川渝碳酸盐岩储层胶凝酸配方研究.pdf

作者简介院盖祥福袁工程师袁2011 年毕业于吉林大学资源勘查工程专业袁目前主要从事砂岩酸化及碳酸盐岩酸压工作遥E-mail院员 前言碳酸盐岩油气田是全球油气最重要的组成部分1袁2袁国内碳酸盐岩储层通常具有埋藏深尧温度高尧非均质性强等特点3袁4遥 酸压是碳酸盐岩储层增产的主要措施5袁其原理是通过酸与裂缝壁面的非均匀反应袁使闭合后裂缝本身支撑了开口袁那些未溶解部分起到支撑作用袁溶解较多的区域成为渗流通道遥 为此袁国内外先后研制了乳化酸尧胶凝酸尧交联酸尧潜在酸尧泡沫酸等酸性工作液6耀10袁其中胶凝酸应用较为广泛遥近年来国内外学者开展了大量的酸液配方实验袁 通常采用提高酸液黏度来降低酸岩反应速率袁但仍存在两个问题院一是为降低酸岩反应速率提高酸液黏度袁导致地面施工压力高曰二是对酸压过程中 Fe(OH)3沉淀尧黏土矿物膨胀运移尧残酸滞留等因素对储层造成的伤害考虑较少遥 要解决上述问题袁就需要在不大幅增加酸液黏度的基础上降低酸岩反应速率袁同时优选低伤害的添加剂遥 本文通过分子结构设计袁研发了一种适合于川渝地区储层特点的胶凝酸体系遥 同时袁运用旋转岩盘酸岩反应测试系统尧 酸蚀裂缝导流能力测试系统及激光扫描袁系统地研究了酸液对目标层位酸岩反应动力学参数的影响袁以及对酸岩刻蚀形态和裂缝导流能力的影响袁以掌握酸岩反应动力学参数尧刻蚀形态及导流能力变化规律遥2 胶凝酸体系配方研发结合川渝碳酸盐岩的储层条件袁酸液体系研发的重点是要降低 H+传质速率袁 使酸岩反应速率变小袁延长酸蚀的作用距离曰要降低 120耀160益高温条件下酸液对管柱尧工具的腐蚀曰同时考虑降低酸压过程中 Fe(OH)3沉淀尧黏土矿物膨胀运移尧残酸滞留等因素对储层造成的伤害遥 基于该思路袁开展了耐高温胶凝剂尧 缓蚀剂和其他添加剂的设计与研发袁并按照 SY/T 6214要2016叶稠化酸用稠化剂曳尧SY/T5405要2019叶酸化用缓蚀剂性能试验方法及评价指标曳尧SY/T 6571要2012叶酸化用铁离子稳定剂性能评价方法曳尧SY/T 5755要2016叶压裂酸化用助排剂性能评价方法曳尧SY/T 5971要2016叶油气田压裂酸化及注水用黏土稳定剂性能评价方法曳等行业标准评价各项性能指标遥2.1 研发耐高温胶凝剂袁降低酸岩反应速率2.1.1 耐高温胶凝剂分子结构设计基于降低 H+传质速率袁 使酸岩反应速率变小袁延长酸蚀的作用距离的目的袁设计 FDSH 两性共聚川渝碳酸盐岩储层胶凝酸配方研究盖祥福(大庆油田有限责任公司采油工程研究院袁黑龙江 大庆 163453)摘要酸压是碳酸盐岩储层改造增产的主要措施袁 而优选适合的酸液体系是实现酸压成功的重要前提遥 通过分子结构设计袁研发设计了共聚物型耐高温胶凝剂和集络合尧防膨尧助排功能于一体的多功能剂袁同时优选耐高温缓蚀剂袁形成了一套适合于川渝碳酸盐岩储层特点的胶凝酸配方体系遥 综合评价表明袁配方的抗剪切尧缓蚀尧络合尧防膨等性能指标均满足标准要求袁在不提高酸液黏度的基础上袁有效降低了 H+传质速率袁使酸岩反应速率变小袁并降低对储层造成的伤害遥 利用旋转岩盘酸岩反应测试系统尧酸蚀裂缝导流能力测试系统袁对胶凝酸体系酸岩反应动力学尧裂缝导流能力及刻蚀形态进行系统评价遥 结果表明袁该体系具有优异的缓速性能袁在闭合压力 60MPa 下袁酸蚀裂缝导流能力可达到 8.48滋m2窑cm遥 激光扫描结果表明袁酸液非均匀刻蚀程度提高 120%袁对裂缝形貌改变明显遥关键词碳酸盐岩 胶凝酸 分子结构设计 酸岩反应动力学 导流能力 刻蚀形态2023年第 28 卷窑56窑中 外 能 源SINO-GLOBAL ENERGY表 2 120益条件下缓蚀剂优选数据缓蚀剂类型缓蚀剂浓度袁%120益腐蚀速率/g窑(m2窑h)-1HSJ1312.7HSJ227.6HSJ343.22.1.2 耐高温胶凝剂性能评价按照耐高温胶凝剂分子结构设计袁通过工厂合成 FDSH 两性共聚物型胶凝剂产品遥 利用千德勒流变仪对胶凝剂的抗高温性能和抗剪切性能进行评价袁建立不同温度尧不同浓度下抗剪切性能图版袁胶凝剂加量为 0.8%时袁120耀160益袁170s-1剪切 30min袁稳定黏度在 18耀27mPa 窑 s 之间(见表 1)遥2.2 筛选 120耀160益耐高温缓蚀剂袁降低酸液对管柱尧工具的腐蚀2.2.1 高温动态腐蚀速率测定步骤淤 测量钢片长尧宽尧厚以及内径袁用乙醇清洗干净后放入干燥器中干燥 20min 左右袁称重遥于 动态腐蚀速率测定院配制酸液袁将酸液倒入高温高压腐蚀仪中加热至 140益袁然后将酸液泵入放有钢片的反应釜袁加压 16MPa袁实验时间 4h遥盂 将反应后的钢片洗净袁风干后放入干燥器中干燥冷却袁称重遥榆 数据处理院v=10-4伊WA伊T(1)式中院v 为平均腐蚀速率袁g/(m2窑 h)曰W 为失重袁g曰A为表面积袁cm2曰T 为腐蚀时间袁h遥2.2.2 优选缓蚀剂通过对 HSJ1尧HSJ2尧HSJ3 三种缓蚀剂样品腐蚀速率的筛选袁当浓度为 3%时袁HSJ1 缓蚀剂在 120益条件下袁腐蚀速率为 12.7g/(m2窑h)袁腐蚀速率最低(见表 2)袁优选该缓蚀剂遥2.2.3 建立不同温度与缓蚀剂浓度关系曲线利用 HSJ1 缓蚀剂袁建立不同温度与缓蚀剂浓度关系曲线(见表 3尧图 2)袁可满足不同温度条件下的酸压施工需求遥2.3 研发强络合尧高防膨尧易返排的多功能剂袁降低工作液对地层的伤害为了降低酸压过程中 Fe(OH)3沉淀尧黏土矿物膨胀运移尧残酸滞留对储层造成的伤害袁通过分子结构设计袁研发形成了一种集络合尧防膨尧助排功能物型胶凝剂(见图 1)遥 其中主单体采用丙烯酰胺袁具有可聚性好袁均聚物相对分子质量 2000 万以上袁耐高温尧耐细菌腐蚀性能良好袁合成工艺成熟等特点曰阳离子单体采用二甲基二烯丙基氯化铵袁不仅可以提供碳要碳主链耐温结构袁而且还能够在主链上形成五元环结构袁 从而大幅度提高聚合物的耐温性尧水溶性尧黏土稳定性以及热稳定性袁且与各种类型缓蚀剂的配伍性良好曰阴离子单体采用 2-甲基-2-丙烯酰胺基丙磺酸袁 其在高浓度酸液中性质稳定袁且分子结构中含有对二价金属阳离子抵抗力强的磺酸基团袁以及性质稳定的酰胺基团袁在解决抗盐尧耐温等问题方面优势明显遥xH2CCH要要CONH2+yH2CCH要要HCCH2要要CH2N+Cl-H3CCH3CH2寅zH2CCH要CO要要HNH3C要C要CH2要SO3H要要CH3要H2C要CH要要CH2要CH要HC要CH2要要CH2要CH要xyzOCNH2H2CN+Cl-H3CCH3CH2OCHN要C要CH2要SO3HH3CH3C丙烯酰胺二甲基二烯丙基氯化铵2-甲基-2-丙烯酰胺基丙磺酸共聚物型耐高温胶凝剂图 1 共聚物型耐高温胶凝剂分子结构图要要要要要要胶凝剂浓度袁%抗剪切黏度/(mPa窑s)120益130益140益150益160益0.8027242019180.702421180.601916表 1 不同黏温条件下抗剪切黏度表表 3 120耀160益缓蚀剂温度与浓度关系图版缓蚀剂浓度袁%腐蚀速率(P110 钢)/g窑(m2窑h)-1120益130益140益150益160益227.652.578.9103.8134.6313.528.344.466.994.5标准指标臆35臆45臆45臆65臆65457.23.315.511.625.616.335.219.166.726.1窑57窑第 10 期盖祥福.川渝碳酸盐岩储层胶凝酸配方研究4 胶凝酸体系酸岩反应动力学测试4.1 实验方法利用旋转岩盘酸岩反应实验仪袁川渝海相碳酸盐岩储层岩心袁参考 SY/T 6526要2002叶盐酸与碳酸盐岩动态反应速率测定方法曳袁目标储层地层温度为 120益袁闭合压力 60MPa遥4.2 实验步骤淤 渗漏测试遥连接好设备袁将 500mL 清水吸入酸岩反应釜中袁气瓶出口压力设为 8MPa袁试压 5min内压力变化应不超过 0.1MPa遥于 岩样测量遥 使用游标卡尺测量岩样反应面的直径和厚度袁岩样直径取 3 个不同方向测量的平均值袁计算岩样反应面表面积袁记为 S遥盂 氢氧化钠标准溶液制备遥 按 GB/T 601 的规定执行袁推荐浓度为 0.4耀0.6mol/L袁浓度记为 CNaOH遥榆 酸液制备遥 盐酸溶液的制备按 GB/T 603要2002中 4.1.2.24 配制遥 根据配比把所需要的添加剂按配置要求加入盐酸溶液中袁混合均匀袁配成酸液遥使用 2mL 移液管取 1mL 的酸液于锥形瓶中袁同一个样品每次做 4 个平行样袁分别称其质量并记录为mHCl-1袁精确至 0.0001g袁用 20mL 左右蒸馏水稀释后加入酚酞指示剂遥 用氢氧化钠标准溶液滴定至粉红色不褪色袁记录此时消耗的氢氧化钠标准溶液体积并记为 VNaOH-1袁4 个平行样极差的相对值不得超过0.5%袁否则重新取酸液滴定遥 酸液浓度取 4 次平行样的平均值袁记为 C0遥 用比重瓶量取 100mL 酸液称重袁精度要求达到 0.01g袁计算酸液密度 P0遥虞 用热缩胶管将实验岩样与岩心托盘通加热吹风机热缩固定袁平齐岩心端面切除多余胶套遥愚 将固定好的岩样装上旋转连接杆袁放入反应釜遥舆 关闭预热釜和酸岩反应釜间的截断阀袁将500mL 酸液加入预热釜遥余 设定实验温度袁开启加热装置袁控制升温速度袁升温速度不高于 5益/min袁对预热釜尧酸岩反应釜及岩样进行加热遥俞 当温度即将达到设定温度时袁将压力升至7MPa袁待预热釜尧酸岩反应釜及岩样温度达到设定温度袁准备实验遥逾 在 100耀1100r/min 范围内设定实验转速遥表 4 胶凝酸配方体系综合性能数据表性能指标抗剪切性能/(mPa窑s)静态腐蚀速率/g窑(m2窑h)-1动态腐蚀速率/g窑(m2窑h)-1铁离子络合量/(mg窑mL-1)残酸表面张力/(mN窑m-1)黏土防膨率袁%标准要求170s-1袁连续剪切30min袁逸1890益袁臆6120益袁臆35逸120臆35逸10实验结果跃180.8313.521634.0913.73于一体的多功能剂遥多功能剂采用新型耐高温分子结构袁引入助排尧络合尧防膨等官能团袁使其具有一剂多能特性(见图 3)遥 结合地层温度尧岩石成分等油藏条件袁可以实现个性化分子结构设计袁调整不同官能团占比袁调配出与储层特征相匹配的复合剂遥3 胶凝酸性能综合评价结合胶凝剂尧缓蚀剂与添加剂的实验研究结果袁综合评价了配方的抗剪切尧缓蚀尧络合尧防膨等性能(见表 4)袁各项指标均满足标准要求遥160140120100806040200120益130益140益150益160益2345缓蚀剂浓度袁%图 2 120耀160益缓蚀剂温度与浓度关系曲线图 3 官能团配比为 1颐1颐1 时不同浓度下的多功能剂性能数据4540353025201510500.40.60.8多功能剂浓度袁%5004504003503002502001501005001残酸表面张力黏土防膨率铁离子络合能力2023年第 28 卷窑58窑中 外 能 源SINO-GLOBAL ENERGY踊用氮气将预热好的酸液压入酸岩反应釜中袁记录下酸岩反应开始时间 t1遥温度大于或等于 120益袁酸岩反应时间宜设定为 120s遥 酸岩反应达到反应时间袁打开底部取样阀袁开始取样袁记为 t2袁连续取样个数不低于 3 个袁每个样不低于 5mL袁称重并记录为 mHCl-2袁记录取样时间遥咏停止搅拌袁泄压袁排出酸液袁立即密封酸液盛装容器袁计量酸液体积(包括取样体积)袁记为 V袁取出岩样洗净遥泳余酸浓度滴定遥 对所取余酸进行浓度滴定袁记录消耗的氢氧化钠标准溶液体积袁记为 VNaOH-2曰余酸浓度取 4 次平行样的平均值袁记为 C1遥涌设备整理袁实验结束遥4.3 计算方法酸液注入地层后袁通过对流或者扩散作用与岩石表面发生接触袁所取岩心岩性为川渝地区某井灰岩岩心袁盐酸与灰岩接触后发生以下化学反应院2HCl+CaCO3=CaCl2+H2O+CO2尹(2)酸岩反应速率可用单位时间内酸液浓度的降低值来表示遥 实验采用失重法计算系统酸岩反应速率袁具体方法为院测试灰岩酸岩反应前后质量差值驻m袁再根据化学反应方程式(2)袁计算相应的酸液反应用量 驻C(即反应前后酸液浓度的降低值)遥具体计算公式如下院驻C=2伊36.5伊驻m100伊36.5伊V=驻m50V(3)式中院驻C 为酸液反应用量袁mol/L曰驻m 为岩心反应前后质量差袁g曰V 为酸液体积袁L遥计算系统酸岩反应速率时袁 鉴于面容比的影响袁需对酸岩反应速率修正计算袁计算公式如下院J=驻Ct伊VS(4)式中院J 为酸岩反应速率袁mol/(cm2窑 s)曰t 为反应时间袁s曰S 为岩盘反应表面积袁cm2遥4.4 实验结果与讨论不同酸液浓度下的酸岩反应速率见表 5遥 将酸岩反应速率和酸液浓度取对数袁利用 lgJ 和 lgC 作图袁如图 4 所示遥利用线性回归计算得到胶凝酸酸岩反应动力学参数袁反应速率常数 k=1.19伊10-5(mol/L)-m窑mol/(cm2窑 s)袁反应级数 m=0.398袁则酸岩反应动力学方程为院J=1.19伊10-5C0.398遥由以上实验结果看出袁反应速率常数为 1.19伊10-5(mol/L)-m窑 mol/(cm2窑 s)袁数值越小袁表明化学反应的较慢袁酸蚀距离越远遥5 胶凝酸体系酸液导流能力测试及刻蚀形貌分析5.1 实验方法利用酸蚀裂缝导流能力测试仪和三维激光扫描仪袁川渝碳酸盐岩储层岩板袁参考叶压裂支撑剂导流能力测试方法曳(SY/T 6302要2019)进行测试遥5.2 实验步骤淤 岩样饱和院将岩样抽真空后放入标准盐水溶液中遥于 使用三维激光扫描酸蚀前岩板形貌遥盂 按配方配制胶凝酸院20%HCl+0.8%胶凝剂+3%缓蚀剂+1%多功能剂遥榆 将岩板尧配制的酸液置于测试系统中袁设置系统温度为 120益袁按照设定排量注液袁并观察流动表 5 不同酸液浓度下的酸岩反应速率岩心编号深度/mHCl浓度/(mol窑L-1)时间/s失重/g温度/益转速/(r窑min-1)酸岩反应速率/(mol窑cm-2窑s-1)14386.82.42521200.50791205001.67伊10-524353.33.43800.60932.00伊10-534345.34.80860.67312.21伊10-544335.06.03980.73742.43伊10-5-4.6-4.64-4.68-4.72-4.76-4.8y=0.398x-4.923R2=0.9850.30.40.50.60.70.8lgC图 4 酸液浓度与酸岩反应速率的关系窑59窑第 10 期盖祥福.川渝碳酸盐岩储层胶凝酸配方研究6 结论淤 通过分子结构设计袁研发了满足储层特点的酸液体系袁在不提高酸液黏度的基础上袁有效降低了 H+传质速率袁使酸岩反应速率变小袁延长酸蚀的作用距离曰同时考虑了降低酸压过程中 Fe(OH)3沉淀尧黏土矿物膨胀运移尧残酸滞留等因素对储层造成的伤害遥于 结合胶凝剂尧缓蚀剂与添加剂的实验研究结果袁从配方的流变性尧缓蚀性能尧铁离子稳定性能图 7 非均质定量参数对比柱状图3.02.52.01.51.00.50.02.6825Ry0.76090.2603酸刻蚀前酸刻蚀后RaRe情况袁注液完成后袁卸载回压遥虞 使用三维激光扫描酸蚀后岩板形貌遥愚 在酸岩刻蚀完成后袁不断增加闭合应力至60MPa袁记录标准盐水溶液通过岩板室的压差尧流量等参数遥舆 拆卸岩心夹持器袁取出岩样袁清水清洗所有部件遥余 导流能力数据计算院kWf=5.555 Q/驻p(5)式中院kWf为导流能力袁滋m2窑 cm曰为测试温度下流体黏度袁mPa窑 s曰Q 为测试排量袁cm3/min曰驻p 为压力差值(上游压力减去下游压力)袁kPa遥5.3 实验结果与讨论5.3.1 酸岩导流能力分析在闭合压力 60MPa 下袁酸蚀裂缝导流能力可达到 8.48滋m2窑 cm(见图 5)袁胶凝酸体系在地层中具有优异的流通能力遥 主要体现为具有良好的缓速性能袁能有效降低酸岩反应速率袁避免裂缝壁面支撑矿物过度溶蚀袁高压力下袁支撑矿物不易被压碎袁有利于保持高导流状态遥5.3.2 刻蚀形貌分析对刻蚀前后的壁面进行激光扫描和数字化处理(见图 6)袁刻蚀最大高程 Ry尧溶蚀程度 Re尧非均匀刻蚀程度 Ra变化明显袁数据分析表明袁非均匀刻蚀程度提高 120%(见图 7)遥 整体表现为面状强溶蚀袁以凹凸点状支撑为主尧局部有沟槽型刻蚀袁天然裂缝位置处出现酸溶蚀蚓孔袁说明酸刻蚀对微裂缝形貌改变明显遥图 5 闭合压力下酸蚀裂缝导流能力变化曲线4035302520151050地层闭合压力导流能力 8.48滋m2窑cm10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60闭合压力/MPa015图 6 岩板刻蚀形貌扫描图23212423.222.421.620.8242224.523.622.721.820.924222423.422.822.221.6242024.823.622.421.2202023年第 28 卷窑60窑中 外 能 源SINO-GLOBAL ENERGYResearch on Gelled Acid Formula for CarbonateReservoirs in Sichuan and ChongqingGai Xiangfu(Oil Production Engineering Research Institute of Daqing Oilfield Co.袁Ltd.袁Daqing Heilongjiang 163453)Abstract Acid fracturing is the main measure to carbonate reservoir reconstruction and stimulation袁and select鄄ing a suitable acid system is an important prerequisite for successful acid fracturing.Through the design ofmolecular structure袁we developed and designed a copolymer-type high temperature-resistant gelling agent andmultifunctional agent that integrates complexing袁anti-swelling and drainage-assisting functions.Meanwhile袁thehigh temperature resistant corrosion inhibitor is selected to form a set of gelled acid formula system suitablefor the characteristics of carbonate reservoirs in Sichuan and Chongqing.Comprehensive evaluation shows thatthe formulation performance indicators such as shear resistance袁corrosion inhibition袁complexation and anti-swelling all meet the standard requirements.It effectively reduces H+mass transfer rate without increasing theviscosity of the acid solution袁which makes the acid rock reaction rate smaller and reduces the damage tothe reservoirs.The acid rock reaction kinetics袁fracture conductivity袁and etching pattern of the gelled acid sys鄄tem were evaluated systematically by using the rotating rock plate acid rock reaction tester and the acidetched fracture conductivity test system.The results show that the system has excellent retarding performance.Under the closing pressure of 60MPa袁the acid etched fracture conductivity can reach 8.48滋m2窑 cm.Laser scanresults show that the degree of non-uniform etching by acid solution increased by 120%袁which made thefracture morphology change obviously.Keywords carbonate rock曰gelled acid曰molecular structure design曰acid rock reaction kinetics曰conductivity曰etch鄄ing pattern以及降低表面张力利于返排等方面出发袁评价了酸液配方整体性能袁酸液体系配伍性良好袁各项性能均满足标准及现场指标要求遥盂 系统评价了胶凝酸体系酸岩反应动力学及导流能力遥 该体系具有优异的缓速性能袁在闭合压力 60MPa 下袁酸蚀裂缝导流能力可达 8.48滋m2窑 cm袁胶凝酸体系在地层中具有优异的流通能力遥 激光扫描结果表明袁酸液非均匀刻蚀程度提高 120%袁对裂缝形貌改变明显遥参考文献院1 罗平袁张静袁刘伟袁等.中国海相碳酸盐岩油气储层基本特征J.地学前缘袁2008袁15(1)院36-50.2 王大鹏袁白国平袁徐艳袁等.全球古生界海相碳酸盐岩大油气田特征及油气分布J.古地理学报袁2016袁18(1)院80-92.3 张悦袁巫宛谦.深层碳酸盐岩酸压工艺技术应用现状J.化学工程与装备袁2023(2)院53-54.4 陈力力袁刘飞袁杨建袁等.四川盆地深层超深层碳酸盐岩水平井分段酸压关键技术J.天然气工业袁2022袁42(12)院56-64.5 施铁军袁胡承波袁刘人天袁等.碳酸盐岩酸压工艺与发展趋势分析J.中国石油和化工标准与质量袁2012(9)院46.6 CROWE C W袁MARTIN R C袁MICHAELIS A M.Evaluation ofAcid-GellingAgentsforUseinWellStimulation J.SPEJournal袁1981袁21(4)院415-424.7 李秀花袁陈进富袁佟曼丽.近期国内外水基压裂液添加剂的发展概况J.石油与天然气化工袁1995袁24(1)院12-17.8 SCHERUBEL G A袁CROWE C W.Foamed Acid袁A New Con鄄cept in Fracture AcidizingC/SPE Annual Fall TechnicalConference and Exhibition袁Houston袁TX袁USA袁1978院7568.9 刘炜袁熊楠袁吴志鹏袁等.缓速酸种类及乳化酸应用研究进展J.精细石油化工进展袁2010袁11(9)院12-15.10 郑力军袁杨立华袁张涛袁等.泡沫酸化技术研究及其在低渗非均质油藏中应用J.油田化学袁2011袁28(1)院9-12.(编辑 谢守国)窑61窑第 10 期盖祥福.川渝碳酸盐岩储层胶凝酸配方研究