減壓蒸餾8 h，得到叔胺產(chǎn)品。

其次，合成連接基，將環(huán)氧氯丙烷按照2∶1的摩爾比逐滴加入到胺的無水乙醇溶液中，室溫反應(yīng)12 h，減壓蒸餾除去溶劑，得到無色高黏透明液體。

最后，合成季銨鹽Gemini型表面活性劑，將疏水鏈與連接基產(chǎn)品按摩爾比2∶1加入無水乙醇溶劑中，80 ℃條件下回流反應(yīng)12 h，旋轉(zhuǎn)蒸餾除去溶劑，用一定比例的丙酮和乙酸乙酯混合溶劑洗滌，并重結(jié)晶，最后用乙醇溶解后旋干，得到淡黃色粉末狀的季銨鹽Gemini型表面活性劑。

2.3 實驗評價方法

液體黏度性能及高溫流變特性實驗參考石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5107—2016《水基壓裂液性能評價方法》，膠束隔擋強(qiáng)度測試實驗和充填后裂縫導(dǎo)流能力測試實驗參考石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6302—2009《壓裂支撐劑充填層短期導(dǎo)流能力評價推薦方法》。

3 結(jié)果與討論

3.1 膠束軟隔擋材料黏度性能測試

對具有親水和疏水基團(tuán)的兩親分子結(jié)構(gòu)膠束隔擋材料進(jìn)行測試，在水溶液中疏水基團(tuán)逃離水相，互相接觸聚集，形成疏水基團(tuán)朝內(nèi)、親水基團(tuán)朝外的聚集體。當(dāng)液體質(zhì)量濃度增大到一定程度時，聚合體相互聚集形成蠕蟲狀膠束。膠束之間互相纏結(jié)，形成高黏度的彈性微觀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體(見圖1)。

圖1 電鏡掃描下隔擋材料膠束化后微觀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體Fig.1 SEM picture of microscopic network structure after the micellization of barrier material

因表面活性劑親水基團(tuán)帶的電荷相同，在聚集時互相有電荷斥力，導(dǎo)致聚集不夠緊密。通過加入帶相反電荷的無機(jī)離子，與親水離子基團(tuán)結(jié)合，降低電荷斥力，使膠束聚集得更加緊密，從而增強(qiáng)膠束黏彈性。實驗結(jié)果表明，無機(jī)鹽加量對膠束隔擋材料的黏度有重要作用，無機(jī)鹽加量最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%～2%。膠束隔擋材料加量5%時，常溫(25 ℃)下溶液黏度可達(dá)543～780 mPa · s(表1)。相比不加無機(jī)鹽，液體黏度提高23.6倍。

室內(nèi)常溫(25 ℃)下，測試膠束隔擋材料黏彈性，當(dāng)震蕩頻率大于0.25 Hz時，彈性模量開始大于黏性模量，彈性模量平穩(wěn)保持在99.3 Pa，而黏性模量開始逐漸下降，但仍然大于13.1 Pa(圖2)。顯著的黏彈性表明膠束隔擋材料具有較好的膠束結(jié)構(gòu)。

無機(jī)鹽加量2%、膠束隔擋材料加量5%時，測試膠束溶液流變性能，在120 ℃，170 s-1條件下，在15 min后趨于平穩(wěn)，并且剪切黏度保持在430 mPa · s以上(圖3)，說明隔擋材料在地層高溫條件下仍然具有較高的剪切黏度。

表1 不同無機(jī)鹽加量條件下隔擋材料溶液的表觀黏度(25 ℃)Table 1 Apparent viscosity of barrier material solution with different dosages of inorganic salt (25 ℃)

圖2 膠束隔擋材料黏彈性測試結(jié)果Fig.2 Tested viscoelasticity of micellar barrier material

圖3 隔擋材料120 ℃、170 s-1條件下流變曲線Fig.3 Rheological curve of barrier material at 120 ℃ and 170 s-1

3.2 膠束軟隔擋強(qiáng)度測試

隔擋層形成的垂向壓差是高黏液體在裂縫中流動的附加阻力，因此實驗測試膠束在裂縫中驅(qū)替壓力，可模擬膠束材料的隔擋強(qiáng)度。實驗巖心為新疆阿克蘇柯坪奧陶系致密碳酸鹽巖露頭加工的巖板(20%鹽酸溶蝕率95.4%～98.2%)。巖板裂縫內(nèi)預(yù)制充填膠束溶液，并加熱至120 ℃，驅(qū)替液體從巖心夾持器中均勻流出，模擬在實際工況條件下，膠束軟隔擋材料在裂縫中流動狀態(tài)，記錄驅(qū)替壓力即膠束的抗壓強(qiáng)度。

由實驗結(jié)果可以看出：驅(qū)替排量2 mL/min條件下，初期壓力上升速度較快，在10～15 min左右壓力保持平穩(wěn)，液體從巖心恒速流出，流動阻力此時保持恒定。膠束隔擋材料加量3%(無機(jī)鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.0%)時，驅(qū)替壓力在12 min后穩(wěn)定在6 MPa左右；膠束隔擋材料加量5%(無機(jī)鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.0%)時，驅(qū)替壓力在22 min出現(xiàn)拐點后穩(wěn)定到12.2 MPa左右(圖4)，為加量3%時的1倍，說明適當(dāng)增加隔擋材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)可提高隔擋強(qiáng)度，膠束軟隔擋更適合塔河油田低垂向應(yīng)力差地層。

圖4 膠束隔擋材料隔擋強(qiáng)度測試結(jié)果Fig.4 Tested barrier strength of micellar barrier material

3.3 裂縫驅(qū)替酸后導(dǎo)流能力測試

為驗證膠束隔擋材料在注酸過程中對近井裂縫隔擋屏蔽效果，同時模擬低黏度酸液橫向指進(jìn)、逐步突破遮擋層后由近到遠(yuǎn)裂縫深部的導(dǎo)流能力情況，實驗根據(jù)塔河油田酸壓地層條件(溫度120 ℃)，將巖心裂縫內(nèi)預(yù)制充填不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)膠束溶液，并加熱至120 ℃后，注入低黏酸液(40～60 mPa · s)進(jìn)行驅(qū)替酸化，測定人工裂縫酸化后的導(dǎo)流能力值，并觀察不同隔擋材料加量下的巖板刻蝕形態(tài)。

實驗結(jié)果顯示，在相同高黏彈膠束溶液加量下，酸液驅(qū)替壓力為0.03～0.43 MPa(表2),僅為高黏彈膠束驅(qū)替時的0.04倍，表明低黏的酸液很容易橫向指進(jìn)，突破遮擋層后向裂縫深部酸蝕。隨著隔擋材料質(zhì)量濃度從5%逐步降低至0，過酸后裂縫的導(dǎo)流能力逐步升高。裂縫酸蝕后，不充填膠束液的巖心裂縫為5%質(zhì)量濃度條件下導(dǎo)流能力的19.6倍，表明在酸液指進(jìn)突破膠束層前，對酸的遮擋作用明顯，且隨著膠束質(zhì)量濃度的增加，遮擋效果逐漸加強(qiáng)。

表2 不同隔擋材料加量下的驅(qū)替壓力和導(dǎo)流能力Table 2 Displacement pressure and flow conductivity at different dosages of barrier material

通過過酸后巖板刻蝕形態(tài)對比(圖5)，實驗巖心為新疆阿克蘇柯坪奧陶系致密碳酸鹽巖露頭加工的巖板，20%鹽酸溶蝕率95.4%～98.2%，膠束隔擋材料加量5%的巖心面上基本保持平整，刻蝕形態(tài)不明顯，可有效實現(xiàn)酸蝕裂縫遮擋。膠束隔擋材料加量逐步由5%下調(diào)至3%、1%時，巖心面上刻蝕的凹凸溝槽逐漸增多，刻蝕形態(tài)明顯。由此表明，5%隔擋材料對垂向裂縫隔擋效果較好，隨著酸液的沖刷以及裂縫的延伸，隔擋材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)減小后，酸液可與巖石面充分接觸進(jìn)行酸巖反應(yīng)，酸液對裂縫酸蝕作用變強(qiáng)，既有效防止近井筒縫高過度延伸的同時，深部又形成高導(dǎo)流能力的裂縫通道。

圖5 充填不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)膠束溶液時巖心裂縫刻蝕情況Fig.5 Erosion of core fracture filled with the micellar solution of different mass fractions

4 結(jié)論

(1)黏彈性膠束隔擋材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%時，120 ℃下膠束溶液剪切黏度保持在430 mPa · s以上，有利于增大裂縫垂向應(yīng)力差。

(2)黏彈性膠束隔擋材料實驗隔擋強(qiáng)度達(dá)到12.2 MPa，對于塔河油田碳酸鹽巖垂向應(yīng)力差小(≤2 MPa)的地層，可形成較強(qiáng)的柔性隔擋層，有效控制裂縫垂向延伸。

(3)結(jié)合塔河油田酸壓工藝特點，在注酸液過程中，膠束液對近井筒裂縫實現(xiàn)隔擋屏蔽；酸液繼續(xù)指進(jìn)，在裂縫深部隨著酸液的沖刷以及裂縫的延伸，隔擋材料濃度減小，酸液對裂縫酸蝕作用變強(qiáng)，實現(xiàn)近井筒阻緩裂縫高過度延伸、深部形成強(qiáng)刻蝕高導(dǎo)流裂縫通道。