戴亞婷，伊向藝，2，孫駿，張紫薇，張偉偉，顧亞鵬，吳紅軍

（1.成都理工大學能源學院，四川成都610059；2.油氣藏地質(zhì)開發(fā)工程國家重點實驗室（成都理工大學），四川成都610059；3.中國石油大學（華東）石油工程學院，山東青島266580；4.中石油塔里木油田分公司油氣工程研究院，新疆巴音郭楞841000）

專論與綜述

攜砂酸液體系綜述

戴亞婷1，伊向藝1，2，孫駿1，張紫薇1，張偉偉3，顧亞鵬1，吳紅軍4

（1.成都理工大學能源學院，四川成都610059；2.油氣藏地質(zhì)開發(fā)工程國家重點實驗室（成都理工大學），四川成都610059；3.中國石油大學（華東）石油工程學院，山東青島266580；4.中石油塔里木油田分公司油氣工程研究院，新疆巴音郭楞841000）

儲層改造方式主要為水力壓裂、基質(zhì)酸化、酸化壓裂，然而在20世紀80年代初，國外公司研制的新型酸液具有的攜砂性能，為在儲層中產(chǎn)生具有較高導流能力的酸蝕支撐裂縫提供可能，此后酸攜砂壓裂技術(shù)被越來越多地研究［1］。文章重點從粘溫性、攜砂性和現(xiàn)場應(yīng)用情況三個方面，對比和分析國內(nèi)外報道的攜砂酸液，分別是地面交聯(lián)酸、清潔酸和乳化酸。結(jié)果證明地面交聯(lián)酸的耐溫性，攜砂情況以及現(xiàn)場應(yīng)用效果是最好的。同時，文章在總結(jié)對比的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)了一些在攜砂酸液研究中存在的問題。

酸攜砂壓裂；攜砂酸液；地面交聯(lián)酸；清潔酸；乳化酸

碳酸鹽巖儲層增產(chǎn)技術(shù)始于19世紀90年代中期，美孚石油公司于1895年在俄亥俄州利馬地區(qū)進行首次酸化作業(yè)，取得良好效果。Grebe和Stoesser（1935）發(fā)現(xiàn)酸化施工中地層形成裂縫，第一次出現(xiàn)酸壓的概念。1947年在美國堪薩斯州的水力加砂壓裂試驗成功，此后壓裂理論得到迅速發(fā)展［2-3］。

隨著油氣勘探開發(fā)技術(shù)的發(fā)展，越來越多難動用的深層復雜碳酸鹽巖儲層的改造技術(shù)面臨挑戰(zhàn)?？紤]到水力壓裂和酸壓自身都存在的一些不足，伊向藝（2006）［4］提出了酸攜砂壓裂的技術(shù)。該技術(shù)結(jié)合了水力加砂壓裂和酸化壓裂的優(yōu)點，使酸攜砂壓裂產(chǎn)生具有較長，較高的導流能力以及能溝通儲層中微裂縫的酸蝕－支撐復合人工裂縫。

酸攜砂壓裂技術(shù)關(guān)鍵需解決酸液的攜砂能力，技術(shù)要求酸液體系在地層裂縫剪切下保持較好的粘度，同時具有一定的溫度穩(wěn)定性，除此之外，還應(yīng)該具有較好的緩速性能，破膠性能等。目前國內(nèi)外文獻報道的攜砂酸液有三種：地面交聯(lián)酸、清潔酸、反乳化酸。本文重點從粘溫性、攜砂性和現(xiàn)場應(yīng)用情況三個方面，對這三種酸液體系進行了對比和分析，根據(jù)這些酸液的特點分別評價了適應(yīng)性，并針對酸攜砂壓裂技術(shù)中液體性能研究及評價方法做出了展望。

1　酸液性能及應(yīng)用

為保障酸攜砂壓裂技術(shù)的順利實施，應(yīng)用酸液體系必須具備較強的攜砂能力和穩(wěn)定的粘度性能這兩個基本特征，此外為適應(yīng)不同的地層特征和工藝技術(shù)，國內(nèi)外科研機構(gòu)已探索并實踐出了多種可攜砂的酸液體系，主要分為地面交聯(lián)酸體系、清潔酸體系和乳化酸體系三類。本文重點對以上這三種酸液體系的粘溫性、攜砂性和現(xiàn)場應(yīng)用進行了對比分析。

酸液粘度隨溫度的變化而變化，酸液的粘度直接影響酸液的攜砂性能，因此研究酸液的粘溫性具有重要意義。國內(nèi)外為提高地面交聯(lián)酸的粘度穩(wěn)定性，研發(fā)了多種地面交聯(lián)酸體系（見表1），統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)自1980年以來地面交聯(lián)酸體系的耐溫性能不斷提升，2008年以后地面交聯(lián)酸體系的最高應(yīng)用溫度達到了120℃，持續(xù)剪切后的粘度保持在70 mPa·s左右。但隨著地面交聯(lián)酸體系溫度穩(wěn)定性的提高，其破膠性能又面臨了嚴峻挑戰(zhàn)。

表1　地面交聯(lián)酸體系粘度

美國Stim-Lab公司通過大型輸砂模型對粘彈性壓裂液進行了攜砂實驗，結(jié)果證明壓裂液在剪切速率為100 s-1（可換算為API標準170 s-1），粘度為30 mPa·s時，粘彈性表面活性劑溶液仍能有效輸送支撐劑［13］。自21世紀以來，國內(nèi)外研發(fā)出了多種具有攜砂粘度的清潔酸液體系，酸液的抗剪切能力以及耐溫性都不斷提升（見表2）。但是清潔酸隨pH和Ca2+/Mg2+濃度的變化而變粘，因此研究清潔酸粘度對pH和礦化度的敏感性也十分重要。

表2　清潔酸粘度

乳化酸攜砂壓裂工藝技術(shù)是全新的工藝技術(shù)，尚無可參考的技術(shù)信息，吳月先首次在2006年的一篇文獻中報道了一種可用于酸攜砂壓裂的油包酸乳化酸（IEA），當油酸比為3：7時乳化酸穩(wěn)定性較好［18］，這與Al-Mutairi等人的實驗結(jié)果一致［19］。國內(nèi)外研究的具有攜砂能力的清潔酸體系較少，在60℃條件下，酸液粘度高達1 000 mPa·s，這完全達到了攜砂的要求（見表3）。但是乳化酸的粘度耐溫性還需要進一步提高。

表3　乳化酸粘度

對比最新的三種酸液粘度的熱穩(wěn)定性（見圖1）。60℃條件下乳化酸的溫度穩(wěn)定性最好，但是由伊向藝等人在2014年報道的地面交聯(lián)酸中的新型耐高溫有機鋯交聯(lián)劑在140℃高溫下仍能交聯(lián)形成粘度，達到攜砂要求［12］。后續(xù)報道還有耐溫高達180℃的酸液。因此地面交聯(lián)酸更適用于高溫深井的酸攜砂壓裂改造。

圖1　三種最新酸液粘度對比（60℃）

1.2攜砂性

酸液懸砂及支撐劑沉降速率的測量可以檢驗酸液的粘彈性，同時也是評價酸液攜砂能力最直接的方法。邱曉慧等人在其著作中提到流體的靜態(tài)懸砂實驗中砂子的自然沉降速度為0.008 m/s時流體的懸砂性能就能算較好。

國內(nèi)外所研發(fā)的地面交聯(lián)酸沉砂速率都在0.005 m/s以下，能攜帶的支撐劑粒徑越來越大，具有良好的攜砂性能（見表4）。但是，統(tǒng)計還發(fā)現(xiàn)攜砂溫度普遍在90℃左右，這并不適用于一些高溫油氣田，如新疆塔河油田，儲層溫度高達160℃以上，因此攜砂酸液的適用溫度仍面臨挑戰(zhàn)。

有個理發(fā)師，理發(fā)時總講些妖魔鬼怪的故事，問他為什么。他說：“我講這些故事的時候，你的頭發(fā)就會豎起來，這樣我理起發(fā)來就容易得多了?！?/p>

表4　地面交聯(lián)酸攜砂能力

清潔酸靜態(tài)懸砂實驗測得不同溫度下，不同砂比的20～40目人造陶粒的沉降速率（伊向藝，2014）［12］（見表5）。隨溫度和砂比的增大，砂粒的沉降速度迅速增大，但是仍然符合攜砂要求。但是，清潔酸的攜砂溫度依然需要進一步提高，以適應(yīng)更高溫儲層。

表5　清潔酸靜態(tài)懸砂實驗結(jié)果

吳月先以及易積正等人證明該乳化酸攜砂在裂縫表面形成支撐裂縫導流能力遠遠高于酸液單獨對裂縫表面形成的酸蝕裂縫導流能力。Oliveira等人報道，室溫下，密度為3.56的礬土礦支撐劑在乳化酸酸液中能穩(wěn)定長達9 h（見圖2）。但是同時，本次懸砂測試結(jié)果是在室溫條件下測得，不適用于大部分儲層，因此還需要進一步研究酸液的溫度適應(yīng)性。

圖2　室溫下乳化酸懸砂性能［22］

同樣是測試20～40目單顆陶粒在酸液中的沉砂情況，陶粒在地面交聯(lián)酸中能保持30 min無沉降，而在清潔酸中沉降速率為0.003 357 m/s，由此可知地面交聯(lián)酸的攜砂能力強于清潔酸。

1.3現(xiàn)場應(yīng)用

實驗室大量優(yōu)化酸液性能的研究，是為了在現(xiàn)場應(yīng)用中能取得良好的效果。

（1）地面交聯(lián)酸已在多個油田進行了現(xiàn)場試驗與應(yīng)用，施工概況和施工效果（見表6）。試驗結(jié)果證明地面交聯(lián)酸不僅在碳酸鹽巖儲層中成功應(yīng)用，而且在火山巖中也能取得良好效果，總的來說適合應(yīng)用于高溫、低孔、低滲、非均質(zhì)性強的復雜油氣藏改造。

表6　地面交聯(lián)酸現(xiàn)場試驗

（2）相對于地面交聯(lián)酸，清潔酸的現(xiàn)場試驗井次較少，在華北油田差油層中的B井試驗，增產(chǎn)倍比高達25.8，但是增產(chǎn)后產(chǎn)油量也僅有20.95 m3，效果并不明顯。

（3）乳化酸酸攜砂壓裂試驗還未在現(xiàn)場展開，但是由于乳化酸是油包水型酸液，因此可以在水敏性儲層中進行試驗。

2　分析對比

地面交聯(lián)酸、清潔酸和乳化酸本身具有的高粘度使得酸巖反應(yīng)變慢，有利于增加酸蝕裂縫距離形成長裂縫，再加上它們的溫度穩(wěn)定性和抗剪切穩(wěn)定性使其具有攜砂能力，也就為酸攜砂壓裂提供了可能性。通過對比分析可知：

（1）地面交聯(lián)酸酸液體系初始粘度高，耐溫高達140℃，且懸砂、沉砂測試結(jié)果最好，現(xiàn)場試用增產(chǎn)效果顯著，可適用于高溫低滲、非均質(zhì)性強的復雜儲層。

（2）清潔酸體系的粘彈性使之也具有攜砂能力，在現(xiàn)場的試驗得到一定的效果，同時因其無殘渣、低傷害、遇油破膠且能自動變粘將酸液分流給低滲層的特點，對傷害井，稠油層以及非均質(zhì)性強的油氣藏具有一定的改造效果［28-31］。

（3）乳化酸體系雖然現(xiàn)在還沒有在現(xiàn)場試驗，但是在60℃條件下，酸液的粘度能高達1 000 mPa·s左右，在室溫下支撐劑在酸液中能穩(wěn)定9 h，可用于水敏性儲層的酸攜砂壓裂。然而，不管是在實驗室研究較成熟以及在現(xiàn)場試驗的地面交聯(lián)酸和清潔酸，還是停留在實驗研究初級階段的乳化酸，都還存在一些不足：

（1）酸液的攜砂能力取決于酸液的粘度穩(wěn)定性，而現(xiàn)場應(yīng)用中酸液在泵注過程中受剪切力，在地層中與巖石反應(yīng)生成Ca2+，Mg2+等陽離子，都會影響酸液的粘度，因此在實驗室評價酸液攜砂能力應(yīng)考慮剪切速率及同離子效應(yīng)。

（2）酸液在攜砂或未攜砂情況下的摩阻是不同的，優(yōu)化酸液的摩阻能減小泵注壓力，這避免了大功率設(shè)備的使用和磨損，同時優(yōu)化摩阻也可以將酸液應(yīng)用于深層高壓儲層中，因此在實驗室研究中應(yīng)計算懸砂酸液的摩阻。

（3）支撐劑在裂縫中的分布特征直接影響填砂裂縫的導流能力，但是目前支撐劑的分布規(guī)律僅停留在理論研究或是電腦模擬上，同時理論研究假設(shè)所有支撐劑是同一粒徑的，但是實際上支撐劑的粒徑是不均等的，因此支撐劑在裂縫中的分布規(guī)律應(yīng)在實驗室中進一步研究。

（4）近年來，非常規(guī)油氣藏，特別是致密砂巖的開發(fā)也成為了熱點，除了水力壓裂措施外，HF/HCl混合酸液酸化作業(yè)也可增產(chǎn)砂巖儲層，因此攜砂酸液的研究不應(yīng)僅僅局限于碳酸鹽巖，也可以結(jié)合HF/HCl酸液與支撐劑進行砂巖酸攜砂壓裂研究，為經(jīng)濟有效的開發(fā)做出貢獻。

［1］Arthur Bale，et al.Stimulation of Carbonates Combining Acid Fracturing With Proppant（CAPF），A Revolutionary Approach for Enhancement of Sustained Fracture Conductivity and Effective Fracture Half-length［J］.Paper SPE 134307，2010.

［2］楊秀夫，等.國內(nèi)外水力壓裂技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.鉆采工藝，1998，21（4）：21-25.

［3］Leonard J.Kalfayan.Fracture Acidizing，History，Present State，and Future［J］.Paper SPE 106371，1980.

［4］伊向藝.碳酸鹽巖儲層交聯(lián)酸酸壓技術(shù)研究與應(yīng)用［D］.成都：成都理工大學，2006.

［5］Avtar S.Pabley，et al.Performance of Crosslinked Hydrochloric Acid in the Rocky Mountain Region［J］.Paper SPE 10877，1982.

［6］Avtar S.Pabley，David L.Holcomb.A New Stimulation Technique，HighStrengthCrosslinkedAcid［J］.PaperSPE 9241，1984.

［7］Asoke K..Deysarkar et al.Crosslinked Acid Ge l［J］.The Journal of Canadian Petroleum，1984，（1-2）：26-32.

［8］邱曉慧，等.新型地面交聯(lián)酸的研發(fā)與應(yīng)用［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2005：244-250.

［9］伊向藝，盧淵，宋毅，等.靖邊氣田白云巖儲層交聯(lián)酸酸壓技術(shù)實踐［J］.油氣地質(zhì)與采收率，2008，15（6）：92-94.

［10］王海濤.交聯(lián)酸酸攜砂壓裂在白云巖儲層改造中的應(yīng)用［D］.成都：成都理工大學，2007.

［11］王斌，張健強，郎建軍，等.新疆油田石炭系油藏交聯(lián)酸攜砂壓裂技術(shù)應(yīng)用［J］.鉆采工藝，2010，33（6）：56-60.

［12］伊向藝，等.碳酸鹽巖儲層酸攜砂壓裂技術(shù)研究與應(yīng)用［M］.科學出版社，2014.

［13］崔會杰，等.清潔壓裂液室內(nèi)研究［J］.鉆井液與完井液，2005，22（3）：41-43.

［14］H.A.Nasr-El-Din，et al.Optimization of Surfactant-Based Fluids for Acid Diversion［J］.Paper SPE 107687，2007.

［15］A.Toseef，et al.Viscoelastic Surfactant Diversion：An Effective Way to Acidize Low-Temperature Wells［J］.Paper SPE 136574，2010.

［16］Guanqun Wang，et al.A New Viscoelastic Surfactant for High Temperature Carbonate Acidizing［J］.Paper SPE 160884，2012.

［17］呂楊，等.低滲碳酸鹽巖儲層新型清潔酸液體系開發(fā)研究［J］.石油化工應(yīng)用，2014，33（8）：83-87.

［18］吳月先，等.地面交聯(lián)酸攜砂壓裂工藝技術(shù)開發(fā)及其發(fā)展方向［J］.石油科技論壇，2006，（1）：44-47.

［19］Al-Mutairi，S.H.，Hill A.D.，and Nasr-El-Din，H.A.Effect of Droplet Size，Emulsifier Concentration，and Acid Volume Fraction on the Rheological Properties and Stability of Emulsified Acids［J］.Paper SPE 107741，2007.

［20］吳月先，等.新疆高濃度乳化酸攜砂壓裂研究途徑［J］.新疆石油科技，2006，16（1）：20-28.

［21］易積正，等.復雜巖性儲層酸攜砂壓裂技術(shù)室內(nèi)研究［J］.鉆采工藝，2006，29（3）：55-57.

［22］H.A.Oliveira，et al.Invert Emulsion Acid for Simultaneous Acid and Proppant Fracturing［J］.OTC 24332，2013.

［23］白建文，等.交聯(lián)酸攜砂壓裂工藝在碳酸鹽巖儲層的應(yīng)用［J］.石油鉆采工藝，2009，31（5）：116-128.

［24］黃忠橋，等.粗面巖儲集層地面交聯(lián)酸攜砂壓裂技術(shù)研究［J］.鉆采工藝，2010，33（1）：57-59.

［25］李春月，楊方政.凍膠酸酸液體系室內(nèi)研究及在塔河油田［26］車明光，等.交聯(lián)酸加砂壓裂技術(shù)的研究和應(yīng)用［J］.石油與天然氣化工，2014，43（4）：413-435.

的應(yīng)用［J］.西部探礦工程，2013，（7）：88-92.

［27］唐清，等.可攜砂交聯(lián)酸酸液體系室內(nèi)實驗及現(xiàn)場應(yīng)用［J］.精細石油化工進展，2014，15（1）：1-5.

［28］Frank Chang，et al.A Novel Self-Diverting-Acid Developed for Matrix Stimulation of Carbonate Reservoirs［J］.Paper SPE 65033，2001.

［29］Abdulwahab H.Al-Ghamdi，et al.Propagation of Viscoelastic Surfactant-Based Acids in Carbonate Cores［J］.Paper SPE 121713，2009.

［30］G.T.Woo，et al.A New Gelling System for Acid Fracturing［J］.Paper SPE 52169，1999.

［31］Nisha Pandya，Sushant Wadekar.A Novel Emulsified Acid System for Stimulation of Very High-Temperature Carbonate Reservoirs［J］.IPTC 16452，2013.

Review of acids for acid fracturing with proppant

DAI Yating1，YI Xiangyi1，2，SUN Jun1，ZHANG Ziwei1，ZHANG Weiwei3，GU Yapeng1，WU Hongjun4
（1.College of Energy Resources of Chengdu University of Technology，Chengdu Sichuan 610059，China；2.State Key Laboratory of Oil and Gas Geology and Exploitation of Chengdu University of Technology，Chengdu Sichuan 610059，China；3.College of Petroleum Engineering of China University of Petroleum，Qingdao Shandong 266580，China；4.Oil and Gas Engineering Institute of PetroChina Tarim Oilfield Branch，Bayinguoleng Xinjiang 841000，China）

Hydraulic fracturing，matrix acidizing and acid fracturing are the main treatments for reservoir stimulation.However，when a foreign company came up with a new acid formula which got the ability of carrying proppants in the early 1980s，this new acid system can create prop-fractures with high conductivity through acid fracturing with proppant.Therefore the study on acid fracturing with proppant is getting popularity.This paper compares and an－alyzes some data of cross-linked acids，VES acids and invert emulsified acids with the capacity of carrying proppants which are reported by researchers at home and abroad from three main aspects，viscosity-temperature property，capacity of carrying proppants and field application.Results show the thermal stability，ability of proppant-carrying and the effect of field application of cross-linked acids are the best.At the same time，some problems existing in the researching are mentioned.

acid fracturing with proppant；proppant-carrying acids；cross-linked acids；VES acids；invert emulsified acids

10.3969/j.issn.1673-5285.2015.03.001

TE357.2

A

1673-5285（2015）03-0001-06

2015－01-22

國家自然科學基金“高粘度酸液酸巖反應(yīng)動力學機理研究”，項目編號：51274050。

戴亞婷，女（1990-），碩士，研究方向為油氣田開發(fā)工程，儲層保護與儲層改造，郵箱：409521225@qq.com。