一種碳酸鹽巖抗高溫交聯(lián)酸體系

陳 馥 肖承川 黃磊光 曾 科 堯 君

（1.西南石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 2.中石油長城鉆探工程有限公司壓裂公司）

交聯(lián)酸壓裂液的研究開始于20世紀(jì)70年代末期，當(dāng)時(shí)主要針對低滲透、高溶解、天然裂縫的碳酸鹽巖地層［1－2］。交聯(lián)酸能夠?qū)崿F(xiàn)酸液體系深穿透，形成的酸蝕縫長和支撐主裂縫的導(dǎo)流能力遠(yuǎn)高于常規(guī)酸，從而大大提高了碳酸鹽巖儲層酸壓效果［3－6］。國內(nèi)的交聯(lián)酸研究從本世紀(jì)初才開始，目前，國內(nèi)文獻(xiàn)報(bào)道的大多數(shù)交聯(lián)酸只能耐溫100℃左右［7－9］。但是隨著油氣藏勘探開發(fā)的進(jìn)行，越來越多的高溫深井需要進(jìn)行酸壓作業(yè)，這對交聯(lián)酸壓裂液體系的性能提出了更高的要求。交聯(lián)酸稠化劑和酸性交聯(lián)劑是決定交聯(lián)酸抗溫性的兩個(gè)重要因素。通過對稠化劑和交聯(lián)劑的優(yōu)選并與其它助劑配制成交聯(lián)酸壓裂液體系，使其在120℃條件下具有優(yōu)良的抗剪切、攜砂等性能，為碳酸鹽巖深度酸壓提供技術(shù)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器及藥品

實(shí)驗(yàn)儀器：六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)、巖心流動裝置、M5600流變儀、N80鋼片、壓裂酸化工作液動態(tài)濾失儀、電子天平、電熱恒溫水浴鍋、磁力攪拌器。

化學(xué)試劑：酸液稠化劑（YBC4－2、DM3802、WLD03、CJ2－10），交聯(lián)劑（YBJ－3、JL02、WLD04、JL－10），緩蝕劑 HJF－10，鐵離子穩(wěn)定劑 TWJ－10，粘土穩(wěn)定劑YBNW－3，助排劑CF－5A。

1.2 稠化劑的優(yōu)選

由表1（w（稠化劑）為1.2%，w（鹽酸）為20%）可以看出，4種稠化劑酸溶性都較好，在30min內(nèi)都完全溶解。但是 CJ2－10、YBC4－2、WLD03 3種稠化劑的酸基液熱穩(wěn)定性很差，在高溫下，4h內(nèi)均發(fā)生嚴(yán)重降解。稠化劑的熱穩(wěn)定性直接決定了交聯(lián)酸的抗溫性等相關(guān)性能，是稠化劑最重要的指標(biāo)之一。所以，確定DM3802為最佳酸液稠化劑。

表1 酸液稠化劑的酸溶性、基液粘度及其熱穩(wěn)定性Table 1 Acid solubility，base apparent viscosity and thermostability of acid viscosifier at 90℃

1.3 交聯(lián)劑的優(yōu)選

交聯(lián)劑的選擇主要考慮不同交聯(lián)劑在常溫下的交聯(lián)時(shí)間、交聯(lián)粘度、交聯(lián)酸在高溫下的抗溫時(shí)間等幾個(gè)因素。將 YBJ－3、JL02、WLD04、JL－10 4種交聯(lián)劑按相同加量與等量的稠化劑DM3802配制成交聯(lián)酸，在120℃，170s－1下測定其表觀粘度隨時(shí)間的變化，當(dāng)其粘度下降到50mPa·s時(shí)所經(jīng)過的時(shí)間即為耐溫時(shí)間。分別將幾種交聯(lián)劑配制成的交聯(lián)酸命名為 YBJ－3、JL02、WLD04、JL－10。從表2（w（交聯(lián)劑）為1.0%）可以看出，幾種交聯(lián)劑的交聯(lián)時(shí)間都較短，交聯(lián)較快。YBJ－3交聯(lián)粘度較高，但是在50min時(shí)有絮狀沉淀析出；交聯(lián)酸JL02交聯(lián)粘度較高，但在71min時(shí)粘度下降到50mPa·s以下，達(dá)不到現(xiàn)場應(yīng)用要求；交聯(lián)酸WLD04初始粘度只有420mPa.s，并且隨著剪切的進(jìn)行粘度迅速下降到50mPa·s以下；交聯(lián)酸JL－10交聯(lián)粘度最高，而且其高溫下的抗剪切能力最好，在98min時(shí)粘度仍保持在50mPa·s左右，能夠滿足現(xiàn)場應(yīng)用要求。綜上所述，確定JL－10為最佳交聯(lián)劑。

表2 4種交聯(lián)劑的性能對比Table 2 Effects comparison of four crosslinking agents

1.4 稠化劑及交聯(lián)劑的加量

固定w（交聯(lián)劑JL－10）為1.0%，測定不同稠化劑加量下的基液粘度和交聯(lián)粘度。從表3可以看出，隨著稠化劑加量的增加，基液粘度和交聯(lián)粘度隨之增加。當(dāng)w（稠化劑）為0.6%時(shí)，基液粘度和交聯(lián)粘度太低；當(dāng)加量超過1.4%時(shí)，交聯(lián)粘度很高，但是此時(shí)基液粘度也高于50mPa·s，會給現(xiàn)場配液帶來困難，而且稠化劑加量過大也會使酸壓成本大大上漲；所以w（稠化劑）選擇在0.8%～1.2%。

表3 稠化劑加量的篩選Table 3 Screening of thickener dosage

固定w（稠化劑）為1.0%，調(diào)整交聯(lián)劑JL－10的加量，測其交聯(lián)時(shí)間、交聯(lián)粘度以及120℃、170s－1下的耐溫時(shí)間。從表4可知，隨著交聯(lián)劑加量的增加，交聯(lián)粘度逐漸增加，高溫下的耐溫時(shí)間也相應(yīng)增加。但是w（JL－10）超過1.3%后，耐溫時(shí)間增加的幅度減小，過高的粘度會給施工帶來不利，且交聯(lián)劑加量過大會導(dǎo)致整體成本過高。綜上所述，w（JL－10）在1.0%時(shí)，已經(jīng)完全可以滿足現(xiàn)場應(yīng)用要求。

表4 交聯(lián)劑加量的篩選Table 4 Screening of crosslinking agent dosage

1.5 主體酸濃度的確定

一般地，巖心溶蝕率不應(yīng)低于20%，溶蝕率過低則酸化效果不佳；最高不應(yīng)超過40%，溶蝕率過高容易過度酸化，破壞儲層［10］。在90℃、常壓下，用不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的鹽酸配制成交聯(lián)酸，分別與兩種碳酸鹽巖粉反應(yīng)，測其溶蝕率。反應(yīng)時(shí)間為4h，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1。結(jié)果表明，不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的鹽酸的交聯(lián)酸對力平1井巖粉的溶蝕率隨著鹽酸濃度的增加而迅速增加，當(dāng)w（鹽酸）小于15%時(shí)，溶蝕率較低；高于18%時(shí)，溶蝕率過高。對寶2井巖粉來說，鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的改變對溶蝕率的影響不大。綜合考慮溶蝕及成本因素，w（鹽酸）在15%～18%為宜。

1.6 交聯(lián)酸與添加劑的配伍性

在120℃、常壓下將配制好的交聯(lián)酸與緩蝕劑HJF－10、鐵離子穩(wěn)定劑 TWJ－10、粘土穩(wěn)定劑 YBNW－3、助排劑CF－5A等酸液添加劑復(fù)配，未見沉淀或分層現(xiàn)象。結(jié)果表明，交聯(lián)酸和酸液添加劑配伍性良好，能使現(xiàn)場施工順利進(jìn)行。

2 交聯(lián)酸的性能評價(jià)

2.1 抗剪切性能

根據(jù)酸壓作業(yè)的施工時(shí)間，在120℃、170s－1條件下，對交聯(lián)酸持續(xù)剪切2h，測定其表觀粘度隨著時(shí)間的變化趨勢（圖2，右縱坐標(biāo)左側(cè)數(shù)字表示剪切速率，右縱坐標(biāo)右側(cè)數(shù)字表示溫度。上下兩條比較平坦的曲線分別表示溫度和剪切速率，變化較大的曲線則表示粘度的變化）。從圖2可以看到，交聯(lián)酸的表觀粘度隨著剪切的進(jìn)行逐漸下降，但是表觀粘度在2h內(nèi)始終保持在50mPa·s以上，顯示出了理想的抗剪切能力，完全能夠滿足高溫酸壓要求。

2.2 濾失性能

按SY／T 5107－2005《水基壓裂液性能評價(jià)方法》，對交聯(lián)酸的濾失性能進(jìn)行了測定。由表5可以看出，該交聯(lián)酸的靜態(tài)濾失系數(shù)在90℃和120℃時(shí)均較小，可以滿足現(xiàn)場施工要求。

表5 交聯(lián)酸的濾失性能Table 5 Filtration property of crosslinking acid

2.3 攜砂性能

參考SY／T 5185－2008《礫石充填防砂水基攜砂液性能評價(jià)方法》，分別進(jìn)行了單顆粒沉降速度測定和懸砂能力測定。單顆粒沉降結(jié)果：單顆粒石英砂在交聯(lián)酸中懸浮6h未下沉。

將支撐劑按50%砂比加入交聯(lián)酸中，觀察其沉降情況。由圖3可見，支撐劑懸浮24h后沒有下沉，說明此交聯(lián)酸具有優(yōu)良的攜砂性能。

2.4 對儲層的傷害

按SY／T 5107－2005《水基壓裂液性能評價(jià)方法》，將交聯(lián)酸的破膠液對巖心基質(zhì)的滲透率損害進(jìn)行測定，破膠液停留時(shí)間為2h。選用了5個(gè)不同層位不同巖性的巖心進(jìn)行傷害評價(jià)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表6。表6說明，此交聯(lián)酸壓裂液對儲層的傷害率較小。

表6 交聯(lián)酸破膠液對儲層巖心的滲透率傷害實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 6 Experimental results of crosslinked acid gel breaking liquid damage to permeability of reservoir core

2.5 破膠性能

將交聯(lián)酸按配方配制好后，在120℃下放置4 h，使其破膠。得到的破膠液均勻、清澈透明，無殘?jiān)?，粘度?.5mPa·s。說明此交聯(lián)酸破膠性能良好，容易返排，能降低對油氣儲層的傷害和污染。破膠液外觀見圖4。

3 結(jié)論

（1）通過對市場上幾種主流酸液稠化劑和交聯(lián)劑進(jìn)行篩選，確定了最適合用于高溫酸壓作業(yè)交聯(lián)酸稠化劑DM3802和交聯(lián)劑JL－10。

（2）通過實(shí)驗(yàn)確定了稠化劑DM3802和交聯(lián)劑JL－10的最佳用量范圍，并與酸液添加劑進(jìn)行了配伍性實(shí)驗(yàn)，確定了主體鹽酸濃度，形成了完整的交聯(lián)酸配方體系。

（3）對交聯(lián)酸的抗剪切性能、濾失性能、攜砂性能、巖芯傷害、破膠性能的評價(jià)表明，該交聯(lián)酸抗高溫抗剪切性能良好、濾失小、攜砂性能優(yōu)良、對儲層的傷害小、破膠液易返排，完全滿足現(xiàn)場施工要求。

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