基于導流能力評價實驗的復合酸化壓裂技術

吳亞紅， 吳 虎， 王明星， 羅 垚， 房好青， 賈旭楠， 陳盼盼， 曹 耐

(1.中國石油大學(北京)石油工程教育部重點實驗室， 北京 102249； 2.新疆油田分公司工程技術研究院， 克拉瑪依 834099； 3.中國石化西北油田分公司工程技術研究院， 烏魯木齊 830011)

碳酸鹽巖儲層基質具有低滲特征，天然裂縫不發(fā)育，在其生產開發(fā)中，酸化壓裂增產應用廣泛。近年來，中國相繼開發(fā)了大量碳酸鹽巖油氣藏。隨著開采深度的增加，儲層滲透率逐漸降低，開發(fā)難度增大，單一的酸壓改造由于酸蝕縫長有限，已不能完全滿足開發(fā)要求，充分發(fā)揮各種單一開發(fā)技術的優(yōu)勢，實現(xiàn)復合高效開發(fā)是碳酸鹽巖儲層開發(fā)的必然趨勢，其所涉及問題也愈發(fā)復雜。復合酸化壓裂是指水力壓裂與酸攜砂復合壓裂施工的一種新型的碳酸鹽巖油氣藏改造的工藝措施[1-5]，由加砂支撐縫和酸蝕縫共同形成高導流能力的人工裂縫。該技術可避免單一增產技術的局限性，但由于應用尚不廣泛，且已應用效果不理想，對其增產效果影響因素的探究工作有待進一步展開?，F(xiàn)在前期大量實驗篩選的耐酸支撐劑、壓裂液和酸液類型基礎上[6-9]，開展水力加砂壓裂裂縫、酸化壓裂酸蝕縫、酸攜砂裂縫、水力壓裂與酸攜砂復合酸壓裂縫導流能力的室內實驗評價，通過短期導流能力對比分析，研究復合酸化壓裂裂縫導流能力的變化規(guī)律，對復合酸化壓裂新工藝技術的可行性進行探索。

1 復合酸壓技術增產機理

酸壓改造后，碳酸鹽巖儲層近井地帶有多條酸蝕裂縫形成，井壁附近應力隨之降低；水力壓裂和酸化壓裂形成的多條徑向裂縫不斷延伸，加入具有一定抗壓強度的支撐劑形成了多條支撐裂縫，不僅增加了井筒附近的泄油面積，而且儲層的滲透性能得到有效的改善，形成具有較高導流能力的較長裂縫。

在裂縫導流能力方面，對于裂縫擴展不受天然裂縫影響的地層，水力加砂壓裂能夠通過支撐劑充填形成高導流能力的裂縫，與酸化壓裂借助化學反應形成酸蝕導流能力裂縫相比，縫長和鋪砂濃度更容易控制。由于高溫碳酸鹽巖地層酸與巖石反應速度快，酸液很快變?yōu)闊o法反應的“廢液”，故酸化壓裂通常形成短縫，與水力加砂壓裂產生的長縫相比非常小，且受地層嵌入強度和有效應力的影響，裂縫導流能力損失更為嚴重，導致酸化壓裂裂縫的實際導流能力遠小于計算值。

影響復合酸化壓裂效果的兩個主要因素是裂縫長度和裂縫導流能力，地層滲透率對酸壓的潛在效益也有影響。復合酸化壓裂技術的特點主要有：①油層處理半徑大，泄油面積增加，增產效果好，有效期延長；②融合了酸化壓裂和水力壓裂的增產機理，既保持了高導流能力裂縫的物理增產機理，又保持了酸化壓裂熱化學增產機理；③兩種改造技術造縫機理的差異互補，大大提高了裂縫的長度和導流能力。通過大幅度降低井筒周圍的附加阻力，改變地層流體滲流狀況的方式，實現(xiàn)了提高油氣產量的目的。

2 實驗準備

實驗儀器主要有：HAAKE酸蝕導流儀(測量范圍為0～600 kN，精度為1%)，電子天平(測量范圍為0～320 g，精度為1 mg)，壓力變送器(準確度為0.075%)及恒溫水浴槽。

實驗試劑主要有工業(yè)鹽酸(31%)、交聯(lián)酸(交聯(lián)酸膠凝劑、交聯(lián)劑、高溫酸化緩蝕劑、助排劑、鐵離子穩(wěn)定劑、破乳劑、調理劑、膠囊破膠劑)和90 ℃配方的超級瓜膠壓裂液。

通過對油田現(xiàn)場常用不同規(guī)格的普通和樹脂覆膜支撐劑性能綜合實驗評價，優(yōu)選出耐酸好、破碎率低、導流能力較高的30/50 目中密度樹脂覆膜陶粒和高密度陶粒作為實驗所用支撐劑。選取塔里木盆地奧陶系碳酸鹽巖巖心(白云巖)制作標準巖板，如圖1所示。

圖1 實驗制作巖心板Fig.1 Core plate used experiment

3 實驗及結果分析

3.1 水力加砂壓裂裂縫對碳酸鹽巖導流能力的影響

采用碳酸鹽巖巖心板，鋪置濃度為5 kg/m2，實驗溫度為90 ℃，測試30/50 目高密度陶粒和中密度樹脂覆膜陶粒水力加砂壓裂裂縫的短期導流能力的變化規(guī)律，得到導流能力變化規(guī)律如圖2所示，測試后巖板如圖3所示。

圖2 水力壓裂支撐縫導流能力變化規(guī)律Fig.2 Flow conductivity variation of fracture formed by proppant-carrying hydraulic fracturing

圖3 水力壓裂測試后巖板Fig.3 Core plate after hydraulic fracturing

由圖2的高密度陶粒和中密度樹脂覆膜陶粒導流能力曲線分析可知，閉合壓力小于40 MPa時，高密度陶粒支撐縫的導流能力高于中密度樹脂覆膜陶粒的導流能力；閉合壓力大于40 MPa時，高密度陶粒支撐縫的導流能力低于中密度樹脂覆膜陶粒的導流能力，且隨閉合壓力增大，導流能力差值增大。當閉合壓力由40 MPa增加至70 MPa時，高密度陶粒導流能力下降幅度由60.96%增加至93.43%，中密度樹脂覆膜陶粒導流能力下降幅度由39.76%增加至65.13%，即高密度陶粒壓裂支撐縫導流能力下降幅度遠大于中密度樹脂覆膜陶粒。因此，在高閉合應力下，采用中密度樹脂覆膜陶粒有助于形成高導流能力裂縫。

水力壓裂測試后，電鏡下觀察到高密度陶粒比中密度樹脂覆膜陶粒的嵌入現(xiàn)象更明顯，如圖4所示。

圖4 測試后巖心板局部放大圖Fig.4 Enlarged image of partial core plate after measurement

因為支撐劑的嵌入和破碎主要發(fā)生在高閉合應力下，隨閉合應力的增加，支撐劑表面的樹脂膜對破碎的微粒包裹所起到的正面影響逐漸大于樹脂膜塑性變形造成的有效縫寬減小的負面影響[10]。所以，高密度陶粒壓裂支撐縫導流能力快速下降，中密度樹脂覆膜陶粒的導流能力隨著閉合應力的升高緩慢下降。

3.2 酸化壓裂酸蝕縫對碳酸鹽巖導流能力的影響

實驗采用碳酸鹽巖巖心板，地面交聯(lián)酸體系，API線性流，測試90 ℃下酸化壓裂酸蝕縫對碳酸鹽巖導流能力的變化規(guī)律，得到導流能力變化規(guī)律如圖5所示，酸化壓裂測試后巖板如圖6所示。

圖5 交聯(lián)酸酸蝕縫導流能力變化規(guī)律圖Fig.5 Flow conductivity variation of crosslinked acid-etched fractures

圖6 交聯(lián)酸酸蝕測試后巖板和局部掃描圖Fig.6 Core plate and the enlarged image of partial core plate after crosslinked acid-etched measurement

由圖5交聯(lián)酸酸蝕縫導流能力曲線可知，當閉合應力低于20 MPa時，酸蝕縫的導流能力比水力加砂壓裂裂縫的導流能力高很多；當高于20 MPa閉合應力時，隨著閉合應力的升高，酸蝕縫的導流能力迅速下降至低于水力壓裂支撐縫的導流能力；當閉合應力達到70 MPa時，酸蝕縫導流能力幾乎接近于零。這一現(xiàn)象與目前碳酸鹽巖油氣藏深井使用膠凝酸或交聯(lián)酸酸壓后出現(xiàn)的油氣產能迅速下降現(xiàn)象相吻合。

由圖6導流能力測試后巖心板可以看出，碳酸鹽巖巖心板與交聯(lián)酸反應后，形成了明顯的酸蝕裂縫，交聯(lián)酸對碳酸鹽巖有較好的造縫或擴縫作用。低閉合應力下酸蝕縫具有良好的導流能力[11-12]，隨著閉合應力的增加，酸蝕裂縫支撐面塌陷，導流能力越來越低。

3.3 酸攜砂裂縫對碳酸鹽巖導流能力的影響

實驗采用碳酸鹽巖巖心板，30/50 目中密度樹脂覆膜陶粒，鋪置濃度為5 kg/m2。測試90 ℃交聯(lián)酸攜砂壓裂裂縫的導流能力變化規(guī)律，得導流能力變化規(guī)律如圖7所示，測試后巖板如圖8所示。

圖7 酸攜砂壓裂裂縫導流能力變化規(guī)律Fig.7 Flow conductivity variation of fractures formed by proppant-carrying acid fracturing

圖8 酸攜砂裂縫導流能力測試后巖板Fig.8 Core plate of proppant-carrying acid fracture set after conductivity measurement

測試了2組酸攜砂裂縫的導流能力，觀察碳酸鹽巖巖心板出現(xiàn)的情況非常復雜。酸攜砂裂縫①的導流能力比較高，酸攜砂裂縫②導流能力在閉合壓力低于40 MPa時，比酸蝕縫、水力壓裂支撐縫的導流能力都要低，閉合應力由50 MPa增加至70 MPa時，比酸化壓裂酸蝕縫的導流能力高，在70 MPa閉合壓力時，導流能力高出6倍多，但始終比水力壓裂支撐縫的導流能力低。

觀察酸攜砂裂縫導流能力測試后的巖心板圖8可知，碳酸鹽巖巖心板表面情況非常復雜，沒有出現(xiàn)明顯的“蚯蚓縫”，嵌入嚴重。酸攜砂裂縫①的酸蝕縫非常雜亂，且背部出現(xiàn)了酸蝕縫；酸攜砂裂縫②在巖板的背部出現(xiàn)了穿孔。

由于兩組實驗是在同等條件下進行且實驗過程中沒有出現(xiàn)異常情況，分析認為：交聯(lián)酸破膠液反應形成的酸蝕縫和支撐劑在碳酸鹽巖巖心板中支撐形成的支撐縫不是簡單的相加。而巖板背面出現(xiàn)酸蝕裂縫的原因可能如下：①由于支撐劑的嵌入，在高壓狀態(tài)下酸液順著嵌入孔逐漸酸蝕滲入到巖板背面，而形成酸蝕裂縫；②由于存在微裂縫，酸液沿著天然裂縫流動并酸蝕反應形成巖板背面的酸蝕溝槽，使攜砂裂縫的導流能力出現(xiàn)了非規(guī)律性的變化[13]。

3.4 水力壓裂與酸攜砂復合酸壓形成裂縫對碳酸鹽巖導流能力的影響

實驗采用碳酸鹽巖巖心板，地面交聯(lián)酸體系、超級瓜膠壓裂液基液，中密度30/50 目樹脂覆膜陶粒，鋪置濃度為5 kg/m2，測試90 ℃條件下水力壓裂與酸攜砂復合酸壓形成裂縫對碳酸鹽巖導流能力的變化規(guī)律，導流能力變化規(guī)律如圖9所示，測試后巖板如圖10所示。

圖9 水力壓裂與酸攜砂復合酸壓導流能力變化規(guī)律圖Fig.9 Flow conductivity variation of composite acid fracturing combined hydraulic and acid fracturing with proppant

圖10 水力壓裂與酸攜砂復合酸壓導流能力測試后巖心板Fig.10 Core plate of composite acid fracturing combined hydraulic and acid fracturing with proppant after conductivity measurement

由圖9水力壓裂與酸攜砂復合酸壓導流能力曲線可知，無論在低閉合應力還是高閉合應力下，水力壓裂與酸攜砂復合酸壓形成裂縫的導流能力均低于水力壓裂支撐縫和酸攜砂裂縫的導流能力。與酸蝕縫相比，水力壓裂與酸攜砂復合酸壓裂縫的導流能力在閉合壓力低于40 MPa閉合應力時低于酸蝕縫，而在閉合壓力高于40 MPa時比酸蝕縫高。

由圖10可知，類似于酸攜砂裂縫實驗，水力壓裂與酸攜砂復合酸壓后的巖心板背部也出現(xiàn)了意外的酸蝕縫，而巖心板正面卻沒有出現(xiàn)明顯的“蚯蚓縫”，樹脂覆膜陶粒表面的表面明顯可見片狀的壓裂液前置液在巖心板中部分濾失后形成的濾餅。雖然水力壓裂前置液的降濾失作用有利于造長縫，但壓裂液破膠后形成的殘渣會對復合酸壓裂縫形成阻塞，降低復合酸壓裂縫的導流能力。由于樹脂覆膜陶粒具有較高的化學穩(wěn)定性，因此酸不會對支撐縫的導流能力造成傷害，但酸蝕反應生成的大量酸蝕碎屑會對樹脂覆膜陶粒支撐縫形成一定程度的堵塞，降低其導流能力。

4 現(xiàn)場應用效果分析

4.1 復合酸化壓裂技術方案優(yōu)選

(1)根據(jù)錄井及地震資料，目的層上下50 m無水層，可形成深穿透的填砂裂縫，達到深部酸壓并提高產能的目的。

(2)該技術采用凍膠酸體系，其緩交聯(lián)性能可控特點，在120 ℃、170 s-1條件下剪切30 min能夠保持在100 mPa·s以上(整個升溫過程剪切70 min，能夠達到100 mPa·s以上)，完全可以達到碳酸鹽巖儲層中-低砂比攜砂壓裂施工的目的。采用前置液+凍膠酸攜砂+閉合酸處理方式造縫延伸程度大，導流能力持續(xù)時間長，可提高壓后產能和生產時間。

(3)優(yōu)選40/60 目小粒徑支撐劑，加砂壓裂應控制最高砂比為16%～20%，平均砂液比控制在12%左右，施工過程中可根據(jù)壓力變化情況進行適當調整。

4.2 復合酸化壓裂施工井效果分析

現(xiàn)場進行了4口井的復合酸化壓裂施工，均按照設計順利完成，施工成功率100%，增產效果良好，施工參數(shù)和壓后效果如表1所示。A和B井壓后效果非常好，B井油氣產量穩(wěn)產四年至今。四口井破裂壓力明顯，油套壓于正擠前置液階段緩慢增加，主裂縫延伸；隨后泵壓多處呈直線下降趨勢，裂縫延伸，表明正擠凍膠期儲層微裂縫發(fā)育，滲透性好，壓力擴散較快；隨著排量的不斷提升，裂縫處于穩(wěn)定延伸，油壓趨于平穩(wěn)。正擠凍膠酸后套壓緩慢下降，表明凍膠酸進入地層后刻蝕裂縫壁面，一定程度上造成濾失速度增加。

表1 現(xiàn)場4口井復合酸壓的施工參數(shù)及效果

高擠變黏酸階段，泵壓有一定下降，人工裂縫壁面產生不均勻刻蝕作用，沿人工裂縫壁面?zhèn)认驕贤藘w，擴大了近井儲層滲流面積。正擠凍膠酸攜砂階段，油壓和套壓波動較大，隨著攜砂液進入地層后，油壓大幅度下降，裂縫向前延伸，加入陶粒起到很好的支撐作用，建立了人工酸蝕的支撐裂縫，能夠溝通井筒周圍的儲集體。

D井壓后進行了裂縫監(jiān)測，裂縫長度188.9 m垂直高度66.1 m，形成了一定長度的支撐裂縫。從施工曲線看，施工壓力較為平穩(wěn)，沒有明顯溝通大型縫洞的顯示。由于近井地帶油氣顯示、儲層發(fā)育一般，未能溝通有效儲集體，表明本井井筒周圍儲集體不發(fā)育，壓后增產幅度較小。

5 結論

(1)高閉合壓力下，中密度樹脂覆膜陶粒的導流能力要好于高密度陶粒的導流能力。隨閉合壓力的增大，水力加砂壓裂裂縫、酸蝕裂縫、酸攜砂裂縫、水力壓裂與酸攜砂復合酸壓裂縫的導流能力都呈明顯下降趨勢，且酸蝕裂縫的導流能力下降幅度最大。

(2)水力壓裂與酸攜砂復合酸壓裂縫的導流能力始終比水力壓裂裂縫、酸蝕縫和加砂酸壓裂縫的導流能力要低，但是下降的幅度最?。辉陂]合壓力大于40 MPa時，導流能力高于酸蝕縫。

(3)酸攜砂裂縫和水力壓裂與酸攜砂復合酸壓形成裂縫的導流能力測試后，巖心板的背部出現(xiàn)了意外的酸蝕縫通道，原因可能是由于支撐劑的嵌入或存在天然裂縫增加了酸蝕的通道，加砂酸壓裂縫的導流能力出現(xiàn)了非規(guī)律性的變化，增加了加砂酸壓裂縫形成的復雜性。

(4)復合酸化壓裂的工藝技術適合近井地帶縫洞不發(fā)育的孔隙-裂縫型儲層，錄井油跡或油斑顯示，目的層上下50 m范圍內沒有水層的井段施工。

(5)復合酸化壓裂技術采用凍膠酸體系具有高黏度、攜砂能力好、緩交聯(lián)性能可控等特點，可以實現(xiàn)中-低砂比攜砂壓裂施工，造縫延伸程度大，導流能力持續(xù)時間長，可提高碳酸鹽巖儲層改造的有效率。

由于此次探索性實驗巖板背面出現(xiàn)了復雜的酸蝕裂縫，因此還需要深入研究加砂酸蝕裂縫的反應機理，這將對碳酸鹽巖地層復合酸化壓裂改造工藝技術具有更強的理論指導意義。