碳酸盐岩酸液注入段塞组合方式及其协同效应

崔 波 冯浦涌 荣新明 姚二冬 周福建 张 强

（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）

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［1⁃4］。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［5⁃6］；
交联酸利用高黏度降低氢离子向岩石壁面的传递速度［7⁃9］；
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。

1.1 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。

表1 酸液体系配方Table 1 Formula of acid system

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限公司，型号为SH⁃6，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

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δ，δ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

式中：δ——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。

2.1 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，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［11⁃12］。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［13⁃16］。

图2 3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 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

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1.0~2.0 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。

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

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：

表3 酸液段塞组合方案Table 3 Acid slug combinations

（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。

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 injection

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。

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

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，并将这些孔隙连通。

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。

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

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。

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

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。

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 chelated acid+emulsified acid slug combination injection

表6 螯合酸+乳化酸段塞组合的注入实验数据Table 6 Experiment data of chelated acid+emulsified acid slug combination injection

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 缓速酸体系协同效应Table 7 Synergistic effect of retarded acid system

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。

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 injection

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。

（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提供理论依据。

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