黏弹性表面活性剂自转向酸增黏转向的判别标准
2018-03-19刘雪峰吴向阳易爱文
刘雪峰,吴向阳,朱 杰,易爱文,陈 栋
(陕西延长油田股份有限公司,陕西 延安 717400)
0 引 言
黏弹性表面活性剂(VES)自转向酸相比于常规酸液体系具有自动转向、破胶控水和缓速降滤的优点,成为油田酸化领域的研究热点[1-4]。相比于常规酸液体系,黏弹性表面活性剂酸液体系对pH值非常敏感,在低pH值环境下体系黏度较低,能顺利进入储层大孔道,大孔道中的酸液体系pH值随酸液的消耗而增加,当pH值到达体系增黏临界值后,体系黏度迅速增加呈冻胶状,从而封堵高渗透层大孔道,迫使酸液作用于低渗透层段。以上过程反复,从而实现扩大储层改造面积的作用。黏弹性表面活性剂自转向酸液体系能实现自转向的核心在于其中的黏弹性表面活性剂对pH值的敏感性,在酸化后生成的金属阳离子的螯合作用下,将以游离态存在的表面活性剂胶束螯合成体形结构[5],进而导致体系黏度增加;而黏弹性表面活性剂分子形成的棒状胶束遇到烃类物质时,胶束自行破坏,转变成球状胶束[6-7],使残酸黏度降低,有利于返排和提高酸化改造的效果。
目前关于黏弹性表面活性剂自转向酸酸化技术的研究主要集中于自转向酸主剂的研制、流变性评价和反应动力学研究等方面[8-14]。在自转向酸酸化效果评价方面,目前可见报道的有采用最大注酸压力、注入孔隙体积倍数、酸化处理前后的渗透率比等参数定性评价自转向酸酸化效果,但以上参数受注酸速度、作用时间、基质物性等因素密切影响,无法准确评判自转向酸是否达到转向以及如何达到最佳转向效果等。为此,有必要系统分析各因素对自转向酸体系增黏的影响规律。
1 VES自转向酸黏度变化影响研究
1.1 自转向酸与碳酸钙反应过程中的黏度变化
采用20%HCl+6%VES配制成自转向酸基础酸液,将一系列不同质量的碳酸钙粉末与自转向酸反应,模拟自转向酸与储层岩石反应过程。将模拟反应得到的不同pH值的自转向酸残酸在剪切速率为170 s-1下测定其黏度。实验结果表明:随酸液pH值升高,在pH值为-0.57~0.35时,VES转向酸液体系的黏性迅速增大,由10 mPa·s增至约400 mPa·s;在酸液体系pH值为0.35~9.00时,酸液体系的黏度变化较小,说明VES自转向酸体系在该pH值区间内比较稳定。与前一区间相比,酸液黏度变化的趋势是先增大再稍微降低,在酸液pH值约为2.00时,其黏度具有最大值。在酸液pH值为2.00~9.00时,酸液黏度缓慢下降。
1.2 剪切速率对自转向酸黏度的影响
为真实模拟自转向酸在储层酸化过程中的转向情况,模拟测定了自转向酸在储层裂缝或多孔介质中流动状态下的黏度变化情况。酸液在储层裂缝或多孔介质的渗流过程中,酸液的剪切速率为5~50 s-1,因此,设计并测定了在5、10、50 s-1不同剪切速率条件下,自转向酸在酸岩反应过程中的黏度变化情况。实验结果表明:pH值对不同剪切速率下的酸液黏度的影响规律基本一致。即在pH值为-0.57~0.35时随酸液pH值升高,VES自转向酸酸液体系的黏度迅速增大。在酸液体系pH值为0.35~9.00时,酸液体系的黏度变化较小。3组不同剪切速率下的自转向酸黏度随pH值变化均存在最大值,即pH值为1.75时,黏度达到最大。
随着剪切速率的增大,在相同反应状态下残酸的黏度降低,说明自转向酸的残酸具有剪切变稀的特性。同时说明自转向酸在进入储层微裂缝和孔隙中,由于剪切速率降低,使残酸的黏度增大,阻止残酸的大量滤失,导致后续酸液的转向或深穿透,从而提高自转向酸的改造效果。
1.3 VES浓度的影响
保持酸浓度与VES浓度比例不变,进行VES在不同浓度条件下使酸液增黏的实验(图1)。由图1可知:相同酸与VES的比例条件下,浓度为5%~6%的VES增黏效果明显好于浓度为2%~4%的VES增黏效果,说明自转向酸酸液体系在达到临界pH值触发点时,必须有足够的VES分子才能触发形成高黏度的体系;VES浓度较高时,在较低的酸度下,体系的黏度有较大幅度地增加。
图1 黏弹性表面活性剂浓度对增黏效果的影响
1.4 介质因素对变黏效果的影响
1.4.1 阳离子类型的影响
碳酸盐岩储层进行酸化处理时,酸化过程中产生的阳离子主要有Ca2+和Mg2+[17]。图2为在pH值为2时阳离子类型与体系黏度的关系,体系中离子的浓度均为20%。由图2可知:自转向酸液体系增黏与阳离子的类型关系不大,Mg2+和Ca2+达到一定浓度均可使体系增黏,只是增黏后体系的黏度有差异。Ca2+是碳酸盐岩储层酸化改造中产生最多的阳离子,同时,Ca2+对自转向酸中黏弹性表面活性剂分子的螯合效果最好。
图2 阳离子类型对增黏效果的影响
1.4.2 阳离子浓度和pH值的协同作用
单独改变介质的酸碱度或阳离子的浓度均不能使VES酸液体系增黏,只有同时改变介质的酸碱度和阳离子的浓度才能使VES酸液体系增黏,且增黏过程存在临界点,pH值约为0.26(约2%残酸环境)时,体系才开始大幅度增黏。
2 VES自转向酸转向标准的推导
根据VES自转向酸的作用机理,沿自转向酸流动方向上,依次可划分为酸液体系充分作用的高渗透区域、酸液体系呈冻胶态的阻力区域[18]、酸液滤液区域和储层物性保持为原始状态的初始状态区。相比较而言,常规酸液的流动剖面只包括高渗透区域、酸液滤液区域和初始状态区域,没有阻力区域。
分析常规酸化时注酸压降与时间的关系发现,随注酸时间增加,注酸压降基本呈线性下降趋势[19-20],可视为酸蚀孔的扩展速度为常数,即:
Lwh=awht
(1)
式中:Lwh为流动剖面最左侧截面处到高渗透区前缘的长度,cm;awh酸蚀孔前缘扩展速度,cm/s;t为注酸时间,s。
定义参数无因次突破孔隙体积为θwh,即酸液突破岩石时的注入体积与岩心孔隙体积之比。其他参数一定时,θwh是酸液作用区相对增长速度的倒数,即酸蚀孔前缘相对速度为:
(2)
式中:awh为酸蚀孔前缘相对成长速度;V为平均达西速度,cm/s;φo为初始孔隙度。
在线性流条件下,可将自转向酸和常规酸液作用区前缘的生长速度视为相同。当自转向酸注酸压力最大时,对应的自转向酸储层阻力最大[21]。将自转向酸注酸压力最大时的注酸体积与岩心孔隙体积之比定义为阻力孔隙体积倍数θr。自转向酸阻力区前缘生长速度与常规酸液酸蚀孔前缘相对生长速度相似,可得阻力区前缘生长速度为:
(3)
式中:αr阻力区前缘相对成长速度;Lr为流动剖面最左侧截面处到阻力区前缘的长度,cm。
根据注酸压力曲线上最大注酸压力与初始注酸压力的关系,定义无因次最大压力比为:
Rp=Δpr/Δpo
(4)
式中:Rp为无因次最大压力比;Δpr和Δpo分别为最大注酸压力和初始注酸压力。
与常规酸液类似,近井筒区域自转向酸为径向流[22]。根据自转向酸的酸化作用原理可得:
高渗透区:
(5)
阻力区:
(6)
式中:rwh和rr分别为高渗透区和阻力区前缘移动距离;Vr为阻力区的平均达西速度,cm/s。
(7)
在阻力区,即r∈[rwh,rr] ,有:
(8)
式中:Q为产量,cm2/s;h为厚度,cm;Ko为原始渗透率,10-3μm2;pwh为酸液前缘区压力,Pa;pr为阻力区压力,Pa;μr为酸液黏度,mPa·s。
理想状态下,酸化处理后的酸液能在2个具有渗透率差异的产层中实现均匀进酸[23],即Qi=Qj,则:
(9)
式中:rwhi为i层的酸液前缘作用半径,cm;rwhj为j层的酸液前缘作用半径,cm。
由式(5)、(8)及Q=V·2πrh,得:
(10)
式中:△p为压差,Pa;μd为自转向酸酸液黏度,mPa·s。
(11)
式中:(Rp)i、(Rp)j分别为产层i、j的无因次最大压力比。
式(11)即为黏弹性表面活性剂自转向酸液体系在储层中均匀推进,实现理想转向的判别方法。
3 岩心驱替实验研究
选用4块油田现场孔隙型灰岩岩心,岩心的直径均为2.54 cm,岩心的长度分别为6.03、5.90、6.11、6.12 cm。4块岩心分为A、B组进行实验(表1)。分为2组的目的:一是为了更深入研究自转向酸的转向机理;二是为了进一步验证实验的可重复性,消除实验误差。实验使用的自转向酸配方为:20%HCl+6%VES+2%DCA-6酸液缓蚀剂。在并联岩心酸液驱替实验时,由于无法单独测量每块岩心的初始注酸压力,因此,采用液测渗透率时的初始注入压力作为初始注酸压力。
由表1可知,2组存在级差的4块岩心均得到一定程度的有效改造。渗透率相对低的2块岩心,其自转向酸改造后渗透率分别提高至酸化前的1.80倍和1.93倍;渗透率值相对高的2块岩心改造后,其渗透率分别提高至酸化前的2.18倍和2.09倍。
表1 自转向酸岩心流动实验数据
根据式(4)、(11),分别计算A、B组的无因次最大压力比、渗透率与孔隙度之比。由表1可知:A组酸液的无因次最大压力比为0.564,2块岩心的渗透率与孔隙度比值之比为0.632;B组酸液的无因次最大压力比为0.610,2块岩心的渗透率与孔隙度比值之比为0.674。因此,有如下关系式:
(12)
式中:Rp为最大注入压力比;A1、A2、B1、B2分别为A组和B组的2块岩心。
由式(11)判别可得,当自转向酸达到最佳转向效果时,2块岩心的无因次阻力系数之比与岩心的渗透率和孔隙度之比的系数应为1;而根据式(12)的计算结果,实验中2组岩心的系数分别为0.892和0.905。可见,实验中虽然对具有渗透率差异的2块岩心实现了自转向基质酸化处理,但并没有达到最佳转向效果。
4 结 论
(1) 系统评价了pH值、剪切速率、黏弹性表面活性剂浓度、阳离子类型等对黏弹性表面活性剂自转向酸酸液体系黏度的影响。在pH值为1.75时,体系黏度达最大值;当黏弹性表面活性剂浓度为5%~6%时,体系黏度增加较为明显;Ca2+和Mg2+均可使体系增黏,其中,Ca2+的效果最好;当其他条件一定时,只有同时满足pH值和阳离子浓度2个条件时,自转向酸液体系才能实现黏度的提高。
(2) 根据黏弹性表面活性剂自转向酸酸液的作用机理,沿自转向酸酸液流动剖面可将其分为高渗透区域、阻力区域、酸液滤液区域和原始地层区域。阻力区域的存在是自转向酸酸液能够实现自转向的关键。
(3) 在酸液流动符合达西渗流的基础上,引入阻力孔隙体积倍数和无因次最大压力比推导了自转向酸在储层实现均匀推进的判别依据,自转向酸在非均质储层的均匀推进受无因次最大压力比、原始渗透率和原始孔隙度的影响。
(4) 采用室内并联岩心驱替方式评价了自转向酸的转向效果,自转向酸改造后渗透率分别升至酸化前的1.80倍和1.93倍;渗透率值相对高的2块岩心改造后,渗透率分别升至酸化前的2.18倍和2.09倍。根据推导的自转向酸均匀推进的判别标准,判断该基质酸化处理没有达到最佳转向效果。
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