新型多氫酸深部酸化技術(shù)研究及在吐哈油田的應(yīng)用

黨建鋒

(中國(guó)石油吐哈油田分公司井下技術(shù)作業(yè)公司，新疆鄯善 838200)

新型多氫酸深部酸化技術(shù)研究及在吐哈油田的應(yīng)用

黨建鋒

(中國(guó)石油吐哈油田分公司井下技術(shù)作業(yè)公司，新疆鄯善 838200)

吐哈油田鄯善、溫米區(qū)塊注水壓力高，地層堵塞嚴(yán)重，注水難以達(dá)到配注要求，常規(guī)酸化施工不能解除地層深部污染，為此研發(fā)出了一種新型多氫酸體系。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，與土酸相比，新型多氫酸體系具有緩速緩蝕、有效作用距離大、防止二次沉淀的產(chǎn)生、低成本等諸多優(yōu)勢(shì)。根據(jù)鄯善、溫米區(qū)塊的儲(chǔ)層特征，確定了新型多氫酸體系配方及技術(shù)，并在23口井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)表明，新型多氫酸體系可以降低注水壓力7.8 MPa，日增注量29.5 m3，有效期108 d，降壓增注效果顯著。

鄯善溫米油田；新型多氫酸；儲(chǔ)層酸化

鄯善、溫米油田已歷經(jīng)20余年的勘探開發(fā)，隨著注水開發(fā)的不斷深入,注入水外源性傷害和內(nèi)源性傷害不斷向地層深部推進(jìn)并在地層深部累積,致使注水能力下降,地層能量得不到有效補(bǔ)給，導(dǎo)致儲(chǔ)層供液能力降低。沿用早期開發(fā)的磷酸緩速酸工藝、膠束酸酸化工藝、稀鹽酸、酸堿復(fù)合驅(qū)、土酸以及黏土酸酸化等技術(shù)措施，酸化后殘酸返排困難，容易形成二次沉淀，且有效期短，影響酸化效果；土酸中的HF 成分溶蝕能力太強(qiáng)，容易引起巖石骨架破壞，深部污染不好解決[1-3]。通過(guò)調(diào)研國(guó)內(nèi)外油田低壓、低滲注水井儲(chǔ)層傷害治理技術(shù)，開展了室內(nèi)評(píng)價(jià)及礦場(chǎng)試驗(yàn)，研發(fā)出一種新型多氫酸體系，可以有效解決注水井的降壓增注難題。

1 多氫酸深部酸化機(jī)理及適應(yīng)性分析

多氫酸為一種新型的HF酸液體系，由一種特殊的復(fù)合物代替HF與銨鹽發(fā)生氫化反應(yīng)。多氫酸為一中強(qiáng)酸，本身存在電離平衡，在不同的化學(xué)計(jì)量條件下，通過(guò)多級(jí)電離分解釋放出多個(gè)氫離子，故將其命名為多氫酸。

1.1 多氫酸深部酸化機(jī)理

為了實(shí)現(xiàn)深穿透、解除地層深部污染,就需要降低酸液與巖石的反應(yīng)速率,因此需采用緩速酸體系。目前幾乎所有用于砂巖酸化處理的酸液體系都是用含有HF或者在地層中產(chǎn)生HF的酸液體系。從氫氟酸與鋁硅酸鹽的一次反應(yīng)動(dòng)力學(xué)可知：巖石與HF的反應(yīng)速率取決于HF的濃度,HF濃度越大,一次反應(yīng)速率越大；HF濃度越小,一次反應(yīng)速率越小[4-5]。多氫酸正是一種能在酸液中低速提供低濃度HF的新型酸液體系,它是由一種特殊復(fù)合物代替HCl與氟鹽發(fā)生氫化反應(yīng)，在地層中由酸液釋放出H+與氟鹽釋放出F-結(jié)合生成HF,新生成的HF再與巖石發(fā)生反應(yīng)而完成酸化作用。多氫酸本身為一種多級(jí)中強(qiáng)酸,H+是逐級(jí)緩慢釋放的,這樣就延緩了HF的生成速度,從而降低了酸化速度,為酸液進(jìn)入深部地層爭(zhēng)取了時(shí)間[6-7]。

1.2 深部酸化工藝適應(yīng)性分析

(1)區(qū)塊油藏為低孔低滲油藏，且地層堵塞污染嚴(yán)重，土酸進(jìn)入地層深部之前就消耗殆盡。而多氫酸的緩速性能大幅度降低酸巖反應(yīng)速度，從而保證了地層深部的酸化效果。

(2)鄯善油田儲(chǔ)層非均質(zhì)嚴(yán)重，物性較差，平均滲透率為20.6×10-3μm2，裂縫及微裂縫較發(fā)育，巖性以混合砂巖和長(zhǎng)石砂巖為主，填隙物主要為雜質(zhì)和膠結(jié)物，黏土礦物含量以高嶺石為主，占30%～50%，儲(chǔ)層水敏程度中等偏弱-中等偏強(qiáng)，水敏指數(shù)為0.40～0.70；速敏強(qiáng)，酸敏性較強(qiáng)。造成滲透率傷害的礦物主要為高嶺石、黏土微粒運(yùn)移和綠泥石遇酸反應(yīng)產(chǎn)生的沉淀顆粒，堵塞孔喉，致使儲(chǔ)層滲流能力降低、注水壓力上升，水注不進(jìn)。多氫酸體系能長(zhǎng)時(shí)間的維持HF處于低濃度狀態(tài)，可以抑制高嶺石與HF反應(yīng)二次沉淀的生成，因此，多氫酸用于此類油藏的酸化有明顯的優(yōu)勢(shì)。

(3)溫米油田儲(chǔ)層物性差，平均滲透率25.61×10-3μm2，孔喉以微細(xì)～細(xì)喉為主，喉道彎曲變化大，分選性差。砂巖中泥質(zhì)含量5%～10%，黏土礦物以高嶺石為主，二者相對(duì)含量大于80%，儲(chǔ)層水敏程度較強(qiáng)。造成滲透率傷害的礦物主要是高嶺石、黏土礦物的水化膨脹以及高嶺石顆粒破碎和運(yùn)移，堵塞孔隙喉道，使?jié)B透性降低。注入水的總礦化度為28 100 mg/L，水型為CaCl2水型，與地層水接近，引起地層水敏相對(duì)較小，但是鈣、鎂、碳酸氫根離子濃度高，pH值較高，具有較強(qiáng)的結(jié)垢趨勢(shì)。注水井管柱及井筒附近結(jié)垢嚴(yán)重，存在較嚴(yán)重的細(xì)菌污染，污染半徑大。多氫酸具有同時(shí)解除有機(jī)垢與無(wú)機(jī)垢的功能，能有效的解除細(xì)菌與結(jié)垢造成的深部污染。

2 新型多氫酸性能評(píng)價(jià)

2.1 多氫酸體系與巖粉的溶蝕實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)選用鄯善區(qū)塊儲(chǔ)層巖粉，考察了多氫酸體系配方1、配方2和土酸對(duì)巖粉的溶蝕率，得出其溶蝕規(guī)律。實(shí)驗(yàn)溫度為60 ℃，壓力條件是大氣壓。

多氫酸配方1：6%HCl+6%氟化氫銨+6%有機(jī)膦酸+各種添加劑；多氫酸配方2：6%HCl+4%氟化氫銨+4%有機(jī)膦酸+各種添加劑；土酸配方： 6%HCl+2%HF+各種添加劑。

由表1可知，多氫酸配方2的溶蝕率略低于多氫酸配方1，但兩者都遠(yuǎn)低于土酸的溶蝕率，新型多氫酸體系的反應(yīng)速率大約為土酸的23%左右，緩速效果顯著。

2.檢驗(yàn)假說(shuō)2的模型。假說(shuō)2以貨幣增長(zhǎng)率MP替換式(2)中的企業(yè)家信心指數(shù)，建立式(3)。根據(jù)假說(shuō)2，預(yù)期投資過(guò)度時(shí)，回歸系數(shù)α1顯著為正值；投資不足時(shí)，回歸系數(shù)α1顯著為負(fù)值；無(wú)論是投資過(guò)度還是投資不足的分組中，國(guó)有企業(yè)樣本的回歸系數(shù)α1的絕對(duì)值大于非國(guó)有企業(yè)樣本回歸系數(shù)α1的絕對(duì)值。

表1 新型多氫酸與土酸對(duì)巖粉的溶蝕率 %

2.2 多氫酸體系與石英的溶蝕實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)主要考察多氫酸液體系對(duì)砂巖基質(zhì)組成主要礦物石英的溶蝕率情況，實(shí)驗(yàn)將多氫酸體系配方與常規(guī)砂巖酸化做了對(duì)比研究。多氫酸體系的配方是：6%HCl+4%氟化氫銨+4%有機(jī)膦酸+各種添加劑；土酸配方是：6%HCl+2%HF+各種添加劑。實(shí)驗(yàn)條件在常規(guī)大氣壓條件下進(jìn)行，溫度是60 ℃。

由表2可知：多氫酸對(duì)石英的溶蝕率是土酸的2.3倍，同時(shí)多氫酸體系有加速與石英反應(yīng)的特性，這有利于酸液體系在砂巖儲(chǔ)層中溶蝕更多的石英，增加儲(chǔ)層的滲透率，從而達(dá)到良好的酸化效果。

表2 多氫酸、土酸對(duì)石英的溶蝕率 %

2.3 多氫酸體系抑制二次沉淀實(shí)驗(yàn)

由于砂巖儲(chǔ)層礦物的多樣性，HF 與長(zhǎng)石以及黏土礦物反應(yīng)很復(fù)雜。多氫酸體系與儲(chǔ)層礦物反應(yīng)分為兩次：一次反應(yīng)是氫氟酸與鋁硅酸鹽反應(yīng)，即氫氟酸與黏土和長(zhǎng)石的反應(yīng)；二次反應(yīng)是次生的氟硅酸與黏土和長(zhǎng)石反應(yīng)后在黏土礦物表面形成硅凝膠沉淀，該物質(zhì)易與地層水中的K+、Na+混合，形成氟硅酸鹽沉淀。

2.3.1 氟化物沉淀實(shí)驗(yàn)

在砂巖酸化過(guò)程中，F(xiàn)-易與儲(chǔ)層巖石中的Ca2+、A13+、Fe2+、Fe3+等多價(jià)金屬離子形成沉淀，從而堵塞孔道，影響滲透率和最終的酸化處理效果。

用鹽水來(lái)模擬油氣田地層酸化的條件，研究新型多氫酸對(duì)氟化物沉淀的抑制作用。鹽水由2% KCl、2% NaCl、2% CaCl2、2% MgCl2以及蒸餾水組成，分兩次用碳酸鈉調(diào)高溶液的pH 值，觀測(cè)其沉淀情況，實(shí)驗(yàn)溫度25 ℃。用各種酸液進(jìn)行反應(yīng)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，其多氫酸體系配方：6%HCl+4%氟化氫銨+4%有機(jī)膦酸+各種添加劑，土酸配方：6%HCl+2%HF+各種添加劑，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3可知，土酸在第一次加入碳酸鈉之后，溶液就產(chǎn)生了渾濁現(xiàn)象，而多氫酸體系在第一次調(diào)高pH 值之后，溶液沒(méi)有出現(xiàn)渾濁現(xiàn)象。雖然土酸體系的pH 值始終保持在最低水平，但是土酸抑制氟化物沉淀的能力不如多氫酸體系。另外，多氫酸體系在第二次調(diào)高pH 值時(shí)，也沒(méi)有產(chǎn)生沉淀。因此，新型多氫酸體系具有較好的抑制氟化物沉淀的性能。

表3 新型多氫酸對(duì)氟化物沉淀的抑制情況

2.3.2 硅酸鹽沉淀實(shí)驗(yàn)

用自來(lái)水配制100 mg/L的CaCl2、40 mg/L的MgC12、40 mg/L的AIC13和100 mg/L的NaHCO3。將酸液與鹽水等體積混合，在10小時(shí)內(nèi)分三次加入含2.9 g/L二氧化硅的硅酸鈉溶液1 mL。多氫酸體系配方：6%HCl+4%氟化氫銨+4%有機(jī)膦酸+各種添加劑。土酸配方：6%HCl+2%HF+各種添加劑。

由表4可知，多氫酸比土酸對(duì)硅酸鹽沉淀有更好的抑制效果。

表4 氟化氫銨對(duì)硅酸鹽沉淀的抑制實(shí)驗(yàn)

2.4 多氫酸緩蝕性能實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)將考察新型多氫酸體系對(duì)標(biāo)準(zhǔn)鋼片腐蝕情況。

實(shí)驗(yàn)步驟：取N80標(biāo)準(zhǔn)鋼片3片，用無(wú)水乙醇洗凈后冷風(fēng)吹干，并置于干燥皿中； 24 h后稱重，放入90 ℃酸液(500 mL)中反應(yīng)4 h，然后取出稱重，計(jì)算出其平均腐蝕速率，多氫酸體系配方：6%HCl+4%氟化氫銨+4%有機(jī)膦酸+各種添加劑。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5，N80鋼片的平均腐蝕速率為2.7525 g/(m2·h)，遠(yuǎn)小于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)腐蝕速率8 g/(m2·h)。

表5 多氫酸緩蝕性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

2.5 多氫酸潤(rùn)濕性實(shí)驗(yàn)

常規(guī)酸化一般加入陽(yáng)離子表面活性劑作為緩速劑來(lái)抑制反應(yīng)速度，這個(gè)方法容易導(dǎo)致地層傷害。這種傷害是由于表面活性劑的潤(rùn)濕性質(zhì)造成的。

實(shí)驗(yàn)采用多氫酸和HCl+HF的混合酸液，分別考察混合酸液與黏土樣品反應(yīng)后的產(chǎn)物在甲苯和甲醇中的互溶情況：混合酸液體系處理后的黏土樣品在甲苯中分散，在甲醇中凝聚。結(jié)果表明：用多氫酸和HCl+HF的混合酸液體系處理后的地層是水濕性質(zhì)，多氫酸體系能夠在黏土地層中保持水濕，有利于改善儲(chǔ)層滲流條件。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及效果

2013年提出新型多氫酸深部酸化工藝并開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，截至2014年6月30日，注水井現(xiàn)場(chǎng)共計(jì)實(shí)施多氫酸酸化23井次，有效井23口井次，有效率100%，平均單井降壓7.8MPa，日增注29.5 m3，有效期108 d，降壓增注效果顯著。

4 認(rèn)識(shí)與結(jié)論

(1)新型多氫酸對(duì)比土酸所具備的緩速緩蝕性能更適合于低孔、低滲、黏土含量高的砂巖油藏, 能顯著降低酸化反應(yīng)速度, 減少二次沉淀的產(chǎn)生, 增加酸化反應(yīng)距離, 提高酸化效果。

(2)多氫酸深部酸化工藝在吐哈油田的成功應(yīng)用，說(shuō)明該技術(shù)對(duì)低孔低滲注水井具有較好的適用性，對(duì)緩解地層壓力、提高注水開發(fā)效果、實(shí)現(xiàn)油田的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)具有十分重要的意義。

(3)針對(duì)部分井酸化后增注效果不理想、有效期短的問(wèn)題，下步應(yīng)開展縮膨劑的室內(nèi)評(píng)價(jià)及礦場(chǎng)試驗(yàn)?？s膨劑對(duì)黏土具有較強(qiáng)的縮膨性能，縮膨劑與多氫酸深部酸化工藝相結(jié)合，可穩(wěn)定注水壓力，延長(zhǎng)酸化有效期，進(jìn)一步提高酸化效果。

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編輯：劉洪樹

1673-8217(2015)01-0118-03

2014-09-09；改回日期：2014-09-28

黨建鋒，碩士，工程師，1979年生，2006年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(北京)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)，現(xiàn)從事壓裂酸化技術(shù)研究及現(xiàn)場(chǎng)管理工作。

TE355.2

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