下古生界碳酸鹽巖深度酸壓技術(shù)研究與應用

劉 鑫，薛亦喆，青 松，孫澤虎

（1.中國石油蘇里格南作業(yè)分公司，陜西西安 710021；2.中國石油長慶油田分公司第五采氣廠，陜西西安 710021；3.中國石油長慶油田分公司第三采氣廠，陜西西安 710021）

1 碳酸鹽巖深度酸化壓裂機理

1.1 下古碳酸鹽巖的基本地質(zhì)特征

下古生界奧陶系碳酸鹽巖馬家溝組馬五4、馬五5白云巖含氣層厚度5 m～12 m，儲層埋深3 650 m～4 100 m。其發(fā)育為多排鼻狀構(gòu)造，構(gòu)造起伏一般30 m～60 m，鼻寬2 km～4 km，迫降2 m/100m～5 m/100m。儲層排驅(qū)壓力0.3 MPa～2.9 MPa，喉道中值半徑0.01 μm～0.27 μm，最大進汞飽和度在20.3 %～91.8 %，該儲層具有小孔細喉、分選好的孔隙結(jié)構(gòu)特征。經(jīng)巖心物性實驗分析表明，平均孔隙度2.7 %，平均滲透率1.22 mD（見圖1，圖2）。從基本地質(zhì)特征看，屬低孔、低滲儲層，開采難度很大，解決該類問題需要進一步研發(fā)適應該儲層的深度酸壓工藝技術(shù)[1-5]。

1.2 碳酸鹽巖儲層分類研究

圖1 馬五5段孔隙度直方圖

在儲層基本地質(zhì)特征研究的基礎(chǔ)上，選取權(quán)重系數(shù)＞0.06的儲層參數(shù)（見圖3）作為評價參數(shù)，及含氣飽和度、聲波時差、巖性、孔隙度、滲透率等。用Matlab語言編制BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)程序，將以上儲層參數(shù)輸入程序，經(jīng)過計算無阻流量，形成了碳酸鹽巖儲層分類標準（見表1）。

1.3 碳酸鹽巖儲層深度酸壓機理

國內(nèi)外很多學者對酸刻蝕裂縫導流能力進行了大量的實驗研究，所得出的結(jié)論基本相似，酸刻蝕的面積越大、刻蝕深度越深，其導流能力就越高。近年來較為常用的三維Navler-Stokes方程滿足酸鹽反應的各種條件。最終得到酸液濃度分布控制方程。

圖2 馬五5段滲透率直方圖

圖3 碳酸鹽層儲層參數(shù)權(quán)重分配

表1 碳酸鹽層儲層類型劃分標準

式中：CD-裂縫入口處酸液濃度；t-酸液注入時間，s；u、v、w-三向流速，m/s；x、y、z-三向坐標；-裂縫頂部和底部閉合的邊界條件；D-傳質(zhì)系數(shù)，m2/s。

采用表1的基礎(chǔ)參數(shù)代入上式中進行模擬計算，其結(jié)果表明隨著注酸時間持續(xù)增加，酸液濾失量也不斷增大，裂縫中酸液的有效作用距離大幅縮短，酸壓效果比較差。因此采用深度酸壓技術(shù)解決該問題，關(guān)鍵是要做兩件事，一是靠大型壓裂制造更長的人工裂縫；二是降低酸巖反應的速度，減小酸液濾失度，將酸液最大程度輸送到裂縫的深處。在裂縫中使酸刻蝕面積和刻蝕深度做到最大[6-10]。

2 碳酸鹽巖深度酸壓技術(shù)

2.1 碳酸鹽巖深度酸壓技術(shù)的酸液研究

酸化壓裂的酸液與儲層巖石的適配性好壞關(guān)系到深度酸壓的效果，不同儲層所需要的工作液體系是根據(jù)儲層酸巖反應的特性而定的。

經(jīng)過實驗室分析實驗來確定適應馬五儲層碳酸鹽巖的酸液體系。取馬五儲層的巖心在室內(nèi)做了不同酸液和不同濃度的酸蝕實驗。其結(jié)果（見圖4、圖5），從導流能力來看酸液濃度15 %～20 %，酸液量300 m3，排量4 m3/min為最佳。在實際工作中，必須綜合考慮現(xiàn)場施工的復雜性，一般注入酸液的排量選為5 m3/min，單級注酸量在150 m3～200 m3。

2.2 碳酸鹽巖深度酸壓技術(shù)工藝研究

深度酸壓技術(shù)工藝施工流程與一般酸壓基本相同，注前置液造長縫、進行多級注入酸壓（酸巖深度反應）、裂縫緩慢閉合。而影響裂縫內(nèi)酸蝕導流能力的主要因素有：儲層非均質(zhì)性、酸蝕裂縫壁面的形貌、天然裂縫、酸液濃度和液量、閉合壓力等，這些因素需要在酸壓設(shè)計及施工中特別注意。

圖4 不同酸液類型酸蝕裂縫導流測試

圖5 不同酸液濃度酸蝕裂縫導流測試

前置液壓裂造縫。最早造縫和酸壓用的是一個酸液體系，酸壓過程中易產(chǎn)生蚓孔，引起酸液在蚓孔內(nèi)的濾失，使造縫比較短，達不到深度酸壓的要求。近年來學者們研究（見圖6）提出采用低黏非反應流體做前置液，這樣可溝通碳酸鹽巖儲層天然裂縫，形成復雜的網(wǎng)狀體積縫，從而大幅度提高裂縫的長度和深度。其特點是：黏度低，可以進入天然裂縫，擴展到儲層深處；濾失小，流動阻力小，造縫能力強，流動及濾失過程中壓力損失相對小，更有利于天然微裂縫的開啟及剪切縫的形成。

多級注入酸壓。經(jīng)過室內(nèi)巖心實驗分析，隨著鹽酸濃度的增加，反應速度存在一個最佳值，酸液濃度在20 %～25 %反應速度最佳（見圖7），另外從圖7可以看出酸濃度越低則酸巖反應速度慢，在保留適度導流能力的條件下，可以降低酸液濃度來提高有效酸蝕作用時間。依此研究出緩速酸，多級降低酸濃度刻蝕裂縫壁面，提高了酸蝕裂縫的導流能力。

同時對轉(zhuǎn)向酸也進行了研究，其酸液黏度較高，又具有變黏的特征，使得酸液在天然裂縫區(qū)域滲濾較小，不能形成天然裂縫的流動通道，該酸液對天然裂縫的溝通能力較差。但轉(zhuǎn)向酸在裂縫區(qū)域的溶蝕產(chǎn)生了多個大尺寸的酸蝕孔洞，使得酸液的側(cè)向流動能力增加，實驗證明，轉(zhuǎn)向酸具有較好的濾失控制能力，提高了酸液在人工裂縫中的作用距離。

圖7 不同酸濃度條件下反應速度對比

圖8 常規(guī)鹽酸體系不同反應時間無因次濃度變化

多級注入組合酸壓是提高酸蝕改造形成網(wǎng)狀體積裂縫的有效途徑，也是酸巖反應深度及提高酸液有效作用距離的關(guān)鍵技術(shù)。基于研究區(qū)實際儲層巖心，用20 %鹽酸體系測試不同溫度條件下酸濃度隨反應時間的變化（見圖8），進而研究酸巖反應溫度對酸液有效作用時間的影響。模擬現(xiàn)場進行演試，結(jié)果在4 m3/min～5 m3/min的注液排量下，井底溫度很快會降低到90 ℃以下，因此說明實際酸壓施工時酸巖反應有效作用時間可達到50 min。實際采用非反應前置液與酸液的多級交替注入，增大裂縫中有效酸蝕作用的距離，該技術(shù)適用于低滲、特低滲的碳酸鹽巖儲層，更適應于重復酸壓井的施工，目前國內(nèi)外普遍采用這項深度酸壓技術(shù)。

2.3 碳酸鹽巖深度酸壓技術(shù)的構(gòu)成

通過以上研究分析，針對碳酸鹽巖不同類型儲層特征，形成了“非均勻刻蝕、深度轉(zhuǎn)向”為主的多樣化深度酸壓技術(shù)系列（見表2）。即：Ⅰ類儲層采用稠化酸+降阻酸組合酸壓工藝，Ⅱ類儲層采用多級注入酸壓技術(shù)實現(xiàn)緩速、降濾，非均勻刻蝕，Ⅲ類儲層采用“滑溜水+轉(zhuǎn)向酸+納米緩速酸”多體系復合深度酸壓工藝。

表2 不同類型儲層改造參數(shù)優(yōu)選

3 現(xiàn)場應用效果

3.1 現(xiàn)場實施情況

在前面研究的基礎(chǔ)上，近年來在下古馬家溝馬五碳酸鹽巖儲層，對探井和開發(fā)井采用深度酸壓工藝進行了343口井的施工，試氣產(chǎn)量百萬方以上井11口，平均無阻流量16.1×104m3/d，較前期試氣井增產(chǎn)20 %以上。該項技術(shù)在現(xiàn)場應用取得了明顯的效果。

3.2 應用效果評價

在不同類型的碳酸鹽巖儲層進行深度酸壓都取得了較好效果。Ⅰ類儲層由原來一般性酸壓試氣產(chǎn)量15.54×104m3/d提高到23.02×104m3/d，Ⅱ類儲層由原來酸壓試氣產(chǎn)量6.54×104m3/d提高到9.02×104m3/d，Ⅲ類儲層由原來酸壓試氣產(chǎn)量4.21×104m3/d提高到6.67×104m3/d（見圖9）。由此可見深度酸壓技術(shù)可為低孔、低滲碳酸鹽巖儲層的有效開發(fā)提供可靠的保證。

圖9 不同類型儲層深度酸壓前后產(chǎn)量對比圖

4 結(jié)論

在下古碳酸鹽巖儲層研究的基礎(chǔ)上，對馬家溝馬五儲層進行了分類，形成三種類型的儲層。根據(jù)深度酸壓機理的研究分析，針對不同儲層類型特征，進行酸鹽反應實驗，依此研發(fā)出三種深度酸壓工藝技術(shù)。

在探井和開發(fā)井采用深度酸壓工藝進行了343口井的施工實驗，提高了各類儲層的產(chǎn)量，使低孔、低滲碳酸鹽巖儲層開發(fā)取得了較好的效果，也對同類型氣藏的開發(fā)具有一定的推廣應用價值。