超深碳酸鹽巖儲層通道加砂酸壓導流能力實驗

周 珺,周林波,蔣廷學,張俊江

(1.頁巖油氣富集機理與有效開發(fā)國家重點實驗室，北京 100101；2.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101；3.中國石化西北油田分公司 石油工程技術(shù)研究院，烏魯木齊 830011)

隨著碳酸鹽巖儲層逐步向超深層開發(fā)，儲層深度已經(jīng)達到了8.8 km，溫度也從120℃提高到180℃。儲層埋深和溫度的增加給儲層改造帶來諸多新挑戰(zhàn)。當?shù)貙佑行ч]合應(yīng)力從10 MPa增加到55 MPa后，常規(guī)酸蝕裂縫導流能力降低95%[1]。閉合應(yīng)力增加，支撐強度不夠，是造成導流快速降低的主要原因，要增加酸壓后裂縫有效期，主要目標是提高酸蝕裂縫的長期導流能力。

現(xiàn)有的酸壓工藝是通過溶蝕裂縫面的鈣質(zhì)礦物，留下未反應(yīng)的巖石骨架作為支撐點，由于各個點分布的不均勻性和本身的低抗壓性，在高閉合應(yīng)力下將會逐漸擠壓破碎。伊向藝、高躍賓等人[2-8]嘗試采用交聯(lián)酸攜砂或是復合酸壓的方法提高酸蝕裂縫的導流能力，在現(xiàn)場應(yīng)用方面取得了一定的效果。然而，隨著儲層深度的增加，碳酸鹽巖儲層加砂越來越困難，砂比無法有效地提高，難以達到高濃度鋪置的效果[9]。近幾年，國內(nèi)外嘗試在低滲油氣藏采用高通道脈沖加砂的方式進行改造[10-13]，該技術(shù)將支撐劑由連續(xù)鋪置變?yōu)榉蔷鶆虻牟贿B續(xù)鋪置，既可以起到有效的支撐作用，提高油氣流動的能力，同時也能降低施工時加砂的風險。本文將高通道加砂的方式與酸壓相結(jié)合，通過實驗測試優(yōu)選支撐劑的強度及鋪置方式，并測試了酸巖反應(yīng)過后連續(xù)加砂與通道加砂下的導流能力，驗證了超深碳酸鹽巖儲層進行通道加砂酸壓的可行性。

1 實驗設(shè)備及方法

1.1 實驗儀器

導流能力測試使用的是美國Core-Lab公司生產(chǎn)的FCES-100裂縫導流儀，該儀器可最大加載閉合壓力120 MPa，巖石和酸液溫度可加熱到160℃，滿足超深碳酸鹽巖儲層的應(yīng)力和溫度特征。該儀器可測試支撐劑導流或酸蝕裂縫導流能力。

1.2 實驗樣品

由于超深井取巖心比較困難，實驗巖心來自于新疆塔里木盆地奧陶系灰?guī)r露頭?；?guī)r露頭切割后按酸蝕裂縫導流儀的API標準加工成長度為17.7 cm、寬度為3.8 cm的巖板，兩頭的端部呈半圓形狀。然后測試不同類型支撐劑或酸蝕后的裂縫導流能力。實驗所采用的支撐劑分別為耐壓69 MPa、86 MPa和103 MPa三種規(guī)模的陶粒。

測試酸蝕裂縫導流能力的酸液為中國石化工程院研發(fā)的高溫交聯(lián)酸體系，其配方為：20%HCl+1.0%稠化劑+1.0%交聯(lián)劑+3.0%緩蝕劑+1.0%破乳劑+0.05%高溫增效劑。當溫度升到160℃以后，剪切1 h后交聯(lián)酸的黏度仍然保持在50 mPa·s以上。

1.3 實驗方法

為了克服常規(guī)酸蝕裂縫在高閉合應(yīng)力下導流快速下降的問題，測試高支撐劑強度、新型支撐模式的裂縫導流能力。根據(jù)陳勉等[14]的研究，選用69 MPa強度級別陶粒，優(yōu)化粒徑為40/70目，連續(xù)鋪砂密度3 kg/m2，在高閉合應(yīng)力條件下(55 MPa)，連續(xù)鋪砂可使酸蝕裂縫導流能力提高15%。閉合應(yīng)力越高，連續(xù)鋪砂提高導流能力的幅度越大。為了對比與連續(xù)鋪砂復合酸壓導流能力的差異，本文測試了將3種耐壓強度支撐劑采用高通道、非連續(xù)鋪置方式下在10～90 MPa閉合應(yīng)力下的導流能力。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 鋪置方式對導流能力的影響

分別測試相同支撐劑團塊面積，不同支撐劑團塊數(shù)量在高應(yīng)力條件下對導流能力的影響，團塊的鋪置方式如圖1所示。其中支撐劑團塊用質(zhì)量分數(shù)為0.6%的纖維增加其穩(wěn)定性，考慮到超深井加砂難度較大，陶粒的鋪置密度為3 kg/m2。

圖1 支撐劑團塊鋪置方式實驗圖Fig.1 Diagram showing arrangement of proppant grouting

圖2 不同鋪置團塊導流對比曲線Fig.2 Curves displaying diversion contrast for different arrangement of mass type

從實驗結(jié)果來看，采用高通道加砂的鋪置方式可以減緩導流能力的下降速度，當閉合應(yīng)力大于50 MPa時，巖板仍然具有一定的導流能力。這是由于即使支撐劑團塊被壓實，但是由于纖維的固結(jié)和纏繞作用，并沒有完全的分散開，因此還能提供一定的流動通道。與連續(xù)鋪砂相比，高通道方式鋪砂的初始導流要高不少，但是隨著壓力的升高，導流能力的下降幅度較大；而連續(xù)鋪砂的方式導流下降幅度則較為平緩。支撐劑團塊數(shù)量對導流能力有著正面的影響，隨著支撐劑團塊數(shù)量的增加，高應(yīng)力條件下裂縫導流能力的保持效果增加。當支撐劑團塊數(shù)量增加后，可以有效地分散單個支撐劑團塊承受的應(yīng)力，保持其具有較好的穩(wěn)定性，因此后繼實驗采用8個團塊做為支撐點。

2.2 支撐劑類型對導流能力的影響

在高應(yīng)力條件下，由于灰?guī)r巖性較弱，會發(fā)生支撐劑嵌入地層或破碎的情況，從而導致有效縫寬越來越小，油氣難以流動。此外，若是支撐劑強度不夠，在高壓下容易發(fā)生破碎，破碎的支撐劑會堵塞流動通道，引起裂縫有效導流能力下降。實驗測試了69 MPa、86 MPa和103 MPa三種強度支撐劑，在連續(xù)鋪砂和高通道鋪砂兩種模式下的導流能力差異，實驗結(jié)果如圖3和圖4所示。

從圖3中可以看出，在連續(xù)鋪砂方式下，當閉合應(yīng)力為50 MPa時，86 MPa陶粒導流能力是69 MPa 陶粒的1.2倍左右，103 MPa 陶粒導流能力是69 MPa 陶粒的1.5倍左右。隨著支撐劑強度的增加，90 MPa應(yīng)力下103 MPa 陶粒導流能力是69 MPa 陶粒的3倍左右。實驗結(jié)果表明提高支撐劑的強度有利于降低支撐劑的嵌入深度和破碎率，可以大幅度提高超深井的裂縫導流能力。

圖3 連續(xù)鋪砂導流能力對比曲線Fig.3 Curves showing diversion capacity of continuous sanding for different proppant type

圖4 高通道鋪砂導流能力對比曲線Fig.4 Curves showing diversion capacity of high channel sanding of different proppant type

圖5 導流測試前巖板形態(tài)Fig.5 Rock plate morphology before diversion test

對比圖3和圖4中的數(shù)據(jù)，在高閉合應(yīng)力(>50 MPa)條件下，69 MPa 陶粒2種鋪砂方式導流能力接近。86 MPa、103 MPa 陶粒高通道鋪砂導流能力明顯高于連續(xù)鋪砂方式的導流能力，這兩種方式下的導流能力分別比69 MPa陶粒提高4倍以上。在90 MPa應(yīng)力下，69 MPa陶粒的導流能力基本為0，86 MPa和103 MPa陶粒還具有較高的導流能力。根據(jù)實驗結(jié)果，在高應(yīng)力條件下，86 MPa和103 MPa陶粒的導流能力效果更好，考慮到經(jīng)濟因素，抗壓級別為86 MPa 的40/70目陶粒采用高通道鋪砂方式，鋪砂密度3 kg/m2時可滿足超深碳酸鹽巖儲層改造的需求。

2.3 高通道加砂酸蝕裂縫導流能力

根據(jù)上述的研究結(jié)果，分別測試20%交聯(lián)酸與巖板反應(yīng)過后，不加支撐劑、86 MPa陶粒連續(xù)加砂、86 MPa陶粒高通道加砂這3種情況下裂縫導流能力隨應(yīng)力的變化情況(圖5)。

圖6 三種裂縫形態(tài)導流對比Fig.6 Diversion contrast for three types of fracture shape

根據(jù)實驗結(jié)果，在交聯(lián)酸刻蝕巖板后，50 MPa閉合應(yīng)力時，連續(xù)鋪砂酸蝕裂縫導流能力比酸蝕不加砂時提高18%，高通道鋪砂酸蝕裂縫導流能力可以提高51%。閉合應(yīng)力越高，高通道鋪砂酸蝕裂縫導流能力提高幅度越大。90 MPa應(yīng)力條件下，連續(xù)鋪砂酸蝕裂縫導流能力是常規(guī)酸蝕裂縫的4.8倍，高通道鋪砂酸蝕裂縫導流能力則達到了7倍以上。研究結(jié)果表明，在超深高應(yīng)力條件下，僅靠酸液體系刻蝕后巖面微凸體的支撐難以保持較好的導流能力。采用連續(xù)鋪砂的方式雖然在高應(yīng)力條件下保持一定的導流能力，但增加的幅度有限，這是因為支撐劑填充了酸液溶蝕巖板后的流動通道，液體只能在支撐劑之內(nèi)的孔隙中流動。 采用高通道加砂的方式則可以有效地增加高應(yīng)力下支撐劑的承壓效果，同時也能充分利用前期酸液溶蝕的通道，增加液體在縫內(nèi)的流動能力。因此，對于超深碳酸鹽巖儲層，采用通道加砂的方式可以更好地將酸壓技術(shù)與加砂技術(shù)有機結(jié)合起來，達到穩(wěn)定生產(chǎn)的目的。

由于灰?guī)r的巖性較軟，支撐劑容易嵌入裂縫壁面，導致有效縫寬下降，從而進一步降低導流能力。將加壓測試的酸蝕裂縫巖面通過三維激光掃描儀進行數(shù)字化處理，統(tǒng)計得到90 MPa閉合壓力下耐壓86 MPa陶粒在巖板上的嵌入深度最高為100 μm，平均為83 μm，數(shù)據(jù)表明86 MPa陶粒在高壓下能保持較好的抗壓形態(tài)和較低的破碎率。此外，由于灰?guī)r的彈性模量較高，超深碳酸鹽巖儲層酸壓所形成的縫寬較窄，不利于支撐劑的大量注入，采用高通道加砂的方式可以有效地降低施工風險。

圖7 高通道鋪砂導流測試后三維形貌Fig.7 3D morphology of high channel sanding diversion

3 結(jié) 論

a.對于超深高應(yīng)力碳酸鹽巖儲層，通過鋪置高強度的陶粒支撐劑，可以有效地降低支撐劑的嵌入深度和破碎率，從而較好地提高酸蝕裂縫在高壓下的導流能力。

b.在相同的加砂強度條件下，增加支撐劑團塊的數(shù)量可以降低單個支撐劑柱的有效應(yīng)力，提高支撐劑柱在高應(yīng)力下的穩(wěn)定性，不被壓散。支撐劑所占裂縫平面的面積比、分布形態(tài)等參數(shù)還需要進一步研究，從而達到支撐劑柱的穩(wěn)定能力和導流能力的綜合最大化。

c.在50 MPa應(yīng)力條件下，采用86 MPa陶粒、高通道鋪砂的方式，裂縫復合導流能力較常規(guī)酸蝕可以提高51%以上；90 MPa應(yīng)力條件下，導流能力增加幅度達到了700%以上。通過改變鋪砂方式，既可以節(jié)約支撐劑數(shù)量，降低施工風險，也可以形成穩(wěn)定牢固的通道支撐。