縫洞型油藏霧化酸深部酸化機理研究

蘇徐航，齊寧，2，王一偉，潘林，徐志鵬

（1.中國石油大學（華東）石油工程學院，山東青島 266580；2.非常規(guī)油氣開發(fā)教育部重點實驗室（中國石油大學（華東）），山東青島 266580）

0 引言

目前，國內(nèi)外對縫洞型油藏儲層酸化時，多采用以鹽酸為主體的酸液體系，通過添加多種化學劑從而提高酸化效率[1-5]。近年，國外多使用稠化酸體系進行酸液分流轉(zhuǎn)向以減少酸液濾失，如Halliburton利用交聯(lián)酸進行碳酸鹽巖酸化的轉(zhuǎn)向控制[6]。李志[7]提出了的新型非常規(guī)酸液體系HR可用于縫洞型油藏的酸化，其主要成分為螯合劑H4R。該體系依靠其螯合、吸附和電離的綜合作用緩速。Frank[8]提出的新型表面活性劑VES與地層巖石發(fā)生反應時，Ca2+含量的上升和pH值的增大均會使該表面活性劑的黏度增大。演春[9]提出利用膠凝酸進行碳酸鹽巖儲層的酸化，降低酸巖反應速度，促進酸蝕主蚓孔的延伸。目前應用較為成熟的膠凝劑產(chǎn)品有西南油氣田分公司的CT1-6和Halliburton的DSGA等[10]。魏星[11]等提出利用乳化酸進行碳酸鹽巖儲層的酸化，乳化酸濾失量很小，緩速性能良好，可進入深部地層溝通裂縫。陳冀嵋[12]等提出對縫洞型油藏進行固體酸酸化，該固體酸常態(tài)下處于未激活狀態(tài)，一旦激活可迅速分解出硝酸。曹繼虎[13]等針對長慶油田低產(chǎn)低效井，提出使用氮氣泡沫酸化工藝技術(shù)，該工藝不僅能促進殘酸返排，還有較好的控水增油效果。

泡沫酸作為一種氣液兩相酸，液相為連續(xù)相，氣相為非連續(xù)相，而針對注氣開發(fā)的縫洞型油藏，以氣相為連續(xù)相，液相為非連續(xù)相，將注氣和酸化相結(jié)合，提出了一種新型霧化酸酸化工藝方法。霧化酸可有效溝通不連續(xù)的縫洞儲集體，有利于縫洞型油藏深部的酸化。本文通過霧狀流井筒流動模擬實驗，模擬霧化酸在井筒和地層中流動；并通過旋轉(zhuǎn)圓盤實驗，評價霧化酸及霧化穩(wěn)定劑的緩速性能和霧化酸對管柱的緩蝕性能。

1 實驗部分

1.1 實驗儀器及藥品

①酸液霧化-井筒流動模擬裝置。該裝置包括氣路系統(tǒng)、液路系統(tǒng)、霧化發(fā)生器、模擬井筒、井底積液收集裝置和模擬地層6個部分。其中，氣路系統(tǒng)包括空氣壓縮機、氣節(jié)流閥和玻璃轉(zhuǎn)子流量計3個部分，液路系統(tǒng)包括高壓平流泵、液體壓力表和液節(jié)流閥3個部分。分別由空氣壓縮機和高壓平流泵供給一定壓力的空氣和去離子水用于模擬油田現(xiàn)場的氮氣和酸液，氣液于雙流式文丘里霧化發(fā)生器相遇并產(chǎn)生霧化流，進入模擬井筒，最終流動至模擬地層，其中聚并的液體進入積液收集裝置。

②雙流式文丘里霧化發(fā)生器（見圖1）。該霧化發(fā)生器本質(zhì)是雙流式霧化噴嘴，其作用機理是液體和氣體在腔內(nèi)相互作用而形成液膜，破碎液膜形成霧狀流，而當其高速通過文丘里管（管徑逐漸變?。r，流速增大，壓力減小，形成的壓差使霧狀流高速射出[14-15]。為提升霧化率，對霧化發(fā)生器的液體出口截面積進行改進，使用不同液體出口個數(shù)的霧化發(fā)生器進行實驗。該霧化發(fā)生器具有很多優(yōu)點：霧化顆粒均勻、細小，霧化效果理想穩(wěn)定；工作壓力不高，所需壓力噴射能量消耗低；工作范圍大，可對液體和氣體壓力進行連續(xù)性調(diào)整，以找到合適的工作流量；噴嘴孔徑相對較大，不易堵塞；故障率低，制造和維修費用低，工作壽命長[16]。

圖1 雙流式文丘里霧化發(fā)生器（4孔）結(jié)構(gòu)示意圖

③SYF-3型酸巖反應旋轉(zhuǎn)巖盤儀。

④蔡司掃描電鏡。

2）實驗藥品。質(zhì)量分數(shù)為15%的鹽酸，分析純；十二烷基苯磺酸鈉，分析純；去離子水，實驗室制備。

1.2 實驗方法

1）霧狀流井筒流動模擬實驗方法。①在20 ℃、標準大氣壓下，用空氣和去離子水進行模擬實驗，可觀察到霧狀流從霧化發(fā)生器出口噴射進入井筒，最終流入模擬地層，其中聚并液體進入積液收集裝置；②霧狀流穩(wěn)定流動時，記錄3 min后井底積液收集裝置中的積液體積Vc；③通過上述所測數(shù)據(jù)，計算該霧化發(fā)生器的霧化率。④改變注入氣體、液體的流量，換用不同的霧化發(fā)生器進行實驗，觀察霧化效果，記錄3 min后的積液體積Vc并計算霧化率。

式中，ηAR為霧化發(fā)生器的霧化率，%；Vl為注入液體的體積，mL；Vc為積液體積，mL。

2）旋轉(zhuǎn)圓盤實驗。①將一定濃度的酸液置于酸巖反應旋轉(zhuǎn)巖盤儀中間容器內(nèi)，在130 ℃下待其蒸發(fā)為酸霧，壓力升高至峰值且變化不明顯時，可確定酸液已完全霧化。②設(shè)置一定的轉(zhuǎn)速和溫度，分別用霧化酸、常規(guī)酸與巖心端面反應30 min，計算其酸巖反應速度。

式中，J為酸巖反應速度，mol/（s·cm2）；為瞬時酸濃度隨時間的變化率，mol/（L·s）；V為反應酸液體積，L；S為反應面積，cm2。③設(shè)置一定的溫度，分別用霧化酸、常規(guī)酸與N80鋼片進行靜態(tài)掛片實驗，反應4 h，計算其腐蝕速率。

式中，m為試樣的失重，g；ρ為材料的密度，7.8 g/cm3；t為實驗時間，d；S為試樣面積，mm2；Vcprr為腐蝕速率，mm/a。

2 霧化酸形成與穩(wěn)定流動界限研究

2.1 霧化酸穩(wěn)定流動界限研究

為找到20 ℃、標準大氣壓下模擬霧化酸穩(wěn)定流動界限，利用4孔霧化發(fā)生器（單個孔眼截面積為0.1963 mm2），在30、60、120 m3/h的氣體流量下，從高至低不斷改變液體流量進行實驗，不同氣體流量下霧化率和液體流量的關(guān)系曲線如圖2所示。

由圖2可知，液體流量恒定時，氣體流量越大，霧化率越高；氣體流量恒定時，液體流量越小，霧化率越高。綜上所述，在一定范圍內(nèi)，氣液比越大，霧化率越高。

圖2 不同氣體流量下霧化率和液體流量的關(guān)系

為進一步提升霧化率，對霧化發(fā)生器進行改進，減少霧化發(fā)生器的液體出口截面積，選用2孔和單孔霧化發(fā)生器進行對比實驗，這些霧化發(fā)生器除液體出口個數(shù)外無任何結(jié)構(gòu)差異，且單個孔眼截面積均為0.1963 mm2。氣體流量為60 m3/h時，不同液體出口截面積下霧化率和液體流量的關(guān)系見圖3。

圖3 不同液體出口截面積下霧化率和液體流量的關(guān)系

由圖3可知，相同的氣體流量和液體流量下，霧化發(fā)生器液體出口截面積越小，霧化率越高。這是因為減少液體出口截面積，會增大進入出口端的液體壓力，增大水力空化作用，提高霧化率。但過小的截面積會導致酸液注入壓力過高，這對裝置承壓能力有更高的要求，且不利于泵注。因此，為提高霧化率，在滿足實驗室裝置耐壓性要求的前提下，選用單孔雙流式文丘里霧化發(fā)生器。

綜合考慮，在20 ℃、標準大氣壓下，模擬霧化酸穩(wěn)定流動界限為60 m3/h的氣體流量、20 mL/min的液體流量，此時霧化率可達68.33%。

2.2 霧化穩(wěn)定劑性能評價

為進一步提升霧化率，從工作液本身出發(fā)，在液相中添加霧化穩(wěn)定劑。表面活性劑能降低液體表面張力，抑制液相聚并，因此選用陰離子表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉作為霧化酸穩(wěn)定劑。為研究該霧化穩(wěn)定劑濃度對霧化率的影響，在十二烷基苯磺酸鈉濃度分別為0.1%、0.5%、1%和3%時，測量在60 m3/h的氣體流量下的霧化率，觀察霧化率變化規(guī)律，不同液體流量下的霧化率和霧化穩(wěn)定劑濃度的關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4 不同液體流量下的霧化率和霧化穩(wěn)定劑濃度的關(guān)系

由圖4可知，氣體流量和液體流量不變時，霧化率隨霧化穩(wěn)定劑濃度的上升而迅速上升，逐漸平緩后達到峰值，最后緩慢下降。當霧化穩(wěn)定劑濃度為0.5%時，霧化率達到峰值，最終確定霧化穩(wěn)定劑的最佳濃度為0.5%。

3 霧化酸緩速與對管柱緩蝕性能評價

3.1 霧化酸緩速性能評價

對比常規(guī)酸，霧化酸具有良好的緩速效果。在130 ℃、轉(zhuǎn)速為110 r/min的條件下，通過旋轉(zhuǎn)圓盤實驗測出不同酸型、不同初始酸濃度下反應8 min后的巖心失重情況以計算出各自的酸巖平均反應速度[17-18]，不同初始酸濃度的常規(guī)酸、交聯(lián)酸、膠凝酸和霧化酸的酸巖反應速度如表1所示。

表1 不同酸的酸巖反應速度對比

由表1可知，4種酸中，常規(guī)酸酸巖反應速度最快，其反應速度比其余3種酸大一個數(shù)量級；3種緩速酸中，霧化酸酸巖反應速度最小，因此霧化酸具有良好的緩速效果。

將霧化酸和常規(guī)酸酸巖反應后的巖心洗凈、烘干后，觀察其酸蝕形態(tài)，分析霧化酸的緩速機理。常規(guī)酸和霧化酸酸巖反應后的巖心端面分別見圖5。

圖5 常規(guī)酸和霧化酸酸巖反應后的巖心端面

由圖5可知，常規(guī)酸酸巖反應中，酸液與巖心端面發(fā)生面溶蝕，溶蝕量大，耗酸量大，巖心端面凸起部分為未參與反應的雜質(zhì)；霧化酸酸巖反應后的巖心端面出現(xiàn)點狀凹坑，溶蝕量小，耗酸量小。

除了霧化酸本身具有緩速性能外，霧化穩(wěn)定劑也具有一定的緩速效果。在未加入和加入濃度為0.5%的十二烷基苯磺酸鈉的情況下進行對比實驗，實驗條件為130 ℃、500 r/min的轉(zhuǎn)速，其實驗結(jié)果如表2所示。

表2 十二烷基苯磺酸鈉的酸巖反應緩速效果評價

由表2可知，在加入十二烷基苯磺酸鈉后，酸巖反應速度有一定程度的降低。十二烷基苯磺酸鈉的緩速機理和大多數(shù)表面活性劑類似，十二烷基苯磺酸鈉在酸巖反應過程中可吸附在巖心表面上，形成一層有效的吸附膜，其可抑制H+向巖心傳遞，從而在一定程度上降低酸巖反應速度。因此，加入濃度為0.5%十二烷基苯磺酸鈉不僅能提高霧化率，還能降低酸巖反應速度。

3.2 霧化酸對管柱緩蝕性能評價

在130 ℃下，分別將N80鋼片置于濃度為20%的常規(guī)酸和霧化酸中靜態(tài)反應4 h，利用失重法計算出各自的腐蝕速率。霧化酸和常規(guī)酸腐蝕后的N80鋼片分別如圖6所示，其掃描電鏡圖分別如圖7～圖9所示。

圖6 不同酸液腐蝕反應前后的N80鋼片

圖7 未反應的N80鋼片掃描電鏡圖（×3000倍）

圖8 霧化酸腐蝕后的N80鋼片掃描電鏡圖（×3000倍）

圖9 常規(guī)酸腐蝕后的N80鋼片掃描電鏡圖（×3000倍）

由圖7～圖9可知，霧化酸腐蝕后的N80鋼片表面較為平整，腐蝕程度小，而常規(guī)酸酸蝕后的N80鋼片表面較為粗糙，酸蝕程度明顯大于霧化酸。

未添加緩蝕劑時，N80鋼片在常規(guī)酸中的腐蝕速率為572.16 mm/a，而在霧化酸中的腐蝕速率為40.08 mm/a，霧化酸腐蝕速率不及常規(guī)酸的十分之一，因此霧化酸對管柱緩蝕效果顯著。

4 結(jié)論

1.基于霧狀流井筒流動模擬實驗，用空氣和去離子水分別模擬油田現(xiàn)場的氮氣和酸液，利用文丘里霧化發(fā)生器實現(xiàn)霧化，最終確定20 ℃、標準大氣壓下，模擬霧化酸最優(yōu)界限為60 m3/h的氣體流量，20 mL/min的液體流量，此時霧化率可達68.33%。

2.加入十二烷基苯磺酸鈉霧化穩(wěn)定劑后，液滴表面張力顯著降低，霧化率極大提升，且降低了酸液與地層的反應速度，起到了緩速作用。

3.與常規(guī)酸、交聯(lián)酸和膠凝酸相比，霧化酸酸巖反應速度更慢、耗酸量更小。常規(guī)酸酸巖反應發(fā)生面溶蝕，溶蝕量大；而霧化酸酸巖反應后的巖心表面出現(xiàn)點狀凹坑，溶蝕量少。因此，霧化酸具有良好的緩速效果。

4.霧化酸腐蝕速率要遠遠小于常規(guī)酸，不及常規(guī)酸的十分之一。常規(guī)酸腐蝕后的N80鋼表面粗糙，腐蝕程度大；而霧化酸腐蝕后的N80鋼表面平整，腐蝕程度明顯小于常規(guī)酸。因此，霧化酸對管柱的緩蝕效果顯著。