高碳酸鹽巖含量砂巖酸化實驗研究

齊先有

(中國石油遼河油田分公司，遼寧 盤錦 124010)

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高碳酸鹽巖含量砂巖酸化實驗研究

齊先有

(中國石油遼河油田分公司，遼寧 盤錦 124010)

為改善低滲透砂巖油藏的酸化效果，在施工前需要進(jìn)行合理的評價實驗。通過流動實驗評價了前置酸、主體酸用量對酸化效果的影響，并在此基礎(chǔ)上采用X衍射、巖石薄片、掃描電鏡等手段對流動物理模擬結(jié)果進(jìn)行了分析，使宏觀現(xiàn)象和微觀機理得到了有效結(jié)合。研究表明：S3井區(qū)巖樣中含有較高的碳酸鹽礦物，平均含量為13%；前置酸在鈣質(zhì)砂巖酸化過程中具有非常重要的作用，當(dāng)前置酸段塞不足時，土酸和鈣質(zhì)膠結(jié)物反應(yīng)產(chǎn)生沉淀，影響酸化效果；前置酸足量時，酸化效果明顯，巖石孔隙得到有效增大。結(jié)合研究結(jié)果精選酸液體系，在S3井區(qū)進(jìn)行了4井次酸化施工，起到了良好的增產(chǎn)效果。精細(xì)酸化設(shè)計可避免酸化后滲透率不增反降的問題，同時建議礦場試驗中選用適合儲層特點的添加劑以提高酸化效果和成功率。該研究結(jié)果對類似油藏酸化設(shè)計具有指導(dǎo)意義。

砂巖酸化；地層傷害；低滲透；土酸；X衍射；巖石薄片；掃描電鏡；高碳酸鹽巖

0 引 言

低滲透砂巖地層注水過程中易受污染而導(dǎo)致注水能力降低[1]。通過酸化施工，可解除污染，提高注水能力，但若酸化設(shè)計不當(dāng)，會加劇油層污染，因此，在施工前需要進(jìn)行合理的評價實驗。常用的酸液體系包括土酸體系、氟硼酸體系、多氫酸體系等。在注主體酸之前，需注稀HCl做前置液。HCl可以溶解儲層中的碳酸鹽巖礦物，避免主體酸中的HF與碳酸鹽巖礦物反應(yīng)生成CaF2、MgF2等[2-6]。S3井區(qū)為低滲透砂巖油藏，儲層巖心空氣滲透率平均為0.401×10-3μm2，孔隙度平均為9.24%。該井區(qū)碳酸鹽巖含量較高，在開發(fā)過程中存在注水壓力高、注入量欠缺等問題，部分井在以往的酸化施工中，存在酸化效果較差甚至酸化后滲透率不增反降等情況。針對上述問題，重點考慮了前置酸在高碳酸鹽巖儲層酸化施工中的作用，探索了酸液體系設(shè)計中前置酸的用量對S3井區(qū)酸化效果的影響。在使用現(xiàn)場巖心進(jìn)行酸化流動物理模擬實驗的基礎(chǔ)上，通過巖石薄片、掃描電鏡等手段對物理模擬結(jié)果進(jìn)行了分析和印證[7-11]，使宏觀現(xiàn)象和微觀機理得到了有效結(jié)合。

1 實驗部分

1.1 實驗材料與儀器

實驗用HCl、HF、緩蝕劑、黏土穩(wěn)定劑以及互溶劑等均為工業(yè)品。實驗用油田水樣離子組成見表1。

表1 油田水樣離子成分分析

實驗用儀器主要包括掃描電鏡、顯微鏡、X射線衍射儀(X'pertPROMPD，荷蘭帕納科公司)以及酸化物理模擬實驗系統(tǒng)。

1.2 實驗方法

(1) 溶蝕率測定。

(2)XRD礦物測試。巖樣全巖組成通過X射線衍射儀進(jìn)行測定。

(3) 巖心薄片鑒定。不同礦物經(jīng)混合染料處理后的顏色見表2。

表2 不同礦物經(jīng)混合液染色顏色鑒定

(4) 巖心酸化流動物理模擬實驗。使用天然低滲透巖心進(jìn)行酸化流動物理模擬實驗，實驗步驟：①將巖心樣品用索氏抽提器洗油后烘干、飽和鹽水，測出巖心孔隙體積；②物理模擬實驗，溫度為90 ℃，首先將巖心放置在巖心夾持器中，保持圍壓為3～4MPa，注4%NH4Cl測基準(zhǔn)壓力，再注油田水測滲透率，然后注一定體積的前置酸、主體酸(前置酸和主體酸的注入量根據(jù)酸化效果即時調(diào)整)，最后用4%NH4Cl溶液頂替，計算滲透率。為減少酸液對管線以及巖心的傷害作用，酸液體系中加入2%黏土穩(wěn)定劑、2%緩蝕劑、2%鐵離子穩(wěn)定劑、2%互溶劑。采用3塊巖心進(jìn)行驅(qū)替實驗。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 巖心溶蝕率

測定了90 ℃時不同酸液體系對巖心的溶蝕率(表3)。由表3可知，HCl的溶蝕率大于10%，說明巖樣中有較高含量的碳酸鹽巖礦物。HCl和HF復(fù)配后，溶蝕率大幅度提高，其中12.0%HCl+3.0%HF構(gòu)成的常規(guī)土酸溶蝕率高于25%。

表3 巖心溶蝕率

砂巖酸化以選擇溶蝕率為20%～30%的酸液為佳，因此，主體酸選擇低濃度的土酸體系。

2.2 酸化前巖心分析

儲層礦物組成是酸液設(shè)計的重要依據(jù)[12]。在全直徑巖心的不同部位取巖心粉末做XRD礦物分析(表4)。由表4可知，巖樣中有較高含量的長石礦物，而黏土礦物含量較低。另外，巖樣中碳酸鹽巖含量較高，其中方解石平均含量約為10%，白云石約為3%。

表4 巖心礦物組成

為了直觀地觀察方解石礦物在巖石中的填充特征，使用偏光顯微鏡對未經(jīng)酸化處理的空白巖樣進(jìn)行薄片鑒定(圖1)。圖1中2張圖片為同一位置經(jīng)不同偏光處理采集的圖像，a為單偏光，b為正交偏光。單偏光圖片主要反映粒間充填物的特征，特別是鈣質(zhì)膠結(jié)物。而正交偏光下的圖片主要反映孔隙特征、礦物成分和巖石結(jié)構(gòu)[3]。由圖1可知，礦物成分包括石英、長石以及方解石等，其中長石以斜長石為主，方解石化和白云石化嚴(yán)重，填隙物以孔隙式膠結(jié)碎屑。染色后的方解石在偏光顯微鏡下呈紅色，填充于孔隙中，導(dǎo)致巖心孔隙的減小和滲透率的降低。在酸化過程中，如果前置酸的量不能充分溶解這些鈣質(zhì)礦物，則后續(xù)主體酸(特別是土酸體系)中的HF會和這些礦物反應(yīng)生成CaF2沉淀，造成儲層堵塞。

圖1 空白巖心薄片鑒定

空白巖心的電鏡掃描圖像見圖2。由圖2可知，未經(jīng)酸化的空白巖心的巖屑顆粒較平整，巖性致密，孔隙微小。

2.3 酸化流動實驗

巖心長石含量較高，其反應(yīng)速度低于黏土礦物，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于石英。根據(jù)礦物分析和酸化經(jīng)驗[13-18]，選擇7.5%HCl作為前置液，選擇6.0%HCl+1.5%HF作為主體酸。

圖2 空白巖樣端面SEM圖

2.3.1 1倍孔隙體積前置液流動實驗

按前置酸1倍孔隙體積、主體酸3倍孔隙體積對巖心1進(jìn)行酸化流動物理模擬實驗，不同液體段塞的注入體積及相應(yīng)的注入壓力梯度見圖3。

圖3 巖心1酸化注入壓力梯度曲線

流動實驗分為5個階段。第1階段注入4%NH4Cl至壓力梯度平衡，并以此計算出巖心的水相滲透率。第2階段注油田水，模擬實際注入水對巖心的傷害。現(xiàn)場注入水礦化度低，且含有一定量懸浮顆粒，造成注水壓力梯度升高。第3階段注入由7.5%HCl、2%緩蝕劑、2%黏土穩(wěn)定劑、2%鐵離子穩(wěn)定劑、2%互溶劑等添加劑構(gòu)成的前置液，前置液注入量為1倍孔隙體積。前置酸可清除孔隙表面的碳酸鹽巖、沖洗注入水中的金屬離子。注前置酸過程中，HCl和碳酸鹽巖反應(yīng)生成CO2，產(chǎn)生賈敏效應(yīng)，導(dǎo)致注入壓力梯度不斷升高。第4階段注入由6.0%HCl+1.5%HF構(gòu)成的土酸，土酸注入量為3倍孔隙體積。該過程中壓力梯度一直升高，巖心出口端觀察到氣泡。第5階段注4%NH4Cl測滲透率，注入壓力梯度降低，計算結(jié)果顯示滲透率降低50%，說明酸化不僅未能提高巖心滲透性，反而對巖心造成了傷害。

2.3.2 不同倍數(shù)孔隙體積前置液流動實驗

前置液和主體酸注入量需根據(jù)實驗結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，在進(jìn)行酸化影響因素研究時，應(yīng)固定主體酸和前置液中的某一因素，只改變另一因素，但這樣需要進(jìn)行較多組實驗，消耗大量巖心，由于現(xiàn)場巖心缺乏，故只能進(jìn)行調(diào)整，在改變主體酸(或前置液)用量的同時，對前置液(或主體酸)用量進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整。

(1) 結(jié)合巖心1的實驗結(jié)果，調(diào)整前置液和主體酸的注入量，將前置液注入量升至2倍孔隙體積、主體酸注入量升至17倍孔隙體積。酸化后巖心2的注入壓力梯度略有降低，說明注酸使地層滲透率稍有提高，但效果不明顯。酸化過程中，考慮到主體酸段塞已非常充足(達(dá)17倍孔隙體積)，因此，推測可能是前置液注入量不足使酸化效果不明顯。

(2) 為了進(jìn)一步驗證前置液的作用，設(shè)計了前置液注入量為7倍孔隙體積、主體酸注入量為6倍孔隙體積的流動實驗。酸化后巖心3的注入壓力梯度大幅度降低。

不同巖心流動實驗的數(shù)據(jù)總結(jié)見表5。由表5可知，大幅度提高前置液用量并適當(dāng)降低主體酸用量，巖心的滲透率變化率達(dá)42.91%，說明前置液的用量對酸化效果有重要影響。實驗過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前置液注入量大于5倍孔隙體積且?guī)r心出液端出現(xiàn)連續(xù)氣泡時，轉(zhuǎn)注主體酸后酸化效果會較為明顯。

表5 巖心酸化解堵數(shù)據(jù)匯總

2.4 酸化后巖心分析

實驗結(jié)束后3塊巖心的偏光顯微照片見圖4。由圖4可知，酸化后，巖心1有非天然礦物存在，可能為二次反應(yīng)產(chǎn)生的沉淀，且孔隙周圍有紅色方解石礦物殘留。巖心2孔隙中仍存在染為紅色的方解石礦物和染為藍(lán)色的鐵白云石。巖心3中紅色染色部位和藍(lán)色染色部位明顯減少，縫洞率為9%。

圖4 酸化后巖心薄片偏光顯微照片

酸化后3塊巖心的掃描電鏡照片見圖5。由圖5可知，酸化結(jié)束后，巖心1、2孔隙周圍存在沉淀物，這可能是注入的前置液較少，導(dǎo)致孔隙表面的方解石礦物和酸液反應(yīng)產(chǎn)生二次污染，從而影響了酸化效果。巖心3中形成明顯的溶蝕孔洞，這些溶蝕孔洞應(yīng)是酸化效果明顯提高的根本原因。

圖5 巖心酸化后端面SEM圖(由左至右依次為1、2、3號巖心)

3 礦場應(yīng)用效果

結(jié)合實驗研究結(jié)果，并考慮礦場施工實際，優(yōu)選酸液體系為：前置酸為7.5%HCl+其他添加劑，主體酸為6.0%HCl+1.5%HF+其他添加劑，在S3井區(qū)進(jìn)行了4井次酸化施工(表6)。由表6可知，油管壓力酸化后比酸化前提高6MPa以上，較好地恢復(fù)了地層滲透性能；日產(chǎn)液酸化后比酸化前提高了8.0m3/d以上，其中S3-318井日產(chǎn)液提高了12.1m3/d，表現(xiàn)出較強的增產(chǎn)能力。而酸化施工后各井的油管壓力和日產(chǎn)液提高幅度略有不同，這主要是由于每個單井的井史、井況差異較大，導(dǎo)致酸化效果具有一定的差異?？梢?，優(yōu)選的酸液體系較好地提高了地層滲透率，起到了良好的增產(chǎn)效果，精細(xì)酸化設(shè)計避免了酸化后滲透率不增反降的問題。在礦場試驗中發(fā)現(xiàn)，選用適合儲層特點的添加劑(如緩蝕劑、鐵離子穩(wěn)定劑、黏土穩(wěn)定劑、互溶劑等)，可減少酸液對管柱的腐蝕，降低儲層黏土膨脹運移對儲層的傷害以及增強酸液體系的互溶性，這對提高酸化效果和成功率具有重要作用。

表6 現(xiàn)場施工結(jié)果

4 結(jié)論及建議

(1)XRD巖心礦物分析表明，S3井區(qū)巖樣中含有較高的碳酸鹽礦物，平均含量為13%；巖石薄片直觀地顯示了碳酸鹽礦物對巖心孔隙的填充作用。這為酸化實驗研究提供了重要的參考。

(2) 對于方解石礦物含量較高的低滲透儲層，前置液的注入量在酸化設(shè)計中非常重要。應(yīng)確保前置液HCl使用量充足，才能使低濃度土酸主體酸的酸化效果明顯，巖石孔隙得到有效的增大。否則，由于土酸和方解石礦物易發(fā)生反應(yīng)生成沉淀物，并在巖石孔隙周圍生成二次沉淀物，影響酸化效果。

(3) 采用酸化流動模擬實驗、全巖礦物分析、巖心薄片鑒定以及掃描電鏡等是酸化實驗研究和礦場應(yīng)用設(shè)計的有效手段，實現(xiàn)了宏觀現(xiàn)象和微觀機理的有效結(jié)合。

(4) 為提高酸化效果和成功率，建議礦場酸化試驗選用適合儲層特點的添加劑。

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編輯 王 昱

20160110；改回日期：20160520

中國石油天然氣股份有限公司重大科技專項“遼河油田原油千萬噸持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)研究” (2012E-30)

齊先有(1970-)，男，工程師，1991年畢業(yè)于承德石油?？茖W(xué)校油田化學(xué)專業(yè)，2006年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院石油工程專業(yè)，現(xiàn)從事提高采收率技術(shù)研究。

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.04.031

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