SPE128070翻译

SPE128070酸化压裂液特性对酸浸蚀表面与裂缝导流能力的影响摘要尽管实验研究已经表明酸的类型的不同会对裂缝导流能力产生显著的影响，但是对流体特性与裂缝表面侵蚀所存在的关系以及其对导流能力影响的研究工作仍然有限。

水力压裂中注入碳酸岩中的酸所产生影响能够通过实验室内酸化压裂传导率测试进行评估，该测试模拟了实际情况下的酸化压裂措施。

虽然当前在酸化压裂作业中的不同的酸体系的使用取得了不同程度的成功。

但是，对其成功的机理却并不十分明确。

可以确定的是酸的特性对酸化压裂作业的成功有一定的影响和促进。

为了进一步完善压裂酸化工艺，酸特性对酸浸蚀与裂缝导流能力的影响必须得到明确。

我们针对常用的酸化压裂流体稠化酸、就地稠化酸、乳化酸、表面活性酸进行了一系列酸化压裂导流能力测试。

测试记录了一些详细的流变性数据以便于解释导流能力数据所显示的变化趋势。

由于酸体系的一些物理化学特性的不同，酸体系影响了侵蚀的程度与侵蚀形态。

在实验环境下，使用粘弹性酸产生了最大的侵蚀程度以及最佳的侵蚀形态。

在闭合压力下，大多数实验显示使用最优酸体系所测得的导流能力都并不相同。

在低闭合压力下，使用粘弹性酸能够得到最大的导流能力，在更高的闭合压力下，使用乳化酸能够保留最大的导流能力。

此外，关于滤失与裂缝流动的反排分析表明大多数裂缝表面侵蚀是由于渗入地层的酸在裂缝中流动时产生的最小侵蚀造成的。

前言酸化压裂是一种较好的增产措施，其原理是酸溶解在水力诱导裂缝表面，在裂缝闭合后，产生持久的导流能力。

但是，裂缝闭合后的导流能力要求裂缝表面被酸非均匀侵蚀，同时岩石仍然需要保持较高的强度以承受闭合压力。

工业上所应用的许多不同种类的酸体系都能够产生具有一定长度和导流能力的裂缝；但是不同应用条件下应使用的最优酸体系仍不太明确。

酸体系及添加剂的选择是根据油藏特征和酸化压裂措施所要达到的特定目的所决定的。

大多数酸化作业中都使用盐酸（HCl）。

但是，在一些应用中，盐酸快速的反应速率限制了酸化压裂作业的效率，尤其是需要较深的酸穿透时。

裂缝侵蚀长度会受到酸反应速率以及流体损失的限制。

在低温和中温环境下，酸滤失被认为是限制裂缝长度的主要因素。

实验结果表明过多的流体损失将降低裂缝中的净压力，从而限制了裂缝的长度并对导流能力带来不利的影响。

多种添加剂和相应的处理技术的应用能够控制流体损失和降低酸反应速率以提高裂缝长度和导流能力。

最早的一种添加剂是刺梧桐树胶，其不易在酸中溶解，但能形成小的膨胀颗粒，可以从物理上阻塞酸蚀孔洞，尽管其作用效果有限。

另一种减少流体损失的理论是使酸胶凝。

实验结果表明为了达到较深的酸穿透和长的裂缝长度，使用的酸的粘度要求足够的高。

现有一些不同的方法来降低酸反应速率，其中包括使酸溶液在油中乳化，以及使用聚合物或表面活性剂对酸进行增稠。

在油田的酸化压裂作业中，缓速酸的使用也较普遍。

de Rozières等人对普通酸、胶凝酸和乳化酸的延缓作用对侵蚀导流能力、穿透度以及产量的影响做了对比。

除实验室所确定的扩散系数不同外，普通酸、胶凝酸和乳化酸的对比实验都使用了相同的实验条件。

实验中在裂缝导流能力超过1000md-ft时，乳化酸的穿透度为1100ft，胶凝酸的穿透度为800ft，普通酸的穿透度为600ft（图1）。

实验确认了酸的类型显著的影响了酸岩反应和最终的导流能力。

侵蚀长度和导流能力的不同与酸的扩散系数相关联；但是没有进行相应的酸化压裂实验，其实验结果仅仅是基于模拟而得到的。

乳化酸表现出了比常规酸更加显著的延缓作用，因此得到了更长的酸穿透度。

乳化酸经常应用于高温地层以解决酸反应迅速的问题，以得到最大的侵蚀裂缝长度。

乳化酸包含酸作为其内相。

油外相体系的使用是因为其隔离了酸，并且与常规的酸相比，其具有更好的延缓性。

这种体系比酸外相体系效率更高，因为其增加了液体体系中酸的相对量。

使用表面活性剂缓速剂能够使酸反应速率很大的降低，其原理是表面活性剂缓速剂能使碳酸岩表面变成油湿。

乳化作用和表面活性剂诱发的油湿的共同作用能够将酸反应速率降低到一个很低的程度。

无论在静态环境或流动环境中，这些乳化体系都能够产生很好的缓速作用。

胶凝酸减缓酸反应速率的作用是基于流体粘度越高，酸反应速率越低这一原理。

相比于盐酸，胶凝酸具有更高的粘度，能够减少流体的损失，增加裂缝的宽度，并且能够降低酸消耗速率。

可溶于酸的聚合物用于增加HCl的粘度，从而降低酸消耗速率，增加酸穿透度，提高工作性能。

聚合物增加了溶液的粘度，降低了H+在岩石表面的扩散速率，聚合物同样能够吸附在岩石表面，在岩石与酸之间形成阻碍。

另外，聚合物还能改变靠近岩石的流态，影响酸岩反应的方式。

对胶凝酸的早期研究表明，聚合物的增加能够显著的增加酸的表观粘度，并且能够很大程度的降低溶解速率。

主要有两种类型的有效的交联酸。

其一由聚合物、交联剂和其他添加剂组成，在到达地层前就在地面形成交联，其二由聚合物，交联剂，缓冲剂，破胶剂和其他添加物组成，其交联发生在进入地层后。

粘弹性表面活性剂的使用是为了替代高分子聚合物，其应用于一些胶凝酸中，以降低对地层的伤害。

表面活性酸广泛应用于酸化压裂作业中。

粘弹性表面活性剂的主要优点是无聚合物，其同样需要极少量的添加剂。

粘弹性表面活性剂在鲜酸中保持较低的粘度（室温下20cp），因此能够容易的泵入地层，在残酸中，表面活性剂会改变结构从而显著的增加流体粘度（室温下200cp）。

在油田的实际运用中，粘弹性表面活性酸工作性能良好，在控制流体损失方面，与之前所提到的胶凝酸相比，其具有类似甚至更好的效果。

黏弹性表面活性酸具有其特有的“自我转向”特性。

在残酸中流体粘度显著的增加，与用于基质酸化的酸相比产生了更好的转变。

这一相同的特性能够有效的减少酸滤失速率，增加酸化压裂作业的增产效果。

除酸类型之外，不同酸体系中的一些特定的添加剂也能够显著的影响酸岩反应。

对一些酸岩反应中添加物的影响进行了研究。

在较低的旋转速度下，溶液中的Fe3+离子能够减少方解石的溶解，其原理是Fe3+的氢氧化物形成了一个表层，在低旋转速度下其不能被移除，在高浓度和高旋转速度下，它能显著的增加方解石的溶解速率。

研究还观测到酸溶液中的互溶剂（10vol%EGMBE）能够显著的增加溶解速率，研究并没有观测到其他明显的变化。

缓蚀剂，实质上是一种季胺，能够减少方解石的溶解速率。

浓度为0.2vol%的非离子表面活性剂对溶解速率的影响并不明显。

关于酸化压裂的一些细致的研究表明流体类型显著的影响了侵蚀和导流能力。

Broaddus等人进行了第一次关于酸化压裂的实质性研究。

他们总结出了酸化压裂导流能力是关于酸类型、酸浓度、酸岩反应时间、地层类型和温度的函数。

在低温下（低于150℉），HCl产生更高的裂缝导流能力，在高温条件下，缓速酸能产生更高的导流能力。

他们建议使用侵蚀实验来确定最优的酸类型以及为了在特定地层下达到合适的裂缝导流能力所需要的酸岩反应时间。

Bartko等人针对Prudhoe Bay的Wahoo地层中的石灰岩和白云岩样品进行了酸化压裂导流能力实验以评估不同酸体系对侵蚀形态和最终导流能力的影响。

使用不同浓度的HCl和胶凝酸对所有的岩心类型进行酸化，使其形成单一的小酸蚀孔洞，并对其进行岩心流动实验。

使用10%浓度的乳化酸酸化产生了许多小的酸蚀孔洞，当岩心被分成两半时，岩心的断裂面显示出不均匀侵蚀。

使用15%浓度的乳化酸进行酸化相比于使用10%浓度的乳化酸进行酸化产生了更低的导流能力，这与使用15%浓度的乳化酸进行酸化对岩石的损害更大有关。

在70:30,60:40和80:20这三种酸/油比下同样进行了侵蚀实验。

当酸/油比为70:30时，实验观察到了特定结构的侵蚀形态，当酸/油比为60:40,80:20时，其侵蚀形态就相对光滑一些。

实验结果表明使用正确的酸/油比对混合物的初始粘度和最终粘度的重要性。

由Van Domelen等人进行的侵蚀实验显示在相同的浓度下，尽管使用胶凝酸侵蚀一块岩心相比于HCl 能够获得更高的导流能力，但使用HCl侵蚀的另一块岩心能够保持更高的导流能力。

毫无疑问，酸体系显著的影响了酸化压裂过程，因此我们必须了解酸的性质与诸如侵蚀，裂缝表面损害，最终导流能力等酸化压裂过程所产生的结果之间的关系。

因此当前的研究目的是了解酸类型对裂缝导流能力的影响。

我们使用胶凝酸，聚合物基胶凝酸，粘弹性表面活性酸和乳化酸进行了实验。

实验研究实验装置和实验步骤的设计基于实验能够更加准确的代表油田生产措施。

关于实验装置和实验步骤的一些细节信息能够在Pournik中找到。

实验装置的设计要求其能够容纳更大的岩石样品，更高的注入速度和更高的温度，并且保证腐蚀与机械故障最小化。

岩心样品被放置在改进的API导流室中，其基础部分的尺寸为10in×31/4in×8in，开口尺寸为71/4in×13/4，能够容纳厚度为3in的岩石样品。

实验所使用的泵的最大工作压力为2200psig，最大流速为1.04L/min，能达到油田实际情况下的注入速度。

实验管线包裹着圆筒形陶瓷加热器以在流体进入导流室之前加热流体，其能模拟油田下温度环境。

加热器能够将流体加热到大约300℉。

泄流管线上安装有回压调节器用以控制岩心中的压降。

因此其能将泄流速度更准确的控制在接近油田的大小。

另外一个回压调节器被安装在导流室的流出管线上，以保持导流室压力大于1000psi，从而保证酸化过程中的CO2处于溶解状态。

实验材料所有实验均使用来自于印第安纳州的石灰岩样品，该样品的平均渗透率为4md。

岩心样品被切割为平行六面体形状，其末端为半圆弧形，从而能够匹配API导流室。

岩心的总长大约为7.1in，宽为1.6in，厚度为3in。

岩心被API导流室形状的有机硅橡胶包裹以确保导流室能完全适合岩心，并且能够防止酸从岩心的侧面流出。

裂缝表面需要尽可能的保持光滑和平整。

所有的酸体系都含有15wt%的HCl和相同的缓蚀剂。

聚合物凝胶和普通凝胶体系都含有2vol%的稠化剂。

普通胶凝酸含有交联剂和破胶剂。

实验用乳化酸是由HCl和柴油的混合物，与柴油的体积比为70:30，以及20gpt的乳化剂组成。

柴油形成了乳化剂的外相。

实验用粘弹性表面活性酸含有3vol%的粘弹性表面活性剂（表I）。

酸侵蚀装置图2为酸侵蚀装置示意图。

岩心被放入导流室中，并且使用金属薄片置于两个裂缝表面以得到将近0.12in的裂缝间隙。

导流室被垂直放置，这样流体通过裂缝向上流动以避免重力对侵蚀岩心表面的影响。

当确保活塞到达预定位置，裂缝宽度保持在合适的值后，注入自来水。

当获得理想的导流室压力，排出速率和温度后就开始注酸。

在注酸期间，需过一段时间就记录温度，同时排出体积和排出压差都需要被监测以确保合适的排出速率。