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碳酸盐岩酸液注入段塞组合方式及其协同效应_崔波.pdf

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资源描述

1、大庆石油地质与开发 Petroleum Geology Oilfield Development in Daqing2023 年 2 月 第 42 卷第 1 期Feb.,2023Vol.42 No.1DOI:10.19597/J.ISSN.1000-3754.202112002碳酸盐岩酸液注入段塞组合方式及其协同效应崔波1 冯浦涌1 荣新明1 姚二冬2 周福建2 张强1(1.中海油田服务股份有限公司油田生产事业部,天津300450;2.中国石油大学(北京)非常规油气科学技术研究院,北京102249)摘要:伊拉克S油田主力开发层系为中高孔、中低渗的孔隙裂缝型碳酸盐岩油藏,酸化是该油田增产改造的主

2、要技术手段。碳酸盐岩酸岩反应速度快,为实现深部处理,酸液体系均以缓速酸为主。该油田目前使用了多种缓速酸,为了进一步降本增效,需要探索各种缓速酸最佳的段塞组合方式及其协同效应。因此选用3种缓速酸(乳化酸,交联酸,螯合酸),使用岩心流动仪和CT扫描仪,研究了单一缓速酸及其两两组合时的酸蚀蚓孔形态及变化规律,定义了一种碳酸盐岩酸液段塞组合选择方法,探索了不同酸液之间协同增效作用。实验结果表明:不同缓速酸段塞组合均具有一定的协同增效作用,主控因素为酸液类型,其中乳化酸和交联酸协同增效作用最强,协同效应达49.69%,可节省近一半的酸液用量,降本效果显著。实验结果可为酸液体系的选择及酸化工艺参数的优化提

3、供理论依据。关键词:碳酸盐岩;段塞注入;协同效应;乳化酸;交联酸;螯合酸中图分类号:TE357.1 文献标识码:A 文章编号:1000-3754(2023)01-0100-08Combination mode and its synergistic effect of acid slug injection into carbonate rockCUI Bo1,FENG Puyong1,RONG Xinming1,YAO Erdong2,ZHOU Fujian2,ZHANG Qiang1(1.COSL Production Optimization Department,CNOOC,Tianj

4、in 300450,China;2.Institute of Unconventional Oil and Gas Science and Technology,China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249,China)Abstract:The main development strata series of S Oilfield in Iraq is porous-fractured carbonate rock reservoir with middle-high porosity and low-middle permeab

5、ility.In order to realize deep penetration,the main acid system of carbonate rocks is retarded acid.In order to reduce cost and increase efficiency,it is necessary to explore the optimal slug combination mode and its synergistic effect of various retarded acid systems.3 kinds of retarded acid system

6、(emulsified acid,cross-linking acid and chelated acid)are selected,core flow meter and CT scanner are used to study wormhole form and change law of single retarded acid system and pairwise combination of retarded acid.A carbonate acid slug combination selection method is defined,and the synergistic

7、effect of different kinds of retarded acid is analyzed.The experiment shows that all of the retarding acid slug combinations have synergistic effect,and retarded acid type is the main control factor.Emulsifying acid and cross-linking acid have the strongest synergistic effect,reaching 49.69%,which c

8、an save nearly half of acid volume and reduce cost significantly.The experimental results provide theoretical basis for selection of acid system and optimization of acidizing operation parameters.Key words:carbonate rock;slug injection;synergistic effect;emulsified acid;cross-linked acid;chelated ac

9、id收稿日期:2021-12-01 改回日期:2022-12-01基金项目:国家科技重大专项“中亚和中东地区复杂碳酸盐岩油气藏采油采气关键技术研究与应用”(2017ZX05030005);国家科技重大专项“超深裂缝性气藏井筒失稳机理及转向工艺优化研究”(2016ZX05051003)。第一作者:崔波,男,1986年生,硕士,高级工程师,从事储层改造技术研究。E-mail:第 42 卷 第 1 期崔波 等:碳酸盐岩酸液注入段塞组合方式及其协同效应0引言伊拉克S油田碳酸盐岩储层温度高,酸岩反应速度快,且储层孔隙、裂缝发育,酸液作用距离有限。为获得理想的增产效果,必须实现储层深部改造。近年来,国内外

10、逐步开发了以控滤失、延缓酸岩反应速度为目标,实现碳酸盐岩深部酸化处理的各种缓速酸体系14。其中,乳化酸、交联酸和螯合酸体系缓速性能较为优异。乳化酸体系将盐酸乳化在油相中,形成物理隔离界面,以降低酸扩散到碳酸盐岩表面的速度56;交联酸利用高黏度降低氢离子向岩石壁面的传递速度79;螯合酸中的螯合剂具有通过较慢的络合作用将金属离子包裹在一个或多个环状配体中,从而溶解碳酸盐岩中的钙镁离子,反应速度极慢10。酸化改造的关键在于酸处理后在储层岩石中形成酸蚀蚓孔,有效沟通井筒,提高储层渗透性。因此,酸液体系的选择对酸化效果至关重要。现有技术主要针对单一酸液体系在最优注入速度、最优酸量等方面开展实验来评价酸液

11、体系性能,对不同类型酸液段塞组合的研究尚未见相关文献报道。本文采用伊拉克S油田储层模拟岩心,通过岩心流动仪和 CT 扫描仪对单一缓速酸体系及其两两段塞组合时形成的酸蚀蚓孔形态及变化规律进行了研究,探索最佳的段塞组合方式及其协同效应,对酸液体系的选择及酸化工艺参数的优化具有重要意义。1实验设计1.1实验试剂交联酸、乳化酸和螯合酸,工业品,中海油田服务股份有限公司,酸液体系配方见表 1;甲醇,分析纯,天津化学试剂供销公司;石油醚,分析纯,天津市百世化工有限公司。1.2实验岩心伊拉克S油田模拟岩心,成分为碳酸钙,直径为2.5 cm,长度为6 cm。1.3仪器设备岩心酸化流动实验仪,江苏拓创科研仪器有

12、限公司,型号为 SH6,如图 1 所示;微米 CT 扫描仪,卡尔蔡司(上海)管理有限公司,型号为ZEISSVersaXRM500。1.4实验方法本文定义了一种碳酸盐岩用酸液段塞组合优选实验方法,包括以下步骤:(1)确定酸液段塞组合中使用的酸液体系,分别对不同的酸液体系进行岩心流动实验,确定不同注酸速率下各酸液体系的突破体积(实验温度95);酸液突破注入量表征意义为注入酸液的体积与实验岩心孔隙体积之比,其确定方法:当酸液滤液流出岩心流动仪,且岩心流动仪入口端和出口段压差为 0 MPa 时,记录此时使用的酸液体积VAcid,然后计算得到酸液突破注入量 Qibt,计算公式为Qibt=VAcidVP(

13、1)式中:Qibt酸液突破注入量,PV;VAcid酸液体积,mL;VP岩心孔隙体积,cm3。(2)对酸蚀后岩心的蚓孔进行量化表征,选择突破注入量最小的注入速度为对应酸液体系的最佳注入速度,对应的突破注入量为最优突破注入量,如酸液A的最小突破注入量记为QibtA,酸液B的最小突破注入量记为QibtB。(3)对不同的酸液体系进行段塞组合,第1段表1酸液体系配方Table 1 Formula of acid system酸液体系交联酸乳化酸螯合酸配方(按质量分数划分)15%HCl+1%稠化剂+2%缓蚀剂+1%铁稳剂+1%高温稳定剂+1%交联剂油相酸相=37油相:93%柴油+7%乳化剂酸相:21.43

14、%盐酸+2%缓蚀剂+1%铁稳剂15%螯合酸基液+1%缓蚀剂+1%黏稳剂+1%助排剂+1%破乳剂图1岩心流动实验装置Fig.1 Core flow experiment equipment1012023 年大庆石油地质与开发塞选取 A酸液体系,第 2段塞选取 B酸液体系;根据每一种酸液体系在步骤(2)中确定的最佳注入速度,计算 2 种酸液体系的最佳注入速度平均值,以平均最优注入速度,注入 A 酸液体系的最优突破注入量的一半,记录酸液A的注入量QibtA,用煤油进行顶替,然后对酸蚀后的岩心的蚓孔进行量化表征(CT扫描);再以平均最优注入速度注入 B酸液体系,记录此时酸液B的突破注入量QibtB,之

15、后对酸蚀后的岩心的蚓孔再进行量化表征。(4)计算不同酸液体系段塞组合的协同效应,值越大,酸液的协同效应越好,节省酸液体积越多,酸液成本越低。其计算公式为=()QibtA+QibtB2-()QibtA+QibtB()QibtA+QibtB2 100%(2)式中:协同效应;QibtA酸液 A 的最小突破注入量,PV;QibtB酸液 B 的最小突破注入量,PV;QibtA段塞组合时酸液 A 的注入量,PV;QibtB段塞组合时酸液B的注入量,PV。2实验结果2.1缓速酸体系岩心流动实验对交联酸、乳化酸和螯合酸体系进行酸液岩心流动实验,确定最优注入速度,实验结果及参数见图 2 和表 2。实验结果表明,

16、3 种缓速酸体系的最佳注入速度均集中在1.0 mL/min左右。当注入速度小于最佳注入速度时,易形成面溶蚀或锥形溶蚀;注入速度为最佳注入速度时,易形成主蚓孔;注入速度大于最佳注入速度时,易形成分枝型蚓孔1112。主蚓孔溶蚀对应酸化效率最高,此时用最少的酸液便可以形成有效穿透伤害带的流动通道,达到增产最大化的目的1316。图 3 为交联酸岩心流动实验后岩心 CT 扫描照片。交联酸在 0.25 mL/min 时未能形成蚓孔,其他3组均形成贯穿蚓孔。随着注入速度的增大,酸液突破所需注入量降低,在 1.0 mL/min 达到最小值,为 5.27 PV,之后酸液突破注入量增大。交联酸在注入速率较低时,入

17、口端的岩心面大量溶蚀,这种溶蚀消耗了大量酸,对岩心整体渗透率改善有限,而在 1.02.0 mL/min 注入速度下,岩心中形成主蚓孔,导流提升效果较为理想。图 4 为乳化酸岩心流动实验后岩心 CT 扫描照片。乳化酸注入速度分别为 0.25、0.5、1.0 和2.0 mL/min,实验均形成贯穿蚓孔。随着注入速度增大,酸液突破所需注入量降低,在注入速度为1.0 mL/min 时达到最小值,为 2.68 PV,之后酸液图23种酸液在不同注入速度下的酸液突破注入量Fig.2 Acid breakthrough volume of 3 kinds of acid system at different

18、 injection rates表2岩心参数及缓速酸体系注入参数Table 2 Core parameters and injection parameters of retarded acid system缓速酸类型交联酸乳化酸螯合酸岩心编号123456789101112直径/cm2.5322.5312.5182.5192.5322.5322.5212.5222.5182.5362.5342.532长度/cm5.5085.8425.8595.8055.4085.6675.5816.0715.7926.4215.8695.892渗透率/(10-3 m2)3.222.962.882.503.25

19、3.703.493.0210.807.355.994.43孔隙体积/cm33.9723.8283.8473.7743.8483.4343.8234.4544.3364.5524.0894.051孔隙度/%14.3414.2613.1913.0514.1312.0513.4014.6515.0314.0313.8213.66注入速度/(mLmin-1)0.250.501.002.000.250.501.002.000.501.002.003.00突破注入量/PV5.625.276.645.404.002.688.2812.588.4014.7332.00102第 42 卷 第 1 期崔波 等:碳

20、酸盐岩酸液注入段塞组合方式及其协同效应突破注入量增大。当注入速度为1.0 mL/min时,形成的主蚓孔最好。图 5 为螯合酸岩心流动实验后岩心 CT 扫描照片。螯合酸是通过较为缓慢的络合作用溶蚀,孔隙溶蚀较慢,均匀溶蚀能力较强,倾向于扩大基质孔道,提高基质渗透率,形成突破主蚓孔的速度较慢。从实验可以发现螯合酸最佳的注入速度为1.0 mL/min,突破注入量高达8.40 PV。此外,螯合酸在低注入速度下,流体与岩心的接触时间增加,没有出现表面溶解。在相同注入速度下,螯合酸由于螯合反应最慢,形成蚓孔需要的酸液体积远大于交联酸和乳化酸。2.2缓速酸体系段塞组合优化实验结合3种缓速酸液体系形成蚓孔所需

21、的酸液注入量和突破速度,设计 3 种酸液的段塞组合(表3),段塞组合原则为:(1)酸岩反应速度慢的酸液放置在段塞组合的第1段,这样设置有利于酸液段塞组合的深穿透;(2)3种酸液体系最优注入速度为1.0 mL/min,因此段塞注入速度也设置为1.0 mL/min;(3)每个段塞注入体积设置为最优突破注入量的一半,为了方便计量进行取整,其中乳化酸体系最佳注入速度下的突破注入量为2.68 PV(表2中7号岩心),螯合酸体系最佳注入速度下的突破注入量为 8.4 PV(表 2 中 10 号岩心),因此这 2 种体系中酸液A的注入量设置为1 PV和4 PV。2.2.1乳化酸+交联酸按照上述段塞组合实验设计

22、思路,在乳化酸和交联酸段塞组合中,乳化酸注入量为 1 PV,然后测试注入交联酸直至突破时的注入量。乳化酸和交联酸段塞组合的注入实验参数见表 4,岩心 CT 扫描图像见图6。从图6可以看出,乳化酸注入后岩心没有形成贯穿的蚓孔,岩心中有酸液溶解方解石时形成的孔洞;当交联酸注入后,形成贯穿的蚓孔,且蚓孔存在大量分支,无主蚓孔特征,贯穿后用酸总量为2 PV,远小于乳化酸最小突破注入量 2.68 PV 和交联酸最小突破注入量 5.27 PV 之和的一半,其理论值为3.98 PV。说明乳化酸注入段塞后,岩心渗透性已经能得到较大程度改善,交联酸溶蚀可形成更多基质大孔道,能穿过乳化酸创造的蚓孔或者孔洞,并将这

23、些孔隙连通。图3交联酸岩心流动实验后岩心CT扫描照片Fig.3 CT scan after core flow experiment with cross-linked acid图4乳化酸岩心流动实验后岩心CT扫描照片Fig.4 CT scan after core flow experiment with emulsified acid图5螯合酸岩心流动实验后岩心CT扫描照片Fig.5 CT scan after core flow experiment with chelated acid表3酸液段塞组合方案Table 3 Acid slug combinations组合方式乳化酸+交联酸

24、螯合酸+交联酸螯合酸+乳化酸酸液A乳化酸螯合酸螯合酸酸液B交联酸交联酸乳化酸酸液A注入量/PV1.004.004.001032023 年大庆石油地质与开发2.2.2螯合酸+交联酸在螯合酸和交联酸段塞组合中,螯合酸注入量为 4 PV,然后注入交联酸直至突破,记录交联酸突破时的注入量。螯合酸和交联酸段塞组合注入实验参数见表 5,岩心 CT 扫描图像见图 7。3 组实验中交联酸突破注入量均在 2 PV 左右,总注酸量为6 PV 左右,均形成了较好形态的蚓孔。而单一螯合酸和交联酸的最小突破注入量分别为 8.40 PV 和5.27 PV,其平均值为 6.84 PV,说明这 2 种酸液间也存在协同作用。在

25、螯合酸注入阶段岩心没有形成贯穿的蚓孔,仅形成非连续的孔洞;交联酸注入直至突破阶段,岩心形成少量分支蚓孔、细小的主蚓孔。从图7可以看出,随着岩心渗透率的增加,蚓孔长度和直径都有增大的趋势,在岩心中形成带有分支蚓孔的大直径贯穿蚓孔。2.2.3螯合酸+乳化酸在螯合酸和乳化酸段塞组合中,螯合酸注入量为 4 PV,然后注入乳化酸直到突破,记录注入乳化酸突破时的注入量。螯合酸+乳化酸段塞组合注入实验参数见表 6,岩心 CT 扫描图像见图 8。3 组实验中乳化酸段塞突破注入量在 1 PV 左右,总突破注入量约为 5 PV。而单一螯合酸和交联酸的最小突破注入量积分别为8.40 PV和2.68 PV,其平均(号

26、岩心乳化酸段塞后a 13)()b 13岩心交联酸段塞后号(号岩心乳化酸段塞后c 14)()d 14岩心交联酸段塞后号(号岩心乳化酸段塞后e 15)()岩心交联酸段塞后f5号1图6乳化酸+交联酸段塞组合注入岩心CT扫描照片Fig.6 CT scan of cores with emulsified acid+cross-linked acid slug combination injection表4乳化酸+交联酸段塞组合的注入实验数据Table 4 Experiment data of emulsified acid+cross-linked acid slug combination inje

27、ction岩心编号131415直径/cm2.5282.5162.535长度/cm12.06211.51911.864孔隙体积/cm38.6238.4158.193孔隙度/%14.2114.6913.68渗透率/(10-3 m2)0.8910.932.39乳化酸注入量/PV1.001.001.00交联酸注入量/PV1.001.001.00表5螯合酸+交联酸段塞组合的注入实验数据Table 5 Experiment data of chelated acid+cross-linked acid slug combination injection岩心编号161718直径/cm2.5292.5122

28、.531长度/cm6.3645.5135.604孔隙体积/cm34.6024.0114.452孔隙度/%14.3914.6915.78渗透率/(10-3 m2)3.669.283.52螯合酸注入量/PV4.004.004.00交联酸注入量/PV2.101.802.00104第 42 卷 第 1 期崔波 等:碳酸盐岩酸液注入段塞组合方式及其协同效应图7螯合酸+交联酸段塞组合注入岩心CT扫描照片Fig.7 CT scan of cores with chelated acid+cross-linked acid slug combination injection表6螯合酸+乳化酸段塞组合的注入实

29、验数据Table 6 Experiment data of chelated acid+emulsified acid slug combination injection岩心编号192021直径/cm2.5582.5292.511长度/cm5.5755.6526.042孔隙体积/cm36.0714.0324.231孔隙度/%21.2013.7814.15渗透率/(10-3 m2)0.563.488.43螯合酸注入量/PV4.004.004.00乳化酸注入量/PV1.001.001.00图8螯合酸+乳化酸段塞组合注入岩心CT扫描照片Fig.8 CT scan of cores with che

30、lated acid+emulsified acid slug combination injection1052023 年大庆石油地质与开发值为5.54 PV,协同作用弱于前两种酸液段塞组合。在螯合酸注入阶段岩心中没有贯穿的蚓孔,仅形成非连续溶蚀孔;当注入乳化酸至突破阶段岩心形成了贯穿岩心的主蚓孔。从图8可以看出,随着岩心渗透率的增加,溶解的孔洞增多,岩心中的蚓孔分支也较多。螯合酸注入后岩心渗透率同样得到很大程度改善,乳化酸注入过程中压差小,所需突破体积小,蚓孔形态好。相比单独用螯合酸或者乳化酸,每种酸的用量小于每种酸最小突破注入量的一半。2.3段塞组合协同效应以 单 一 缓 速 酸 液 体

31、 系 在 最 优 注 入 速 度(1.0 mL/min)下的突破体积为基础,计算出段塞组合的2种酸液的平均酸液突破注入量,与段塞组合实际酸液突破注入量进行对比,计算缓速酸体系协同效应,结果见表7。表 7 数据显示,交联酸+乳化酸段塞组合实际酸液突破注入量最少,为 2 PV,协同效应最高可达 49.69%,即可节约一半的总体酸液用量,降本增效显著。这与乳化酸黏度低、迅速突破溶蚀,易于孔隙喉道快速连通,交联酸黏度高,易于局部溶蚀,扩大孔隙喉道的溶蚀机制相符合。其他2种段塞组合也具有一定的正协同作用,能够发挥2种酸液各自的优势,其中酸液体系是协同效应的主控因素。乳化酸+交联酸段塞组合注入过程中压差变

32、化曲线见图 9,曲线分 4 个阶段:煤油驱替(4 PV)、乳化酸段塞(1 PV)、煤油驱替(4 PV)、交联酸段塞(1 PV)。乳化酸注入岩心后,酸液溶蚀使岩心驱替压差明显降低,岩心渗透率大幅增加,渗透率越低的岩心驱替压差降低幅度越大。交联酸段塞后,酸液溶蚀使岩心驱替压差降为 0 MPa,形成贯穿岩心的主蚓孔。不同缓速酸体系通过段塞组合,在减少酸液用量的情况下,同样可以形成酸蚀主蚓孔,突破岩心,实现储层改造的目的。3结论(1)交联酸、乳化酸和螯合酸均能产生有效蚓孔,且存在最佳注入速度,约为 1.0 mL/min。在最佳注入速度下,3 种缓速酸岩心流动后 CT 扫描显示:乳化酸可实现岩心的有效溶

33、蚀、孔隙喉道快速连通,酸液突破注入量最小;交联酸酸液滤失低,易形成主蚓孔,酸液突破注入量居中;螯合酸通过络合作用溶蚀,孔隙均匀溶蚀能力较强,倾向于扩大基质孔道,提高基质渗透率,难以形成突破主蚓孔,酸液突破注入量最大。(2)通过定义的碳酸盐岩酸液段塞组合选择方法,定量探索了不同酸液之间协同增效作用。实验结果表明不同缓速酸段塞组合均具有一定的协同作用,其中乳化酸和交联酸协同作用最强,协同效应达 49.69%,螯合酸和交联酸协同作用次之,螯合酸和乳化酸协同作用较低。(3)通过对不同缓速酸体系岩心最佳注入速度、段塞组合方式及其协同效应的研究,可实现降低酸液成本的目的,为酸液体系的选择及优化酸化工艺参数

34、提供理论依据。参考文献:1 陈赓良,黄瑛.酸化工作液缓速作用的理论与实践J.钻井液与完井液,2004,21(1):50-54.CHEN Gengliang,HUANG Ying.Retarded acting theory of acidizing fluid and its application J.Drilling Fluid&Completion Fluid,2004,21(1):50-54.2 姚远,袁志华.适用于高温碳酸盐岩储层稠化缓速酸液体系研究J.能源化工,2018,39(2):50-54.YAO Yuan,YUAN Zhihua.Study on the slow acid

35、solution sys表7缓速酸体系协同效应Table 7 Synergistic effect of retarded acid system组合类型乳化酸+交联酸螯合酸+交联酸螯合酸+乳化酸单一酸平均突破注入量/PV3.986.845.54实际酸液突破注入量/PV2.05.85.0协同效应/%49.6915.149.75图9乳化酸+交联酸段塞组合注入过程中压差变化Fig.9 Pressure difference change of emulsified acid+crosslinked acid slug combination injection106第 42 卷 第 1 期崔波 等

36、:碳酸盐岩酸液注入段塞组合方式及其协同效应tem for thickening of high temperature carbonate reservoir J.Energy Chemical Industry,2018,39(2):50-54.3 李子甲,吴霞,黄文强,等.深层碳酸盐岩储层有机酸深穿透 酸 压 工 艺 J.科 学 技 术 与 工 程,2020,20(20):8146-8151.LI Zijia,WU Xia,HUANG Wenqiang,et al.Long penetration organic acid fracturing technique in deep carb

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