酸化壓裂技術(shù)在碳酸鹽巖熱儲(chǔ)中的應(yīng)用

劉慶 柯柏林 林天懿 楊淼

摘 要：碳酸鹽巖熱儲(chǔ)中儲(chǔ)層傷害可能會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)能下降、回灌難、生產(chǎn)周期短等問題。為提高地?zé)峋a(chǎn)能，解除熱儲(chǔ)傷害，以北京通州區(qū)A井為例，建立了綜合壓前評(píng)估、工藝方法優(yōu)選、酸液體系建立、施工參數(shù)優(yōu)化、壓力曲線診斷、壓后效果評(píng)價(jià)的酸化壓裂關(guān)鍵技術(shù)體系。形成了基于水位恢復(fù)數(shù)據(jù)、測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的綜合儲(chǔ)層傷害指標(biāo)、儲(chǔ)層物性指標(biāo)的多指標(biāo)壓前評(píng)估方法。在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，優(yōu)化施工參數(shù)，并對(duì)施工過程中的壓力曲線進(jìn)行了診斷。最后對(duì)A井改造效果進(jìn)行評(píng)價(jià)：改造后單位出水量提高了65.51%，水溫提高2℃，產(chǎn)能系數(shù)提高了59.51%，近井傷害得到完全解除，滲透率得到明顯改善。該工藝有助于解除碳酸鹽巖熱儲(chǔ)近井污染、改善儲(chǔ)層物性、溝通天然裂縫。

關(guān)鍵詞：碳酸鹽巖;酸化壓裂;近井傷害;產(chǎn)能;滲透率

Abstract： Reservoir damage in carbonate geothermal reservoirs may cause such problems as production reduction， recharging difficult， and short production cycles. A technology system of acid-fracturing has been established by taking Well A in Beijing City Sub-Center as an example， in order to increase the productivity of geothermal wells and remove near well damage. It includes comprehensive pre-press assessment， process optimization， acid-fluid system optimization， construction parameter optimization， pressure curve diagnosis， and post-frac effect evaluation. A multi-target pre-frac evaluation method index has been formed， including comprehensive reservoir damage index and reservoir physical property index by calculating water level recovery data and well logging data. The construction parameters were optimized based on laboratory experiments and numerical simulations. During the acid-fracturing， the pressure curve was diagnosed. Finally， the stimulation effect of Well A has been evaluated： After the stimulation， the unit water inflow increased by 65.51%， the water temperature increased by 2， and the productivity coefficient increased by 59.51%. The near-well damage has been eliminated completely， and the permeability has been improved significantly. This technology is helpful for decontaminating near-well wells in carbonate geothermal reservoir， improving reservoir physical properties， and communicating natural fractures.

Keywords： Carbonate; Acid-Fracturing; Near-well damage; Productivity; Permeability

0 緒論

霧迷山組熱儲(chǔ)是北京乃至整個(gè)京津冀地區(qū)的主要熱儲(chǔ)層。該熱儲(chǔ)天然裂隙、節(jié)理發(fā)育，以往開發(fā)案例報(bào)道同樣發(fā)現(xiàn)（馬忠平等，2007;呂殿臣，2013;王連成等，2010），該組地層鉆井多漏失，部分層段泥漿漏失量大。泥漿浸入地層，產(chǎn)生儲(chǔ)層傷害，對(duì)地?zé)峋删|(zhì)量影響較大，如果后期未能對(duì)地?zé)峋M(jìn)行有效改造，則會(huì)顯著降低生產(chǎn)能力和回灌能力。

酸化壓裂技術(shù)是碳酸鹽巖油氣藏改造的一種有效方法手段，馬忠平等（2007）對(duì)天津WR-95井酸化壓裂施工案例進(jìn)行介紹，水溫水量都得到提升，認(rèn)為酸化壓裂技術(shù)在碳酸鹽巖裂隙地?zé)峋霎a(chǎn)中值得推廣;呂殿臣（2013）介紹了天津JHR-160D井的酸化壓裂增產(chǎn)案例，同樣取得了較好的改造效果;王連成等（2010）對(duì)酸化壓裂方法進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，且該技術(shù)在天津DL-24井、WR-95井、HD-02井增產(chǎn)增灌中都取得了較好的效果;Bartko等（2003）討論了不同酸液類型對(duì)碳酸鹽巖氣藏中裂縫長度和裂縫寬度的影響規(guī)律;Li等（1993）回顧綜述了緩蝕酸壓的應(yīng)用案例;Portier等（2007）對(duì)比討論了油氣層和地?zé)醿?chǔ)層的酸化改造技術(shù);Schindler等（2010）討論了水力壓裂技術(shù)在萊茵盆地碳酸鹽巖熱田中的成功應(yīng)用，改造工藝包括體積壓裂、低排量注入、段塞式注入、酸化等方式，改造后熱儲(chǔ)回灌能力和生產(chǎn)能力都得到顯著提升。

以往的案例報(bào)道已經(jīng)證明，酸化壓裂技術(shù)有助于提高地?zé)醿?chǔ)層生產(chǎn)能力和回灌能力，但是目前的報(bào)道多局限于對(duì)施工案例的應(yīng)用報(bào)道，鮮有針對(duì)碳酸鹽巖熱儲(chǔ)開展的酸化壓裂技術(shù)體系研究（林天懿等，2018;楊淼等，2018）。本文在總結(jié)梳理現(xiàn)有酸化壓裂技術(shù)方法相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，以北京城市副中心某地?zé)峋疄槔?，開展碳酸鹽熱儲(chǔ)水熱型地?zé)嵯到y(tǒng)酸化壓裂技術(shù)研究，試圖建立一種適用于地?zé)峋脑斓乃峄瘔毫殃P(guān)鍵技術(shù)體系。

1 酸化壓裂增產(chǎn)原理

儲(chǔ)層改造的主要作用在于增大地層流體流動(dòng)通道，改變地層流體滲流特征。對(duì)于碳酸鹽巖熱儲(chǔ)，酸化壓裂一方面通過酸鹽反應(yīng)，溶解由于后期施工引入的固體顆粒，解除近井傷害;另一方面，酸液可顯著增大原生孔縫洞尺寸，并在基質(zhì)面形成大量蚓孔，提升孔喉之間的連通性，改善儲(chǔ)層滲流能力（埃克諾米德斯等，2002）。

1.1 酸鹽反應(yīng)基本方程

碳酸鹽巖儲(chǔ)層酸化改造主要介質(zhì)為鹽酸，其生成物在水中以Ca2+、Mg2+、Cl-形式存在，不會(huì)產(chǎn)生沉淀;另外，北京城市副中心霧迷山組水質(zhì)以HCO3·Cl / Ca·Mg·Na為主，鹽酸酸液體系不會(huì)引入其他礦物離子。其基本反應(yīng)方程式見表1。

1.2 酸蝕蚓孔

選取天津薊縣霧迷山組剖面巖樣為實(shí)驗(yàn)巖樣，分別對(duì)紫紅色泥質(zhì)白云巖、泥晶白云巖、以及微裂縫發(fā)育的粗晶白云巖進(jìn)行室內(nèi)酸化實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)溫度25℃，酸液濃度為15%，酸液用量均為40mL。待反應(yīng)停止后，觀察對(duì)比反應(yīng)前后巖樣形貌變化（表2）：裂縫越發(fā)育，改造效果越好;泥晶較粗晶白云巖反應(yīng)迅速;碳酸鹽巖含量越多，反應(yīng)越迅速。

為了進(jìn)一步確定酸化作用的改造效果，借助掃描電鏡（SEM）分別對(duì)改造前后微觀孔隙進(jìn)行觀測(cè)。不同巖性酸化后，孔隙結(jié)構(gòu)均得到改善（圖1）：紫紅色泥質(zhì)白云巖基質(zhì)內(nèi)蚓孔發(fā)育;泥晶白云巖粒/晶間孔周圍蚓孔特征明顯，形成了大量酸蝕微裂縫（10μm）;粗晶白云巖，微裂縫發(fā)育，且原生裂隙尺寸顯著增大。表明酸化作用有助于改善巖石微觀孔隙結(jié)構(gòu)，增大原生裂縫尺寸。

2 酸化壓裂技術(shù)應(yīng)用

酸化壓裂基本流程為：壓前評(píng)估→工藝方法優(yōu)選→壓裂液體系優(yōu)選→酸壓關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)及方案確定→壓力曲線診斷→壓后效果評(píng)價(jià)（Ben-Naceur，et al.，1989）。本文以北京通州區(qū)A井為例，對(duì)各關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究與應(yīng)用。

2.1 基本情況介紹

A井位于北京市通州區(qū)張家灣鎮(zhèn)，坐落在張家灣背斜的西南翼，在北東向姚辛莊斷裂和北西向牛堡屯斷裂交叉部位西北側(cè)。兩條斷裂相互交叉，構(gòu)成了該區(qū)地?zé)豳Y源主要導(dǎo)熱導(dǎo)水通道。該井成井深度2501.80m，三開裸眼完井，目標(biāo)層段為薊縣系霧迷山組，巖性以灰—灰黑色白云巖（2030～2501.80m）為主（圖2）。

2.2 壓前評(píng)估

壓前評(píng)估主要是對(duì)目標(biāo)井的可改造潛力進(jìn)行評(píng)估，通常是在大量搜集區(qū)域地質(zhì)資料、鉆完井資料、鄰井資料等的基礎(chǔ)上，對(duì)包括儲(chǔ)層生產(chǎn)指標(biāo)、傷害指標(biāo)、儲(chǔ)層物性指標(biāo)等進(jìn)行評(píng)估，進(jìn)而綜合判斷目標(biāo)井是否具有改造潛力。

（1）儲(chǔ)層產(chǎn)能指標(biāo)

3次降深抽水試驗(yàn)結(jié)果顯示，A井井口最高出水溫度46℃，最大單位出水量為53.12m3 /d·m（表3）。根據(jù)滲透系數(shù)、產(chǎn)能系數(shù)計(jì)算公式（1）、公式（2），A井初始平均地層滲透系數(shù)為0.038m/d，滲透率為0.61 mD，產(chǎn)能系數(shù)為287.798mD·m。

式中：K為滲透系數(shù)，m/d;k為滲透率，103mD;J為產(chǎn)能系數(shù)，mD·m;Q為出水量，m3/d;M為目標(biāo)層厚度，m;ρ為地層流體密度，g/cm3;g為重力加速度，m/s2;μ為地層水黏度，純凈水黏度為1.0，mPa·s;R為影響半徑，m;rw為井徑，m;Sw為降深，m。

（2）儲(chǔ)層傷害指標(biāo)

儲(chǔ)層傷害程度通常以表皮系數(shù)表征：原始地層條件下，地層無傷害，表皮系數(shù)為0;鉆完井及井下作業(yè)等產(chǎn)生儲(chǔ)層傷害時(shí)，表皮系數(shù)為正值;改造后，儲(chǔ)層物性好于原始地層條件，表皮系數(shù)為負(fù)值。表皮系數(shù)的計(jì)算方法包括Horner曲線法和Gringarten典型曲線圖版擬合法。本文以Horner法為例，表皮系數(shù)計(jì)算公式為（陳元千，1988）：

式中：Pwf為水位恢復(fù)試驗(yàn)前關(guān)井時(shí)刻的井底流動(dòng)壓力，MPa;P1h為試井1h后對(duì)應(yīng)的地層壓力，可通過壓力恢復(fù)曲線得到，MPa;m為霍納曲線斜率;φ為地層孔隙度，可通過測(cè)井曲線解釋得到;Ct為總壓縮系數(shù)，為地層水壓縮系數(shù)與地層巖石壓縮系數(shù)之和，Ct=Cw+Cr，MPa-1;t為關(guān)井前Horner折算生產(chǎn)時(shí)間，t=關(guān)井前累計(jì)產(chǎn)量/關(guān)井前穩(wěn)定排量，h。

為了獲取相關(guān)計(jì)算參數(shù)，需要首先根據(jù)壓力恢復(fù)數(shù)據(jù)繪制霍納曲線，A井霍納曲線可以分為4段（圖3），采用壓力穩(wěn)定段斜率為基本參數(shù)，計(jì)算得到A井壓前表皮系數(shù)18.27，說明目標(biāo)層段儲(chǔ)層傷害較大。

（3）儲(chǔ)層物性指標(biāo)

通過測(cè)井解釋可將A井目標(biāo)層段劃分為3類裂縫層（圖4）。I類裂縫層1層，共10.4m，占2.20%，儲(chǔ)能系數(shù)2.15，產(chǎn)能系數(shù)5.02;II類裂縫層1層，共10.3m，占2.18%，儲(chǔ)能系數(shù)1.34，產(chǎn)能系數(shù)1.49;III類裂縫層8層，共35.7m，占7.57%，儲(chǔ)能系數(shù)0.32，產(chǎn)能系數(shù)0.19。整體顯示目標(biāo)層段平均滲透率3.56mD，孔隙度3.69%，具有改造潛力，其中優(yōu)勢(shì)改造層段為測(cè)井解釋I、II類地層。

2.3 工藝方法確定

碳酸鹽巖地層非均質(zhì)性強(qiáng)，針對(duì)不同類型的熱儲(chǔ)層，制定相應(yīng)的改造工藝，能極大地提高儲(chǔ)層改造效果。對(duì)于漏失量大、縫洞發(fā)育的地層，普通酸化壓裂技術(shù)便能達(dá)到目標(biāo);天然裂縫較發(fā)育的地層，應(yīng)采取大排量酸化或振蕩酸壓;縫洞不發(fā)育地層，應(yīng)采用深度酸壓（趙永平，2012）。

鉆井過程顯示A井目的層段存在多層漏失（表4），

平均單層漏失量0.5m3/h;單層漏失量差異較大（0.375～0.625m3/h），結(jié)合井底巖心觀測(cè)，該井熱儲(chǔ)存在天然裂縫，判斷主要目的層天然裂縫發(fā)育程度較好，在綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益及安全施工的基礎(chǔ)上，確定本井改造原則以解除近井傷害，形成深穿透酸蝕通道為主，盡量溝通天然縫洞，壓裂工藝選擇大排量酸化壓裂技術(shù)。

2.4 酸液體系優(yōu)化

酸液體系的選擇包括酸液類型、酸液濃度、酸液用量等，決定著酸化過程中酸液作用效率以及酸蝕裂縫長度，與有效改造范圍關(guān)系密切。鹽酸壓裂液體系具有成本低、溶蝕力強(qiáng)、反應(yīng)生成物可溶、不會(huì)引入其他離子等特點(diǎn)，在碳酸鹽巖酸化壓裂中應(yīng)用廣泛。但由于鹽酸反應(yīng)速度快，改造深度不夠，通常也會(huì)加入甲酸、乙酸等有機(jī)酸，形成多組分酸延緩反應(yīng)速度。

3 結(jié)論與建議

（1）建立了酸化壓裂增產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)體系，給出了各個(gè)環(huán)節(jié)的具體計(jì)算和設(shè)計(jì)流程：酸化壓裂設(shè)計(jì)需要充分考慮室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果，按照技術(shù)規(guī)范及工藝流程，針對(duì)目標(biāo)井特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)最大增產(chǎn)效益。

（2）試驗(yàn)驗(yàn)證了酸化壓裂技術(shù)對(duì)碳酸鹽巖熱儲(chǔ)的改造作用，微觀方面有助于提高孔隙結(jié)構(gòu)和裂隙尺寸，增大孔隙之間的連通性;宏觀方面可解除近井傷害，溝通天然裂縫，形成新的流動(dòng)通道，改善儲(chǔ)層物性，對(duì)提高地?zé)峋a(chǎn)能、回灌能力、開發(fā)利用周期具有積極效果。

（3）表皮系數(shù)和產(chǎn)能系數(shù)可作為儲(chǔ)層改造潛力評(píng)價(jià)指標(biāo)，區(qū)域原始儲(chǔ)能系數(shù)越大，試井解釋產(chǎn)能系數(shù)越小，表皮系數(shù)越大的儲(chǔ)層，儲(chǔ)層可改造潛力越大。

（4）以北京城市副中心A井為例進(jìn)行酸化壓裂技術(shù)應(yīng)用，改造后地?zé)峋畣挝怀鏊刻岣吡?5.51%，產(chǎn)量系數(shù)較改造前提高了59.51%，近井傷害完全解除。

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