適用于碳酸鹽巖儲層復合有機緩速酸液體系研究

李長城,黃鵬，陳洪

（長江大學，湖北武漢431400）

適用于碳酸鹽巖儲層復合有機緩速酸液體系研究

李長城,黃鵬，陳洪

（長江大學，湖北武漢431400）

針對碳酸鹽巖油氣藏在使用常規酸化措施施工時存在管柱腐蝕嚴重，酸巖反應速率過快，二次沉淀污染等問題，通過室內實驗，優選出了合適的主體酸、緩蝕劑、助排劑和鐵離子穩定劑，研制出一套適合碳酸鹽巖儲層的新型復合有機緩速酸液體系。室內評價了該酸液體系的各項性能指標，結果表明，該酸液體系具有良好的緩速性能、較低的腐蝕速率以及較低的表面張力。巖心模擬酸化實驗結果表明，復合有機緩速酸液體系對目標氣田儲層天然巖心的基質滲透率改善率大于170%，基質酸化效果好于普通鹽酸。說明優選的復合有機緩速酸液體系對目標氣田儲層具有顯著的改善作用，可以應用于現場酸化增產作業。

碳酸鹽巖儲層；酸化；有機緩速酸；酸巖反應

碳酸鹽巖油氣藏分布廣發，巖石化學成分、礦物成分比較簡單，但結構構造復雜，以海相沉積為主，沉積微相控制儲層發育，儲層非均質程度較高。碳酸鹽巖油氣產量占到了世界總油氣產量的60%以上[1]，我國碳酸鹽巖油氣藏主要分別在南部和華北地區，碳酸鹽巖油氣藏開采過程中酸化壓裂屬于常用的增產措施[2]。

酸化解堵措施中最重要的是酸液體系的選擇，目前，國內外碳酸鹽巖儲層酸化多采用緩速酸酸液體系[3]，原因在于，相比較于普通鹽酸和土酸來說，緩速酸與碳酸鹽巖的反應速率較慢，酸化作用距離長，不僅可以滿足近井地帶酸化解堵的需要，更可以實現深部酸化。緩速酸酸液體系一般是在酸液體系中加入表面活性劑或其他處理劑，從而實現延緩酸巖反應速率的目的。緩速酸體系一般包括泡沫酸、多氫酸、乳化酸、稠化酸等，這些體系均在國內外有過成功的應用[4-6]。

川東北某氣田碳酸鹽巖儲層埋藏深約5 500 m，地層溫度達120℃左右，地層壓力較高，部分發育微裂縫。儲層平均孔隙度為14.5%，平均滲透率為24.3 mD，屬于低孔低滲儲層。酸化壓裂一直是該氣田重要的增產措施，而酸化效果受到酸液性能的嚴重影響。本文針對該氣田在使用常規酸化措施施工時存在管柱腐蝕嚴重，酸巖反應速率過快，二次沉淀污染等問題，通過大量室內實驗，研究出一套低酸巖反應速度、低腐蝕性、易返排的新型復合有機緩速酸液體系。室內評價了酸液體系的各項性能，為現場應用提供參考。

1 復合有機緩速酸作用原理

（1）主體酸液中的有機膦酸屬于多元緩速酸，其一級電離度較低，進入地層中以后緩慢釋放出H+，可以較長時間的維持較低的pH值，相比較于鹽酸等強酸而言，酸巖反應速率低，可以一定程度的增大酸化的距離[7]。

（2）具有較強的溶蝕能力和低傷害性。由于復合有機緩速酸液體系具有較長的活性酸反應時間，其有效活性酸反應時間可以比一般鹽酸延長10 h左右；鹽酸等強酸與巖石反應后，溶蝕率逐漸上升到最大值，后由于二次沉淀等原因導致溶蝕率下降，而復合有機緩速酸體系對巖石的溶蝕量達到一定程度后，逐漸趨于穩定，并且不會產生二次沉淀及酸渣，具有低傷害性。

（3）有機緩速酸液體系中含有的助排劑等表面活性劑，根據滲透、增溶作用原理，可以減少液流阻力，有助于酸液的注入和殘酸的返排，避免殘酸對地層造成二次傷害。

2 體系配方優選

2.1 主體酸液的確定

在分析目標氣田儲層特征及以往酸化處理措施的基礎上，通過大量室內實驗驗證，優選出性能優良，滿足目標氣田現場應用要求的主體緩速酸酸液為2.5%有機膦酸+5.0%氟化氫銨。下面在確定主體酸的前提條件下，優選新型復合有機緩速酸液體系中其他的處理劑。

2.2 緩蝕劑優選

在高溫地層酸化措施施工中，避免腐蝕對管柱安全和施工安全尤為重要。因此，在酸液體系中加入緩蝕劑是非常必要的。緩蝕劑的加入能夠在管柱表面產生一層致密的保護膜，減少酸液與管材的接觸面積，達到延緩腐蝕的目的。優選對比了三種緩蝕劑對N80鋼片的腐蝕速率大小。實驗方法采用“靜態掛片失重法”評價緩蝕劑效果。實驗結果見表1。

表1 緩蝕劑優選實驗結果Table1 Experimental results of corrosion inhibitor selection

由表1實驗數據可以看出，在120℃，72 h的試驗條件下，緩蝕劑HJS-3的緩蝕效果最好，可以達到緩蝕劑一級標準。選擇1.0%HJS-3作為酸液的緩蝕劑。

2.3 助排劑優選

助排劑的加入可以顯著降低酸液及殘酸的表面張力，有利于酸液的注入和殘酸的返排，降低殘酸在地層中的滯留量，避免二次傷害。采用JYW-200A全自動界面張力儀測定不同助排劑水溶液的表面張力，優選出合適的助排劑。實驗結果見表2。

表2 助排劑優選實驗結果Table2 Optimization experiment results of auxiliary drainage agent mN/m

由表2可以看出，四種助排劑均隨著質量分數的增大，表面張力減小。一般現場要求加入助排劑后的體系表面張力要小于30 mN/m。當助排劑加量為0.5%時，S-2體系的表面張力最小，可以達到25.37 mN/m，能夠滿足現場施工要求。選擇0.5%S-2作為酸液的助排劑。

2.4 鐵離子穩定劑優選

鐵離子穩定劑是酸液體系中的必要添加劑，它的加入一方面可以與地層中的溶解三價鐵離子進行螯合作用，另一方面可以使三價鐵離子還原，這就達到了防止鐵離子沉淀產生而造成堵塞地層的現象。鐵離子穩定劑優選實驗方法參照SY/T6571-2012《酸化用鐵離子穩定劑性能評價方法》。實驗結果見表3。

表3 鐵離子穩定劑優選實驗結果Table3 Optimization experimental results of iron ion stabilizer

由表3實驗數據可以看出，無論在25℃還是在120℃條件下，鐵離子穩定劑HTW-12的穩定鐵離子能力值均大于150 mg/mL，其他兩種鐵離子穩定劑效果較差。因為在一般情況下，鐵離子穩定能力在100 mg/mL以上的鐵離子穩定劑才能滿足應用要求。所以選擇1.0%HTW作為酸液的鐵離子穩定劑。

2.5 酸液體系配方確定

通過以上室內實驗，在確定主體酸液的基礎上優選出了合適輔助添加劑，形成一套適合碳酸鹽巖地層的新型復合有機緩速酸液體系，具體配方如下：

2.5 %有機膦酸+5.0%氟化氫銨+1.0%緩蝕劑HJS-3+0.5%助排劑S-2+1.0%鐵離子穩定劑HTW-12

下面針對優選的酸液體系進行性能評價。

3 體系性能評價

3.1 緩速性能

使用1mol/L的NaOH標準溶液來滴定復合有機緩速酸液和3.0%鹽酸溶液，通過酸度值的測定來對比分析有機緩速酸液體系的緩速性能。實驗結果見圖1。

圖1 復合有機緩速酸液與3.0%鹽酸酸度曲線圖Fig1 Acidity of 3%HCl and composite organic retarded acid solution

由圖1可以看出，普通鹽酸溶液的酸度曲線只有一個突變點，當NaOH體積大于40 mL時，酸度值急劇上升，說明鹽酸溶液中H+是完全電離的，不具有緩速性能；而新型復合有機緩速酸液的主要成分為有機膦酸和氟化物，其酸度曲線具有三個突變點，說明復合有機緩速酸液體系中H+的電離是多級電離，具有明顯的緩速性能。

3.2 防腐蝕性能和助排性能

按照2.2和2.3中的實驗方法，對優選的新型復合有機緩速酸液體系進行防腐蝕性能和助排性能評價，并于3.0%鹽酸的實驗結果進行對比。實驗結果見表4。

表4 體系防腐蝕性能和助排性能評價結果Table4 Corrosion resistance and drainage performance evaluation results of the system

由表4實驗數據可知，對比普通鹽酸溶液，復合有機緩速酸液體系的腐蝕速率和表面張力明顯偏小。說明優選的復合有機緩速酸液體系具有較好的防腐蝕性能和助排性能。

3.3 巖心模擬酸化效果

選用目標氣田儲層天然巖心進行，分別注入3.0%鹽酸和復合有機緩速酸液，測定天然巖心實驗前后基質滲透率的變化情況，以對比復合有機緩速酸和鹽酸對巖心的基質酸化效果。巖心滲透率測定使用巖心流動實驗裝置，酸液的注入使用中間容器罐。實驗結果見表5。

表5 巖心模擬酸化實驗結果Table5 Results of core simulated acidification experiment

由表5實驗數據可以看出，復合有機緩速酸液體系對目標氣田儲層天然巖心的基質酸化效果好于3.0%鹽酸，酸化處理后基質滲透率明顯增大，說明優選的復合有機緩速酸液體系對目標氣田儲層具有顯著的改善作用，可以達到酸化增產的目的。

4 結論

（1）在分析目標氣田儲層基本特征以及以往常規酸化措施中出現問題的基礎上，并結合復合有機緩速酸作用原理，通過室內實驗優選出了一套適合碳酸鹽巖地層的新型復合有機緩速酸液體系。

（2）新型復合有機緩速酸液體系具體配方為：2.5%有機膦酸+5.0%氟化氫銨+1.0%緩蝕劑HJS-3+0.5%助排劑S-2+1.0%鐵離子穩定劑HTW-12。

（3）室內評價了新型復合有機緩速酸液體系的各項性能，結果表明，該酸液體系相比較于普通鹽酸而言具有良好的緩速性能，以及更好的防腐蝕性能和助排性能；另外，復合有機緩速酸液體系對目標氣田儲層天然巖心的基質酸化效果好于普通鹽酸，說明優選的復合有機緩速酸液體系對目標氣田儲層具有顯著的改善作用，可以應用于現場酸化增產作業。

［1］范嘉松.世界碳酸鹽巖油氣田的儲層特征及其成藏的主要控制因素[J].地學前緣，2005，12(3):23-30.

［2］楊榮.高溫碳酸鹽巖儲層酸化稠化自生酸液體系研究[D].成都：西南石油大學，2015.

［3］賈長貴,田常青,劉應紅.深穿透緩速酸PRH-1的研究與應用[J].油氣田地面工程，2004，23（8）：14-15.

［4］潘建華.高升油田難采儲量多元緩速酸酸化技術[J].鉆采工藝，2009，32（5）：37-39.

［5］王元慶,林長志,王連生,等.低滲碳酸鹽巖儲層深度酸化酸液體系優選與評價[J].地質科技情報，2014，33（1）：100-105.

［6］吳大康,劉麗麗,薛俊林,等.合水油田復合緩速酸酸化技術研究[J].長江大學學報:自科版，2011，08（10）：41-43.

［7］溫平安,王偉林,唐述凱,等.一種適用于低滲透油藏的復合緩速酸作用機理研究[J].石油化工應用，2014，33（8）：53-57.

Study on the Composite Organic Retarded Acid Solution System for Carbonate Reservoirs

LI Chang-cheng,HUANG Peng,CHEN Hon
（Yangtze University,Hubei Wuhan 431400,China）

Aiming at the problems in conventional acidification of carbonate reservoirs,such as serious corrosion of the pipe string,too fast acid-rock reaction rate,second precipitation pollution and so on,the suitable main acid, corrosion inhibitor,auxiliary drainage agent and iron ion stabilizer were optimized through laboratory experiments,a new type of composite organic retarded acid solution system suitable for carbonate reservoirs was developed.The performance indexes of the acid system were evaluated in the laboratory.The results show that the acid system has good retarded performance,low corrosion rate and low surface tension.The result of core simulation acidification experiment shows that the matrix permeability improvement rate of the composite organic retarded acid solution is greater than 170%in the natural core of the target gas field reservoir,its matrix acidification effect is better than ordinary hydrochloric acid.It suggests that the optimized compound organic retarded acid solution has significant improvement effect on the reservoir of the target gas field,and can be applied in the field acidification to increase production.

Carbonate reservoir;Acidification;Organic retarded acid;Acid-rock reaction

TE 122

A

1671-0460（2017）03-0475-03

2016-10-11

李長城（1993-），男，湖北宜昌人，2015年畢業于長江大學工程技術學院石油工程專業，研究方向：從事固井技術工作。E-mail：290562912@qq.com。