黏彈性表面活性劑自轉(zhuǎn)向酸增黏轉(zhuǎn)向的判別標(biāo)準(zhǔn)

劉雪峰，吳向陽(yáng)，朱 杰，易愛(ài)文，陳 棟

(陜西延長(zhǎng)油田股份有限公司，陜西 延安 717400)

0 引 言

黏彈性表面活性劑(VES)自轉(zhuǎn)向酸相比于常規(guī)酸液體系具有自動(dòng)轉(zhuǎn)向、破膠控水和緩速降濾的優(yōu)點(diǎn)，成為油田酸化領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1-4]。相比于常規(guī)酸液體系，黏彈性表面活性劑酸液體系對(duì)pH值非常敏感，在低pH值環(huán)境下體系黏度較低，能順利進(jìn)入儲(chǔ)層大孔道，大孔道中的酸液體系pH值隨酸液的消耗而增加，當(dāng)pH值到達(dá)體系增黏臨界值后，體系黏度迅速增加呈凍膠狀，從而封堵高滲透層大孔道，迫使酸液作用于低滲透層段。以上過(guò)程反復(fù)，從而實(shí)現(xiàn)擴(kuò)大儲(chǔ)層改造面積的作用。黏彈性表面活性劑自轉(zhuǎn)向酸液體系能實(shí)現(xiàn)自轉(zhuǎn)向的核心在于其中的黏彈性表面活性劑對(duì)pH值的敏感性，在酸化后生成的金屬陽(yáng)離子的螯合作用下，將以游離態(tài)存在的表面活性劑膠束螯合成體形結(jié)構(gòu)[5]，進(jìn)而導(dǎo)致體系黏度增加；而黏彈性表面活性劑分子形成的棒狀膠束遇到烴類物質(zhì)時(shí)，膠束自行破壞，轉(zhuǎn)變成球狀膠束[6-7]，使殘酸黏度降低，有利于返排和提高酸化改造的效果。

目前關(guān)于黏彈性表面活性劑自轉(zhuǎn)向酸酸化技術(shù)的研究主要集中于自轉(zhuǎn)向酸主劑的研制、流變性評(píng)價(jià)和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究等方面[8-14]。在自轉(zhuǎn)向酸酸化效果評(píng)價(jià)方面，目前可見(jiàn)報(bào)道的有采用最大注酸壓力、注入孔隙體積倍數(shù)、酸化處理前后的滲透率比等參數(shù)定性評(píng)價(jià)自轉(zhuǎn)向酸酸化效果，但以上參數(shù)受注酸速度、作用時(shí)間、基質(zhì)物性等因素密切影響，無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)判自轉(zhuǎn)向酸是否達(dá)到轉(zhuǎn)向以及如何達(dá)到最佳轉(zhuǎn)向效果等。為此，有必要系統(tǒng)分析各因素對(duì)自轉(zhuǎn)向酸體系增黏的影響規(guī)律。

1 VES自轉(zhuǎn)向酸黏度變化影響研究

1.1 自轉(zhuǎn)向酸與碳酸鈣反應(yīng)過(guò)程中的黏度變化

采用20%HCl+6%VES配制成自轉(zhuǎn)向酸基礎(chǔ)酸液，將一系列不同質(zhì)量的碳酸鈣粉末與自轉(zhuǎn)向酸反應(yīng)，模擬自轉(zhuǎn)向酸與儲(chǔ)層巖石反應(yīng)過(guò)程。將模擬反應(yīng)得到的不同pH值的自轉(zhuǎn)向酸殘酸在剪切速率為170 s-1下測(cè)定其黏度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨酸液pH值升高，在pH值為-0.57～0.35時(shí)，VES轉(zhuǎn)向酸液體系的黏性迅速增大，由10 mPa·s增至約400 mPa·s；在酸液體系pH值為0.35～9.00時(shí)，酸液體系的黏度變化較小，說(shuō)明VES自轉(zhuǎn)向酸體系在該pH值區(qū)間內(nèi)比較穩(wěn)定。與前一區(qū)間相比，酸液黏度變化的趨勢(shì)是先增大再稍微降低，在酸液pH值約為2.00時(shí)，其黏度具有最大值。在酸液pH值為2.00～9.00時(shí)，酸液黏度緩慢下降。

1.2 剪切速率對(duì)自轉(zhuǎn)向酸黏度的影響

為真實(shí)模擬自轉(zhuǎn)向酸在儲(chǔ)層酸化過(guò)程中的轉(zhuǎn)向情況，模擬測(cè)定了自轉(zhuǎn)向酸在儲(chǔ)層裂縫或多孔介質(zhì)中流動(dòng)狀態(tài)下的黏度變化情況。酸液在儲(chǔ)層裂縫或多孔介質(zhì)的滲流過(guò)程中，酸液的剪切速率為5～50 s-1，因此，設(shè)計(jì)并測(cè)定了在5、10、50 s-1不同剪切速率條件下，自轉(zhuǎn)向酸在酸巖反應(yīng)過(guò)程中的黏度變化情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：pH值對(duì)不同剪切速率下的酸液黏度的影響規(guī)律基本一致。即在pH值為-0.57～0.35時(shí)隨酸液pH值升高，VES自轉(zhuǎn)向酸酸液體系的黏度迅速增大。在酸液體系pH值為0.35～9.00時(shí)，酸液體系的黏度變化較小。3組不同剪切速率下的自轉(zhuǎn)向酸黏度隨pH值變化均存在最大值，即pH值為1.75時(shí)，黏度達(dá)到最大。

隨著剪切速率的增大，在相同反應(yīng)狀態(tài)下殘酸的黏度降低，說(shuō)明自轉(zhuǎn)向酸的殘酸具有剪切變稀的特性。同時(shí)說(shuō)明自轉(zhuǎn)向酸在進(jìn)入儲(chǔ)層微裂縫和孔隙中，由于剪切速率降低，使殘酸的黏度增大，阻止殘酸的大量濾失，導(dǎo)致后續(xù)酸液的轉(zhuǎn)向或深穿透，從而提高自轉(zhuǎn)向酸的改造效果。

1.3 VES濃度的影響

保持酸濃度與VES濃度比例不變，進(jìn)行VES在不同濃度條件下使酸液增黏的實(shí)驗(yàn)(圖1)。由圖1可知：相同酸與VES的比例條件下，濃度為5%～6%的VES增黏效果明顯好于濃度為2%～4%的VES增黏效果，說(shuō)明自轉(zhuǎn)向酸酸液體系在達(dá)到臨界pH值觸發(fā)點(diǎn)時(shí)，必須有足夠的VES分子才能觸發(fā)形成高黏度的體系；VES濃度較高時(shí)，在較低的酸度下，體系的黏度有較大幅度地增加。

圖1 黏彈性表面活性劑濃度對(duì)增黏效果的影響

1.4 介質(zhì)因素對(duì)變黏效果的影響

1.4.1 陽(yáng)離子類型的影響

碳酸鹽巖儲(chǔ)層進(jìn)行酸化處理時(shí)，酸化過(guò)程中產(chǎn)生的陽(yáng)離子主要有Ca2+和Mg2+[17]。圖2為在pH值為2時(shí)陽(yáng)離子類型與體系黏度的關(guān)系，體系中離子的濃度均為20%。由圖2可知：自轉(zhuǎn)向酸液體系增黏與陽(yáng)離子的類型關(guān)系不大，Mg2+和Ca2+達(dá)到一定濃度均可使體系增黏，只是增黏后體系的黏度有差異。Ca2+是碳酸鹽巖儲(chǔ)層酸化改造中產(chǎn)生最多的陽(yáng)離子，同時(shí)，Ca2+對(duì)自轉(zhuǎn)向酸中黏彈性表面活性劑分子的螯合效果最好。

圖2 陽(yáng)離子類型對(duì)增黏效果的影響

1.4.2 陽(yáng)離子濃度和pH值的協(xié)同作用

單獨(dú)改變介質(zhì)的酸堿度或陽(yáng)離子的濃度均不能使VES酸液體系增黏，只有同時(shí)改變介質(zhì)的酸堿度和陽(yáng)離子的濃度才能使VES酸液體系增黏，且增黏過(guò)程存在臨界點(diǎn)，pH值約為0.26(約2%殘酸環(huán)境)時(shí)，體系才開(kāi)始大幅度增黏。

2 VES自轉(zhuǎn)向酸轉(zhuǎn)向標(biāo)準(zhǔn)的推導(dǎo)

根據(jù)VES自轉(zhuǎn)向酸的作用機(jī)理，沿自轉(zhuǎn)向酸流動(dòng)方向上，依次可劃分為酸液體系充分作用的高滲透區(qū)域、酸液體系呈凍膠態(tài)的阻力區(qū)域[18]、酸液濾液區(qū)域和儲(chǔ)層物性保持為原始狀態(tài)的初始狀態(tài)區(qū)。相比較而言，常規(guī)酸液的流動(dòng)剖面只包括高滲透區(qū)域、酸液濾液區(qū)域和初始狀態(tài)區(qū)域，沒(méi)有阻力區(qū)域。

分析常規(guī)酸化時(shí)注酸壓降與時(shí)間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，隨注酸時(shí)間增加，注酸壓降基本呈線性下降趨勢(shì)[19-20]，可視為酸蝕孔的擴(kuò)展速度為常數(shù)，即：

Lwh=awht

(1)

式中：Lwh為流動(dòng)剖面最左側(cè)截面處到高滲透區(qū)前緣的長(zhǎng)度，cm；awh酸蝕孔前緣擴(kuò)展速度，cm/s；t為注酸時(shí)間，s。

定義參數(shù)無(wú)因次突破孔隙體積為θwh，即酸液突破巖石時(shí)的注入體積與巖心孔隙體積之比。其他參數(shù)一定時(shí)，θwh是酸液作用區(qū)相對(duì)增長(zhǎng)速度的倒數(shù)，即酸蝕孔前緣相對(duì)速度為：

(2)

式中：awh為酸蝕孔前緣相對(duì)成長(zhǎng)速度；V為平均達(dá)西速度，cm/s；φo為初始孔隙度。

在線性流條件下，可將自轉(zhuǎn)向酸和常規(guī)酸液作用區(qū)前緣的生長(zhǎng)速度視為相同。當(dāng)自轉(zhuǎn)向酸注酸壓力最大時(shí)，對(duì)應(yīng)的自轉(zhuǎn)向酸儲(chǔ)層阻力最大[21]。將自轉(zhuǎn)向酸注酸壓力最大時(shí)的注酸體積與巖心孔隙體積之比定義為阻力孔隙體積倍數(shù)θr。自轉(zhuǎn)向酸阻力區(qū)前緣生長(zhǎng)速度與常規(guī)酸液酸蝕孔前緣相對(duì)生長(zhǎng)速度相似，可得阻力區(qū)前緣生長(zhǎng)速度為：

(3)

式中：αr阻力區(qū)前緣相對(duì)成長(zhǎng)速度；Lr為流動(dòng)剖面最左側(cè)截面處到阻力區(qū)前緣的長(zhǎng)度，cm。

根據(jù)注酸壓力曲線上最大注酸壓力與初始注酸壓力的關(guān)系，定義無(wú)因次最大壓力比為：

Rp=Δpr/Δpo

(4)

式中：Rp為無(wú)因次最大壓力比；Δpr和Δpo分別為最大注酸壓力和初始注酸壓力。

與常規(guī)酸液類似，近井筒區(qū)域自轉(zhuǎn)向酸為徑向流[22]。根據(jù)自轉(zhuǎn)向酸的酸化作用原理可得：

高滲透區(qū)：

(5)

阻力區(qū)：

(6)

式中：rwh和rr分別為高滲透區(qū)和阻力區(qū)前緣移動(dòng)距離；Vr為阻力區(qū)的平均達(dá)西速度，cm/s。

(7)

在阻力區(qū)，即r∈[rwh，rr] ，有：

(8)

式中：Q為產(chǎn)量，cm2/s；h為厚度，cm；Ko為原始滲透率，10-3μm2；pwh為酸液前緣區(qū)壓力，Pa；pr為阻力區(qū)壓力，Pa；μr為酸液黏度，mPa·s。

理想狀態(tài)下，酸化處理后的酸液能在2個(gè)具有滲透率差異的產(chǎn)層中實(shí)現(xiàn)均勻進(jìn)酸[23]，即Qi=Qj，則：

(9)

式中：rwhi為i層的酸液前緣作用半徑，cm；rwhj為j層的酸液前緣作用半徑，cm。

由式(5)、(8)及Q=V·2πrh，得：

(10)

式中：△p為壓差，Pa；μd為自轉(zhuǎn)向酸酸液黏度，mPa·s。

(11)

式中：(Rp)i、(Rp)j分別為產(chǎn)層i、j的無(wú)因次最大壓力比。

式(11)即為黏彈性表面活性劑自轉(zhuǎn)向酸液體系在儲(chǔ)層中均勻推進(jìn)，實(shí)現(xiàn)理想轉(zhuǎn)向的判別方法。

3 巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)研究

選用4塊油田現(xiàn)場(chǎng)孔隙型灰?guī)r巖心，巖心的直徑均為2.54 cm，巖心的長(zhǎng)度分別為6.03、5.90、6.11、6.12 cm。4塊巖心分為A、B組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)(表1)。分為2組的目的：一是為了更深入研究自轉(zhuǎn)向酸的轉(zhuǎn)向機(jī)理；二是為了進(jìn)一步驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性，消除實(shí)驗(yàn)誤差。實(shí)驗(yàn)使用的自轉(zhuǎn)向酸配方為：20%HCl+6%VES+2%DCA-6酸液緩蝕劑。在并聯(lián)巖心酸液驅(qū)替實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于無(wú)法單獨(dú)測(cè)量每塊巖心的初始注酸壓力，因此，采用液測(cè)滲透率時(shí)的初始注入壓力作為初始注酸壓力。

由表1可知，2組存在級(jí)差的4塊巖心均得到一定程度的有效改造。滲透率相對(duì)低的2塊巖心，其自轉(zhuǎn)向酸改造后滲透率分別提高至酸化前的1.80倍和1.93倍；滲透率值相對(duì)高的2塊巖心改造后，其滲透率分別提高至酸化前的2.18倍和2.09倍。

表1 自轉(zhuǎn)向酸巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)式(4)、(11)，分別計(jì)算A、B組的無(wú)因次最大壓力比、滲透率與孔隙度之比。由表1可知：A組酸液的無(wú)因次最大壓力比為0.564，2塊巖心的滲透率與孔隙度比值之比為0.632；B組酸液的無(wú)因次最大壓力比為0.610，2塊巖心的滲透率與孔隙度比值之比為0.674。因此，有如下關(guān)系式：

(12)

式中：Rp為最大注入壓力比；A1、A2、B1、B2分別為A組和B組的2塊巖心。

由式(11)判別可得，當(dāng)自轉(zhuǎn)向酸達(dá)到最佳轉(zhuǎn)向效果時(shí)，2塊巖心的無(wú)因次阻力系數(shù)之比與巖心的滲透率和孔隙度之比的系數(shù)應(yīng)為1；而根據(jù)式(12)的計(jì)算結(jié)果，實(shí)驗(yàn)中2組巖心的系數(shù)分別為0.892和0.905?？梢?jiàn)，實(shí)驗(yàn)中雖然對(duì)具有滲透率差異的2塊巖心實(shí)現(xiàn)了自轉(zhuǎn)向基質(zhì)酸化處理，但并沒(méi)有達(dá)到最佳轉(zhuǎn)向效果。

4 結(jié) 論

(1) 系統(tǒng)評(píng)價(jià)了pH值、剪切速率、黏彈性表面活性劑濃度、陽(yáng)離子類型等對(duì)黏彈性表面活性劑自轉(zhuǎn)向酸酸液體系黏度的影響。在pH值為1.75時(shí)，體系黏度達(dá)最大值；當(dāng)黏彈性表面活性劑濃度為5%～6%時(shí)，體系黏度增加較為明顯；Ca2+和Mg2+均可使體系增黏，其中，Ca2+的效果最好；當(dāng)其他條件一定時(shí)，只有同時(shí)滿足pH值和陽(yáng)離子濃度2個(gè)條件時(shí)，自轉(zhuǎn)向酸液體系才能實(shí)現(xiàn)黏度的提高。

(2) 根據(jù)黏彈性表面活性劑自轉(zhuǎn)向酸酸液的作用機(jī)理，沿自轉(zhuǎn)向酸酸液流動(dòng)剖面可將其分為高滲透區(qū)域、阻力區(qū)域、酸液濾液區(qū)域和原始地層區(qū)域。阻力區(qū)域的存在是自轉(zhuǎn)向酸酸液能夠?qū)崿F(xiàn)自轉(zhuǎn)向的關(guān)鍵。

(3) 在酸液流動(dòng)符合達(dá)西滲流的基礎(chǔ)上，引入阻力孔隙體積倍數(shù)和無(wú)因次最大壓力比推導(dǎo)了自轉(zhuǎn)向酸在儲(chǔ)層實(shí)現(xiàn)均勻推進(jìn)的判別依據(jù)，自轉(zhuǎn)向酸在非均質(zhì)儲(chǔ)層的均勻推進(jìn)受無(wú)因次最大壓力比、原始滲透率和原始孔隙度的影響。

(4) 采用室內(nèi)并聯(lián)巖心驅(qū)替方式評(píng)價(jià)了自轉(zhuǎn)向酸的轉(zhuǎn)向效果，自轉(zhuǎn)向酸改造后滲透率分別升至酸化前的1.80倍和1.93倍；滲透率值相對(duì)高的2塊巖心改造后，滲透率分別升至酸化前的2.18倍和2.09倍。根據(jù)推導(dǎo)的自轉(zhuǎn)向酸均勻推進(jìn)的判別標(biāo)準(zhǔn)，判斷該基質(zhì)酸化處理沒(méi)有達(dá)到最佳轉(zhuǎn)向效果。

[1] HANAFY A，NASR-El-Din H A，RABIE A S，et al.Newviscoelastic surfactant with improved diversion characteristics for carbonate matrix acidizing treatments[C].SPE180435，2016：1-18.

[2] 曲占慶，曲冠政，齊寧，等.黏彈性表面活性劑自轉(zhuǎn)向酸液體系研究進(jìn)展[J].油氣地質(zhì)與采收率，2011，18(5)：89-92，96，117.

[3] 李俠清，齊寧，楊菲菲，等.VES自轉(zhuǎn)向酸體系研究進(jìn)展[J].油田化學(xué)，2013，30(4)：630-634.

[4] 仲巖磊.黏彈性表面活性自轉(zhuǎn)向酸及應(yīng)用技術(shù)研究[D].青島：中國(guó)石油大學(xué)(華東)，2014.

[5] ABDULWAHAB Hussain Al-ghamdi，HISHAM A，NASR-El-Din，et al.Aciddiversion using viscoelastic surfactants：the effects of flow rate and initial permeability contrast[C].SPE142564，2011：1-18.

[6] 尚朝輝，齊寧，殷潔，等.黏彈性表面活性劑自轉(zhuǎn)向酸酸巖反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究[J].油氣地質(zhì)與采收率，2012，19(3)：63-66，115.

[7] AL-GHAMDI A H，MAHMOUD M A，WANG G，et al.Aciddiversion by use of viscoelastic surfactants：the effects of flow rate and initial permeability contrast[J].SPE Journal，2014，19(6)：1203-1216.

[8] 曲占慶，曲冠政，齊寧，等.自轉(zhuǎn)向酸主劑的合成及其轉(zhuǎn)向性能實(shí)驗(yàn)研究[J].鉆井液與完井液，2012，29(5)：65-69，100.

[9] ASSEM A I，NASR-El-Din H A.Interactionsbetweenmud acid and sand proppants[C].SPE175833，2015：1-11.

[10] 曲占慶，曲冠政，齊寧，等.中低溫VES-BAT自轉(zhuǎn)向酸性能評(píng)價(jià)[J].大慶石油地質(zhì)與開(kāi)發(fā)，2013，32(2)：130-135.

[11] 李小剛，陳雨松，王怡亭，等.新型清潔自轉(zhuǎn)向酸性能室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究[J].應(yīng)用化工，2017，46(1)：25-28.

[12] 郭昊.酸化自轉(zhuǎn)向劑的合成與性能評(píng)價(jià)[D].大慶：東北石油大學(xué)，2016.

[13] AL-OTAIBI M A，AL-MUNTASHERI，HUSSEIN G A，et al.Laboratoryevaluation of viscoelastic surfactant acid diversion for carbonate reservoirs[C].SPE141993，2011：1-17.

[14] MOU J，LIU M，ZHENG K，etal.Diversionconditions forviscoelastic-surfactant-based self-diversion acid in carbonate acidizing[C].SPE173898，2015：1-9.

[15] HULL K L，SAYED，AL-MUNTASHERI，et al.Recentadvances in viscoelastic surfactants for improved production from hydrocarbon reservoirs[C].SPE173776，2016：1-35.

[16] 曲冠政.甜菜堿類黏彈性表面活性劑自轉(zhuǎn)向酸酸化技術(shù)研究[D].青島：中國(guó)石油大學(xué)，2011.

[17] ARYANPANAH S，NASR-El-Din H.Rheologicalproperties of an amine oxide viscoelasticsurfactant with application in well stimulation[C].SPE169242，2014：1-13.

[18] JARDIM Neto A T，SILVA C M，TORRES R S，et al.Self-diverting acid for effective carbonate stimulation offshore brazil：asuccessfulhistory[C].SPE165089，2013：1-13.

[19] KAREN Bybee.Acidplacement and diversion[C].SPE-0610-0053-JPT，2010：1-2.

[20] 曲占慶，曲冠政，齊寧，等.甜菜堿類自轉(zhuǎn)向酸酸化技術(shù)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究[J].特種油氣藏，2012，19(5)：120-123，157.

[21] ZAKARIA A S，NASR-El-DIN H A.Application of novel polymer assisted emulsified acid system improves the efficiency of carbonate acidizing[C].SPE173711，2015：1-23.

[22] 何春明，郭建春.VES自轉(zhuǎn)向酸變黏機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究[J].油田化學(xué)，2011，28(4)：363-366.

[23] KREBS M，LUNGWITZ B，SOUZA A，et al.The first visualization of acid treatments on carbonates with 3D nuclear-magnetic-resonance imaging[C].SPE168198，2015：1-15.