聚合物酸液稠化剂对储集层的伤害

林　鑫，张士诚，李小刚，张汝生，崔　佳



聚合物酸液稠化剂对储集层的伤害

林鑫1，2，张士诚1，李小刚3，张汝生2，崔佳2

（1.中国石油大学石油工程学院，北京102249；2.中国石化石油勘探开发研究院，北京100083；3.西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，成都610500）

酸压措施中常用酸液的稠化剂大多是采用聚丙烯酰胺类的高分子聚合物。这些稠化剂降解后仍然具有一定的黏度，酸压施工后残留在地层中造成储集层伤害，直接影响酸压效果。配制了3类聚合物酸液稠化剂的残酸（胶凝酸、交联酸和温控变黏酸），针对这3类残酸对碳酸盐岩高渗岩心和低渗岩心渗透率伤害进行了实验，实验结果表明，3类酸液的残酸对碳酸盐岩高渗岩心的基质渗透率伤害率要大于对低渗岩心的伤害率，即岩心初始渗透率越大，孔隙越发育，受大分子聚合物降解产物的伤害越严重。3类酸液的残酸所产生的滤饼对岩心渗透率的伤害率都相对较低，不是导致储集层伤害的主要因素。

胶凝酸；交联酸；温控变黏酸；稠化剂；渗透率；储集层伤害；基质伤害率；滤饼伤害率

酸化压裂是碳酸盐岩储集层增产改造的重要措施之一。稠化剂和交联剂等高分子聚合物是酸化压裂作业时酸液体系里的主要添加剂，交联后的高分子聚合物在地层中的残留，是引起储集层伤害的主要因素，直接影响酸压效果［1-2］。目前，针对致密砂岩储集层压裂时所用的植物胶压裂液对储集层的伤害研究较为广泛，文献［3］通过基质伤害实验和滤饼伤害实验，定量分析胍胶压裂液稠化剂分子对低渗透砂岩气藏储集层的伤害；文献［4］和文献［5］对滤液的微观结构特征及其对岩心伤害的微观现象进行研究；文献［6］研究了胍胶压裂液伤害对储集层导流能力的影响；文献［7］研究了准噶尔盆地阜东斜坡区头屯河组特低渗透砂砾岩岩心的胍胶压裂液伤害；文献［8］和文献［9］研究了合成聚合物压裂液残留与滤失情况及其对地层的伤害。由于针对碳酸盐岩储集层酸压造成的储集层伤害机理研究和评价比较少见，本文借鉴了已报道的胍胶压裂液对砂砾岩岩心伤害的研究方法，模拟酸液的残酸对碳酸盐岩储集层渗透率伤害实验［3-11］。从储集层保护的角度出发，酸液优化缺乏理论和实验数据指导，故分析酸液体系，尤其是酸液反应后降解产物对储集层伤害的原因及程度，探讨其伤害机理，对优化酸液体系、降低储集层伤害、获得高导流能力酸蚀裂缝、提高酸压效果具有重要意义［12-15］。本文参考石油天然气行业标准SY/T 5358—2010《储层敏感性流动实验评价方法》中推荐的基质伤害测试方法进行实验，并在此基础上做了一定的改进。改进方法可较为方便地通过实验，得到聚合物对储集层的基质残留酸伤害率、滤饼伤害率及总伤害率。

1　实验方法及步骤

1.1实验方案设计

（1）实验设备岩心流动实验仪，高压恒速泵，离心机LY-TDL5AD，油浴锅，恒温箱，聚四氟老化罐，电动搅拌机，RS6000高温流变仪。

（2）实验药剂液态环氧树脂、质量分数为8%的氯化钾溶液，碳酸钙粉末，质量分数为0.8%的稠化剂XR-140-1，质量分数为0.8%的稠化剂FY3802，质量分数为0.8%的稠化剂FY60，质量分数为1%的锆盐类交联剂，质量分数为0.2%的过氧化物破胶剂，质量分数为0.8%的温控交联剂，质量分数为20%的盐酸。

（3）人造岩心的制备人造岩心主要采用液态环氧树脂胶结形成，其中环氧树脂质量分数为10%～15%.同时，为获得不同渗透率的人造岩心，选用不同目数方解石经不同比例混合后（表1），加入液态环氧树脂胶结，压制成模，待胶结完全后取出，获得2种不同渗透率的人造岩心。高渗岩心气测渗透率为低渗岩心气测渗透率的8～10倍。

表1　高渗和低渗岩心中不同目数方解石含量

（4）残酸的制备一般碳酸盐岩储集层岩石成分90%以上为方解石，故采用加入碳酸钙粉末与3类酸液反应的方法制取残酸。利用油浴锅对酸液进行加热，均匀加入碳酸钙粉末并不断搅拌直至反应完全。为了减少碳酸钙粉末过量造成的影响，采用大型离心机LY-TDL5AD对残酸体系以5 000转/min的转速离心10 min，固液分离后，取残酸液体进行后续实验。

（5）实验方法利用岩心流动实验仪进行线性流动实验，测定残酸对高渗和低渗岩心的伤害率。首先在岩心出口端放置一张滤纸，用以附着酸液驱替时在端面形成的滤饼。通过对比2种人造岩心的原始渗透率和伤害后渗透率的变化来测定不同降解产物对岩心的总伤害率。拆卸在岩心出口端预先放置的滤纸（滤饼附着在滤纸上），再次测试渗透率，即可得到去掉滤饼以后的基质伤害率。再用总伤害率减去基质伤害率，即可得到滤饼对岩心的伤害率。另外，通过在岩心端面更换滤纸，对总伤害率、滤饼伤害率进行区分。

1.2实验步骤

压裂或酸压时，工作液对储集层的伤害主要分为2部分：注入流体对储集层岩石基质的伤害和高黏液体在人工裂缝表面所形成的滤饼伤害。在石油天然气行业标准SY/T 5358—2010《储层敏感性流动实验评价方法》中推荐的基质伤害测试方法：①正向驱替氯化钾溶液测试岩心原始渗透率；②反向驱替一定体积的伤害流体；③正向驱替测试伤害后的岩心渗透率。为了同时测出酸液对储集层岩石的基质伤害率以及滤饼伤害率，实验时，在岩心的出口端附上一张滤纸。在反向注入伤害流体时，滤饼形成并附着在滤纸上，这样即可通过更换滤纸测试带滤饼和不带滤饼的岩心渗透率，从而分别得到基质伤害率和滤饼伤害率。岩心渗透率伤害率测定步骤如下。

（1）岩心初始渗透率K0的测定使用质量分数为8%的氯化钾溶液，从岩心夹持器入口端驱入岩心，其流速低于临界流速。直至流量及压差稳定，且稳定时间不少于60 min，记录出口端流量q，出口端压力p2和入口端压力p1，测量氯化钾溶液黏度μ，岩心长度L，岩心的横截面积A，则岩心初始渗透率K0可通过下式算出：

（2）残酸对岩心伤害过程在岩心的出口端附上一张滤纸，将10 mL残酸装入高压容器中，用压力源加压，使残酸从岩心夹持器出口端反向驱替进入岩心。当残酸滤液开始流出时，记录时间和残酸滤液的累计滤失量。10 mL残酸挤完后，关闭夹持器两端阀门，使残酸滤液在岩心中停留2 h.

（3）伤害后岩心渗透率K1的测定按步骤（1）测定岩心受到残酸伤害后质量分数为8%的氯化钾溶液的渗透率K1.

（4）伤害后岩心渗透率K2的测定将岩心的出口端滤纸更换为干净滤纸，按步骤（1）测定岩心受到残酸伤害后质量分数为8%的氯化钾溶液的渗透率K2.

（5）计算岩心渗透率伤害率

有滤饼时，岩心渗透率总伤害率为

无滤饼时，基质伤害率为

滤饼伤害率为

2　实验结果

2.1胶凝酸残酸对高渗和低渗岩心伤害实验结果

按质量分数为0.8%的稠化剂XR-140-1+质量分数为20%的盐酸配制胶凝酸酸液，然后加入过量碳酸钙粉末与胶凝酸反应，制取残酸备用。胶凝酸残酸对不同渗透率岩心伤害结果见图1.胶凝酸残酸对高渗岩心更换滤纸前、后的总伤害率分别为93.63%和90.45%，由此得知其形成的滤饼对高渗岩心的伤害率为3.18%；胶凝酸残酸对低渗岩心更换滤纸前、后的总伤害率分别为77.43%和75.77%，滤饼伤害率为1.66%.

图1　胶凝酸残酸对不同渗透率岩心伤害实验曲线

2.2交联酸残酸对高渗和低渗岩心伤害实验结果

按质量分数为0.8%的稠化剂FY3802+质量分数为1%的锆盐类交联剂+质量分数为20%的盐酸配制交联酸酸液。交联酸加过量碳酸钙粉末反应并交联后，加入质量分数为0.2%的过氧化物破胶剂并放入聚四氟老化罐密封，放入120℃烘箱静态破胶2 h后取出，得到残酸。交联酸残酸对不同渗透率岩心伤害结果见图2.交联酸残酸对高渗岩心更换滤纸前、后的总伤害率分别为77.82%和73.50%，滤饼对高渗岩心的伤害率为4.32%；交联酸残酸对低渗岩心更换滤纸前、后的总伤害率分别为55.38%和46.26%，滤饼伤害率为9.12%.

图2　交联酸残酸对不同渗透率岩心伤害实验曲线

2.3温控变黏酸残酸对高渗和低渗岩心伤害实验结果

按质量分数为0.8%的稠化剂FY60+质量分数为0.8%的温控交联剂+质量分数为20%的盐酸配制温控变黏酸酸液。温控变黏酸加过量碳酸钙粉末反应，放入RS6000高温流变仪120℃剪切2 h后取出，制取残酸。温控变黏酸残酸对不同渗透率岩心伤害结果见图3.温控变黏酸残酸对高渗岩心更换滤纸前、后的总伤害率分别为88.13%和84.24%，滤饼对高渗岩心的伤害率为3.89%；温控变黏酸残酸对低渗岩心更换滤纸前、后的总伤害率分别为81.00%和74.58%，滤饼伤害率为6.42%.

图3　温控变黏酸残酸对不同渗透率岩心伤害实验曲线

2.43类残酸对高渗和低渗岩心伤害实验结果对比

3类酸液的残酸对不同渗透率岩心伤害结果见表2.从表2可以看出，残酸对高渗和低渗岩心的伤害主要表现在基质渗透率的伤害，形成的滤饼对岩心渗透率的伤害并不大，均低于10%，即酸液残酸对岩心伤害主要是滤液进入基质后造成的。

3类酸液稠化剂主要是聚丙烯酰胺骨架类型聚合物。进一步分析发现，由于交联酸酸液中加入了氧化破胶剂，不仅能破坏聚合物的交联作用，还使得丙烯酰胺共聚物主链发生氧化断裂，降解较为彻底，形成了氧化自由基和过氧化自由基，故交联酸残酸对岩心的基质伤害率最低；温控变黏酸酸液，主要依靠温度调节交联与破胶，伤害略高于交联酸；而胶凝酸酸液一般不加破胶剂，主要在高温下依靠酸的作用，丙烯酰胺共聚物中聚丙烯酰胺链发生酸性水解，伯酰胺发生水解，形成季铵盐、铵盐以及聚丙烯酸等，随着酸液质量浓度的增加，酸性降解的强度增强，发生一些主链的断裂以及环状酰胺的形成，故胶凝酸残酸对岩心的基质伤害率最高。

表2　 3类酸液残酸对高渗和低渗岩心伤害实验结果

3　结论

（1）3类酸液对岩心的基质渗透率伤害规律一致，即岩心初始渗透率越大，孔隙越发育，渗透率受大分子聚合物降解产物的伤害越严重。

（2）由交联酸和温控变黏酸所造成的滤饼伤害则和基质伤害规律相反，即滤饼对低渗岩心的伤害率要高于对高渗岩心的伤害率。

（3）3类聚合物酸液的残酸对储集层基质的伤害率，胶凝酸残酸最高，温控变黏酸残酸次之，交联酸残酸最低。

符号注释

A——岩心的横截面积，cm2；

K0——初始岩心渗透率，mD；

K1——挤残酸伤害后更换滤纸前岩心渗透率，mD；

K2——挤残酸伤害后更换滤纸后岩心渗透率，mD；

L——岩心长度，cm；

p0——绝对大气压，MPa；

p1，p2——分别为岩心入口端和出口端压力，MPa；

q——岩心出口端的流量，mL/s；

η1——有滤饼时的渗透率总伤害率，%；

η2——无滤饼时的基质伤害率，%；

ηd——滤饼伤害率，%；

μ——实验温度和大气压下的氯化钾溶液黏度，mPa·s.

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（编辑潘晓慧杨新玲）

Damage of Polymer Acid Viscosifier to Reservoirs

LIN Xin1，2，ZHANG Shicheng2，LI Xiaogang3，ZHANG Rusheng2，CUI Jia2
（1.School of Petroleum Engineering，China University of Petroleum，Beijing 102249，China；2.Research Institute of Petroleum Exploration &Development，Sinopec，Beijing 100083，China；3.State Key Laboratory of Oil-Gas Reservoir Geology and Exploitation，Southwest Petroleum University，Chengdu，Sichuan 610500，China）

Commonly-used acid viscosifiers during acid fracturing are mostly high-molecular polymers of polyacrylamide.These viscosifiers still have some viscosity after degradation and remain in formations after acid fracturing，which may cause damages to reservoirs and influence the acid fracturing effect directly.3 types of residual acids of polymer acid viscosifier（gelled acid，crosslinked acid and temperaturecontrolled sticking acid）are prepared，and experiments on the damages of these 3 residual acids to high-permeable and low-permeable carbonate cores are carried out.The results show that all the 3 residual acids have greater damages to matrix permeability of high-permeable carbonate cores than that of low-permeable cores，i.e.，the larger the initial core permeability and，the more developed the core pores are，the more serious the damage from products degraded by large-molecule polymers will be.However，the filter cakes produced by the 3 residual acids have relatively low damages to core permeability，which might not be the key factor for the reservoir damage.

gelled acid；crosslinking acid；temperature-controlled sticking acid；viscosifier；permeability；reservoir damage；matrix damage rate；filter cake damage rate

TE357.43

A

1001-3873（2016）04-0460-04

10.7657/XJPG20160414

2016-02-26

2016-06-12

国家科技重大专项（2016ZX05014-005-004）

林鑫（1982-），男，四川遂宁人，工程师，博士研究生，油气田开发，（Tel）13810603373（E-mail）linxin.syky@sinopec.com