加入内部破胶剂的黏弹性表面活性剂转向液在酸处理中的应用

编译:张博 赵立强 (西南石油大学)

审校:刘平礼 (西南石油大学国家重点实验室)

加入内部破胶剂的黏弹性表面活性剂转向液在酸处理中的应用

编译:张博 赵立强 (西南石油大学)

审校:刘平礼 (西南石油大学国家重点实验室)

基质酸化和酸化压裂措施已广泛应用于油气增产过程中。成功的酸化增产需要将酸液均匀分布到各个层段,特别是对于处理裸眼完井的直井、水平井、延伸井及多分支井尤为重要。黏弹性表面活性剂体系的特殊性质可以阻塞高渗透率层段的流动,使处理液转向进入低渗储层。据最新的SPE文献报道,作为转向酸的清洁处理液在基质酸化和酸化压裂过程中,特别是在处理低渗储层及衰竭式开采的气藏中,由于需要更长的回流时间,产生了地层伤害。在水力压裂和压裂充填过程中发展了内部破胶技术,内部破胶剂能控制黏弹性胶体的破胶时间和地点,使其易于返排。本文介绍了一种含有破胶剂的清洁转向酸来处理碳酸盐岩储层。这种酸液体系很独特,酸岩反应之前黏度很小。当酸液耗尽或者鲜酸到达新的位置时,体系中的表面活性剂黏度达到最大。酸化处理过后,内部破胶剂活化使黏弹性表面活性剂破胶,体系黏度降低,同时残酸酸液在生产过程中返排,最大程度地减少了可能存在的伤害。实验结果证实,酸化过程中的黏弹性胶体溶液在低剪切速率下产生了很高的黏度,且其在接触烃类物质后才加速破胶。进一步研究了在控制内部破胶剂降低残酸黏度的可行性。碳酸盐岩岩心流动实验表明,在矿物油清洗过程中,使用不含破胶剂的清洁处理液在蚓孔中产生的压降要高于使用含破胶剂的清洁处理液产生的压降。

碳酸盐岩储层 清洁转向酸黏弹性表面活性剂 破胶剂 残酸返排

1 引言

为提高基质酸化和酸化压裂效率,特别是在处理非均质储层长水平井段时,有效地控制酸液转向是成功的关键。在过去的几年里,表面活性胶束流体凭其特殊的分子结构作为转向酸用于基质酸化和压裂酸化中。表面活性剂形成了具有黏弹性能的延伸的分子结构,增加了流体的黏度,同时保持了对地层低伤害的特征。含有表面活性剂胶体转向酸有两类用途:①用于自转向表面活性流体配制;②使用表面活性剂胶体作为转向颗粒。

自转向表面活性流体由鲜酸和表面活性剂组成。在最初的混合及泵注时,鲜酸体系的黏度同水差不多。与地层中的烃类物质接触后,p H值上升,再加上钙、镁等转向离子的作用,体系黏度骤然上升。于是,便实现了酸液的分流。紧接着,鲜酸便转向进入到地层中其他层段进行增产处理。酸注入过程中的转向处理是一个连续的过程。

正如常规的清洁压裂液一样,酸化用的表面活性胶束转向剂由表面活性剂和盐类组成。转向颗粒在不同阶段随鲜酸一同泵入。在鲜酸和转向颗粒间加入隔离液用于分离两者。体系中的转向颗粒对酸碱度是敏感的,在p H较低时其黏度也很小。

据最新的SPE文献报道,作为转向酸的黏弹性表面活性剂流体在基质酸化和酸化压裂过程中,特别是在处理低渗储层及衰竭式开采的气藏中,由于需要更长的回流时间,产生了地层伤害。相比常规酸压现场使用的聚合物转向剂,运用胶束表面活性转向剂可获得更长的增产周期。原因可能是在较低的剪切速率下,未破胶的表面活性胶体自身有较高的黏度。在洗油过程中,未破胶的表面活性胶体启动地下渗流需要更高的压力。低剪切速率下的高黏度影响了储层流体的均匀接触、混合及黏弹性表面活性液体的破胶。破胶的延迟产生了地层伤害,影响油气产量可达数月之久。

工业上通常采用外部破胶剂使表面活性胶体破胶。有两个基本的外部条件:①与储层烃类物质接触;②与地层盐水接触并稀释。但依赖外部和油藏条件使易漏失的黏弹性表面活性流体破胶,从而达到处理液快速、彻底返排的目标是问题的关键,对干气气藏更为重要。很多专家都认为完善黏弹性表面活性流体的返排技术非常必要。

从广义上讲,破胶剂是包含在清洁处理液体内的化合物。不需要接触烃类物质,它在表面混合过程中将流体破胶成为易返排液体。内部破胶剂产生破胶化合物,就地将杆状的黏弹性表面活性胶粒转化成非黏性的、球型胶束颗粒。现有的技术能在处理过程中使破胶剂进入清洁处理液到达的位置,增强流体破胶及返排能力。

本文将介绍一种含内部破胶剂的清洁转向酸来处理碳酸盐岩储层。较于常规的有机酸如甲酸、乙酸,特别是在高温条件下,这种有机酸对油管、井下工具的腐蚀要小得多。利用此有机酸进行的常规酸化不需要用缓蚀剂,所以本文并没有研究缓蚀剂对表面活性胶体的影响。这种表面活性剂有机酸是一种自动变黏转向的酸液体系,在酸液开始反应消耗之前黏度基本不发生变化。当酸液完全耗尽、岩石基质中的阻塞形成时,体系中的表面活性剂的黏度达到最大,此时鲜酸便进入到了尚未酸化的层段。酸化处理过后,内部破胶剂活化使表面活性剂胶束颗粒破胶,流体黏度降低并在生产过程中返排,从而使地层的潜在伤害降低到最小。实验室结果证实了酸化过程中在低的剪切速率下,表面活性剂会有较高的黏度;清洁处理液在接触烃类物质后也不一定破胶。碳酸盐岩岩心流动实验证实,在矿物油清洗过程中,使用不含破胶剂的清洁处理液在蚓孔中产生的压降,要高于使用含破胶剂的清洁处理液产生的压降。

2 实验部分

2.1 流变性分析

用Fann 35和 Grace 5500型流变仪测试流变数据。将有机酸命名为 HTO酸,将其与表面活性剂及破胶剂混合。利用Fann 35测出酸液体系在常温下与碳酸钙反应的黏度曲线。处理液配方是质量浓度为10%的 HTO添加2.0%体积浓度的表面活性剂和0.2%体积浓度的内部破胶剂。待酸液耗尽后,在适当的压力和温度条件下,将含有破胶剂及不含破胶剂的溶液体系分别在 Grace 5500加压流变仪上测出其流变参数。

2.2 岩心流动实验测量压降

取一块印地安那石灰岩岩心,直径为1 in(1 in=2

5.4 mm),6 in长,在真空下用体积浓度为3%的 KCl溶液饱和。接着将岩心载入计算机辅助岩心流动测试仪并加热到150℉。随后向岩心中注入10%HTO酸液。待岩心中产生蚓孔后,注入原油驱替岩心中的酸。第一次实验将含破胶剂的表面活性剂溶液 (10%HTO酸+2%表面活性剂+0.2%内部破胶剂,p H约为6)注入岩心,然后停止管线流动,活化内部的破胶剂使表面活性胶体破胶。在关闭16小时之后,开始注入原油并记录压降来检测压力降落及清洗的程度。利用不含破胶剂的表面活性剂溶液 (10%HTO酸+2%表面活性剂,p H值约为6)重复上述实验。最后,对比两次实验的压降及洗井程度数据。

3 结果与讨论

3.1 黏度

图1描述了配方为10%HTO酸、2%表面活性剂及0.2%内部破胶剂的酸液体系与碳酸钙反应过程中,随着p H值升高,溶液黏度的变化情况。高p H值及高钙离子浓度促进了黏弹性表面活性剂形成延伸胶束,使流体显现出了黏弹性的特征。破

图1 表面活性变黏酸在常温下与碳酸钙反应黏度变化曲线

胶剂的存在并不影响表面活性胶凝剂的作用。在胶束的形成过程中,破胶剂包含进了胶束结构。受到激活后,延长的胶束结构转变成非黏性的球型结构。从图2可以看出含与不含内部破胶剂的两种黏弹性酸液之间的巨大差别。在低剪切速率下,未破胶黏弹性表面活性剂流体的高黏度很可能会影响处理液的返排及油气的采收率。然而,破胶剂可在一定时间将黏弹性流体逐步降解为易返排液体。图3为在160℉温度下,破胶剂使黏弹性残酸降黏的实例曲线图。

图2 140℉下,内部破胶剂的加入对 HTO表面活性酸液体系黏度的影响曲线 (基液配方:10%HTO酸+2%表面活性剂)

图3 160℉下,加入内部破胶剂体系黏度随时间的变化情况 (实验温度160℉,剪切速率100 s-1)

为了说明并非所有的储层烃类物质经过简单的接触都会使黏弹性表面活性剂流体破胶,运用表面活性剂流体和新采出的原油进行了大量的实验。第一个实验采用体积浓度为1%的墨西哥湾原油(API重度为29)和99%体积浓度的清洁处理液液体混合,强烈震荡。实验结果显示,在震荡过程中原油能破坏流体中胶体的结构,使流体失去黏性。下一步实验在150℉下运用 Grace 5500加压流变仪测定它的流变参数。首先向流变仪容器中加入99%体积浓度的清洁处理液,然后在其上表面缓慢加入体积浓度为1%的墨西哥湾原油。用 Grace流变仪以2 s-1的剪切速率测试16小时,黏度测试结果见图4。实验结果说明了在16个小时的测试时间内以低剪切速率简单地接触这种墨西哥湾原油,黏弹性表面活性流体并没有破胶。同时实验也说明了要使黏弹性表面活性胶束流体破胶,原油分子需要一些混溶能力或混合能量,用来克服两不相混溶的流体相间的排斥力。原油分子使流体胶束破胶并不存在“多米诺效应”。

图4 原油不能使残酸体系破胶 (实验温度100℉,剪切速率2 s-1)

3.2 岩心流动实验

取一块印地安那石灰岩岩心,直径为1 in,6 in长,注入10%的 HTO酸液。在岩心内部及表面产生了酸蚀孔洞。在150℉下,以1 mL/min的速率注入原油,分别驱替岩心中两种类型的残酸(含和不含破胶剂)。图5结果显示,含有破胶剂的残酸更易清洗流动。在驱替过程中,低剪切速率下高黏度的未破胶流体会产生很高的压降。因此,内部破胶剂是黏弹性酸液酸压及转向酸液体系的关键组分。

图5 150℉下,利用原油驱替含有蚓孔的印地安那石灰岩岩心压降数据

4 结论

在黏弹性表面活性剂体系基础上最新研制的缓蚀性能好的有机酸已运用于碳酸盐岩储层的改造。体系自动变黏,促进和优化了酸化和酸压过程中酸液的转向与分布。可以使用内部破胶剂降低处理液的黏度,从而摆脱了对储层烃类物质的依赖。实验证实了仅通过简单的接触,地层原油并不能使转向酸液流体降黏,它需要更高的混合能量。即使在酸化或酸压过后,未破胶的黏弹性表面活性流体伤害地层、影响油气产量的可能性还是很大的。在使用黏弹性表面活性剂的酸化增产处理中,为使残液完全返排,内部破胶剂是关键组分。

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.2.006

资料来源于美国《SPE 112484》

2008-12-08)