曲占慶，曲冠政，齊 寧，何利敏，于 棟

(中國(guó)石油大學(xué)(華東)，山東 青島 266555)

甜菜堿類(lèi)自轉(zhuǎn)向酸酸化技術(shù)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究

曲占慶，曲冠政，齊 寧，何利敏，于 棟

(中國(guó)石油大學(xué)(華東)，山東 青島 266555)

地層非均值性的存在使得基質(zhì)酸化處理必須采用轉(zhuǎn)向技術(shù)，黏彈性表面活性劑自轉(zhuǎn)向酸技術(shù)是最近發(fā)展起來(lái)的1種低傷害轉(zhuǎn)向酸化新技術(shù)，其性能評(píng)價(jià)對(duì)指導(dǎo)自轉(zhuǎn)向酸化技術(shù)的施工具有重要意義。為此，在室內(nèi)合成甜菜堿的基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)甜菜堿自轉(zhuǎn)向酸液進(jìn)行性能評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，pH值和Ca2+均能使體系黏度增大且具有協(xié)同效應(yīng);鮮酸、殘酸體系黏度均隨甜菜堿濃度增大而增大，隨剪切速率增大而減小，剪切順序?qū)w系黏度基本上沒(méi)有影響;pH值為2時(shí)，體系黏度最大，約為350 mPa·s;煤油和鹽水能夠使殘酸體系破膠;通過(guò)滲透率分析和無(wú)因次注入倍數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，油酸酰胺丙基甜菜堿具有良好的轉(zhuǎn)向分流能力。

甜菜堿;自轉(zhuǎn)向酸;酸化;室內(nèi)實(shí)驗(yàn);性能評(píng)價(jià)

引言

酸液在地層的有效分布是基質(zhì)酸化處理的關(guān)鍵，地層的非均質(zhì)性使酸液往往沿高滲層指進(jìn)，需要借助轉(zhuǎn)向技術(shù)才能使低滲層得到有效處理。常用的轉(zhuǎn)向技術(shù)分為 2類(lèi):機(jī)械轉(zhuǎn)向和化學(xué)轉(zhuǎn)向［1－3］。前者能夠使酸液準(zhǔn)確到達(dá)目的層位，但無(wú)法控制酸液在層內(nèi)的流動(dòng)，且對(duì)固井和完井條件要求較高;后者是現(xiàn)場(chǎng)廣泛應(yīng)用的轉(zhuǎn)向技術(shù)，但存在對(duì)地層傷害大、受地層條件限制等缺點(diǎn)。相比于常規(guī)轉(zhuǎn)向技術(shù)，近階段發(fā)展起來(lái)的黏彈性表面活性劑自轉(zhuǎn)向酸酸化技術(shù)由于適用性好、傷害小等優(yōu)點(diǎn)［4］成為研究的熱點(diǎn)。基于碳酸鹽巖儲(chǔ)層轉(zhuǎn)向酸化技術(shù)的需要，筆者合成了1種對(duì)pH值敏感的甜菜堿類(lèi)黏彈性表面活性劑，并對(duì)自轉(zhuǎn)向酸性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

1 黏彈性表面活性劑的合成

鑒于脂類(lèi)烷基酰胺甜菜堿在自轉(zhuǎn)向酸中的廣泛應(yīng)用［5］，同時(shí)從等電點(diǎn)、克拉夫特點(diǎn)及臨界膠束濃度等方面［6］綜合考慮，用油酸合成油酸酰胺丙基甜菜堿作為自轉(zhuǎn)向酸主劑。由油酸和3－二甲氨基丙胺通過(guò)酰胺化反應(yīng)得到中間產(chǎn)物叔胺，然后由叔胺和氯乙酸鈉經(jīng)過(guò)季銨化反應(yīng)得到油酸酰胺丙基甜菜堿(SDVA)［7］。

2 自轉(zhuǎn)向酸流變性能分析

2.1 油酸酰胺丙基甜菜堿水溶液流變性評(píng)價(jià)

2.1.1 pH值的影響

圖1為室內(nèi)170 s－1下測(cè)得pH值對(duì)SDVA水溶液黏度影響的關(guān)系曲線?？梢钥闯觯琾H值升高，體系黏度先上升，后穩(wěn)定，最后迅速下降;酸性條件的體系黏度比中性條件下有很大提高，黏度變化的本質(zhì)為SDVA分子在pH值作用下排列次序的變化。

圖1pH值的影響(6%SDVA)

2.1.2 Ca2+濃度的影響

圖2為Ca2+濃度對(duì)體系的影響?？梢?jiàn)，Ca2+濃度一定時(shí)，體系黏度隨SDVA含量增加顯著增加;SDVA濃度一定，體系黏度隨Ca2+含量增加先升后降，Ca2+濃度為20%時(shí)體系黏度最大，約為330 mPa·s。體系中，表面活性劑以球形膠束存在，季銨氮和羧基陰離子基團(tuán)為膠束外層，雙電子層結(jié)構(gòu)很弱，膠束中分子具有較強(qiáng)的水化作用，存在水化膜［8］，Ca2+壓縮擴(kuò)散雙電子層，同時(shí)也破壞水化膜，有利于膠束聚集增長(zhǎng);另一方面，Ca2+螯合羧基陰離子基團(tuán)使膠束相互聚集［9］。兩方面共同作用下，體系黏度增加，并在Ca2+濃度為20%時(shí)達(dá)到最大。Ca2+濃度繼續(xù)增加，體系黏度下降。分析原因:由Ca2+螯合的表面活性劑聚集體可視為一個(gè)膠束結(jié)構(gòu)，Ca2+濃度為20%時(shí)膠束結(jié)構(gòu)聚集體結(jié)構(gòu)最大;由于Ca2+的存在使該結(jié)構(gòu)帶正電，Ca2+濃度繼續(xù)增加，帶正電的聚集體之間相互排斥，并且Ca2+濃度越高，排斥作用越顯著，表現(xiàn)為黏度略有下降。

圖2 不同SDVA濃度下Ca2+濃度對(duì)體系的影響

2.2 鮮酸流變性評(píng)價(jià)

2.2.1 SDVA濃度和溫度的影響

在剪切速率為170s－1、鹽酸濃度為20%的條件下，測(cè)得濃度和溫度對(duì)黏度影響的關(guān)系曲線見(jiàn)圖3?？梢钥闯?，體系黏度隨SDVA含量的增加而增加，但總體較小;以SDVA濃度4%為界，低于4%時(shí)體系黏度隨溫度升高而降低，高于4%時(shí)體系黏度隨溫度呈先升后降趨勢(shì)。分析原因，膠束在溶液中受的力可分為相互聚集成膠束結(jié)構(gòu)的力和掙脫束縛的力，兩者在70℃時(shí)達(dá)到平衡;溫度繼續(xù)升高，掙脫束縛的力逐漸占主導(dǎo)作用。

2.2.2 剪切的影響

酸液在配制、泵送及處理地層的過(guò)程中都受到剪切作用，研究剪切作用對(duì)鮮酸黏度的影響非常必要。分別選取3%、5%及6%的鮮酸溶液進(jìn)行測(cè)量，見(jiàn)圖4。可以看出:體系黏度隨剪切速率增大而逐漸降低，體系具有剪切稀釋特性;剪切歷史對(duì)體系黏度基本上沒(méi)有影響。

圖3 SDVA濃度及溫度的影響

圖4 剪切作用對(duì)鮮酸黏度的影響

2.3 殘酸流變性評(píng)價(jià)

2.3.1 pH值的影響

圖5為在170 s－1條件下測(cè)得pH值與殘酸黏度的關(guān)系曲線。可以看出，pH值一定，體系黏度隨SDVA含量升高而上升。SDVA濃度為6%、pH值為2～3時(shí)，體系黏度最大，約為350 mPa·s;SDVA濃度一定，pH值升高時(shí)體系黏度先上升穩(wěn)定后略下降。由前面的分析可知，pH值與Ca2+均能使體系增黏。

圖5 pH值與殘酸黏度的關(guān)系曲線

2.3.2 溫度和剪切作用的影響

在30、70、90℃條件下考察剪切對(duì)pH=2的6%SDVA酸液體系黏度的影響，見(jiàn)圖6。可以看出，體系具有剪切稀釋特性，并且隨溫度升高的趨勢(shì)愈加明顯;剪切歷史對(duì)體系黏度基本上沒(méi)有影響;剪切速率一定，70℃時(shí)體系黏度最大，其次為30℃，然后是90℃。90℃、170s－1時(shí)，體系黏度約為200 mPa·s，能夠滿足自轉(zhuǎn)向酸化的需要。結(jié)合圖1、2及圖6可知:pH值和Ca2+濃度對(duì)于體系黏度的升高具有協(xié)同效應(yīng)。

圖6 不同溫度下剪切作用對(duì)6%SDVA酸液體系黏度的影響

2.3.3 酸液添加劑的影響

圖7為添加劑對(duì)殘酸黏度的關(guān)系曲線圖?？梢钥闯?，室內(nèi)170 s－1條件下，黏土穩(wěn)定劑使體系黏度微增;鐵離子穩(wěn)定劑(檸檬酸)使體系黏度微降;互溶劑則使體系黏度降得很低。當(dāng)存在多種添加劑時(shí)，添加劑對(duì)體系黏度的影響要根據(jù)各種添加劑的綜合作用而定。

圖7 添加劑對(duì)殘酸黏度的影響

3 自轉(zhuǎn)向酸破膠性能評(píng)價(jià)

為防止酸化施工傷害地層，施工結(jié)束后應(yīng)盡快將殘酸排出。配制殘酸體系:0.01%HCl+22% CaCl2+6%VES，測(cè)得體系黏度為350 mPa·s。分別用煤油、鹽水模擬地層烴類(lèi)和地層水，考察兩者的破膠能力。在體系中加入破膠流體，充分?jǐn)嚢?0 min后靜置20 min，然后在170 s－1條件下測(cè)其黏度。表1為自轉(zhuǎn)向酸破膠實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由表1可知，煤油濃度為5%時(shí)可使體系黏度降為2.27 mPa·s; 5%煤油+5%鹽水可使體系黏度降至1.03 mPa·s;只考慮鹽水時(shí)，鹽水體積為酸液體積4倍以上時(shí)才有較好的破膠效果，400%鹽水和900%鹽水分別可使體系黏度降為1.22、1.12 mPa·s。分析認(rèn)為:煤油等烴類(lèi)物質(zhì)可增溶進(jìn)甜菜堿膠束的疏水內(nèi)核中，使膠束結(jié)構(gòu)膨脹進(jìn)而分解為球形膠束結(jié)構(gòu)，從而使體系破膠;大量的地層水則通過(guò)稀釋作用使體系破膠。

表1 自轉(zhuǎn)向酸破膠實(shí)驗(yàn)

4 自轉(zhuǎn)向酸分流轉(zhuǎn)向性能評(píng)價(jià)

關(guān)于自轉(zhuǎn)向酸分流轉(zhuǎn)向性能的評(píng)價(jià)方法有很多，至今沒(méi)有統(tǒng)一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。目前，大多將其分流能力視為與原始滲透率有關(guān)，并引入無(wú)因次壓力倍數(shù)來(lái)衡量其轉(zhuǎn)向分流能力。選取3組滲透率級(jí)差相近的灰?guī)r巖心，基本參數(shù)見(jiàn)表2。以常規(guī)酸化作為參照，進(jìn)行2組重復(fù)性自轉(zhuǎn)向酸化實(shí)驗(yàn)，測(cè)量實(shí)驗(yàn)前后巖心滲透率，并記錄注酸壓力。實(shí)驗(yàn)所用自轉(zhuǎn)向酸配方為20%HCl+6%SDVA+0.3%緩蝕劑。

4.1 滲透率分析

由表2可知，常規(guī)酸化和自轉(zhuǎn)向酸化處理后，酸液均在滲透率最大的巖心中突破;對(duì)滲透率相對(duì)低的巖心，常規(guī)酸酸化后滲透率只提高18%，而自轉(zhuǎn)向酸酸化后滲透率提高80% ～93%，平均提高86.5%，自轉(zhuǎn)向酸酸化提高率是常規(guī)酸酸化的4.44～5.12倍，平均為4.8倍。對(duì)滲透率中等的巖心，常規(guī)酸酸化后滲透率提高43%，而自轉(zhuǎn)向酸酸化后滲透率提高 108% ～118%，平均提高113%，自轉(zhuǎn)向酸酸化提高率是常規(guī)酸酸化的2.74～2.51倍，平均為2.62倍。可見(jiàn)，自轉(zhuǎn)向酸對(duì)中低滲透率巖心的改造效果明顯好于常規(guī)酸，說(shuō)明自轉(zhuǎn)向酸的自轉(zhuǎn)向效果較好，能顯著改善地層的非均質(zhì)狀況。

表2 實(shí)驗(yàn)巖心數(shù)據(jù)

4.2 無(wú)因次壓力倍數(shù)

采用無(wú)因次壓力倍數(shù)來(lái)描述自轉(zhuǎn)向酸的壓力響應(yīng)，將其視為自轉(zhuǎn)向酸轉(zhuǎn)向分流能力的標(biāo)準(zhǔn)。表3為注酸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)?？梢钥闯觯猿Ｒ?guī)酸的注酸壓力作為標(biāo)準(zhǔn)，自轉(zhuǎn)向酸的無(wú)因次壓力倍數(shù)約為常規(guī)酸的20倍;在孔隙總體積比常規(guī)酸所處理巖心孔隙總體積略低的情況下，自轉(zhuǎn)向酸化實(shí)驗(yàn)用酸量為常規(guī)酸化實(shí)驗(yàn)的1.5～1.7倍，自轉(zhuǎn)向酸液更多地進(jìn)入低滲透巖心處理。上述結(jié)果均可充分說(shuō)明自轉(zhuǎn)向酸在處理非均質(zhì)地層時(shí)具有良好的轉(zhuǎn)向分流能力。

表3 注酸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

(1)pH值和Ca2+均可使體系黏度增大，并且兩者具有協(xié)同效應(yīng)。在pH值為2、Ca2+濃度為20%，油酸酰胺丙基甜菜堿水溶液的黏度達(dá)最大。

(2)鮮酸、殘酸體系黏度均隨甜菜堿濃度增大而增大，隨剪切速率增大而減小，剪切順序?qū)w系黏度基本上沒(méi)有影響;pH值為2時(shí)，體系黏度最大，約為350 mPa·s。

(3)5%煤油、400%鹽水分別能夠使350 mPa·s的體系黏度降為2.27、1.22 mPa·s;烴類(lèi)的增溶作用及地層水的稀釋作用均可使體系破膠，并且二者具有協(xié)同作用。

(4)通過(guò)滲透率分析和無(wú)因次注入壓力倍數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，自轉(zhuǎn)向酸對(duì)中低滲透率巖心具有良好的改造效果，可滿足碳酸鹽巖地層轉(zhuǎn)向酸化的需要。

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編輯 王 昱

TE357.2

A

1006－6535(2012)05－0120－04

10.3969/j.issn.1006－6535.2012.05.030

20111213;改回日期:20120525

國(guó)家重大專(zhuān)項(xiàng)“大型油氣田及煤層氣開(kāi)發(fā)”部分內(nèi)容(2011ZX05051)

曲占慶(1963－)，男，教授，博士，2006年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(華東)油氣田開(kāi)發(fā)工程專(zhuān)業(yè)專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)從事采油工程領(lǐng)域相關(guān)研究工作。