酸化加砂壓裂在碳酸鹽巖儲(chǔ)層研究中的應(yīng)用

張 宇

(1.長江大學(xué), 湖北 荊州 434023； 2.中石化華北分公司工程技術(shù)處, 鄭州 450006)

大牛地氣田位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡北部東段，主要含氣層位為上古生界太原組、山西組、下石盒子組以及下古生界奧陶系馬家溝組。目前，上古生界砂巖儲(chǔ)層的開發(fā)已經(jīng)逐漸走向成熟，并進(jìn)入規(guī)?；⒐I(yè)化的開發(fā)階段，但下古生界碳酸鹽巖儲(chǔ)層的勘探與開發(fā)都還處于起步探索階段。

1 概 述

大牛地氣田下古生界奧陶系馬家溝組馬5段氣層巖性以灰、灰白色灰質(zhì)云巖、含灰云巖和云巖為主。物性在橫向上和縱向上均表現(xiàn)出較明顯的非均質(zhì)性，對大牛地氣田馬5層段的巖芯分析資料統(tǒng)計(jì)表明，馬5儲(chǔ)層孔隙度主要分布在1%～45%；滲透率主要分布在(0.01～0.48)×10-3μm2。另外，儲(chǔ)層的溫度分布在90～120 ℃，壓力系數(shù)為(0.83～0.96)×10-2MPam，說明其為開發(fā)難度大的低孔、低滲、低壓“三低”氣藏。

針對大牛地下古碳酸鹽巖低孔、低滲的儲(chǔ)層物性特征以及微裂縫發(fā)育的地層特征，結(jié)合國內(nèi)外碳酸鹽巖儲(chǔ)層改造的工藝技術(shù)，分析酸化改造的難點(diǎn)和關(guān)鍵，探索并形成適合大牛地氣田下古碳酸鹽巖儲(chǔ)層改造的工藝措施，對華北分公司增儲(chǔ)上產(chǎn)具有重要的意義。

2 大牛地水平井酸壓

前期探井資料表明，大牛地氣田下古儲(chǔ)層直井工業(yè)投產(chǎn)困難。為了有效地?cái)U(kuò)大井筒的泄氣面積，大牛地氣田通過實(shí)踐形成裸眼預(yù)置管柱管外封隔器完井的水平井分段壓裂開發(fā)方式，施工過程中通過投入直徑不同的球來控制各級滑套的開關(guān)，依次逐級進(jìn)行壓裂施工[1]。

2.1 酸壓難點(diǎn)與關(guān)鍵

壓裂酸化(酸壓)的目的是在近井筒地層中形成能夠有效改善油氣滲流狀況的酸蝕裂縫，同時(shí)解除近井筒地層的基質(zhì)傷害，酸蝕裂縫的長度和酸化裂縫的導(dǎo)流能力是影響酸壓效果的2個(gè)最重要因素。大牛地氣田下古碳酸鹽巖儲(chǔ)層為中高溫并伴有微裂縫發(fā)育的致密低滲、低壓氣層。在施工過程中，酸液與地層巖石的反應(yīng)速度快，常規(guī)酸液體系在近井筒地帶消耗量大，加上微裂縫對酸液的無效濾失，導(dǎo)致酸液的有效作用距離變短；而且由于地層壓力系數(shù)低，殘酸的有效返排也比較困難。

針對大牛地特定的地層條件，酸化改造的關(guān)鍵是控制酸巖反應(yīng)速度、降低酸液濾失系數(shù)以及增加殘酸返排能量。

(1)酸巖反應(yīng)：酸巖反應(yīng)為液固兩相反應(yīng)，其反應(yīng)速率受氫離子傳質(zhì)速率、氫離子與巖石礦物的表面反應(yīng)速度以及反應(yīng)產(chǎn)物離開礦物表面的速率的控制[2]，通過控制其中任何一個(gè)速率均可有效地控制酸巖反應(yīng)速率。

(2)酸液濾失：酸液濾失分為有效濾失和無效濾失。有效濾失為酸液在壓差作用下濾失進(jìn)入地層巖石基質(zhì)吼道與孔隙，酸蝕孔壁巖石與孔道中的污染物，增大吼道與孔隙半徑，疏通孔喉，對地層基質(zhì)起到酸洗改造作用；而無效濾失則為酸液濾失大量地消耗在填充地層中的微裂縫以及大溶洞等，降低酸液的有效作用距離。

(3)殘酸返排：酸液與地層巖石反應(yīng)結(jié)束后，要及時(shí)將殘酸液返排出地層，以降低其對地層基質(zhì)和酸蝕裂縫的傷害程度。殘酸液的返排能力與其表、界面張力有關(guān)，但關(guān)鍵在于地層壓力的高低[3]。

2.2 水平井酸壓改造

控制氫離子傳質(zhì)速度可以有效地控制酸巖反應(yīng)速度，一般采取增加酸液體系的黏度來降低氫離子和反應(yīng)產(chǎn)物的傳質(zhì)速度，從而降低酸巖反應(yīng)速度。另外，前置液對地層的降溫作用、巖石壁面與酸液體積的面容比以及酸液流速等因素也不能忽略。目前，控制酸巖反應(yīng)速率的酸液體系以及工藝種類繁多，以交聯(lián)酸、膠凝酸等緩速酸液體系和前置液酸壓、多級交替注入酸壓等工藝為代表的深穿透酸壓改造技術(shù)在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。

結(jié)合大牛地氣田下古儲(chǔ)層酸化的難點(diǎn)，優(yōu)選合適的酸液體系和酸壓工藝技術(shù)并配套水平井裸眼管外封隔完井進(jìn)行水分段酸壓，形成以下酸壓配套技術(shù)。

(1)緩速酸體系：以交聯(lián)酸[4]、轉(zhuǎn)向酸[5]和膠凝酸[6]為代表的酸液體系，不僅可以有效地降低酸液與巖石的反應(yīng)速率，而且還可以起到降濾失的作用，提高酸液的有效作用距離。

(2)助排工藝措施：采用助排劑及液氮伴注工藝[7]，降低殘酸液的表、界面張力；同時(shí)利用氮?dú)馀蛎浿抛饔?，提高殘酸液的返排效率。在酸液注入時(shí)泡沫還可以起到緩速和降濾失作用。

3 水平井復(fù)合改造技術(shù)

統(tǒng)計(jì)分析大牛地氣田下古儲(chǔ)層前期水平井酸壓改造效果，認(rèn)為雖然不同的酸液體系(交聯(lián)酸、轉(zhuǎn)向酸和膠凝酸)施工效果有所不同，但是施工后產(chǎn)量均表現(xiàn)出初期高，后期遞減快的特點(diǎn)。PG1井和PG2井壓后試氣產(chǎn)量與時(shí)間的關(guān)系如圖1和圖2所示。

圖1 PG1井壓后試氣產(chǎn)量與試氣時(shí)間的關(guān)系曲線

圖2 PG2井壓后試氣產(chǎn)量與試氣時(shí)間的關(guān)系曲線

結(jié)合大牛地下古儲(chǔ)層的地質(zhì)特征，分析認(rèn)為雖然下古儲(chǔ)層微裂縫發(fā)育，但儲(chǔ)層的巖性(云巖為主)均質(zhì)性較強(qiáng)，酸液對裂縫壁面刻蝕相對較均勻，不能形成高低不平的凹凸溝槽，導(dǎo)致酸化施工后，刻蝕裂縫在閉合壓力的作用下隨著時(shí)間的延伸而緩慢閉合，所以，裂縫的有效導(dǎo)流能力逐漸減弱，表現(xiàn)出穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間短，產(chǎn)量遞減快的特點(diǎn)。

3.1 膠凝酸酸壓

膠凝酸是緩速酸的一種，利用高分子膠凝劑稠化酸液體系來增加體系的黏度，高黏態(tài)體系不僅可以降低體系中氫離子的傳質(zhì)速度，而且還有利于裂縫寬度的擴(kuò)張，降低裂縫壁面與酸液體積的面容比，從而增加酸液的有效作用距離。膠凝酸的特點(diǎn)是緩速效果好、施工摩阻低、對地層的傷害小(相比交聯(lián)酸)。目前，大牛地氣田下古碳酸鹽巖儲(chǔ)層的兩口水平井(如PG5井)采用膠凝酸酸壓施工，均取得了良好的改造效果。

水力壓裂與壓裂酸化所形成的油氣導(dǎo)流通道的機(jī)理有所不同，依靠支撐劑對水力裂縫的充填，形成長期高導(dǎo)流能力的填砂裂縫。目前，水力壓裂普遍應(yīng)用于砂巖儲(chǔ)層，碳酸鹽巖儲(chǔ)層的應(yīng)用相對較少，只有在微裂縫發(fā)育的儲(chǔ)層中進(jìn)行過單一的水力壓裂改造[8]。與酸化相結(jié)合的復(fù)合壓裂改造技術(shù)是利用前期酸液來降低地層的破裂壓力和延伸壓力，并刻蝕裂縫壁面，解除地層基質(zhì)傷害；后期水力壓裂充填并形成的長期高導(dǎo)流支撐裂縫，可以有效地改善改造效果。

3.2 復(fù)合改造技術(shù)

單一的施工工藝越來越不能滿足油氣田勘探開發(fā)日益增加的難度，因此對施工工藝提出了更高的要求。酸化與加砂壓裂協(xié)同作用的復(fù)合改造工藝技術(shù)，充分利用了酸液對地層的刻蝕以及支撐劑充填裂縫的優(yōu)勢[9-10]，在實(shí)踐中具有極強(qiáng)的針對性。與此同時(shí)，其他如氣體爆燃與水力壓裂相結(jié)合的復(fù)合改造技術(shù)也不斷得到重視[11]。

目前，酸壓與水力加砂壓裂的復(fù)合改造技術(shù)在國內(nèi)油氣田已得到應(yīng)用，新疆油田SH1132井[9]和長慶靖邊氣田G14-10井[10]的復(fù)合壓裂改造均取得了較好的效果。根據(jù)大牛地氣田前期酸壓效果分析，認(rèn)為膠凝酸酸壓效果較好。本文選用前置膠凝酸壓裂，尾追水力加砂壓裂后充填的工藝技術(shù)，通過施工井的效果分析判斷該工藝在大牛地氣田下古儲(chǔ)層的適應(yīng)性。在復(fù)合改造過程中，為了防止前置膠凝酸對后置壓裂液的影響，施工過程中采用隔離液隔離以保證施工的順利進(jìn)行。

4 PG4井復(fù)合改造工藝技術(shù)

PG4井是位于大牛地氣田下古碳酸鹽巖儲(chǔ)層的一口開發(fā)水平氣井，完鉆層位為馬52層段，水平段井深3 145～4 146 m，但水平段鉆遇具有全烴顯示的長度較短。設(shè)計(jì)采用裸眼預(yù)置管柱管外封隔器完井，分9段壓裂改造投產(chǎn)。為了提高單井產(chǎn)量，施工采用膠凝酸酸壓和水力加砂壓裂復(fù)合改造工藝技術(shù)，以期達(dá)到較好的改造效果。

4.1 施工規(guī)模

PG4井復(fù)合改造過程中，首先泵注前置膠凝酸液壓裂，隨后泵注隔離液，最后尾追7%～14%砂比的壓裂液充填裂縫。膠凝酸和壓裂液體系如下：

(1)膠凝酸配方：20%HCl+1.5%緩蝕劑+ 0.15%鐵離子穩(wěn)定劑+0.5%助排劑+0.5%起泡劑+0.4%增稠劑

(2)原膠液配方：0.45%HPG(一級)+1%KCl+0.1%HCHO+0.5%助排劑+0.5%起泡劑+0.2%Na2CO3

對于PG4井鉆遇的儲(chǔ)層情況，進(jìn)行酸蝕裂縫寬度擴(kuò)展模擬(見圖3)，計(jì)算優(yōu)選表明，采用200 m320%HCl+0.4%膠凝酸、5 m3min排量施工，形成的有效酸蝕裂縫長度為180～200 m。考慮裸眼段儲(chǔ)層的表面反應(yīng)和濾失，并結(jié)合地層中裂縫的發(fā)育情況，分別對每一段液量進(jìn)行優(yōu)化。另外，兼顧每段產(chǎn)能和裂縫擴(kuò)展，對不同層段進(jìn)行加砂量的優(yōu)選。

圖3 PG4井酸蝕裂縫寬度擴(kuò)展模擬剖面

4.2 施工效果分析

壓裂液分段破膠和全程液氮伴注工藝的復(fù)合改造工藝的針對性更強(qiáng)，PG4水平井采用8 mm油嘴控制放噴排液，20 mm孔板流量計(jì)測試氣產(chǎn)量，而PG5井(壓裂規(guī)模與PG4井相似)膠凝酸壓裂效果單一，兩井壓后試氣產(chǎn)量與試氣時(shí)間關(guān)系如圖4所示。

圖4 PG4井和PG5井壓后試氣產(chǎn)量與時(shí)間的關(guān)系曲線

復(fù)合改造施工工藝在PG4井施工效果明顯，不僅無阻流量高，而且試氣產(chǎn)量較穩(wěn)定，說明儲(chǔ)層改造效果良好，天然氣資源得到了有效的動(dòng)用。

5 結(jié)論及建議

壓裂酸化與水力加砂壓裂的復(fù)合改造工藝在充分發(fā)揮兩種工藝各自優(yōu)勢的基礎(chǔ)上同時(shí)互補(bǔ)，前置膠凝酸液不僅能有效地降低地層的破裂壓力，延伸裂縫并刻蝕裂縫壁面，而且還可以解除近井筒地層的傷害；尾追壓裂液攜砂液進(jìn)入裂縫，依靠支撐劑充填并支撐裂縫，酸化后裂縫壁面強(qiáng)度更高，支撐劑嵌入程度相對減弱，為充填層長期高效的導(dǎo)流能力提供保障。分段破膠和液氮伴注工藝的復(fù)合改造工藝在PG4水平井的成功實(shí)施，為以后大牛地氣田下古生界儲(chǔ)層的開發(fā)提供了借鑒。

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