王明貴 張朝舉 王 萍
(中國石化集團西南石油局井下作業(yè)公司,四川德陽 618000)
川西須家河組砂巖氣藏儲層埋深3900~5200 m、溫度高(90~145 ℃)、微裂縫較發(fā)育,孔隙度2%~3%,滲透率(0.046~0.088)×10-3μm2,儲層主要為巖屑砂巖,巖屑石英砂巖、長石,膠結(jié)物以硅質(zhì)或泥質(zhì)為主,次為方解石、白云石,黏土礦物以速敏性伊利石和酸敏性綠泥石為主,酸敏感性中—強,常規(guī)酸化易造成傷害。因此酸液體系的選擇和配方的優(yōu)化是提高酸化效果的關(guān)鍵。
(1)壓裂改造難度大,施工風(fēng)險高,增產(chǎn)效果不理想,在部分井層適應(yīng)性差。川西地區(qū)須家河組儲層經(jīng)歷了長期的構(gòu)造擠壓和縱向上強烈的壓實作用,致使氣藏儲層工程地質(zhì)條件極為復(fù)雜,儲層巖性致密超致密,彈性模量高,破裂壓力梯度高,裂縫延伸困難,部分井還受井身結(jié)構(gòu)限制,不利于加砂壓裂。同時,儲層微裂縫較發(fā)育,埋深大,壓裂施工難度大,風(fēng)險高。
(2)常規(guī)酸液體系落后,酸化解堵效果差,酸液體系需要優(yōu)化。目前川西須家河組砂巖儲層酸化采用了兩種酸液體系:鹽酸+土酸和直接用鹽酸體系進行酸化作業(yè)。酸液體系存在如下主要缺點:①高溫下HF與黏土反應(yīng)速度非??欤嵋捍蟛糠窒脑诰哺浇?,穿透距離短;②酸化產(chǎn)生的氟化物及硅質(zhì)沉淀會造成儲層永久性的傷害;③鹽酸對結(jié)晶石英溶解量少,對膠結(jié)物及鉆完井液固相物質(zhì)溶蝕性差,難以有效解除鉆完井、修井等過程中各種傷害,常規(guī)酸液體系已不適應(yīng)儲層改造的需要。
考慮因素包括:(1)低孔滲。川西須家河組屬于特低孔、特低滲儲層,排驅(qū)壓力高(1.5~11.4 MPa),入井液易造成水鎖傷害。同時,酸化作業(yè)過程中易產(chǎn)生酸渣沉淀,可引起嚴(yán)重的固相沉淀傷害,酸液優(yōu)化時應(yīng)作為主要考慮因素。(2)黏土礦物。儲層黏土礦物以伊利石和酸敏性綠泥石為主,酸液應(yīng)具有很好的穩(wěn)鐵等能力。(3)裂縫發(fā)育。儲層微裂縫較發(fā)育,鉆完井過程中漏失鉆井液量可達(dá)46.8~786.7 m3以上,要求酸液解除鉆井液污染能力強。(4)巖石和膠結(jié)物。儲層以砂巖為骨架,以泥質(zhì)、硅質(zhì)為主要膠結(jié)物,同時有少量的鈣質(zhì)膠結(jié)物,酸液配方中既要有HF來較好地溶蝕硅質(zhì)、泥質(zhì),又要有HCl來溶解鈣質(zhì)。
2.2.1 酸型優(yōu)選 國內(nèi)外砂巖儲層主要酸液體系有鹽酸、土酸、SHF酸(連續(xù)氫氟酸)、高pH值緩速酸、氟硼酸及多氫酸[1-2]。其中,土酸體系對泥漿黏土礦物溶蝕能力強,但反應(yīng)快,對巖石骨架強度降低較大,酸化后二次傷害嚴(yán)重,只宜用于儲層污染嚴(yán)重的井段解堵;而鹽酸是為了在土酸前溶蝕鈣質(zhì)物,降低氟酸鹽沉淀的風(fēng)險,通常砂巖酸化中都要注入一定量的鹽酸。SHF酸液體系適宜于黏土含量高的儲層,但施工工藝復(fù)雜,現(xiàn)場應(yīng)用不方便;高pH值緩速酸體系主劑水解速度很難控制,注酸后關(guān)井時間很長,目前一般不使用該體系;氟硼酸體系反應(yīng)速度低于常規(guī)土酸,較適宜于水敏地層、疏松地層或液相損害為主的地層,可作為一種備選酸[3-4],但根據(jù)酸巖流動實驗,氟硼酸對須家河組砂巖儲層酸化效果不理想。
多氫酸體系含有多個氫離子,具有緩慢釋放H+的特性,反應(yīng)速度是土酸的30%~50%左右,吸附能力較強、具有水濕性質(zhì) 、亞化學(xué)計量螯合特性,能很好地延緩/抑制近井地帶沉淀物的生成[5-6],因此,選擇鹽酸和多氫酸作為川西須家河組砂巖儲層酸化的酸液。
2.2.2 酸濃度優(yōu)化
(1)鹽酸濃度優(yōu)化。如圖1,6%~12%的鹽酸對須二巖心溶蝕率變化不大,鹽酸濃度對溶蝕率影響較小,因此,選擇鹽酸濃度為6%~10%。
圖1 酸濃度與須二巖心溶蝕率關(guān)系
(2)多氫酸SA601濃度優(yōu)化。采用1%~7%的多氫酸SA601進行酸巖溶蝕實驗(圖1),巖心溶蝕率在15.2%~16.4%之間,巖心溶蝕率先升后降但相差不大,溶蝕率最大值在SA601加量為5%~7%之間。
(3)多氫酸SA701濃度優(yōu)化。采用1%~5%多氫酸SA701進行溶蝕實驗(圖1),隨著多氫酸濃度的增加,巖心溶蝕率也先升后降,酸液的溶蝕能力較強。根據(jù)實驗結(jié)果,多氫酸濃度在3%~5%較為合適。
2.2.3 主要添加劑優(yōu)選
(1)緩蝕劑優(yōu)選。對多種緩蝕劑進行了評價,在相同加量和實驗條件下,加有1.0%SA1-3緩蝕劑和1.0%WD-11緩蝕劑動態(tài)腐蝕速率最低,130 ℃時分別為24.7 g/(m2·h)和28.3 g/(m2·h),具有很好的緩蝕效果。
(2)黏土穩(wěn)定劑優(yōu)選。砂巖酸化過程中,酸液或殘酸與巖石中黏土礦物接觸時,除發(fā)生化學(xué)反應(yīng)外,還存在黏土礦物的水化膨脹。須家河組儲層黏土礦物普遍存在,為防止黏土水化膨脹,酸液中應(yīng)加入適量的黏土穩(wěn)定劑。對多種黏土穩(wěn)定劑進行了評價和篩選,其中,SA-18防膨效果較好,加量為1.0%和0.5%時防膨率分別為66.4%和57.1%。
(3)其他添加劑優(yōu)選。為進一步優(yōu)化酸液性能,優(yōu)選出了增強添加劑配伍性和降低酸液表面張力的互溶劑SA-19(加量4.5%),以及具有穩(wěn)定鐵離子、防止黏土膨脹等多種功能的復(fù)配添加劑SA-18(加量0.5%~1.0%),并在酸液加入無水乙醇進一步提高酸液的自排能力。
(4)酸液配方的確定。根據(jù)上述實驗結(jié)果和儲層地質(zhì)特點,初步確定的酸液配方如下。
前置酸配方:10%HCl+1%SA601+4.5%SAJ -3+ 1.0%SA-19+1%SA1-3 +5%C2H5OH+1%SA-18,其中鹽酸用量設(shè)計為12%以期能溶解鈣質(zhì)膠結(jié)物,加入SA601減少沉淀物的生成。
主體酸配方:6%HCl+6%SA601+5%SA701+ 4.5%SAJ-3+1.0%SA-19+1%SA1-3+5%C2H5OH+ 1%SA-18,加入SA701溶解硅質(zhì)及堵塞物質(zhì),繼續(xù)加入SA701降低二次沉淀傷害。
后置酸配方:8%HCl+4.5%SAJ-3+1.0%SA-19 +5%C2H5OH+0.5%SA1-3+0.5%SA-18,把主體酸替入地層,并防止近井地帶二次沉淀傷害。
2.2.4 整體性能評價
(1)溶蝕能力。從巖心溶蝕實驗結(jié)果(表1)來看,多氫酸主體酸對巖心的溶蝕率在2%左右,酸液對巖石的溶蝕能力較弱,不會破壞骨架。而在120 ℃下多氫酸比土酸對巖心溶蝕率更高,原因是多氫酸液有較好防止酸渣沉淀的作用。溫度升高酸溶蝕率降低,也是由于反應(yīng)快產(chǎn)生酸化沉淀的原因。
表1 多氫酸、土酸對須二巖心溶蝕實驗結(jié)果(X3井須二4916~4943 m井段巖心)
從酸液對鉆井液溶蝕實驗來看,酸液對鉆井液溶蝕能力較強,前置酸、主體酸1 h對鉆井液的溶蝕率較土酸略高(表2)。
表2 酸液對新21-2H井現(xiàn)場鉆井液酸溶蝕實驗結(jié)果(反應(yīng)時間1 h,溫度90 ℃)
(2)腐蝕性能。以新場構(gòu)造須二為目的層,分別評價了酸液在130 ℃和120 ℃時動態(tài)腐蝕性,從實驗結(jié)果來看,酸液體系完全滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求(表3)。
表3 酸液高溫動態(tài)腐蝕性能(N80鋼片)評價結(jié)果
(3)鐵離子穩(wěn)定能力及表面張力。評價表明,酸液表面張力較低,易于酸化后排液,降低酸渣沉淀傷害地層的風(fēng)險。并且酸液也具有較好的鐵離子穩(wěn)定能力,能較好地穩(wěn)定酸化過程中產(chǎn)生的鐵離子(表4)。
表4 酸液表面張力及鐵離子穩(wěn)定能力評價結(jié)果
(4)巖心流動效果評價。根據(jù)酸化施工工序,進行巖心流動試驗,評價現(xiàn)場酸化過程中儲層滲透率演變情況,以最終確定酸化效果好的酸液配方。注液順序為:2%NH4Cl(測k0)→前置液→處理液→后置液→2%NH4Cl。
由實驗結(jié)果可見(表5),土酸流動實驗傷害明顯,采用氟硼酸酸化則難以保證酸化效果,而多氫酸酸化效果較好,能有效溶蝕擴大巖心孔喉。
表5 巖心(新3井巖心)酸化流動實驗結(jié)果
從以上整體性能評價結(jié)果可見,多氫酸酸液在高溫條件下動態(tài)腐蝕性弱,表面張力較低,并且對鉆井液溶蝕能力強,但對巖心溶蝕能力不強,不會對巖心骨架產(chǎn)生破壞;同時,酸液具有較高的穩(wěn)定鐵離子的能力,巖心流動實驗還表明多氫酸對于巖心滲透性有較明顯的改善作用,可見,優(yōu)選出的多氫酸非常適合須家河組砂巖儲層酸化作業(yè)。
(1)酸化規(guī)模。為了實現(xiàn)對近井地帶解堵,溶解地層巖石中填隙物和雜基,溝通可能存在的微裂縫等,國外一般以酸化半徑0.5~1.2 m確定酸化規(guī)模。根據(jù)川西須家河儲層微裂縫較發(fā)育、鉆井液漏失量較大的特點,以酸液流動前緣1.5 m(平均),平均酸化半徑0.8 m左右為原則進行規(guī)模設(shè)計。
(2)酸化排量優(yōu)化。根據(jù)國內(nèi)外砂巖酸化作業(yè)經(jīng)驗和相關(guān)理論研究成果,砂巖酸化應(yīng)是在不壓破地層的條件下,盡可能提高施工排量,以利于活性酸液向地層深部推進??紤]管柱尺寸、液體摩阻大小、施工安全等因素,通過模擬計算推薦新場構(gòu)造須家河組儲層酸化排量為0.5~2 m3/min,大邑構(gòu)造酸化排量為1.5~4 m3/min。
根據(jù)儲層特征來確定出幾種酸化工藝。
(1)針對巖性致密、可溶物含量相對較高儲層,采取的施工工藝為:注前置酸→注主體酸→注后置酸,并在前置液前增加一段氯化銨溶液。
(2)對于巖性高度致密,且鹽酸可溶物含量較低的儲層,注前置液時地層吸酸將較為困難,此時需要考慮前置酸和處理酸交替注入,即注液順序調(diào)整為:注前置酸→注主體酸→(注前置酸→注主體酸)…→注后置酸。
(3)針對鉆井液污染嚴(yán)重及重復(fù)酸化的井,采用2級或2級以上多級酸化工藝,注少量前置酸反應(yīng)10~20 min后將殘酸返排出井口,然后再注主體酸和后置酸。
(4)排液工藝優(yōu)化。對排液困難或排液速度慢的井,應(yīng)在酸化過程中拌注液氮或在酸化后采用液氮氣舉等措施加快排液。
L116井是布置在新場構(gòu)造的一口探井,該井須四段(3950~3970 m)鉆進過程發(fā)現(xiàn)輕微漏失現(xiàn)象,儲層含水飽和度74%,鄰井產(chǎn)水;儲層孔隙度7%,滲透率為0.62×10-3μm2,鉆開液密度2.02 g/cm3,同層位鄰井為裂縫—孔隙型氣層,為盡可能避免溝通水層,并解除近井帶鉆井液的污染,通過優(yōu)選采用多氫酸進行了酸化作業(yè)。
該井采用?88.9 mm+?73 mm油管注入方式施工,施工工藝為:注前置酸(20 m3)→注主體酸(40 m3)→注后置酸(20 m3),實際注入地層酸量90.8 m3,酸化施工壓力68~85 MPa,施工排量0.8~1.95 m3/min。酸化最高施工壓力85 MPa,施工停泵壓力只有57.54 MPa,說明酸化施工達(dá)到了解除地層堵塞和改造地層的目的。
從該井酸化作業(yè)吸酸指數(shù)變化曲線來看(圖2),地層吸酸能力逐漸增大,通過酸化有效解除了近井帶污染堵塞。該井酸化前射孔無阻流量1.9816×104m3/d,酸化后無阻流量12.33×104m3/d。截至2010年10月初,該井酸化后累計產(chǎn)氣638.4057×104m3,有效期已達(dá)26個月,酸化起到了明顯的增產(chǎn)效果。
圖2 L116井酸化施工吸酸指數(shù)曲線
基于川西須家河組儲層特點對酸液的要求,優(yōu)選出了一種高效酸液體系,它對巖心骨架溶蝕率較低,不會破壞巖石骨架,但對鉆井液又有較高的溶蝕率,可有效解除鉆井液污染;同時,酸酸有較好防止酸化沉淀的能力,酸化緩速性能好,穩(wěn)定鐵離子能力較強和較低的表面張力,非常適合川西高溫深層砂巖酸化改造的需要。
[1] 鄔元月,孫艾茵,楊濤,等.砂巖酸化反應(yīng)機理研究[J].內(nèi)蒙古石油化工,2009(6):4-6.
[2] 王鴻勛,任書泉.酸化與壓裂工藝原理[M].北京:石油工業(yè)出版社,1983:27-32.
[3] 王新純.井下作業(yè)施工工藝技術(shù)[M]. 北京:石油工業(yè)出版社,2005.
[4] 埃克諾米德斯等著.油藏增產(chǎn)措施 [M].張保平等譯.第三版.北京:石油工業(yè)出版社,2002.
[5] 汪竹,宋克煒,蘆維國,等.有機氟硼酸在王家崗敏感性地層的應(yīng)用[J].油田化學(xué),2004,31(1):10-12.
[6] 李永平,程興生,張福祥.異常高壓深井裂縫性厚層砂巖儲層“酸化+酸壓”技術(shù)[J].石油鉆采工藝,2010,32(6):76-78.