深井高破裂深層低腐蝕性加重酸應用研究——以元壩區(qū)塊為例

王明貴 王 萍 李 暉 陳飛宇 馮 郭

(中國石化集團西南石油局井下作業(yè)公司)

深井高破裂深層低腐蝕性加重酸應用研究
——以元壩區(qū)塊為例

王明貴 王 萍 李 暉 陳飛宇 馮 郭

(中國石化集團西南石油局井下作業(yè)公司)

針對元壩區(qū)塊部分異常高破裂壓力深層采用現(xiàn)有的裝備和常規(guī)工藝難以實施改造作業(yè)的現(xiàn)狀，通過酸液類型優(yōu)選、酸濃度優(yōu)化，緩蝕機理分析和加重劑、緩蝕劑等優(yōu)選和配方優(yōu)化，研究出了適合于該區(qū)塊砂巖和碳酸鹽巖高破裂深層低腐蝕性加重酸液體系，酸液密度達1.8g/cm3以上，160℃高溫下動態(tài)腐蝕速率小于30g/(m2.h)，現(xiàn)場應用取得了明顯效果。圖2表7參7

深井 高破裂壓力 預處理措施 加重酸化 低腐蝕

0 引言

深井油氣藏開發(fā)一直是世界級難題，而地層破裂壓力超高又是深層油氣藏實施加砂壓裂或酸壓改造最大的瓶頸性難題之一。深井高破裂壓力層施工往往致使井口壓力超過地面泵注設備的承壓能力，增大儲層改造施工作業(yè)難度和風險。對這類埋深大、破裂壓力高的油氣深井實施加砂壓裂或酸壓改造前，一般都需要采用適當?shù)墓に嚰夹g措施來盡可能釋放井壁的應力集中而降低地層的破裂壓力，為后續(xù)的儲層改造作業(yè)創(chuàng)造條件。目前常采用的優(yōu)化射孔、水力噴砂射孔、氣體推進成縫、超正壓射孔及小型酸化等常規(guī)預處理措施，在深井應用效果都不好。為此，國內(nèi)外還采用了液體火藥燃爆作為預處理措施，并取得了較好的預處理效果，但該工藝對套管破壞大、易誘導井下作業(yè)事故。加重酸化是國內(nèi)外針對深井、超深井高破裂儲層改造一種有效預處理措施，具有操作簡單、安全和加重能力強的特點，但酸液腐蝕強、尤其是高溫條件下加重酸液腐蝕性極強，遠超過使用安全的要求，致使其在高溫深井應用受限。

1 元壩區(qū)塊深層工程地質特征

元壩區(qū)塊是中國石化天然氣重點勘探區(qū)塊，其天然氣資源量達1.77×1012m3，占川東北地區(qū)4個勘探區(qū)塊的40%以上，并在多口井獲得了中高產(chǎn)工業(yè)氣流，展示了很好的勘探開發(fā)前景。區(qū)塊主要顯示層為陸相須家河組、自流井組及海相長興組和飛仙關組氣藏，儲層具有高溫(90℃ ～156℃)、高壓(70MPa～120MPa)、埋藏深(4160m～7200m)及巖性致密(孔隙度2% ～7%、滲透率0.014mD～3.019mD等特點，儲層破裂壓力高(＞2.55MPa/100m)、閉合壓力高(＞2.48MPa/100m)，酸化施工壓力高(通常大于90MPa)、排量低(2m3/min±)，施工難度非常大，部分井在現(xiàn)有作業(yè)裝備條件下不能壓開地層，如YB3井和YB11井棲霞組在井口限壓95MPa、井底壓力大于172MPa條件下都沒壓開地層;YB3井雷口坡組在井口泵壓95 MPa、井底壓力大于149MPa條件也沒有壓開地層;此外，YB1井長興組進采用密度達1.8g/cm3加重壓裂液 +膠凝酸進行施工，在井口泵壓達93.5MPa，井底壓力超過212MPa情況下也未壓開地層。深井高施工泵壓問題極大地影響了元壩區(qū)塊深井、超深井的勘探開發(fā)進程。

2 加重酸液國內(nèi)外研究應用現(xiàn)狀

針對深井超深井高破裂儲層的改造，國內(nèi)外都不僅采用過加重酸化技術進行預處理，還采用了加重壓裂液進行過試破作業(yè)，但由于加重壓裂液對近井泥漿污染帶沒有溶蝕能力而應用效果不理想。加重酸化技術通過提高酸液密度增加井筒液柱壓力降低井口施工泵壓，同時通過酸液對近井地帶鉆完井污染物的溶蝕作用實現(xiàn)酸化解堵，恢復近井地帶的孔滲性，進一步降低井口施工壓力，從而達到解決深井超深井異常高破裂壓力儲層利用目前的技術與裝備施工無法進行儲層酸化增產(chǎn)措施作業(yè)面臨的難題。

目前，國外主要在室內(nèi)開展加重酸進行研究，分析了酸液濃度、鋼片類型、緩蝕劑等對加重酸腐蝕性的影響，并分別研制出加重能力較好和耐溫能力較好的2種加重酸液:①密度為1.74g/cm3，按國外酸化腐蝕指標要求，只能在93℃以下進行短時間(約50min)施工;②密度為1.29g/cm3，可在110℃以內(nèi)進行短時間(約40min)施工［1］。

表1 國外兩類主要加重酸腐蝕性性能指標

國內(nèi)塔里木油田和中國石化西南油氣田公司都研制出密度達1.4 g/cm3加重酸，其中，塔里木油田在柯深101井、柯深102井、羊屋2井等6口井的碳酸鹽巖層進行了加重酸化(配方1、配方2)作業(yè)，其中4口井獲得高產(chǎn)油氣［2］;中國石化西南油氣田公司在川高561井T3x2(4921m～4943.9m)砂巖氣藏進行了加重酸化(配方3)試破作業(yè)，但在井口壓力達92MPa(限壓)、井底壓力達160MPa左右仍未能壓開地層［3］(表2)。

可見，國內(nèi)外對加重酸研究存在密度、腐蝕性與使用溫度難以兼顧的問題:當增大酸液密度后，不僅酸濃度偏低，更大的問題是酸液腐蝕性難以控制;而如果想提高加重酸的使用溫度，又必須降低加重酸的密度，損失加重效果，兩種情況均難達到有效對高破裂儲層進行預處理的目的。

表2 國內(nèi)加重酸液主要性能評價結果

3 深井低腐蝕性加重酸液優(yōu)化研究

3.1 加重酸酸液配方優(yōu)化方法

根據(jù)加重酸液作為預處理措施主要作用，加重酸液優(yōu)化一需要優(yōu)選合適的酸液，以有效溶蝕近井地帶堵塞物;二應優(yōu)選合適的加重劑、緩蝕劑，降低酸液的腐蝕性。

3.2 加重酸酸液類型和濃度的確定

根據(jù)酸液濃度對腐蝕性影響研究(圖1)，及儲層巖性、滲透率、粘土含量和溫度壓力等地質特征、工藝要求，并合國內(nèi)外砂巖、碳酸鹽巖基質酸化推薦方案［5］，選擇12%HCl+3%HF的常規(guī)土酸作砂巖加重酸酸液，選用15% ～20%的鹽酸體系作為加重酸酸液。

3.3 添加劑優(yōu)選

(1)加重劑的優(yōu)選

加重劑是加重酸液單劑優(yōu)選最重要內(nèi)容之一。根據(jù)室內(nèi)評價結果，常溫條件下當鹽酸濃度為15%-20%時，采用氯化鈉、氯化鈣加重，加重后密度在1.11 g/cm3～1.31 g/cm3之間。

以加重劑溶解性和加重能力，優(yōu)選出了M、N兩種加重劑和M/N混合加重劑，當鹽酸濃度為10% ～20%時，加重酸密度達1.42 g/cm3～2.18 g/cm3之間，加重劑加重能力強，并且酸液密度連續(xù)可調(表3)。

根據(jù)表4腐蝕性評價結果，3種加重法加重后的酸液腐蝕性都較弱，但N和M/N加重后酸液在相同條件腐蝕性更低，優(yōu)選N及M/N混合物作為加重劑。

(2)緩蝕劑的優(yōu)選

根據(jù)酸液緩蝕機理，凡是影響覆蓋面積大小、吸附難易程度的因素都會對緩蝕效果產(chǎn)生影響，緩蝕劑是否在保持期、用量是否充足都會影響酸液腐蝕性。此外，為降低其它添加劑對緩蝕劑性能的影響，盡可能少使用添加劑種類和用量。

圖1 鹽酸濃度對酸液腐蝕性影響評價曲線(靜態(tài)、90℃、N80 鋼片)

表3 不同加重劑的加重酸密度與鹽酸濃度關系實測結果表

表4 加重劑(靜態(tài)、90℃，N80鋼片)腐蝕性評價結果

對川東北常用的幾種緩蝕劑、緩蝕增效劑組合進行了評價，其中，BA1-11緩蝕劑沒相應的增效劑，難以抑制酸液對鋼材的腐蝕性，緩蝕劑WD-11與增效劑WDZ-2組合，緩蝕效果最好，而緩蝕劑WID31A與增效劑WLD31B組合緩蝕效果其次(表5)。

表5 幾種常用緩蝕劑及其增效劑高溫動態(tài)緩蝕性能

(3)鐵離子穩(wěn)定劑的優(yōu)選

鐵離子穩(wěn)定劑可防止氫氧化鐵沉淀的產(chǎn)生，對幾種常用鐵離子穩(wěn)定劑進行了評價，結果表明WLD28穩(wěn)定鐵離子能力最好，WD-8穩(wěn)定鐵離子能力其次，分別達112.5 mg/ml和93.75 mg/ml。

(4)助排劑的優(yōu)選

加快酸液返排是降低酸液對井下管柱腐蝕的重要舉措，根據(jù)對幾種常用的助排劑測試結果表明，WLD27和WD-12的降低毛細管力能力最好，1.0%加量的值分別只有25.6和28.2。

3.4 酸液配方確定

根據(jù)以上分析和室內(nèi)評價結果初步確定酸液配方如下，其中加重劑為M、N或其混合物:

酸液配方1(砂巖加重酸液):12%HCl+3%HF+4%WD-11+1%WDZ-2+1.5%WD-8+1.0%WD-12+加重劑。

酸液配方2(碳酸鹽巖加重酸):鹽酸+3.5%WLD31A+2%WLD31B+1.5%WLD-28A+(0.5～1.0)%WLD-27+加重劑;

酸液配方3(碳酸鹽巖加重酸):鹽酸+4%WD-11+1%WDZ-2+1.5%WD-8+(0.5～1.0)%WD-12+加重劑。

其中，助排劑加量對酸液腐蝕性有較大的影響，根據(jù)地層壓力系數(shù)盡量降低用量。

3.5 酸液整體性能評價

(1)酸液放置穩(wěn)定性評價

從放置穩(wěn)定性來看，3個加重酸配方在室內(nèi)放置8天都沒有明顯分層或沉淀現(xiàn)象，但采用M加重的酸液表面會出現(xiàn)油狀物和泡沫，推薦采用N或M/N的混合物加重。

(2)酸液腐蝕性評價

模擬元壩深層地層溫度條件，在130℃、160℃下評價了配方的腐蝕性。根據(jù)實驗結果(表6)，3個加重酸液酸方在130℃ ～160℃時的腐蝕性小于30 g/(m2h)，加重酸腐蝕性較弱。

(3)酸液溶蝕能力評價

對3個配方加重酸的溶蝕能力進行了評價，從實驗結果來看(表7)，采用加重劑N加重的配方，對砂巖的溶蝕率較低，而采用M/N混合加重配方對砂巖的溶蝕率與常規(guī)土酸相當。對于碳酸鹽巖加重酸，不論是采用M/N混合加重還是采用N加重，其溶蝕率都在86.5%以上，溶蝕能力基本不受影響。

泥漿溶蝕實驗表明，3個配方對泥漿的溶蝕率在10%左右，溶蝕能力較強。

表6 加重(酸)液腐蝕性評價

表7 加重酸液體系的溶蝕性評價

以上評價結果表明，優(yōu)選出的酸液配方加重酸加重能力強、腐蝕性低并對巖心和泥漿有較好的溶蝕能力，綜合性能好。其中，針對砂巖的加重酸液配方，應采用M/N混合加重劑加重;針對碳酸鹽巖加重酸可以采用N或M/N加重。

4 現(xiàn)場試驗

4.1 施工情況

YB2-X井為一口預探井，2010年1月至3月先后對該井須家河組二段4600m-4640m實施了4次試擠施工(最高施工壓力達98MPa)，一次連續(xù)油管沖砂、一次替酸解堵和一次加砂壓裂施工。2010年4月19日在1.98g/cm3密度泥漿下連續(xù)兩次試擠至80MPa未能取得明顯的效果。根據(jù)試擠情況，該層破裂壓力梯度達3.71MPa/100m，延伸壓力梯度達3.0MPa/100m，為順利壓開儲層，設計加重酸液密度為1.85g/cm3。

加重酸施工工藝:加重酸(40m3)→膠凝酸(60m3)→土酸(100m3)。酸化施工壓力80 MPa～93MPa，施工排量1.0 m3/min ～2.4m3/min，伴注液氮25m3。

4.2 施工效果

根據(jù)酸化施工數(shù)據(jù)分析，地層破裂壓力163.2MPa，破裂壓力梯度0.0360MPa/m，后期施工排量達2.4m3/min，酸化吸酸指數(shù)最大達19.38L/min，說明加重酸化后壓開了地層，，吸酸指數(shù)見圖2，在酸化后期可能是由于氟化硅沉淀等原因，吸酸指數(shù)有所下降。

圖2 YB2-X井酸化吸酸指數(shù)圖

5 結論

(1)根據(jù)儲層工程地質特征和降低酸液腐蝕機理分析，在酸液類型優(yōu)選、酸液濃度優(yōu)化及加重劑優(yōu)選的基礎上，分別優(yōu)選了針對砂巖、碳酸鹽巖儲層具有加重能力強(密度可達1.80g/cm3～2.18g/cm3以上)、高溫條件下腐蝕性低(160℃條件下動態(tài)腐蝕速率＜30g/m2h)、放置穩(wěn)定性好(室溫放置8天不分層、不沉淀)、溶蝕能力好的加重酸體系。

(2)國內(nèi)塔里木油田和川東北元壩YB2-X井應用表明，采用加重酸化技術可有效對深井超高破裂壓力儲層進行預處理，可取得較好的增產(chǎn)效果。高密度低腐蝕性加重酸室內(nèi)研究和現(xiàn)場應用成功對于國內(nèi)外深層尤其是異常高破裂層開發(fā)開采具有重要意義。

1 Mke J Boles，k E lant，Understanding Corrosivity of Weighted Acids.SPE 93271.SPE International Symposium on Oilfield Chemistry，2-4 February 2005，The Woodlands，Texas.

2 Donald G Hill，Henk Romijn.Reduction of Risk to the Marine Environment From Oilfield Chemicals ? Environmentally Improved Acid Corrosion Inhibition for Well Stimulation.Paper Number 00342 CORROSION 2000，March?26-31，2000，Orlando，F(xiàn)l.

3 Nantelle P Kemp Mutual Solubility of Salts in Drilling and Completion Fluids.［J］.SPE 16688，Journal SPE Drilling Engineering:1990，(5)1:21-26.

4 張福樣，范永洪，彰建新，等，塔里木異常高壓深井酸化壓裂液體加重技術研究與應用［A］.2004油氣藏改造技術新進展［M］.北京:石油工業(yè)出版社，2004.

5 李剛，郭新江，陳海龍，等.高密度酸加重酸化技術在川西深井異常高壓氣層增產(chǎn)中的應用［J］.礦物巖石，2006，26(4):P105-110.

6 王新純主編.井下作業(yè)施工工藝技術［M］.北京:石油工業(yè)出版社，2005.

7 丁云宏主編.難動用儲量開發(fā)壓裂酸化技術［M］，北京:石油工業(yè)出版社，2005.

APPLICATION OF WEIGHTED ACID WITH LOW CORROSIVITY IN DEEP ZONE WITH HIGH FRACTURING PRESSURE:TO YUANBA BLOCK

WANG Minggui，WANG Ping，LI Hui，CHEN Feiyu and FENG Guo(Downhole Service Company ，Sinopec Southwest Petroleum Bureau).

With existing equipments and conventional technologies，it is difficult to accomplish a reconstruction in deep zone with abnormally high fracturing pressure in Yuanba block.Therefore，through optimization of acid fluid type and acid concentration，corrosion mechanism analysis，optimization of weighting agent and corrosion inhibitor，this paper develops a weighted-acid fluid system with low corrosivity for deep zone with high fracturing pressure of sandstones and carbonates in the block.Acid density is above 1.8g/m3，dynamic corrosion rate at 160℃ is below 30g/(m2.h).An obvious effect has been achieved in field application.

deep well，high fracturing pressure，pretreatment，weighted acidizing，low corrosivity

王明貴，男，1976年出生，廣西全州人，工程師;主要從事儲層改造工藝技術研究。地址:(618000)四川省德陽市金沙江西路699號西南石油局井下作業(yè)公司。電話:(0838)2607007。E-mail:cszx_lab@163.com

NATURALGAS EXPLORATION＆DEVELOPMENT.v.34，no.3，pp.62-65，7/25/2011

(修改回稿日期 2011-09-28 編輯 景岷雪)