缝洞型油藏雾化酸深部酸化机理研究

2019-03-18苏徐航齐宁王一伟潘林徐志鹏

钻井液与完井液 2019年6期

苏徐航，齐宁，2，王一伟，潘林，徐志鹏

（1.中国石油大学（华东）石油工程学院，山东青岛 266580；2.非常规油气开发教育部重点实验室（中国石油大学（华东）），山东青岛 266580）

0 引言

目前，国内外对缝洞型油藏储层酸化时，多采用以盐酸为主体的酸液体系，通过添加多种化学剂从而提高酸化效率[1-5]。近年，国外多使用稠化酸体系进行酸液分流转向以减少酸液滤失，如Halliburton利用交联酸进行碳酸盐岩酸化的转向控制[6]。李志[7]提出了的新型非常规酸液体系HR可用于缝洞型油藏的酸化，其主要成分为螯合剂H4R。该体系依靠其螯合、吸附和电离的综合作用缓速。Frank[8]提出的新型表面活性剂VES与地层岩石发生反应时，Ca2+含量的上升和pH值的增大均会使该表面活性剂的黏度增大。演春[9]提出利用胶凝酸进行碳酸盐岩储层的酸化，降低酸岩反应速度，促进酸蚀主蚓孔的延伸。目前应用较为成熟的胶凝剂产品有西南油气田分公司的CT1-6和Halliburton的DSGA等[10]。魏星[11]等提出利用乳化酸进行碳酸盐岩储层的酸化，乳化酸滤失量很小，缓速性能良好，可进入深部地层沟通裂缝。陈冀嵋[12]等提出对缝洞型油藏进行固体酸酸化，该固体酸常态下处于未激活状态，一旦激活可迅速分解出硝酸。曹继虎[13]等针对长庆油田低产低效井，提出使用氮气泡沫酸化工艺技术，该工艺不仅能促进残酸返排，还有较好的控水增油效果。

泡沫酸作为一种气液两相酸，液相为连续相，气相为非连续相，而针对注气开发的缝洞型油藏，以气相为连续相，液相为非连续相，将注气和酸化相结合，提出了一种新型雾化酸酸化工艺方法。雾化酸可有效沟通不连续的缝洞储集体，有利于缝洞型油藏深部的酸化。本文通过雾状流井筒流动模拟实验，模拟雾化酸在井筒和地层中流动；并通过旋转圆盘实验，评价雾化酸及雾化稳定剂的缓速性能和雾化酸对管柱的缓蚀性能。

1 实验部分

1.1 实验仪器及药品

①酸液雾化-井筒流动模拟装置。该装置包括气路系统、液路系统、雾化发生器、模拟井筒、井底积液收集装置和模拟地层6个部分。其中，气路系统包括空气压缩机、气节流阀和玻璃转子流量计3个部分，液路系统包括高压平流泵、液体压力表和液节流阀3个部分。分别由空气压缩机和高压平流泵供给一定压力的空气和去离子水用于模拟油田现场的氮气和酸液，气液于双流式文丘里雾化发生器相遇并产生雾化流，进入模拟井筒，最终流动至模拟地层，其中聚并的液体进入积液收集装置。

②双流式文丘里雾化发生器（见图1）。该雾化发生器本质是双流式雾化喷嘴，其作用机理是液体和气体在腔内相互作用而形成液膜，破碎液膜形成雾状流，而当其高速通过文丘里管（管径逐渐变小）时，流速增大，压力减小，形成的压差使雾状流高速射出[14-15]。为提升雾化率，对雾化发生器的液体出口截面积进行改进，使用不同液体出口个数的雾化发生器进行实验。该雾化发生器具有很多优点：雾化颗粒均匀、细小，雾化效果理想稳定；工作压力不高，所需压力喷射能量消耗低；工作范围大，可对液体和气体压力进行连续性调整，以找到合适的工作流量；喷嘴孔径相对较大，不易堵塞；故障率低，制造和维修费用低，工作寿命长[16]。

图1 双流式文丘里雾化发生器（4孔）结构示意图

③SYF-3型酸岩反应旋转岩盘仪。

④蔡司扫描电镜。

2）实验药品。质量分数为15%的盐酸，分析纯；十二烷基苯磺酸钠，分析纯；去离子水，实验室制备。

1.2 实验方法

1）雾状流井筒流动模拟实验方法。①在20 ℃、标准大气压下，用空气和去离子水进行模拟实验，可观察到雾状流从雾化发生器出口喷射进入井筒，最终流入模拟地层，其中聚并液体进入积液收集装置；②雾状流稳定流动时，记录3 min后井底积液收集装置中的积液体积Vc；③通过上述所测数据，计算该雾化发生器的雾化率。④改变注入气体、液体的流量，换用不同的雾化发生器进行实验，观察雾化效果，记录3 min后的积液体积Vc并计算雾化率。

式中，ηAR为雾化发生器的雾化率，%；Vl为注入液体的体积，mL；Vc为积液体积，mL。

2）旋转圆盘实验。①将一定浓度的酸液置于酸岩反应旋转岩盘仪中间容器内，在130 ℃下待其蒸发为酸雾，压力升高至峰值且变化不明显时，可确定酸液已完全雾化。②设置一定的转速和温度，分别用雾化酸、常规酸与岩心端面反应30 min，计算其酸岩反应速度。

式中，J为酸岩反应速度，mol/（s·cm2）；为瞬时酸浓度随时间的变化率，mol/（L·s）；V为反应酸液体积，L；S为反应面积，cm2。③设置一定的温度，分别用雾化酸、常规酸与N80钢片进行静态挂片实验，反应4 h，计算其腐蚀速率。

式中，m为试样的失重，g；ρ为材料的密度，7.8 g/cm3；t为实验时间，d；S为试样面积，mm2；Vcprr为腐蚀速率，mm/a。

2 雾化酸形成与稳定流动界限研究

2.1 雾化酸稳定流动界限研究

为找到20 ℃、标准大气压下模拟雾化酸稳定流动界限，利用4孔雾化发生器（单个孔眼截面积为0.1963 mm2），在30、60、120 m3/h的气体流量下，从高至低不断改变液体流量进行实验，不同气体流量下雾化率和液体流量的关系曲线如图2所示。

由图2可知，液体流量恒定时，气体流量越大，雾化率越高；气体流量恒定时，液体流量越小，雾化率越高。综上所述，在一定范围内，气液比越大，雾化率越高。

图2 不同气体流量下雾化率和液体流量的关系

为进一步提升雾化率，对雾化发生器进行改进，减少雾化发生器的液体出口截面积，选用2孔和单孔雾化发生器进行对比实验，这些雾化发生器除液体出口个数外无任何结构差异，且单个孔眼截面积均为0.1963 mm2。气体流量为60 m3/h时，不同液体出口截面积下雾化率和液体流量的关系见图3。

图3 不同液体出口截面积下雾化率和液体流量的关系

由图3可知，相同的气体流量和液体流量下，雾化发生器液体出口截面积越小，雾化率越高。这是因为减少液体出口截面积，会增大进入出口端的液体压力，增大水力空化作用，提高雾化率。但过小的截面积会导致酸液注入压力过高，这对装置承压能力有更高的要求，且不利于泵注。因此，为提高雾化率，在满足实验室装置耐压性要求的前提下，选用单孔双流式文丘里雾化发生器。

综合考虑，在20 ℃、标准大气压下，模拟雾化酸稳定流动界限为60 m3/h的气体流量、20 mL/min的液体流量，此时雾化率可达68.33%。

2.2 雾化稳定剂性能评价

为进一步提升雾化率，从工作液本身出发，在液相中添加雾化稳定剂。表面活性剂能降低液体表面张力，抑制液相聚并，因此选用阴离子表面活性剂十二烷基苯磺酸钠作为雾化酸稳定剂。为研究该雾化稳定剂浓度对雾化率的影响，在十二烷基苯磺酸钠浓度分别为0.1%、0.5%、1%和3%时，测量在60 m3/h的气体流量下的雾化率，观察雾化率变化规律，不同液体流量下的雾化率和雾化稳定剂浓度的关系曲线如图4所示。

图4 不同液体流量下的雾化率和雾化稳定剂浓度的关系

由图4可知，气体流量和液体流量不变时，雾化率随雾化稳定剂浓度的上升而迅速上升，逐渐平缓后达到峰值，最后缓慢下降。当雾化稳定剂浓度为0.5%时，雾化率达到峰值，最终确定雾化稳定剂的最佳浓度为0.5%。

3 雾化酸缓速与对管柱缓蚀性能评价

3.1 雾化酸缓速性能评价

对比常规酸，雾化酸具有良好的缓速效果。在130 ℃、转速为110 r/min的条件下，通过旋转圆盘实验测出不同酸型、不同初始酸浓度下反应8 min后的岩心失重情况以计算出各自的酸岩平均反应速度[17-18]，不同初始酸浓度的常规酸、交联酸、胶凝酸和雾化酸的酸岩反应速度如表1所示。

表1 不同酸的酸岩反应速度对比

由表1可知，4种酸中，常规酸酸岩反应速度最快，其反应速度比其余3种酸大一个数量级；3种缓速酸中，雾化酸酸岩反应速度最小，因此雾化酸具有良好的缓速效果。

将雾化酸和常规酸酸岩反应后的岩心洗净、烘干后，观察其酸蚀形态，分析雾化酸的缓速机理。常规酸和雾化酸酸岩反应后的岩心端面分别见图5。

图5 常规酸和雾化酸酸岩反应后的岩心端面

由图5可知，常规酸酸岩反应中，酸液与岩心端面发生面溶蚀，溶蚀量大，耗酸量大，岩心端面凸起部分为未参与反应的杂质；雾化酸酸岩反应后的岩心端面出现点状凹坑，溶蚀量小，耗酸量小。

除了雾化酸本身具有缓速性能外，雾化稳定剂也具有一定的缓速效果。在未加入和加入浓度为0.5%的十二烷基苯磺酸钠的情况下进行对比实验，实验条件为130 ℃、500 r/min的转速，其实验结果如表2所示。

表2 十二烷基苯磺酸钠的酸岩反应缓速效果评价

由表2可知，在加入十二烷基苯磺酸钠后，酸岩反应速度有一定程度的降低。十二烷基苯磺酸钠的缓速机理和大多数表面活性剂类似，十二烷基苯磺酸钠在酸岩反应过程中可吸附在岩心表面上，形成一层有效的吸附膜，其可抑制H+向岩心传递，从而在一定程度上降低酸岩反应速度。因此，加入浓度为0.5%十二烷基苯磺酸钠不仅能提高雾化率，还能降低酸岩反应速度。