基质酸化发展现状 损害类型
成功的基质酸化取决于[3]:损害类型的确定;对地层自身特征的了解;酸液和添加剂的选择;合理的酸化施工方案。在确定损害原因之前,不要向地层中注入任何溶剂和酸液,以免引起更大的损害。油井损害主要产生在钻井、固井、射孔、砾石充填、生产、酸化、修井等施工中[2]。
1.1钻井
钻井液可能会侵入地层裂隙和天然裂缝。在高渗地层,还可能侵入较大的深度。由于粘土膨胀和运移,钻井液滤饼会损害某些砂岩地层。如果地层水中含有大量的二价碳酸根离子,那么高钙钻井液会引起近井眼地带的碳酸钙沉淀。
2.1固井
固井液中的氢氧化钙和硅酸钙都可能产生沉淀,从而引起地层损害。 3.1射孔
正压射孔会压实地层碎屑和减小岩石孔隙,射孔碎屑以及射孔液都会对地层产生损害。 4.1砾石充填
砾石充填引起的损害是由于注入高密度的稠化/砾石滤液,将这种液体泵入不洁净的井眼会将油管涂料和岩屑以及其它的污染物挤入射孔中,从而引起地层损害。在注入充填液之前对射孔孔眼进行冲洗会冲刷地层粘土,从而引起地层损害。特别易于发生在砂岩和粘土互层的地层中。
5.1生产
生产中的损害主要是由于岩石颗粒运移和套管泄漏,或者发生射孔段坍塌。颗粒运移可能会堵塞大的孔隙。当套管发生泄漏时,不相容的地层水和钻井液沉淀等污染物可能会进入射孔段。
6.1酸化损害
如果进行笼统注酸,那么油管涂料或其它的铁垢会随酸进入地层,首先进入地层的酸主要与铁氧化物进行反应,生成的铁沉淀物会对地层产生损害。
7.1修井
修井液体中的固体悬浮物将会堵塞大的孔隙;一些生产盐水中含有缓蚀剂和破乳剂使地层由亲水变为亲油,对生产不利;泵入冷的流体会使石蜡和沥青沉淀在某些产层;对地面管线进行的工作也可能会使铁垢和石蜡进入油管造成地层损害。
地层性质
地层分析的一个最重要的目的是控制和阻止地层中反应产物的沉淀。在分析潜在地层损害时,地层的特点是很重要的,主要包括以下几个方面。
1.1地层的机械性能、应力大小及方向和孔隙压力上述几种地层性质均与井壁稳定性有关。在钻井、完井过程中需要保持井眼稳定并进行井控,尤其是大位移井和水平井。当井眼
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中的流体压力超过平衡压力可能会使流体侵入和损害地层。
2.1原生、次生孔隙度和孔隙尺寸
它们的分布影响损害侵入的深度和范围大小以及存在于钻井液和完井液中的降滤剂的性质。次生孔隙如天然裂缝还能使钻井液和完井液完全侵入其中,因此需要加入不同的降滤剂来减少滤失。
3.1渗透率
目前实验室的工作主要是对典型的地层样品进行分析,选择对地层损害最小且最容易清除并可产生滤饼的流体。
4.1地层流体及温度
地层中的原生水可能会与钻井液发生反应并生成沉淀。有些原油与钻井液和完井液有乳化的趋势,石蜡和沥青可能从这些流体中析出。地层温度能影响不同的酸与地层矿物的反应速度。
5.1地层矿物
地层矿物对由钻井液、完井液、修井液而引起的损害的程度有明显的影响,也是基质酸化成功与否的一个重要因素。
5.1.1 碳酸盐岩
碳酸盐岩油气藏主要由石灰岩和白云岩组成,部分碳酸盐岩油气藏可能含有硅酸盐和粘土,但它们通常是胶结在碳酸盐岩中的,一般的油井作业不会对地层产生损害,仅在进行酸化施工时,这些物质才会释放出来造成损害。碳酸盐岩中损害主要是钻井液、完井液、修井液中的颗粒侵入到基质和天然裂缝中引起。损害改变了地层的润湿性、流体的饱和度以及产生粘滞效应。
5.1.2 砂岩
当砂岩中存在硅酸盐和硅铝酸盐颗粒时,易水化膨胀和分散运移。因此砂岩比碳酸盐岩更容易遭到损害。
存在于沉积岩中的粘土主要有伊利石、蒙脱石、绿泥石、高岭石和混合粘土层。硅铝酸盐具有阳离子交换能力,会引起粘土运移。在分析地层损害及其解除时,要考虑到每一种普通的粘土矿物,不同粘土有不同的损害机理。
蒙脱石和混合粘土层可在大约65e与盐酸反应。绿泥石是典型的含铁粘土矿物。当与盐酸接触时,铁就会释放出来,使得粘土矿物的结构遭到破坏留下非晶状沉淀物。当pH值上升到一定程度时,会产生铁沉淀物。绿泥石在大约52e时与盐酸反应。此外,在温度为82e、浓度为011的甲酸中,绿泥石大约有一半可发生反应,而在相同的温度下与乙酸不反应。伊利石中含有钾,用HF酸处理会产生沉淀。伊利石在大约为65e时与盐酸反应。此外,由于伊利石常常以针状结构出现,所以可能会运移到砂岩堵塞孔隙。从运移的观点来看,高岭石是最稳定的,仅仅在较高温度(>93e)的盐酸中才变得不稳定。沸石是次生矿物,是钙,钠,钾的水合硅酸盐。它的显著特点是温度高于24e就与HCl反应。
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砂岩中的长石主要为正长石和斜长石。当用HF进行酸化时,其中的钾、钠、钙离子发生反应生成沉淀。
酸液和添加剂 11目前所用酸液类型
无机酸:HCl、土酸(HCl/HF混合物)、磷酸、氟硼酸、硝酸、固体酸等;
有机酸:甲酸、乙酸、砂岩酸;无机酸和有机酸的混合物:乙酸和盐酸的混合物、甲酸和盐酸的混合物;
缓速酸:稠化酸、乳化酸、胶化酸、泡沫酸等;
其它类型的酸:柠檬酸、氨基磺酸、氯乙酸、乙二胺四乙酸钠(EDTA),氮川三乙酸(NTA)、苯甲酸。
它们主要用于特殊目的,例如:控制pH值、络合铁离子、暂堵分流等。
HCl不能溶解管道涂料、石蜡和沥青。需用有机溶剂(通常为芳香族溶剂:甲苯和二甲苯)来解除。醋酸可以有效地溶解碳酸钙垢,但是,它不能溶解三价铁离子。HCl可以溶解碳酸盐岩但是对于硫酸钙影响微弱。通过氢氧化钾和碳酸钠进行处理,硫酸钙能转变为碳酸钙或氢氧化钙,HCl可以溶解转变后的碳酸钙垢。硫酸钙也能被乙二胺四乙酸的钠盐溶解。HCl不能溶解粘土矿物和钻井液,溶解硅铝酸盐必须用HF酸溶解。
2.1添加剂类型
缓蚀剂、表面活性剂、酒精、减阻剂、稳定剂、暂堵剂、缓速剂、防垢剂、悬浮剂、互溶剂、增粘剂、破乳剂、杀菌剂等。
2.1.1 缓蚀剂
典型的强阳离子物质,对金属表面有很强大亲和力。当泵入酸时,缓蚀剂可粘附在油管内表面形成一层薄的保护膜。但它们不能完全阻止酸对金属的腐蚀,只是降低了腐蚀的速度,使得酸泵入地层而不损害金属的完整性和使用寿命。由于缓蚀剂有很强的阳离子电荷,使用不当会使油藏的润湿性改变,从而产生新的损害。所以在提供足够的缓蚀性能条件下不要过多使用。砂岩酸化时,应当避免用含有缓蚀剂的酸液进行重复酸化。
2.1.2 表面活性剂
表面活性剂的作用是破乳、分流、防止泥状沉淀物、深穿透和降低表面张力。基质酸化应考虑不同物质之间的相溶性,尤其
是缓蚀剂和表面活性剂之间的相容性。许多地层本身含有菱铁矿,赤铁矿以及其它的富铁矿物。整个酸化期间,铁以两种形式出现:二价铁离子(在pH约为510时开始沉淀)和三价铁离子(pH约为215时开始沉淀,到pH为315时全部沉淀出来)。铁离子沉淀物会产生地层损害、干扰缓蚀剂和其它的添加剂。因此需要加入铁离子稳定剂以减少或避免沉淀。
2.1.4 暂堵剂(分流剂,或转向剂)
在酸液中加入适当的暂堵剂,暂时封堵已酸化层(或高渗透层),使后续的酸液转到另外一层或低渗层(污染严重层),最终实现均匀酸化的目的。
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目前采用的暂堵剂主要有水溶性聚合物(聚乙烯、聚甲醛、聚丙烯酰胺、瓜胶等)、惰性固体(硅粉、岩盐、油溶性树脂等)、萘、苯甲酸颗粒等。
2.1.5 增粘剂和降阻剂
由于高粘度酸液能够实现在酸压时增大动态裂缝宽度、降低裂缝的面容比,降低H+传质速度,降低酸液滤失等,因而高粘度酸液能够延缓酸岩反应速度,增大酸液有效作用距离。在酸液中加入一种能够提高酸液粘度的物质,称为增粘剂或稠化剂。常用的增粘剂为聚丙烯酰胺、羟乙基纤维素和瓜胶。
以上增粘剂同时又是很好的降阻剂,能够在注酸时有效地降低酸液在井眼中的摩阻。虽然许多人造聚合物有降阻的作用,但不一定能够使酸液增粘。
2.1.6 粘土稳定剂
在酸液中加入粘土稳定剂的作用是防止酸化过程中酸液引起储层中粘土膨胀、分散、运移造成对储层的污染。常用的粘土稳定剂有简单阳离子类、无机聚阳离子类、聚季铵盐。酸液的置放和分流暂堵分流可以使酸液合理地覆盖在损害层上,
保证酸化的成功率。目前的分流方法主要有机械分流(跨式双封隔器、一般封隔器、射孔球塞封隔器),化学暂堵(桥堵和堵塞剂、暂堵剂),在破裂压力下增加注入速率。
2.2常用的砂岩酸化工艺 2.2.1常规土酸酸化
2002年常规土酸酸化是使用时间最早,油田应用十分普遍的工艺。现场施工较为简单,一般的施工顺序为:注前置液y注土酸液y注后置液y注顶替液。
2.2.2砂岩深部酸化工艺
砂岩深部酸化的基本原理是注入本身不含HF的化学剂进入储层后发生化学反应,缓慢生成HF,从而增加活性酸的穿透深度,解除粘土对储层深部的堵塞,达到深部解堵目的。主要包括SHF工艺、SGMA工艺、BRMA工艺、HBF4工艺、磷酸酸化、砂岩酸酸化、固体酸酸化工艺等。
31碳酸盐岩基质酸化
碳酸盐岩基质酸化不仅可以解除近井地带的损害,而且通过酸的溶蚀作用扩大了孔隙和流道,提高了近井地带的渗透率。一般认为,碳酸盐岩中的基质酸化比起砂岩地层来说是一个更为直接的过程,因为在石灰岩和白云岩中,大多数反应生成物在残酸中是可溶的。HCl是最常用的酸。碳酸盐岩基质酸化主要考虑有效分流、限制蚓孔和过多的液体漏失、高温和低温下酸液的应用、酸的浓度等方面。
碳酸盐岩基质酸化要想有效,必须对反应酸进行有效分流。碳酸盐岩中的分流一般比砂岩要困难得多,因为酸在碳酸盐岩基质中的孔隙和流道中反应会极大地提高渗透率。例如,大多数油溶性树酯不适用于碳酸盐岩,因为树脂微粒不能堵塞酸溶蚀出来的大的流动空间;其他固体例如萘片和岩盐的应用也受到限制。如果进行正确设计,提高注入速度并使用射孔球密封器可以获得有效分流,但能否获得成功与射孔密度和目的层的位置有关。碳酸盐岩基质酸
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化比较有效的分流方式是使用稠化酸和非稠化酸交替注入的方式。
使用特殊的聚合物体系可使酸在反应时能够增粘和发生交联,可以成功地控制碳酸盐岩中的流体漏失。由此而生成的胶联凝胶非常不稳定,当酸与过多的碳酸盐岩发生反应时它便开始分解。一般说来,交联的时间足以产生防止酸液漏失的阻力,由此也产生足够的回压,把后来注入的酸转移到该层的其它地方。
使用有机酸(例如甲酸或乙酸或者甲酸和乙酸的混合酸),在油藏温度为204e的碳酸盐岩井内进行基质酸化获得了成功。恰当地选择有机酸的浓度,可以近似地达到HCl的溶蚀效应。使用与HCl同样的增粘剂,有机酸会得到有效的增粘。在高温碳酸盐岩地层进行基质酸化要使用热稳定稠化剂稠化多级酸以提高地层波及系数,帮助控制流体漏失。
提高低温白云岩中HCl的反应速度是必要的。加大液量、降低注入速度、使用热酸可使低温白云岩中的基质酸化获得与低温石灰岩等效的反应效果。研究表明采用下面两种工艺可以有效地对低温下的
白云岩进行酸化,第一种工艺是加入较低浓度的HF(重量百分比约为0125%),低浓度HF提高基质的可反应性,并确保HF反应物带来最低损害;第二种工艺就是在泵入酸之前将氢氧化氨加到HCl中。这种方法要求温度达到60e,该方法对浅层低温白云岩证明是有利的。碳酸盐岩中经常使用15%的HCl和28%的HCl。比起15%的HCl,28%的HCl浓度较高,溶解的碳酸盐岩就较多,但是需要加入更多的缓蚀剂。28%的HCl可能会产生井壁稳定问题,而且极有可能产生阻塞和乳化。尽管HCl与碳酸盐岩反应很快,尤其是温度高于65e时,但是如果使用28%的HCl,快速回流的地方(例如在一些白云岩中)可以让未完全反应的酸返排出来,对近井地带进行基质酸化,以恢复和提高其渗透率。一般说来,采用15%的HCl来进行处理会产生很好的效果,不会象高浓度酸那样会产生潜在的损害。
41砂岩基质酸化
砂岩基质酸化的工序为:前置液)处理液)后置液。前置液的目的是趋替地层水并和大多数的碳酸盐岩反应以及降低井底温度。后置液的作用是继续把HF向地层推进直到其完全反应,解除损害为止。因为HF酸与含钾、钠、钙等物质的矿物发生反应会产生沉淀,所以要慎重选择前置液。一般说来,前置液是浓度为5%~15%的HCl、有机酸、或者有机酸和HCl的混合酸。有机酸一般是10%的甲酸或蜡酸。当有机酸被用作前置液时要加入5%的NH4Cl。根据实验测试表明,有机酸不能提供阳离子交换,这与向地层注入淡水的效果相同。5%的NH4Cl可以保护粘土,根据金属类型和地层温度来看,这些流体具有腐蚀性,根据Shuchart和Gdanskid的研究,含有甲酸、醋酸的HF会导致沉淀。故在HF中需要加入适当的有机酸,使用有机HF的主要原因是因为一些铝硅酸钾对HCl敏感。
Simomjuntak和Haynes研究得出:要在醋酸HF中加入013%的柠檬酸络合铝,只有这样才允许使用醋酸HF酸。一般说来,混合酸中HF的浓度越低,地层损害的机会就越少。使用HF酸的地层需要作详细的铝沉淀评价。
前置液体积应等于或大于HF体积,最小也应当达到地层半径016m的地方。前置液中酸
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