WDL-1黏彈性自轉(zhuǎn)向酸化體系的研制及適用性評價(jià)

董林芳，李占爭，秘　彤，陳新陽，王云慶，趙　靜

（天津中海油服化學(xué)有限公司，天津　300301）

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WDL-1黏彈性自轉(zhuǎn)向酸化體系的研制及適用性評價(jià)

董林芳，李占爭，秘彤，陳新陽，王云慶，趙靜

（天津中海油服化學(xué)有限公司，天津300301）

摘要：黏彈性表面活性劑（VES）自轉(zhuǎn)向酸酸化技術(shù)具有配液簡單、低傷害的優(yōu)點(diǎn)，且能夠有效的起到緩速、降濾失、自動(dòng)轉(zhuǎn)向的作用，是一種改造非均質(zhì)儲(chǔ)層的新技術(shù)。實(shí)驗(yàn)對用WDL-1陽離子表面活性劑配制的鮮酸和酸巖反應(yīng)階段的殘酸黏度進(jìn)行了評價(jià)。研究發(fā)現(xiàn)，WDL-1鮮酸的表觀黏度低于8 mPa·s，易于酸液泵注；WDL-1鹽酸體系在與碳酸鹽巖反應(yīng)的過程中，WDL-1酸液的表觀黏度隨酸巖反應(yīng)的進(jìn)行逐漸增大，90℃以下時(shí)，酸液的黏度隨酸巖反應(yīng)的進(jìn)行呈線性增加；在溫度為100℃～120℃條件下，酸液的黏度隨酸巖反應(yīng)的進(jìn)行呈現(xiàn)近乎平穩(wěn)的趨勢，直至鹽酸全部反應(yīng)時(shí)酸液黏度才開始升高。WDL-1的加量對WDL-1酸液的表觀黏度影響較大，加量越高，黏度越大，同時(shí)黏度隨酸巖反應(yīng)進(jìn)行的變化值也越大。工程實(shí)踐中，可以根據(jù)地層溫度，適當(dāng)調(diào)整WDL-1表面活性劑的用量，以滿足成本控制的要求。WDL-1酸具有緩速低濾失、易轉(zhuǎn)向等特點(diǎn)，8wt%WDL-1酸可以滿足高溫深井的酸化、酸壓的需求。

關(guān)鍵詞：自轉(zhuǎn)向酸；黏彈性表面活性劑；陽離子表面活性劑；酸巖反應(yīng)；碳酸鹽巖；黏度變化

在鉆井、注水、采油、修井等施工作業(yè)中都會(huì)對油氣層的物理化學(xué)平衡狀態(tài)造成傷害，例如沉積堵塞、黏土運(yùn)移膨脹、液體堵塞、水鎖、巖石潤濕性改變等等，使得地層的滲透率下降。酸化是油氣井增產(chǎn)的一項(xiàng)重要技術(shù)，其目的在于用一定類型、濃度和添加劑體系組成的配方酸液按照一定的施工參數(shù)和順序泵入儲(chǔ)層，溶解儲(chǔ)層部分礦物和堵塞物，恢復(fù)地層的滲透率。常規(guī)的酸化轉(zhuǎn)向技術(shù)普遍存在較多缺陷而未在現(xiàn)場得到有效應(yīng)用［1］：（1）酸液在大孔道或高滲透地帶的指進(jìn)現(xiàn)象較為嚴(yán)重，低滲透儲(chǔ)層未得到有效處理；（2）酸液濾失量較大，穿透深度??；（3）常規(guī)轉(zhuǎn)向劑返排后絕大部分聚合物滯留在地層，對地層的殘余二次傷害較大。黏彈性表面活性劑（VES）自轉(zhuǎn)向酸酸化技術(shù)［2－4］主要用于碳酸鹽巖酸化，該體系是由鹽酸、VES及其他酸液添加劑配制而成［5，6］，它具有以下特點(diǎn)：（1）鮮酸液黏度低，摩阻小，泵注容易，無需交聯(lián)劑，對儲(chǔ)層無損傷；（2）酸液的pH值和無機(jī)鹽離子變化控制自轉(zhuǎn)向功能，轉(zhuǎn)向效果好；（3）緩速與濾失控制好，穿透能力強(qiáng)；（4）石油烴類及大量的地層水都會(huì)使VES黏彈性膠體破膠失黏，施工后易于返排，對地層傷害小。VES自轉(zhuǎn)向酸酸化技術(shù)因其具有較好的轉(zhuǎn)向特性，緩速降濾失性，以及對地層的低傷害而引起了廣大科學(xué)研究者的關(guān)注［7，8］。本文評價(jià)了一種長碳鏈陽離子表面活性劑WDL-1自轉(zhuǎn)向酸酸化體系的流變特性，發(fā)現(xiàn)該體系在酸巖反應(yīng)的階段具有增黏和自動(dòng)轉(zhuǎn)向的功能，為提高油氣井的酸化、酸壓效果奠定了基礎(chǔ)。

1　黏彈性表面活性劑（VES）自轉(zhuǎn)向酸酸化作用原理

常規(guī)酸液酸化時(shí)，酸液通常沿高滲透層或大孔道指進(jìn)，使得非均質(zhì)儲(chǔ)層的低滲透部分未得到有效處理。VES自轉(zhuǎn)向酸酸化技術(shù)主要是利用了黏彈性表面活性劑的獨(dú)有特性：（1）VES在較高濃度的鹽酸中很難形成膠束或者是以球狀膠束形式存在，酸液黏度比較低；（2）隨著VES酸液與碳酸鹽巖礦物的反應(yīng)，酸濃度不斷下降，溶液的pH值和無機(jī)鹽離子濃度增加，無機(jī)鹽中的反離子通過壓縮雙電層，破壞了表面活性劑分子中的水化層，使得球形膠束演變成相互纏繞在一起的蠕蟲狀膠束，并相互連接形成巨大的體型結(jié)構(gòu)而迅速增黏［9，10］，黏度的提高減緩了酸液中H+向已反應(yīng)的巖石表面擴(kuò)散，可顯著降低酸液的濾失，使活性酸穿透更深的地層，以達(dá)到深度酸化的目的；（3）同時(shí)，高黏度的液體也充當(dāng)了暫堵劑，使低黏度的鮮酸液轉(zhuǎn)向進(jìn)入到其他未被酸化的區(qū)域，提高了酸液的波及范圍，從而達(dá)到均勻布酸的目的；（4）酸化結(jié)束后，形成的體型結(jié)構(gòu)被原油或地層水破膠，容易返排，對地層傷害小甚至無傷害。

2　實(shí)驗(yàn)部分

2.1實(shí)驗(yàn)試劑與儀器

試劑：黏彈性表面活性劑WDL-1，一種陽離子表面活性劑，有效含量＞99%，自制；濃鹽酸、CaCl2、CaCO3，均為分析純；緩蝕劑BA1-11（廣漢市華星新技術(shù)開發(fā)研究所），鐵離子穩(wěn)定劑PA-IC（天津中海油服化學(xué)有限公司），黏土穩(wěn)定劑PA-CH（天津中海油服化學(xué)有限公司），均為工業(yè)品；蒸餾水。

儀器：M5600 HPHT Rheometer，Grace instrument公司。

2.2實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1鮮酸液體系的配制20wt%鹽酸+不同含量WDL-1+1wt%BA1-11+1wt%PA-IC+1wt%PA-CH體系：在一定濃度的鹽酸中依次加入WDL-1及各種酸液添加劑（BA1-11，PA-IC及PA-CH），加入蒸餾水配制成20wt%濃度的鮮酸液體系，控制磁力攪拌器的攪拌速率使產(chǎn)生的氣泡量最少。

2.2.2殘酸液體系的配制20wt%鹽酸+不同含量CaCO3+不同含量WDL-1+1wt%BA1-11+1wt%PAIC+1wt%PA-CH體系：按照Al-Ghamdi給出的VES自轉(zhuǎn)向酸的殘酸液配制方法［5］，將碳酸鈣逐步加入鹽酸中，消耗鹽酸至所需要的酸巖反應(yīng)進(jìn)程，將各種添加劑邊攪拌邊混合加入到溶液中，最后加入所需量的WD L-1。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1鮮酸流變性分析

鮮酸的表觀黏度在一定程度上決定了酸液的泵入能力；另外，酸液從地面泵入到地層的過程中，溫度是逐漸變化的，研究溫度對鮮酸表觀黏度的影響可以對表面活性劑膠束的結(jié)構(gòu)有一定的了解，因此測試鮮酸的表觀黏度顯得十分必要。

圖1　WDL-1濃度及溫度對鮮酸表觀黏度的影響

在170s-1條件下，不同濃度的WDL-1鮮酸溶液的表觀黏度隨溫度的變化關(guān)系（見圖1）。從圖1中可以看出，在所測試的WDL-1濃度范圍內(nèi)，鮮酸的表觀黏度隨溫度的升高呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。鮮酸溶液中，WDL-1分子在溶液中所受的力可以分為兩類：相互聚集成膠束結(jié)構(gòu)的力和掙脫束縛的力。隨著溫度的升高，分子熱運(yùn)動(dòng)逐漸加劇，WDL-1表面活性劑分子相互聚集成膠束結(jié)構(gòu)的力大于掙脫束縛的力，因此黏度隨溫度的升高而增大；當(dāng)溫度達(dá)到50℃時(shí)，這兩種作用力達(dá)到平衡，故而黏度升至最大值；溫度繼續(xù)升高，WDL-1分子掙脫束縛的力占主導(dǎo)作用，因此黏度開始下降?？偟膩碚f，鮮酸的表觀黏度均在8 mPa·s以下，利于深井和水平井的泵注作業(yè)。

3.2殘酸流變性分析

殘酸液的黏度變化決定了酸化是否能夠達(dá)到均勻布酸和深度酸化的目的，因此研究殘酸液的黏度變化顯得尤為重要。實(shí)驗(yàn)考察了鹽酸和CaCl2濃度，溫度，酸液添加劑等對成膠酸流變性能的影響。

3.2.1WDL-1酸液黏度隨酸巖反應(yīng)進(jìn)程（鹽酸與CaCO3反應(yīng)）的變化情況在剪切速率為170s-1條件下，50℃時(shí)測得的不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的WDL-1酸液的黏度隨酸巖反應(yīng)進(jìn)程的變化關(guān)系曲線（見圖2）。8wt%WDL-1條件下，酸液反應(yīng)50%時(shí)，酸液的表觀黏度高于50 mPa·s；當(dāng)酸液反應(yīng)百分率達(dá)到70%時(shí)，表觀黏度達(dá)到180 mPa·s，可顯著起到緩速、降低酸液的濾失作用，使活性酸穿透更深的地層，以達(dá)到深度酸化的目的。同一WDL-1濃度條件下，隨酸巖反應(yīng)的進(jìn)行，酸液濃度降低，氯化鈣濃度升高，酸液的表觀黏度呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢。WDL-1表面活性劑在酸液中膠束帶正電，鹽酸濃度越高，H+含量越高，膠束間的排斥力越大，排斥力的存在使得膠束內(nèi)分子堆砌松散，僅能形成球狀或短棒狀膠束，因此，酸液黏度較低。

圖2　WDL-1酸液黏度隨酸巖反應(yīng)進(jìn)程的變化關(guān)系（50℃，170s-1）

此外，隨著WDL-1含量的增加和酸巖反應(yīng)的進(jìn)行，圖2中曲線的斜率越來越大，表明高含量的WDL-1可使酸液黏度隨酸巖反應(yīng)的進(jìn)行具有更大的變化值，特別是10.0wt%WDL-1濃度條件下，酸液反應(yīng)百分率由67%升至83%時(shí)，酸液黏度由172 mPa·s升至419 mPa·s。這種高黏凝膠能夠阻止或減緩酸液繼續(xù)與高滲透層巖石物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)而轉(zhuǎn)向至滲透性能相對較差的區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)均勻布酸。

3.2.2WDL-1酸液黏度隨溫度的變化情況不同溫度下，4.5wt%，8.0wt%，10.0wt%含量的WDL-1酸液隨酸巖反應(yīng)進(jìn)行的黏度變化情況（見圖3，圖4，圖5）。從圖3～圖5中可以看出，90℃條件下，酸液反應(yīng)百分率達(dá)50%時(shí)，8.0wt%WDL-1酸液黏度可達(dá)50 mPa·s；酸液反應(yīng)百分率達(dá)80%時(shí)，4.5wt%WDL-1酸液黏度升至66 mPa·s，而8.0wt%WDL-1酸液黏度達(dá)80 mPa·s，可滿足緩速、降濾失的需要。隨著溫度的升高，在酸巖反應(yīng)的進(jìn)程中，酸液體系黏度的增加值越來越小；在溫度為100℃～120℃條件下，當(dāng)酸液反應(yīng)百分率達(dá)到83%時(shí)，酸液黏度仍接近鮮酸的黏度，直至鹽酸全部反應(yīng)時(shí)（pH=7）酸液黏度才開始升高。

圖3　不同溫度下，4.5wt%WDL-1酸液黏度隨酸巖反應(yīng)進(jìn)程的變化關(guān)系（170s-1）

圖4　不同溫度下，8.0wt%WDL-1酸液黏度隨酸巖反應(yīng)進(jìn)程的變化關(guān)系（170s-1）

圖5　不同溫度下，10.0wt%WDL-1酸液黏度隨酸巖反應(yīng)進(jìn)程的變化關(guān)系（170s-1）

WDL-1濃度及溫度對殘酸（鹽酸與CaCO3全反應(yīng)，pH=7）表觀黏度的影響（見圖6）。從圖6中可以看出，隨著溫度的升高，WDL-1殘酸液黏度先增加后降低，在60℃時(shí)殘酸液體系的表觀黏度最大。在溫度低于60℃時(shí)，WDL-1表面活性劑分子相互聚集成膠束結(jié)構(gòu)的力大于掙脫束縛的力，因此黏度隨著溫度的升高而增大；當(dāng)溫度升至60℃時(shí)，表面活性劑分子聚集為膠束的力與掙脫束縛的力處于平衡狀態(tài)，黏度升至最大值；溫度超過60℃以后，分子掙脫束縛的力占主要作用，因此，酸液體系的黏度開始下降。

圖6　WDL-1濃度及溫度對殘酸（鹽酸與CaCO3全反應(yīng)，pH=7）表觀黏度的影響（170s-1）

在同一溫度下，隨WDL-1濃度的升高，殘酸體系的表觀黏度呈現(xiàn)上升的趨勢。90℃時(shí)，WDL-1濃度為4.5wt%時(shí)，殘酸液黏度達(dá)到98 mPa·s；濃度為8wt%時(shí)，殘酸液黏度有較大增長，升至211 mPa·s；當(dāng)WDL-1濃度繼續(xù)升高，殘酸液黏度也隨之繼續(xù)增加，10wt%的WDL-1殘酸液黏度約為275 mPa·s。另外，當(dāng)溫度在110℃時(shí)，8.0wt%WDL-1及10.0wt%加量的WDL-1的殘酸液仍然具有黏度在90 mPa·s以上的表觀黏度。因此，工程實(shí)踐中，可以根據(jù)地層溫度，適當(dāng)調(diào)整WDL-1表面活性劑用量，以滿足成本控制的要求。

3.2.3酸液添加劑的影響酸液體系中添加劑類型和濃度會(huì)對酸液的表觀黏度產(chǎn)生不同的影響。實(shí)驗(yàn)考查了鐵離子穩(wěn)定劑PA-IC、黏土穩(wěn)定劑PA-CH和緩蝕劑BA1-11對酸巖反應(yīng)進(jìn)程黏度的影響（見圖7）。從圖7中可以看出，鐵離子穩(wěn)定劑PA-IC的加入使WDL-1酸液的表觀黏度略微降低；而黏土穩(wěn)定劑PA-CH可使WDL-1酸液的黏度略微增加；緩蝕劑BA1-11可明顯降低WDL-1酸液的表觀黏度，故緩蝕劑加量適宜就好，或選用其他不影響體系的緩蝕劑。

圖7　添加劑對酸巖反應(yīng)進(jìn)程黏度的影響（50℃，170s-1）

4　結(jié)論與認(rèn)識(shí)

（1）WDL-1表面活性劑鹽酸體系具有與碳酸鹽巖反應(yīng)過程中的變黏特性。90℃以下時(shí)，WDL-1鹽酸體系在與碳酸鹽巖反應(yīng)的過程中，酸液的黏度隨酸巖反應(yīng)的進(jìn)行呈線性增加，尤其適合巖層滲透率變化有突變的地層或是擁有大孔道的地層，能夠最大限度的實(shí)現(xiàn)均勻布酸。

（2）在溫度為100℃～120℃地層條件下，WDL-1鹽酸體系在與碳酸鹽巖反應(yīng)的過程中，酸液的黏度隨酸巖反應(yīng)的進(jìn)行呈現(xiàn)近乎平穩(wěn)的趨勢，直至鹽酸全部反應(yīng)時(shí)酸液黏度才開始升高，尤其適合巖層滲透率變化比較平緩的地層，能夠最大限度的實(shí)現(xiàn)均勻布酸。

（3）WDL-1的加量對WDL-1酸液的表觀黏度影響較大，加量越高，黏度越大，同時(shí)黏度隨酸巖反應(yīng)進(jìn)行的變化值也越大，工程實(shí)踐中，可以根據(jù)地層溫度，適當(dāng)調(diào)整WDL-1表面活性劑的用量，以滿足成本控制的要求。

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Development and applicability evaluation of WDL-1 viscoelastic self-diverting acid system

DONG Linfang，LI Zhanzheng，BI Tong，CHEN Xinyang，WANG Yunqing，ZHAO Jing
（COSL Chemicals（Tianjin）Ltd.，Tianjin 300301，China）

Abstract:Viscoelastic surfactant self-diverting acid technique has numerous advantages such as simple preparation，low formation damage，slow and lower filtration，it is a newly developed reservoir stimulation technique. Fresh acid and reacted acid prepared with WDL-1 cationic surfactant have been evaluated. It is found that the apparent viscosity of WDL-1 fresh acid is less than 8 mPa·s and the fresh acid can be easily pump into well. The apparent viscosity of WDL-1 acid gradually increases with acid rock reaction，when temperature is below 90℃，the viscosity shows linear growth. The viscosity of acid exhibits an almost steady trend with acid rock reaction and it did not start to rise until pH reaches to 7 at 100℃～120℃. The quantity of WDL-1 can greatly influence the apparent viscosity of WDL-1 acid，the more WDL-1 added，the greater the viscosity is，moreover，the variation of viscosity isalso on the rise. In engineering practice，the amount of WDL-1 can be adjusted according to the formation temperature so as to meet the requirement of cost control. WDL-1 acid has characteristics such as good retarding performance and low filtrate loss，and 8%WDL-1 can match the requirement acidification and acid fracturing of high temperature and deep well.

Key words：self-diverting acid；viscoelastic surfactant；cationic surfactant；acid/rock reaction；carbonate rock；viscosity change

中圖分類號(hào)：TE357.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-5285（2016）06-0145-05

DOI:10.3969/j.issn.1673-5285.2016.06.036

*收稿日期：2016-05-22

作者簡介：董林芳（1987-），博士，工程師，畢業(yè)于中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所，現(xiàn)在從事油氣田增產(chǎn)增注技術(shù)研究工作，郵箱：linfangdong@126.com。