縫洞型油藏霧化酸深部酸化機(jī)理研究

蘇徐航，齊寧，2，王一偉，潘林，徐志鵬

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島 266580；2.非常規(guī)油氣開(kāi)發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國(guó)石油大學(xué)（華東）），山東青島 266580）

0 引言

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)縫洞型油藏儲(chǔ)層酸化時(shí)，多采用以鹽酸為主體的酸液體系，通過(guò)添加多種化學(xué)劑從而提高酸化效率[1-5]。近年，國(guó)外多使用稠化酸體系進(jìn)行酸液分流轉(zhuǎn)向以減少酸液濾失，如Halliburton利用交聯(lián)酸進(jìn)行碳酸鹽巖酸化的轉(zhuǎn)向控制[6]。李志[7]提出了的新型非常規(guī)酸液體系HR可用于縫洞型油藏的酸化，其主要成分為螯合劑H4R。該體系依靠其螯合、吸附和電離的綜合作用緩速。Frank[8]提出的新型表面活性劑VES與地層巖石發(fā)生反應(yīng)時(shí)，Ca2+含量的上升和pH值的增大均會(huì)使該表面活性劑的黏度增大。演春[9]提出利用膠凝酸進(jìn)行碳酸鹽巖儲(chǔ)層的酸化，降低酸巖反應(yīng)速度，促進(jìn)酸蝕主蚓孔的延伸。目前應(yīng)用較為成熟的膠凝劑產(chǎn)品有西南油氣田分公司的CT1-6和Halliburton的DSGA等[10]。魏星[11]等提出利用乳化酸進(jìn)行碳酸鹽巖儲(chǔ)層的酸化，乳化酸濾失量很小，緩速性能良好，可進(jìn)入深部地層溝通裂縫。陳冀嵋[12]等提出對(duì)縫洞型油藏進(jìn)行固體酸酸化，該固體酸常態(tài)下處于未激活狀態(tài)，一旦激活可迅速分解出硝酸。曹繼虎[13]等針對(duì)長(zhǎng)慶油田低產(chǎn)低效井，提出使用氮?dú)馀菽峄に嚰夹g(shù)，該工藝不僅能促進(jìn)殘酸返排，還有較好的控水增油效果。

泡沫酸作為一種氣液兩相酸，液相為連續(xù)相，氣相為非連續(xù)相，而針對(duì)注氣開(kāi)發(fā)的縫洞型油藏，以氣相為連續(xù)相，液相為非連續(xù)相，將注氣和酸化相結(jié)合，提出了一種新型霧化酸酸化工藝方法。霧化酸可有效溝通不連續(xù)的縫洞儲(chǔ)集體，有利于縫洞型油藏深部的酸化。本文通過(guò)霧狀流井筒流動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)，模擬霧化酸在井筒和地層中流動(dòng)；并通過(guò)旋轉(zhuǎn)圓盤實(shí)驗(yàn)，評(píng)價(jià)霧化酸及霧化穩(wěn)定劑的緩速性能和霧化酸對(duì)管柱的緩蝕性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器及藥品

①酸液霧化-井筒流動(dòng)模擬裝置。該裝置包括氣路系統(tǒng)、液路系統(tǒng)、霧化發(fā)生器、模擬井筒、井底積液收集裝置和模擬地層6個(gè)部分。其中，氣路系統(tǒng)包括空氣壓縮機(jī)、氣節(jié)流閥和玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)3個(gè)部分，液路系統(tǒng)包括高壓平流泵、液體壓力表和液節(jié)流閥3個(gè)部分。分別由空氣壓縮機(jī)和高壓平流泵供給一定壓力的空氣和去離子水用于模擬油田現(xiàn)場(chǎng)的氮?dú)夂退嵋?，氣液于雙流式文丘里霧化發(fā)生器相遇并產(chǎn)生霧化流，進(jìn)入模擬井筒，最終流動(dòng)至模擬地層，其中聚并的液體進(jìn)入積液收集裝置。

②雙流式文丘里霧化發(fā)生器（見(jiàn)圖1）。該霧化發(fā)生器本質(zhì)是雙流式霧化噴嘴，其作用機(jī)理是液體和氣體在腔內(nèi)相互作用而形成液膜，破碎液膜形成霧狀流，而當(dāng)其高速通過(guò)文丘里管（管徑逐漸變?。r(shí)，流速增大，壓力減小，形成的壓差使霧狀流高速射出[14-15]。為提升霧化率，對(duì)霧化發(fā)生器的液體出口截面積進(jìn)行改進(jìn)，使用不同液體出口個(gè)數(shù)的霧化發(fā)生器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。該霧化發(fā)生器具有很多優(yōu)點(diǎn)：霧化顆粒均勻、細(xì)小，霧化效果理想穩(wěn)定；工作壓力不高，所需壓力噴射能量消耗低；工作范圍大，可對(duì)液體和氣體壓力進(jìn)行連續(xù)性調(diào)整，以找到合適的工作流量；噴嘴孔徑相對(duì)較大，不易堵塞；故障率低，制造和維修費(fèi)用低，工作壽命長(zhǎng)[16]。

圖1 雙流式文丘里霧化發(fā)生器（4孔）結(jié)構(gòu)示意圖

③SYF-3型酸巖反應(yīng)旋轉(zhuǎn)巖盤儀。

④蔡司掃描電鏡。

2）實(shí)驗(yàn)藥品。質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的鹽酸，分析純；十二烷基苯磺酸鈉，分析純；去離子水，實(shí)驗(yàn)室制備。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1）霧狀流井筒流動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)方法。①在20 ℃、標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，用空氣和去離子水進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，可觀察到霧狀流從霧化發(fā)生器出口噴射進(jìn)入井筒，最終流入模擬地層，其中聚并液體進(jìn)入積液收集裝置；②霧狀流穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，記錄3 min后井底積液收集裝置中的積液體積Vc；③通過(guò)上述所測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算該霧化發(fā)生器的霧化率。④改變注入氣體、液體的流量，換用不同的霧化發(fā)生器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，觀察霧化效果，記錄3 min后的積液體積Vc并計(jì)算霧化率。

式中，ηAR為霧化發(fā)生器的霧化率，%；Vl為注入液體的體積，mL；Vc為積液體積，mL。

2）旋轉(zhuǎn)圓盤實(shí)驗(yàn)。①將一定濃度的酸液置于酸巖反應(yīng)旋轉(zhuǎn)巖盤儀中間容器內(nèi)，在130 ℃下待其蒸發(fā)為酸霧，壓力升高至峰值且變化不明顯時(shí)，可確定酸液已完全霧化。②設(shè)置一定的轉(zhuǎn)速和溫度，分別用霧化酸、常規(guī)酸與巖心端面反應(yīng)30 min，計(jì)算其酸巖反應(yīng)速度。

式中，J為酸巖反應(yīng)速度，mol/（s·cm2）；為瞬時(shí)酸濃度隨時(shí)間的變化率，mol/（L·s）；V為反應(yīng)酸液體積，L；S為反應(yīng)面積，cm2。③設(shè)置一定的溫度，分別用霧化酸、常規(guī)酸與N80鋼片進(jìn)行靜態(tài)掛片實(shí)驗(yàn)，反應(yīng)4 h，計(jì)算其腐蝕速率。

式中，m為試樣的失重，g；ρ為材料的密度，7.8 g/cm3；t為實(shí)驗(yàn)時(shí)間，d；S為試樣面積，mm2；Vcprr為腐蝕速率，mm/a。

2 霧化酸形成與穩(wěn)定流動(dòng)界限研究

2.1 霧化酸穩(wěn)定流動(dòng)界限研究

為找到20 ℃、標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下模擬霧化酸穩(wěn)定流動(dòng)界限，利用4孔霧化發(fā)生器（單個(gè)孔眼截面積為0.1963 mm2），在30、60、120 m3/h的氣體流量下，從高至低不斷改變液體流量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不同氣體流量下霧化率和液體流量的關(guān)系曲線如圖2所示。

由圖2可知，液體流量恒定時(shí)，氣體流量越大，霧化率越高；氣體流量恒定時(shí)，液體流量越小，霧化率越高。綜上所述，在一定范圍內(nèi)，氣液比越大，霧化率越高。

圖2 不同氣體流量下霧化率和液體流量的關(guān)系

為進(jìn)一步提升霧化率，對(duì)霧化發(fā)生器進(jìn)行改進(jìn)，減少霧化發(fā)生器的液體出口截面積，選用2孔和單孔霧化發(fā)生器進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，這些霧化發(fā)生器除液體出口個(gè)數(shù)外無(wú)任何結(jié)構(gòu)差異，且單個(gè)孔眼截面積均為0.1963 mm2。氣體流量為60 m3/h時(shí)，不同液體出口截面積下霧化率和液體流量的關(guān)系見(jiàn)圖3。

圖3 不同液體出口截面積下霧化率和液體流量的關(guān)系

由圖3可知，相同的氣體流量和液體流量下，霧化發(fā)生器液體出口截面積越小，霧化率越高。這是因?yàn)闇p少液體出口截面積，會(huì)增大進(jìn)入出口端的液體壓力，增大水力空化作用，提高霧化率。但過(guò)小的截面積會(huì)導(dǎo)致酸液注入壓力過(guò)高，這對(duì)裝置承壓能力有更高的要求，且不利于泵注。因此，為提高霧化率，在滿足實(shí)驗(yàn)室裝置耐壓性要求的前提下，選用單孔雙流式文丘里霧化發(fā)生器。

綜合考慮，在20 ℃、標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，模擬霧化酸穩(wěn)定流動(dòng)界限為60 m3/h的氣體流量、20 mL/min的液體流量，此時(shí)霧化率可達(dá)68.33%。

2.2 霧化穩(wěn)定劑性能評(píng)價(jià)

為進(jìn)一步提升霧化率，從工作液本身出發(fā)，在液相中添加霧化穩(wěn)定劑。表面活性劑能降低液體表面張力，抑制液相聚并，因此選用陰離子表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉作為霧化酸穩(wěn)定劑。為研究該霧化穩(wěn)定劑濃度對(duì)霧化率的影響，在十二烷基苯磺酸鈉濃度分別為0.1%、0.5%、1%和3%時(shí)，測(cè)量在60 m3/h的氣體流量下的霧化率，觀察霧化率變化規(guī)律，不同液體流量下的霧化率和霧化穩(wěn)定劑濃度的關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4 不同液體流量下的霧化率和霧化穩(wěn)定劑濃度的關(guān)系

由圖4可知，氣體流量和液體流量不變時(shí)，霧化率隨霧化穩(wěn)定劑濃度的上升而迅速上升，逐漸平緩后達(dá)到峰值，最后緩慢下降。當(dāng)霧化穩(wěn)定劑濃度為0.5%時(shí)，霧化率達(dá)到峰值，最終確定霧化穩(wěn)定劑的最佳濃度為0.5%。

3 霧化酸緩速與對(duì)管柱緩蝕性能評(píng)價(jià)

3.1 霧化酸緩速性能評(píng)價(jià)

對(duì)比常規(guī)酸，霧化酸具有良好的緩速效果。在130 ℃、轉(zhuǎn)速為110 r/min的條件下，通過(guò)旋轉(zhuǎn)圓盤實(shí)驗(yàn)測(cè)出不同酸型、不同初始酸濃度下反應(yīng)8 min后的巖心失重情況以計(jì)算出各自的酸巖平均反應(yīng)速度[17-18]，不同初始酸濃度的常規(guī)酸、交聯(lián)酸、膠凝酸和霧化酸的酸巖反應(yīng)速度如表1所示。

表1 不同酸的酸巖反應(yīng)速度對(duì)比

由表1可知，4種酸中，常規(guī)酸酸巖反應(yīng)速度最快，其反應(yīng)速度比其余3種酸大一個(gè)數(shù)量級(jí)；3種緩速酸中，霧化酸酸巖反應(yīng)速度最小，因此霧化酸具有良好的緩速效果。

將霧化酸和常規(guī)酸酸巖反應(yīng)后的巖心洗凈、烘干后，觀察其酸蝕形態(tài)，分析霧化酸的緩速機(jī)理。常規(guī)酸和霧化酸酸巖反應(yīng)后的巖心端面分別見(jiàn)圖5。

圖5 常規(guī)酸和霧化酸酸巖反應(yīng)后的巖心端面

由圖5可知，常規(guī)酸酸巖反應(yīng)中，酸液與巖心端面發(fā)生面溶蝕，溶蝕量大，耗酸量大，巖心端面凸起部分為未參與反應(yīng)的雜質(zhì)；霧化酸酸巖反應(yīng)后的巖心端面出現(xiàn)點(diǎn)狀凹坑，溶蝕量小，耗酸量小。

除了霧化酸本身具有緩速性能外，霧化穩(wěn)定劑也具有一定的緩速效果。在未加入和加入濃度為0.5%的十二烷基苯磺酸鈉的情況下進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)條件為130 ℃、500 r/min的轉(zhuǎn)速，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 十二烷基苯磺酸鈉的酸巖反應(yīng)緩速效果評(píng)價(jià)

由表2可知，在加入十二烷基苯磺酸鈉后，酸巖反應(yīng)速度有一定程度的降低。十二烷基苯磺酸鈉的緩速機(jī)理和大多數(shù)表面活性劑類似，十二烷基苯磺酸鈉在酸巖反應(yīng)過(guò)程中可吸附在巖心表面上，形成一層有效的吸附膜，其可抑制H+向巖心傳遞，從而在一定程度上降低酸巖反應(yīng)速度。因此，加入濃度為0.5%十二烷基苯磺酸鈉不僅能提高霧化率，還能降低酸巖反應(yīng)速度。

3.2 霧化酸對(duì)管柱緩蝕性能評(píng)價(jià)

在130 ℃下，分別將N80鋼片置于濃度為20%的常規(guī)酸和霧化酸中靜態(tài)反應(yīng)4 h，利用失重法計(jì)算出各自的腐蝕速率。霧化酸和常規(guī)酸腐蝕后的N80鋼片分別如圖6所示，其掃描電鏡圖分別如圖7～圖9所示。

圖6 不同酸液腐蝕反應(yīng)前后的N80鋼片

圖7 未反應(yīng)的N80鋼片掃描電鏡圖（×3000倍）

圖8 霧化酸腐蝕后的N80鋼片掃描電鏡圖（×3000倍）

圖9 常規(guī)酸腐蝕后的N80鋼片掃描電鏡圖（×3000倍）

由圖7～圖9可知，霧化酸腐蝕后的N80鋼片表面較為平整，腐蝕程度小，而常規(guī)酸酸蝕后的N80鋼片表面較為粗糙，酸蝕程度明顯大于霧化酸。

未添加緩蝕劑時(shí)，N80鋼片在常規(guī)酸中的腐蝕速率為572.16 mm/a，而在霧化酸中的腐蝕速率為40.08 mm/a，霧化酸腐蝕速率不及常規(guī)酸的十分之一，因此霧化酸對(duì)管柱緩蝕效果顯著。

4 結(jié)論

1.基于霧狀流井筒流動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)，用空氣和去離子水分別模擬油田現(xiàn)場(chǎng)的氮?dú)夂退嵋?，利用文丘里霧化發(fā)生器實(shí)現(xiàn)霧化，最終確定20 ℃、標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，模擬霧化酸最優(yōu)界限為60 m3/h的氣體流量，20 mL/min的液體流量，此時(shí)霧化率可達(dá)68.33%。

2.加入十二烷基苯磺酸鈉霧化穩(wěn)定劑后，液滴表面張力顯著降低，霧化率極大提升，且降低了酸液與地層的反應(yīng)速度，起到了緩速作用。

3.與常規(guī)酸、交聯(lián)酸和膠凝酸相比，霧化酸酸巖反應(yīng)速度更慢、耗酸量更小。常規(guī)酸酸巖反應(yīng)發(fā)生面溶蝕，溶蝕量大；而霧化酸酸巖反應(yīng)后的巖心表面出現(xiàn)點(diǎn)狀凹坑，溶蝕量少。因此，霧化酸具有良好的緩速效果。

4.霧化酸腐蝕速率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于常規(guī)酸，不及常規(guī)酸的十分之一。常規(guī)酸腐蝕后的N80鋼表面粗糙，腐蝕程度大；而霧化酸腐蝕后的N80鋼表面平整，腐蝕程度明顯小于常規(guī)酸。因此，霧化酸對(duì)管柱的緩蝕效果顯著。