碳酸鹽巖油氣層酸化技術研究進展

孫瑞娜，孫曉瑞

(1.長江大學地球科學學院，湖北 武漢 430100；2.中國石油新疆油田公司采油二廠，新疆 克拉瑪依 834000)

碳酸鹽巖油氣層酸化技術研究進展

孫瑞娜1，孫曉瑞2

(1.長江大學地球科學學院，湖北 武漢 430100；2.中國石油新疆油田公司采油二廠，新疆 克拉瑪依 834000)

介紹了碳酸鹽巖儲層的特點及其酸壓改造的技術難點，綜述了國內(nèi)外酸化壓裂技術的發(fā)展現(xiàn)狀并報道了國內(nèi)油田相關應用，指出了酸化技術未來的發(fā)展方向。

碳酸鹽巖；酸壓；裂縫

酸壓改造工藝技術不僅是碳酸鹽巖油氣藏開發(fā)井增產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)的主導技術之一，而且已經(jīng)成為勘探井發(fā)現(xiàn)油氣或探明儲量的必不可少的重要手段[1]。最近幾年，我國西部發(fā)現(xiàn)并陸續(xù)投入開發(fā)了一批深層和超深層碳酸鹽巖油氣藏，該類油氣藏的特點是儲層埋藏深，地層溫度高，產(chǎn)層厚度大，儲層的非均質嚴重，基質中碳酸鹽純度高，自然投產(chǎn)率很低[2]。酸壓改造技術已經(jīng)成為該類油氣藏油井投的重要方式。

1 碳酸鹽巖儲層酸壓改造的技術難點

影響常規(guī)酸壓改造效果的關鍵因素是酸蝕裂縫的有效長度和酸壓后酸蝕裂縫的導流能力，而酸蝕裂縫的有效長度是低滲透碳酸鹽巖儲集層酸壓改造的關鍵。如何有效獲得較長的酸蝕裂縫一直是酸壓技術要解決的難題[3]。尤其是對于深井碳酸鹽巖儲層，裂縫的有效延伸更加困難，其技術難點主要有：

(1)儲層溫度較高，基質中碳酸鹽純度高，酸巖反應速度較快，酸液的深穿透能力有限；

(2)微裂縫和小溶洞的發(fā)育造成酸液濾失嚴重，要實現(xiàn)酸液的深穿透必須有效降低酸液的濾失；

(3)儲層埋藏深，注酸管長，施工中管線摩阻大，造成井口泵壓高，排量難提高，井底施工壓力難以達到地層的破裂壓力；

(4)由于儲層厚，縫高難控制；

(5)深井酸壓液柱壓力高，殘酸返排困難，容易對儲層造成二次污染。

2 國內(nèi)外酸化壓裂技術的發(fā)展現(xiàn)狀

對于深井碳酸鹽巖儲層的酸壓改造，國內(nèi)外已經(jīng)形成和發(fā)展了一系列基本能滿足同儲層條件和不同施工要求的酸壓技術。以酸蝕裂縫規(guī)模為劃分標準，酸壓技術可分為普通酸壓和深度酸壓兩大類。另外，為提高深層酸蝕裂縫的導流能力又發(fā)展了閉合酸化裂縫技術和平衡酸壓技術。

2.1 普通酸壓

普通酸壓包括常規(guī)酸化和常規(guī)酸壓兩種，是指直接以普通酸液(鹽酸 )作為壓裂液或酸巖反應液對地層進行酸壓處理的工藝技術。目的在于實現(xiàn)近井地帶的污染解堵或形成小規(guī)模的酸蝕裂縫，主要是改善近帶地層的導流能力。

2.1.1 常規(guī)酸化

常規(guī)酸化是指在井底施工壓力小于儲層巖石破裂壓力的條件下，將酸液注入近井地帶的地層，溶解堵塞物和部分巖石，形成分維型的酸蝕孔洞，從而提高儲層滲流能力的酸化技術。其有效作用距離較短，一般小于1m。酸液為普通鹽酸，酸液質量分數(shù)一般小15%。其增產(chǎn)機理是在井底附近周圍地層中形成多條酸蝕蚓孔，從而增加徑向的瀉流面積和導流能力，而不改變流體的流動方向。該方法適用于有裂縫發(fā)育的低孔高滲層，主要用于油井的污染解堵和注水井的增注。

2.1.2 常規(guī)酸壓

常規(guī)酸壓是指以普通鹽酸液作為壓裂液，在井底施工壓力大于地層巖石破裂壓力或大于天然裂縫閉合壓的條件下，在裂縫張開時將酸液注入裂縫，酸液溶蝕裂縫壁面，形成一條或多條壁面不規(guī)則的酸蝕裂縫，以提高儲層滲流能力。

常規(guī)酸壓的特點是酸液濾失嚴重，酸巖反應速度快，有效酸蝕作用距離較短，一般為15～30m，適用于孔隙型和裂縫孔隙型低滲酸鹽巖儲層，以及污染嚴重的天然裂縫較發(fā)育的儲層。其增產(chǎn)機理是在地層中形成高導流能力的酸蝕裂縫，使流體的流動方向由徑向流改為兩個線性流，從而減小流體流動阻力。

常規(guī)酸化和常規(guī)酸壓對地層的改造程度比較有限，只能解決近井地帶的儲層污染 或形成不足30m的小規(guī)模裂縫[4]。

2.2 深度酸壓[5-6]

2.2.1 深度酸壓工藝

2.2.1.1 前置酸壓工藝

前置液酸壓工藝是指用高粘非反應性置液壓開地層，形成動態(tài)裂縫，然后注入酸液溶蝕裂縫的工藝技術。

前置液酸壓的作用機理是：前置液壓開并進入裂縫，降低裂縫壁面的溫度，并在裂縫壁面形成濾餅，降低后續(xù)酸液的濾失量；后續(xù)酸液的粘度遠小于前置液的粘度，流動過程形成粘性指進，從而延緩與裂縫壁面的反應速度和濾失速度，達到酸液深穿透的目的。為實現(xiàn)粘性指進酸壓，要求前置液和酸液的粘度比至少要達到 150∶1，現(xiàn)場使用的高粘前置液一般有膠凝水(香豆膠或改性胍膠)、水外相乳狀液和油外相乳狀液等，普通酸液以無機酸(鹽酸)為主，酸液質量分數(shù)15%～28%。前置液與酸液的用量比一般在1∶1～1∶3之間。有效酸蝕縫長一般為17～50m。

2.2.1.2 多級交替注入酸壓技術

多級交替注入酸壓工藝是指將數(shù)段前置液和酸液交替注入地層進行酸壓施工。該技術在20世紀90年代成為深度酸壓改造的主流技術。多級注入酸壓機理與前置液酸壓相似，其差別在于前置液與酸液多次交替注入，造成對地層的多次降溫和多次形成濾餅，使后一次注入的酸液比前一次濾失速度明顯降低；同時酸液在前置液中多次形成粘性指進，形成更大規(guī)模和更高導流能力的裂縫。

2.2.2 特性酸的深度酸壓

由于普通鹽酸酸液在酸壓過程中濾失嚴重，難以形成深穿透酸蝕裂縫，因此為滿足地層特性和施工需要，以普通鹽酸為反應酸，發(fā)展了具有不同特性的酸液體系，包括稠化酸、膠凝酸、乳化酸、活性酸和變粘酸。另外，國內(nèi)最近發(fā)展了混氮酸壓技術。

2.2.2.1 稠化酸酸壓

稠化酸是指在酸液中加入非交聯(lián)的酸用稠化劑以提高酸液粘度的酸液體系。稠化酸的最佳入地粘度為30～40mPa·s。稠化酸摩阻較小，一般為清水的60%。在稠化酸中若加入降阻劑，摩阻可降到清水的30%～40%。其作用機理是降濾失和緩速，屬于后期濾失控制。酸蝕縫長20～50m。稠化酸一般適用于中高滲儲層，在低滲及返排困難的儲層使用稠化酸要慎重。國內(nèi)主要在四川、長慶和塔河進行了現(xiàn)場試驗和應用，取得了較好的增產(chǎn)效果。

2.2.2.2 凝膠酸酸壓

膠凝酸是指在酸液中加入交聯(lián)膠凝劑等添加劑配制而成的酸液體系。其酸壓作用機理與稠化酸相似。但膠凝酸對剪切很敏感，高溫穩(wěn)定性差，在殘酸中破膠困難，易對儲層造成二次污染。在較為致密的淺層碳酸鹽巖儲層中具有一定優(yōu)勢，在四川盆地獲得較成功的應用。但在深井碳酸鹽巖儲層中應慎用。

2.2.2.3 乳化酸酸壓

乳化酸通常是指油和酸液兩種不相溶的液體按適當比例(通常為30∶70)混合，在乳化劑的作用下混配而成的油包酸乳化液。其作用機理是利用乳化酸的高粘度和外相油的阻礙作用延遲酸液與裂縫壁面的接觸，延遲酸巖反應速度，使酸液的濾失時間推后，從而使整個施工過程中的液體平均濾失量降低。其優(yōu)點是濾失量小，緩速性能好，能進入地層深部；缺點是施工摩阻較高，較普通酸高20%，造成酸壓施工壓力高，排量低。國外在大型重復酸壓中使用乳化酸較多。國內(nèi)塔河油田發(fā)展了低摩阻乳化酸，實現(xiàn)了乳化酸大排量(達到4m3·min-1)、高泵壓、深穿透酸壓目的，有效酸蝕縫長可達到150m，在現(xiàn)場獲得了較成功應用。乳化酸酸壓適用于深層低滲碳酸鹽巖儲層 。

2.2.2.4 活性酸酸壓

活性酸又稱為化學緩速酸，是指在酸液中加入表面活性劑或加入使酸巖反應生成的CO2形成穩(wěn)定泡沫的表面活性劑而構成的酸液體系。其作用機理為表面活性劑吸附在地層裂縫壁面，延緩酸巖反應速度；或者是表面活性劑使酸巖反應生成的CO2形成穩(wěn)定泡沫，在裂縫壁面上產(chǎn)生隔離層，延緩壁面與酸的反應。其缺點是控制濾失較差，主要適合酸巖反應速度受表面控制的低溫白云巖地層，與多級交替注入技術相結合可應用于中溫白云巖儲層。未見該技術現(xiàn)場應用的報道 。

2.2.2.5 變粘酸酸壓

變粘酸又稱為濾失控制酸，國內(nèi)也稱高效酸，是指在酸液中加入一種合成聚合物，能在地層中形成交聯(lián)膠凝劑增加粘度，在酸液消耗為殘量后能自動破膠降粘的酸液體系。其作用機理為：隨酸液在地層中的反應，pH值升高，液體交聯(lián)，酸由線性流體變?yōu)檎硰椥詢瞿z，粘度瞬間升至1000mPa·s左右，有效阻止酸液向孔洞和天然縫內(nèi)濾失，從而增加酸蝕裂縫的長度；隨pH值的持續(xù)升高，酸液破膠降解，液體又恢復到線性流體，粘度下降，有利于殘酸返排。變粘酸具有良好的降濾性能，粘溫性能穩(wěn)定且殘酸粘度較低，但對H2S敏感。變粘酸適用儲層包括高滲層、低壓層、滲透率不高但濾失嚴重地層或長裸眼段井。在美國的現(xiàn)場試驗效果表明，變粘酸對溫度較高地層更具有濾失控制作用，對實施型重復酸壓改造效果更為明顯。20世紀90年代末，國內(nèi)四川石油管理局引進了該技術，成功解決長期以來嚴重影響酸壓效果的酸液濾失問題。

2.2.2.6 混氮酸壓

混氮酸壓技術是為滿足深層碳酸鹽巖儲層改造的需要而發(fā)展起來的酸壓新技術，是指首先用前置液壓開地層，在注酸的過程中混入氮氣。氮氣是以球形氣泡分散于酸液中，氮氣干度小于52。其作用機理與泡沫酸酸壓相似，氣泡具有良好的降濾失性能，并可阻止H向壁面的傳遞，具有緩速的性能，從而獲得較長的酸液有效作用距離；混有氣泡的殘酸具有很強的微顆粒攜帶能力和返排能力?；斓徇m合于深層低壓碳酸鹽巖儲層，在塔河油田和勝利車西油田的應用比較成功。

2.3 高導流裂縫酸壓[7]

2.3.1 閉合裂縫酸壓

閉合裂縫酸化是指在裂縫閉合的狀態(tài)下，低排量注入酸液，酸液流過裂縫并在裂縫壁面發(fā)生溶蝕。其作用機理為酸液流過閉合的裂縫，產(chǎn)生不均勻溶蝕并形成溝槽，從而使酸蝕通道具有較好的導流能力。該技術通常和多級交替注入酸壓工藝聯(lián)合使用，因為多級交替注入酸壓多次溶蝕，形成的裂縫壁面比較均勻，裂縫閉合后導流能力較低，閉合裂縫酸化可以大幅度地提高裂縫的導流能力。國外室內(nèi)導流能力試驗表明，閉合酸化與裂縫張開條件下的酸蝕相比，導流能力可提高幾倍甚至上百倍。閉合裂縫酸化適用于較軟儲層(如白堊巖)以及均質程度較高的儲層。在油井生產(chǎn)過程中天然裂縫閉合，可采用該技術來提高裂縫的導流能力。

2.3.2 平衡酸壓

平衡酸壓，是指壓開地層裂縫形成規(guī)模后，使酸液注入量與濾失量達到平衡，酸液進一步溶蝕裂縫壁面而提高裂縫導流能力的酸壓技術。該技術的優(yōu)點是最大限度延長酸液與裂縫面的接觸時間，提高裂縫導流能力，控制動態(tài)裂縫幾何尺寸，避免壓開上下非產(chǎn)層或水層。該技術現(xiàn)場施工可操作性較差，目前現(xiàn)場很少單獨采用該技術。

2.4 復合酸壓

我國深層碳酸鹽巖儲層的特點與國外具有很大差異，主要表現(xiàn)在埋藏深、儲層非均質性嚴重和基質含油性差。靠單一的酸壓工藝或酸液體系難以獲得理想的效果，所以我國逐步把多種單一酸壓技術集成為復合酸壓技術，在現(xiàn)場應用中取得了很好的效果。2.4.1 勝利車西北帶古潛山油田[8]

車西北帶古潛山以寒武、奧陶系油氣藏為主，儲層埋深3900～4600m，地層壓力42～49MPa，地層溫度120～140℃。以白云巖、灰質白云巖為主，碳酸鹽含量一般在94以上。基質滲透率為0.1×10-15～0.83×10-15m，裂縫是油氣儲集和滲流的主要通道，大多數(shù)無自然產(chǎn)能，需經(jīng)酸壓改造才能投產(chǎn)。該油田采用“多級交替注入膠凝酸+閉合酸化+混注氮氣”組合而成的復合酸壓技術對4口井進行了酸壓改造，施工泵壓42.6～76.4MPa，泵注排量在3.3～4.5m3·min-1，注入酸量212～302m3，入井總液量271～451m3，混注氮氣15～18m3。

其工藝流程為：試壓—高壓交替注入前置液和酸液(2～4級)并混注液氮—停泵閉合裂縫—閉合壓力下注入常規(guī)鹽酸—關井反應—開井油嘴控制放噴。前置液和頂替液中一般不混注氮氣。酸液體系配方為“普通鹽酸+膠凝劑+降阻劑+緩速劑+緩蝕劑+鐵離子穩(wěn)定劑+助排劑”。

酸壓之后4口井增產(chǎn)效果十分顯著，產(chǎn)量提高5.7～39.3倍，使部分無產(chǎn)能井變?yōu)橹懈弋a(chǎn)井。車西油田的酸壓實踐表明，多級交替注入酸壓工藝與閉合酸化工藝技術有效結合可以大大提高酸蝕裂縫的導流能力，適宜于高溫深井碳酸鹽巖儲層增產(chǎn)改造。混注液氮具有明顯的降濾和助排作用，可以有效改善酸壓效果。

2.4.2 四川盆地碳酸鹽巖氣田[9]

四川盆地大多數(shù)低滲氣藏具有深埋、高溫高壓、高含硫和多產(chǎn)層等特點。在該地區(qū)應用“多級交替注入+閉合酸化”組合工藝技術對儲層進行增產(chǎn)改造。該技術實現(xiàn)了大液量、大排量施工，入井工作液液量220～360m3，最高達540m3，泵注強度達2.5～4.4m3·min-1，并輔以加入降濾失劑。交替級數(shù)為3～4級，有效提高了酸壓改造強度，使低滲透、非均質儲層得到合理的改造。

20世紀90年代末，四川石油管理局成功引進了DOWELL公司的變粘酸酸液體系及施工技術。采用前置液與變粘酸多級交替注入施工，交替級數(shù)一般為3～4級，入井液量200～400m3，施工排量達2.4～4.4m3·min-1，平均達3.5m3·min-1，用酸強度6～9m3·min-1。該技術大大提高了酸蝕裂縫長度及其導流能力，使長井段、非均質儲層得到合理的改造，且殘液粘度極低(1.5～7.5mPa·s)，返排性能極佳。采用該技術進行了3口井酸壓施工，效果較為顯著。2.4.3 塔里木盆地塔河油田[10]

塔河油田下奧陶統(tǒng)灰?guī)r儲層埋深5400～5600m，地層壓力54～60MPa，儲層溫度120～130℃。儲層中碳酸鹽總含量平均達94.7，基質致密平均孔隙度0.665%，平均滲透率0.023×10-15m。儲層中發(fā)育的溶洞和裂縫既是主要儲集空間又是油氣滲流的主要通道。儲層非均質性極強，多數(shù)井必須經(jīng)改造才能獲得產(chǎn)能。

塔河油田主要應用了前置液酸壓、多級交替注入酸壓、膠凝酸酸壓、乳化酸+膠凝酸酸壓、高質量分數(shù)酸酸壓等深度酸壓技術。膠凝酸酸壓、乳化酸酸壓、混氮酸壓技術既可單獨作為酸壓技術使用，也可在前置液酸壓和多級注入酸壓技術中被選擇使用。

混氮酸壓工藝為：試壓—注前置液—注酸液(或多級工作液)并混注氮氣—關井反應—返排。該油田14口井進行了混氮酸壓，混注液氮量約30m3，殘酸自噴返排率均在82%以上，平均酸液濾失系數(shù)也明顯低于未混氮氣井，部分井酸壓后獲高產(chǎn)。該油田的4區(qū)和6區(qū)有5口井進行了乳化酸酸壓，地面施工壓力均在80MPa以上，排量2.5～3.0m3·min-1，用酸強度4.0～6.0m3·m-1，有效酸蝕縫長達150m3，酸壓成功率100%，酸壓后5口井平均增油102t·d-1。

目前塔河油田主要應用“前置液+膠凝酸”酸壓和“前置液+乳化酸+膠凝酸”深穿透酸壓工藝技術，注入方式多采用一級和二級注入。

3 對酸壓技術發(fā)展的展望

(1)為實現(xiàn)深穿透，酸液體系已由單一型向復合型發(fā)展，已經(jīng)逐步成為降濾失、緩速、緩蝕、降阻和助排的多功能酸液體系。高粘度膠凝酸和低摩阻乳化酸的發(fā)展實現(xiàn)了大排量、高泵壓、深穿透的目標。

(2)酸液的注入工藝已發(fā)展為不同酸液體系的交替單級注入或多級交替注入，在深井碳酸鹽巖儲層能同時實現(xiàn)裂縫的深穿透和高導流能力。

(3)為適應我國深層碳酸鹽巖儲層酸壓的需要，應大力發(fā)展不同體系組成的復合酸壓技術。

(4)多數(shù)碳酸鹽巖油藏屬于塊狀底水或帶有氣頂?shù)挠筒?，避氣頂和避底水是目前酸壓亟待解決的問題，因而分層酸壓和控縫高酸壓技術是未來的發(fā)展方向之一。

(5)縫洞性碳酸鹽巖儲層酸液濾失問題，影響了裂縫的延伸長度，降低了酸壓裂縫溝通天然裂縫系統(tǒng)的幾率。變粘酸酸壓技術的發(fā)展和現(xiàn)場應用是深度酸壓技術的重大突破，有望發(fā)展為深層碳酸鹽巖儲層酸壓的主流技術。

[1]Michael J.Economides;Kenneth G.Nolte, et al.康德泉，等譯.油藏增產(chǎn)措施（增訂本）.北京：石油工業(yè)出版社，1991.

[2]周永昌，王新維，楊國龍.塔里木盆地阿克庫勒地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖成藏條件及勘探前景[J].石油天然氣地質，2000，21(2)：104-109.

[3]張振華，周志士，鄒盛禮.裂縫性碳酸鹽巖油氣藏保護方法[J].鉆井液與完井液，1999，16(5)：30-34.

[4]布雷德利,H B.石油工程手冊(上)：采油工程[M].北京：石油工業(yè)出版社，1992.

[5]黃君鵬，劉代蛾，頓金婷，等.碳酸鹽巖油氣層多級注入酸壓-閉合酸化技術研究[J].內(nèi)蒙古石油化工，2001，27(2)：8-11．

[6]吳小川，等.碳酸鹽巖儲層酸化壓裂技術的應用及展望[J].安徽化工，2013，39(2)：16-21.

[7]黃瑛.國內(nèi)外酸化技術發(fā)展近況[J].鉆井液與完井液，2000，17(1)：31-34．

[8]王秉海，錢凱.勝利油田地質研究與勘探實踐[M].東營：石油大學出版社，1992.

[9]劉同斌，唐永帆.四川油氣田壓裂酸化液體技術新進展[J].石油與天然氣化工，2002，31(s1)：47-53．

[10]周興熙.初論碳酸鹽巖網(wǎng)絡狀油氣藏-以塔里木盆地輪南奧陶系潛山油氣藏為例[J].石油勘探與開發(fā)，2000，27(3)：5-8.

Technology Advances in Carbonate Reservoir Acidizing

SUN Rui-na1, SUN Xiao-rui2
(1.College of Earth Sciences, Yangtze University, Wuhan 430100, China; 2.PetroChina Xinjiang Oilfield Company, Second oil Production Plant, Kelamayi 834000, China)

The characteristics of carbonate reservoirs and technical difficulties of acid fracturing was introduced. The development status of acid fracturing technology and reports the related applications in domestic oilfield was summarized. The development direction of acidification technology was point out.

carbonate; acid fracturing; crack

TE 344

A

1671-9905(2014)03-0032-04

孫瑞娜（1989-），女，長江大學地球科學學院礦產(chǎn)普查與勘探專業(yè)碩士，研究方向為沉積巖沉積相，E-mail：595537851@qq.com，電話：18062795369

2014-01-19