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        酸化在酸敏性砂巖儲層中的可行性分析

        2021-06-03 05:16:08楊軍偉孫林熊培祺楊淼
        遼寧化工 2021年5期
        關(guān)鍵詞:酸液酸化黏土

        楊軍偉,孫林,熊培祺, 楊淼

        (中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司,天津 300452)

        國內(nèi)外研究認(rèn)為,在井底有70%的能量消耗在以井筒為中心的3 m圓周內(nèi),改造近井地帶的導(dǎo)流能力, 對提高油井產(chǎn)能至關(guān)重要[1]。酸化是通過井眼向地層注入一種或幾種酸液體系,使酸與地層中礦物發(fā)生化學(xué)反應(yīng),溶蝕儲層中的孔隙或裂縫壁面,以及井筒附近地層內(nèi)的堵塞物。酸化的處理半徑通常在1~3 m范圍內(nèi),在地層能量消耗最嚴(yán)重的區(qū)域,增加孔隙、裂縫的滲流能力,從而實現(xiàn)油水井增產(chǎn)、增注的目的。

        近年來,國內(nèi)外進(jìn)行了多項研究,針對不同儲層、不同堵塞類型,采用相應(yīng)的酸化解堵體系,取得了較大進(jìn)展[2-7]。但在現(xiàn)場應(yīng)用上,也出現(xiàn)了部分油水井酸化后,產(chǎn)量或注水量不增反降的情況,尤其是部分具有酸敏性砂巖儲層的區(qū)塊。因此,對于酸敏性砂巖儲層的酸化增產(chǎn),有以下問題值得我們思考:能否進(jìn)行酸化;如果可以實施,需要注意什么問題;需要采用什么類型的酸液體系。所以開展酸敏性砂巖儲層酸化技術(shù)研究,具有重大現(xiàn)實意義。

        1 酸敏性儲層傷害原因

        酸敏感性是指酸液與儲層礦物接觸發(fā)生反應(yīng),產(chǎn)生沉淀或釋放出顆粒,導(dǎo)致儲層巖石滲透率發(fā)生變化的現(xiàn)象[8]。其損害機(jī)理有注入酸與地層流體不配伍;酸與地層礦物反應(yīng)直接生成沉淀以及反應(yīng)產(chǎn)物的二次沉淀;酸與地層礦物反應(yīng)后膠結(jié)物溶解引起的顆粒運(yùn)移等。常見的酸敏成因,有下述兩種。

        1.1 化學(xué)成因傷害

        酸巖反應(yīng)不是簡單的溶解作用,在反應(yīng)過程中會釋放出大量的離子,在一定條件下這些離子生成二次沉淀,從而堵塞孔隙吼道,對儲層造成嚴(yán)重傷害。

        鹽酸處理地層時,最易產(chǎn)生的是氫氧化物沉淀,在進(jìn)行酸化處理時,隨著酸液的消耗,孔隙流體的pH值將會逐漸升高,地層中含鐵、鋁礦物釋放出的Fe3+、Al3+,在pH值達(dá)到3.2和4.5時便產(chǎn)生Fe(OH)3和Al(OH)3沉淀。

        砂巖儲層采用土酸酸化時,主要的酸敏性礦物為蒙脫石、綠泥石、高嶺石、含鐵礦物及長石等。由于HF的存在,有可能引起比鹽酸更嚴(yán)重、更復(fù)雜的二次沉淀,反應(yīng)中的一次沉淀有CaF2和MgF2,二次沉淀主要是被酸溶解釋放出的金屬離子與氟硅酸或氟鋁酸結(jié)合生成的氟硅酸鹽或氟鋁酸鹽沉淀,其次為氫氧化物沉淀及其他無機(jī)垢[9-11]。

        1.2 物理成因傷害

        砂巖地層中的黏土礦物蒙脫石、高嶺石、伊利石,在酸化過程中有可能導(dǎo)致儲層傷害。蒙脫石易吸水膨脹,高嶺石易分散運(yùn)移,伊利石易脫落,造成微粒分散運(yùn)移。以上礦物在酸巖反應(yīng)過程中,同時會伴隨有不溶于酸的顆粒和反應(yīng)殘渣釋放。儲層中固有的黏土礦物及酸巖反應(yīng)產(chǎn)生的顆粒及殘渣,在地層中分散運(yùn)移,堵塞孔隙喉道,從而使?jié)B透率降低。

        2 酸敏評價標(biāo)準(zhǔn)的局限性

        但現(xiàn)有的酸敏性評價標(biāo)準(zhǔn)中判斷方法存在局限性[13]:

        1)首先酸液中沒有加入添加劑,可能導(dǎo)致相關(guān)傷害。如酸液中不加入黏土穩(wěn)定劑,可能導(dǎo)致黏土膨脹分散運(yùn)移;酸液中不加入鐵離子穩(wěn)定劑,可形成Fe(OH)3沉淀。

        2)酸液類型和酸液質(zhì)量分?jǐn)?shù)選擇不合理:只規(guī)定15%HCl和土酸(12%HCl+3%HF)兩種酸液類型,并不能代表其余酸型或其他濃度的酸液會造成儲層傷害。

        3)模擬關(guān)井時間不合理:標(biāo)準(zhǔn)中砂巖反應(yīng)時間1 h,但酸巖反應(yīng)時間需要根據(jù)儲集層巖石學(xué)特征、地層溫度、酸液類型等因素綜合確定。

        4)注酸量不合理:標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定注入0.5~1.0倍孔隙體積酸液,但現(xiàn)場對地層進(jìn)行酸化時需要根據(jù)儲集層特征、酸液類型、地層傷害情況等因素綜合確定注酸量。因此,在實驗設(shè)計過程中,也需要設(shè)計不同孔隙體積倍數(shù)酸液的預(yù)案,在無儲層參數(shù)作為參考的狀況下,才使用標(biāo)準(zhǔn)推薦的酸液體積。

        如果在酸化改造時,注意控制可能給儲層帶來的傷害因素,則酸敏效應(yīng)可以得到不同程度的避免,酸敏性儲層也可能收到較好的改造效果。

        3 酸敏傷害控制方法

        3.1 化學(xué)成因傷害控制方法

        3.1.1 鹽酸體系傷害控制方法

        采用鹽酸體系處理地層時,隨著酸巖反應(yīng)的進(jìn)行,酸液被逐漸消耗,pH值升高至一定水平后,最易產(chǎn)生的是氫氧化物沉淀。當(dāng)儲層中含有較多綠泥石、菱鐵礦、輝鐵礦等含鐵礦物時,鐵離子會產(chǎn)生不溶性的氫氧化物沉淀,酸巖反應(yīng)過程中易形成鐵的氫氧化物沉淀[14],堵塞孔隙喉道。此外在酸化作業(yè)過程中,井筒和施工管柱會發(fā)生一定程度的腐蝕反應(yīng),產(chǎn)生鐵離子,隨酸液進(jìn)入地層。因此在酸液中加入鐵離子絡(luò)合劑或還原劑,降低Fe3+和Fe2+傷害,防止Fe(OH)3的生成。常用的鐵離子穩(wěn)定劑包括及其適用范圍如表1。

        2.3 本次研究中,12例屬于低度危險性腫瘤,13例屬于中度危險性,15例屬于高度危險性,沒有極低度危險性患者。13例患者進(jìn)行復(fù)查,1例患者半年后轉(zhuǎn)移到腹腔,2例患者出現(xiàn)肝臟轉(zhuǎn)移,5年內(nèi)沒有發(fā)生其他變化。

        表1 鐵離子穩(wěn)定劑適用溫度

        3.1.2 土酸體系傷害控制方法

        采用土酸體系對儲層進(jìn)行酸化時,其一次反應(yīng)產(chǎn)物的沉淀,主要為土酸中的F-與Ca2+、Mg2+反應(yīng)生成不溶性的CaF2、MgF2。土酸與儲層礦物的一次反應(yīng)產(chǎn)物,可繼續(xù)反應(yīng)生成二次沉淀[15],如氟硅酸鹽、氟鋁酸鹽和水化硅凝膠等,二次沉淀堵塞孔隙喉道,導(dǎo)致滲透率下降,帶來嚴(yán)重的地層傷害。因此在對地層進(jìn)行酸化處理時,使用5%~15%鹽酸作為前置液,溶解地層巖石中的鈣質(zhì),避免采用土酸直接處理地層。另一方面通過加入有機(jī)膦酸類螯合劑[16],與金屬離子發(fā)生螯合反應(yīng),起到抑制沉淀的作用。

        目前,在以鹽酸和土酸為主要成分的酸液體系中,通常加入有機(jī)酸,如甲酸、乙酸、磷酸等,使有機(jī)酸與其酸巖反應(yīng)產(chǎn)物形成緩沖溶液,酸液可保持在較低的pH值范圍內(nèi),有效防止Fe(OH)3、Al(OH)3等沉淀的產(chǎn)生。

        3.2 物理成因傷害控制方法

        針對酸敏損害中的物理成因,在進(jìn)行酸化設(shè)計時,一方面應(yīng)對主體酸濃度進(jìn)行優(yōu)化。若酸液對地層溶蝕率過高將造成儲層孔隙坍塌,破壞巖石骨架,從而降低儲層滲透率,因此酸液對巖屑的溶蝕率通常在15%~25%為宜,防止酸液對地層造成過度溶蝕,破壞巖石骨架。另一方面還應(yīng)注意酸巖反應(yīng)過程中釋放出的黏土顆粒,為了穩(wěn)定黏土微粒,避免其發(fā)生膨脹、運(yùn)移,在酸液體系中加入黏土穩(wěn)定劑,常見的黏土穩(wěn)定劑為季銨鹽類表面活性劑。

        此外為了實現(xiàn)快速將酸液從地層排出,減少殘酸對地層的損害,在酸液中加入破乳助排劑,促進(jìn)酸液的破乳,降低表界面張力,促進(jìn)殘酸的返排。

        4 酸敏性儲層酸化案例及認(rèn)識

        針對酸敏性儲層的酸化措施,國內(nèi)一些油田開展了相關(guān)的研究,并在現(xiàn)場進(jìn)行了應(yīng)用,取得了顯著的效果。

        長慶安塞油田屬典型的低滲、低壓致密砂巖油藏,該儲層的敏感性礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.0%以上,主要有綠泥石、方解石、濁沸石等[17]。通過油層污染因素攻關(guān),證實其主要潛在的傷害因素為酸敏,并伴有弱速敏、弱水敏及強(qiáng)水鎖效應(yīng)。針對安塞油田的特點,研制出由有機(jī)弱酸,低表面張力的助排劑等組成的復(fù)合型酸液體系。該酸液體系在與地層礦物反應(yīng)過程中能保持較低的pH值,并且其中含有乙酸成分,對反應(yīng)產(chǎn)生的鐵離子有穩(wěn)定作用。采用弱酸性物質(zhì)并輔以其他助劑組成的酸液體系,在安塞油田成功進(jìn)行了酸化作業(yè),并提高近井地帶的滲流能力,達(dá)到增產(chǎn)的目的[18]。

        勝利油田濱南采油廠,主要敏感礦物有綠泥石、濁沸石等,使用鹽酸和氫氟酸酸化后生成氫氧化鐵、偏硅酸膠等沉淀,為中等-弱酸敏儲層。因此在常規(guī)的酸液體系中加入甲酸等有機(jī)酸控制pH值的升高,通過室內(nèi)試驗形成了由三種酸組成的復(fù)合酸液體系,并進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用,增注效果明顯[19]。

        中海油南堡油田也曾進(jìn)行過針對酸敏性儲層酸液體系的優(yōu)選工作。該油田黏土礦物主要為高嶺石、蒙脫石,其次為伊利石,伊蒙混層、綠泥石,通過巖心敏感性實驗,證實它屬于中等-強(qiáng)酸敏儲層,常規(guī)的土酸體系(12%HCl+3%HF)會對儲層造成影響,但使用低濃度土酸進(jìn)行實驗(12%HCl+1%HF)[20],發(fā)現(xiàn)影響幾乎為零。劉長松等人在文南油田酸液體系的研究中,也發(fā)現(xiàn)酸敏損害程度也與氫氟酸使用濃度有關(guān)[21]。分析認(rèn)為高濃度的酸液體系會造成地層中黏土礦物的脫落、運(yùn)移,對巖心產(chǎn)生新的堵塞,而低濃度的酸液體系可以顯著降低該現(xiàn)象。

        5 結(jié)束語

        1)儲層的酸敏性評價通常參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),只是對鹽酸和土酸進(jìn)行考察,研究表明,對鹽酸和土酸具有酸敏性的地層,酸化也能取得好的效果。

        2)酸敏性儲層并非不能酸化,關(guān)鍵在于酸液體系的選擇,不同酸液體系,酸敏程度存在差異,部分體系并不會產(chǎn)生酸敏傷害。

        3)不同的儲層,導(dǎo)致酸敏的礦物及其含量不同,根據(jù)儲層的特點,可以通過調(diào)整主體酸配方、優(yōu)化主體酸濃度,向體系中加入有機(jī)弱酸、鐵離子穩(wěn)定劑、破乳助排劑、黏土穩(wěn)定劑等措施進(jìn)行解除。

        4)酸液必須具有下述性能:與巖石配伍性好、與流體配伍好、溶蝕率適度、鐵穩(wěn)能力強(qiáng)、防膨能力強(qiáng)等。

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