致密碳酸鹽巖水平井分段酸壓工藝技術(shù)*

張永春 何 青 陳付虎 王遷偉

（中國石化華北分公司工程技術(shù)研究院）

致密碳酸鹽巖水平井分段酸壓工藝技術(shù)*

張永春 何 青 陳付虎 王遷偉

（中國石化華北分公司工程技術(shù)研究院）

針對(duì)大牛地氣田下古生界低滲致密碳酸鹽巖氣藏儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)、微裂縫發(fā)育、酸液濾失嚴(yán)重和直井酸壓改造難以有效建產(chǎn)等問題，采用水平井裸眼完井、管外封隔分段壓裂工具實(shí)施分段，并對(duì)孔隙型和裂縫－孔隙型儲(chǔ)層分別優(yōu)選低濾失的膠凝酸和黏彈性清潔轉(zhuǎn)向酸或交聯(lián)酸酸液體系進(jìn)行分段酸壓改造，從而降低了酸壓施工風(fēng)險(xiǎn)，取得了顯著的酸壓增產(chǎn)效果，實(shí)現(xiàn)了該氣田致密低滲碳酸鹽巖氣藏的經(jīng)濟(jì)有效開發(fā)，也為其它致密碳酸鹽巖儲(chǔ)層水平井的勘探開發(fā)提供了借鑒，值得推廣應(yīng)用。但鑒于水平井裸眼井段長(zhǎng)、裂縫發(fā)育、酸液濾失量大、酸蝕裂縫短等問題，建議結(jié)合碳酸鹽巖儲(chǔ)層特征嘗試采用套管固井來實(shí)施水平井的多級(jí)分段酸壓改造。圖2表1參5

碳酸鹽巖 致密低滲 水平井 分段酸壓 多級(jí)管外封隔器 轉(zhuǎn)向酸交聯(lián)酸

0 引言

鄂爾多斯盆地是我國大型疊合含油氣盆地之一，也是我國天然氣儲(chǔ)、產(chǎn)量最大的盆地之一，大牛地氣田下古生界奧陶系風(fēng)化殼碳酸鹽巖儲(chǔ)氣層是鄂爾多斯盆地北部主要的后備氣層之一，資源量達(dá)650×1012m3。該氣田屬低孔、低滲氣藏，且儲(chǔ)層非均質(zhì)性較強(qiáng)、微裂縫發(fā)育，前期采用直井酸壓改造未取得理想的效果。隨著勘探開發(fā)的深入，調(diào)整了開發(fā)方式，采用了水平井進(jìn)行開發(fā)試驗(yàn)。通過采用裸眼完井、管外封隔分段壓裂工具實(shí)施分段，并針對(duì)孔隙型與裂縫－孔隙型儲(chǔ)層分別優(yōu)選膠凝酸、黏彈性清潔轉(zhuǎn)向酸或交聯(lián)酸酸液體系進(jìn)行的酸壓改造方式，擴(kuò)大了改造體積，提高了酸蝕裂縫導(dǎo)流能力，分段酸壓增產(chǎn)效果良好。

1 大牛地氣田下古生界碳酸鹽巖勘探開發(fā)現(xiàn)狀

大牛地氣田下古生界儲(chǔ)層巖性以白云巖為主，埋深3000～3600 m，中部深度3300 m左右，地層溫度90～120℃，地層壓力系數(shù)一般為0.83～0.96 MPa／100 m，水平最小主應(yīng)力方向?yàn)镹E45°左右，應(yīng)力梯度＞1.8 MPa／100 m?？紫抖确植挤秶鸀?.58%～14%，平均值4.3%，主要分布區(qū)間2%～8%，滲透率分布范圍為0.0105～5.89 mD，平均值0.46 mD，主要分布區(qū)間為0.02～0.64 mD，表明儲(chǔ)層為低孔、低滲致密儲(chǔ)層。

2011年以前，在大牛地氣田針對(duì)下古生界碳酸鹽巖儲(chǔ)層開展了90多井次的直井酸壓施工，主要采用了普通酸壓、前置酸壓、多級(jí)交替注入酸壓、閉合酸壓、多級(jí)注入閉合酸壓等酸壓工藝，酸壓后天然氣無阻流量最高達(dá)5.15×104m3／d，但達(dá)到工業(yè)氣流的井?dāng)?shù)較少，只有14層次，占總層數(shù)的15.6%?？偨Y(jié)分析主要存在以下問題：

（1）酸液濾失嚴(yán)重，實(shí)現(xiàn)深度酸壓困難

儲(chǔ)層非均質(zhì)性較強(qiáng)、微裂縫發(fā)育。對(duì)馬五5儲(chǔ)層進(jìn)行掃描電鏡分析，結(jié)果為裂縫－孔隙性儲(chǔ)層，巖心發(fā)育充填、半充填、未充填等各種類型裂縫，導(dǎo)致酸壓施工過程中酸液濾失較為嚴(yán)重，酸蝕造縫距離短，酸壓改造程度低，改造效果差，實(shí)現(xiàn)深度酸壓困難。

（2）直井酸壓難以建產(chǎn)，需要水平井分段酸壓提高單井產(chǎn)量

直井酸壓改造解放儲(chǔ)層體積有限，難以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)有效的建產(chǎn)。需通過水平井來提高儲(chǔ)層裂縫鉆遇率，并通過多級(jí)分段和長(zhǎng)距離的酸蝕改造才能獲得多條高導(dǎo)流能力的酸蝕裂縫，擴(kuò)大儲(chǔ)層改造體積，增大單井控制的天然氣儲(chǔ)量和供氣范圍，從而提高單井產(chǎn)量。

2 水平井分段酸壓工藝技術(shù)

在借鑒國內(nèi)外低滲透水平井應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和中國石

化華北分公司水平井分段工藝實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用相對(duì)成熟的水平井改造工藝技術(shù)—多級(jí)管外封隔器分段酸壓工藝進(jìn)行儲(chǔ)層改造。

2.1 分段酸壓工藝

（1）水平井分段工藝

水平井多級(jí)管外封隔器分段酸壓工藝是通過裸眼封隔器和滑套開關(guān)實(shí)現(xiàn)多段分段酸壓，工具和完井管柱一體下入，通過投入大小不同的球，控制各級(jí)滑套打開，實(shí)現(xiàn)一次改造多段。分段酸壓完成后，開井返排殘酸液后即可投產(chǎn)（圖1）。該工藝工具質(zhì)量可靠耐酸腐蝕，適應(yīng)不同的井身結(jié)構(gòu)，滑套打開可靠；采用低密度樹脂球，有利于酸壓后殘酸液的返排，強(qiáng)度和密封性能合格，承壓形變小；可大排量泵注施工，提高儲(chǔ)層的改造強(qiáng)度［1－2］。采用油管進(jìn)行泵注施工，具有15段的分級(jí)能力。

圖1 多級(jí)管外封隔分段酸壓工藝示意圖

（2）酸壓施工工藝

由于采用多級(jí)管外封隔器進(jìn)行投球分段，考慮現(xiàn)場(chǎng)施工的可操作性和施工成功率，酸壓施工工藝每段都采用簡(jiǎn)單的普通酸壓技術(shù)。在分段酸壓施工中，既不加砂也不使用前置液，避免了施工中出現(xiàn)泵注壓力高、砂堵、投球轉(zhuǎn)層不成功等復(fù)雜情況，保證現(xiàn)場(chǎng)分段酸壓施工的成功。

（3）助排工藝

大牛地氣田下古生界低滲致密碳酸鹽巖儲(chǔ)藏具有低滲、低壓、低豐度的特點(diǎn)，酸壓改造后，殘酸返排困難，因此采用液氮伴注提高壓后返排效果。液氮伴注不僅能起到增能助排的作用，而且能有效降低濾失。對(duì)于液氮的伴注方式經(jīng)過優(yōu)化采用全程伴注液氮，與酸液的比例為4%～6%。

2.2 儲(chǔ)層濾失特征與選擇的酸液體系

（1）儲(chǔ)層酸液濾失特征

大牛地氣田下古生界碳酸鹽巖儲(chǔ)層馬五段前期的含油氣顯示及測(cè)試成果表明，該氣田下古生界奧陶系風(fēng)化殼自上而下可劃分出馬五1—馬五5五個(gè)亞段，儲(chǔ)集層主要包括兩套含氣層系：①基質(zhì)孔隙性白云巖儲(chǔ)層，通過鏡下觀察，巖石類型以微－粉晶白云巖和粉—細(xì)晶白云巖為主的孔隙性白云巖儲(chǔ)層，主要包括馬五1、馬五2和馬五4段，儲(chǔ)集體主要發(fā)育在潮間云坪和潮上云坪沉積相帶中；②儲(chǔ)層為裂縫－孔隙型的黑色灰?guī)r（灰?guī)r部分白云石化）儲(chǔ)層，鏡下觀察以泥微晶灰?guī)r、粉晶白云石化形成的白云巖或白云巖化灰?guī)r為主的裂縫－孔隙性黑色灰?guī)r儲(chǔ)層，儲(chǔ)集體主要為潮下沉積相，主要為馬五5段。

兩種不同類型的儲(chǔ)層，其基本儲(chǔ)集空間和滲濾通道存在的較大差異，會(huì)造成酸液濾失機(jī)理的差異，因此針對(duì)不同酸液濾失特征的儲(chǔ)層，酸液體系的選擇也存在一定的差異。

大量室內(nèi)巖心濾失實(shí)驗(yàn)表明，致密孔隙性白云巖巖樣，在酸壓改造過程中，酸液對(duì)巖心壁面的溶蝕以密集型溶蝕為主，酸巖反應(yīng)難以形成酸蝕蚓孔，酸液的濾失較小，因此，對(duì)該層段實(shí)施酸壓改造時(shí)，酸液的濾失不是酸液優(yōu)選需要重點(diǎn)考慮的問題。而對(duì)于裂縫－孔隙性的黑色灰?guī)r儲(chǔ)層，若天然裂縫未充填或部分充填，則酸液濾失受天然裂縫的開度、充填程度、酸蝕裂縫的穿透深度以及溝通其它天然裂縫的幾率所控制，濾失量相對(duì)較大。酸壓設(shè)計(jì)的重點(diǎn)為：減少酸液濾失和降低酸巖反映速率。

（2）酸液體系的選擇

根據(jù)儲(chǔ)層酸液濾失特征研究，對(duì)于致密孔隙性白云巖儲(chǔ)層宜采用膠凝酸酸液體系。膠凝酸利用膠凝劑的增黏能力，使酸液體系具有較好的抗剪切和耐溫度性能，從而降低酸巖反應(yīng)速度和液體濾失速度，并有效降低泵注摩阻和泵注壓力，從而降低施工作業(yè)難度，并實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層的深度酸壓改造。

膠凝酸最佳黏度一般在30～50 mPa·s左右，殘酸返排黏度一般應(yīng)在5～10 mPa·s之間，膠凝酸具有一定的降濾失作用，對(duì)裂縫發(fā)育地層，可造出較長(zhǎng)的酸蝕裂縫。且膠凝酸摩阻較?。ㄒ话銥榍逅?0%～40%），為提高排量創(chuàng)造了條件。

對(duì)于裂縫－孔隙型的黑色灰?guī)r儲(chǔ)層而言，宜采用黏彈性清潔轉(zhuǎn)向酸或交聯(lián)酸體系。黏彈性清潔轉(zhuǎn)向酸是采用表面活性劑材料在酸性環(huán)境下實(shí)現(xiàn)交聯(lián)，隨著酸液與巖石有效成分的反應(yīng)，酸液的pH升高，一般pH升高至2～5左右時(shí)，出現(xiàn)峰值黏度大約150～300 mPa·s（170 s－1），隨著pH的進(jìn)一步升高，黏度逐漸降低，殘酸黏度可以降到10 mPa·s以內(nèi)。由于該酸液體系沒有固相聚合物或最大限度降低了固相聚合物，因此具有較低的儲(chǔ)層傷害率。同時(shí)隨著酸巖

反應(yīng)的進(jìn)行和pH值的不斷升高，酸液黏度不斷增加。由于酸液黏度很高，能有效降低酸液在高滲帶的濾失而讓新鮮的活性酸轉(zhuǎn)向滲流到低滲帶，對(duì)低滲帶巖石進(jìn)行溶蝕改造，從而增加酸蝕裂縫長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層的深度改造。交聯(lián)酸的初始黏度僅有30 mPa·s，當(dāng)它進(jìn)入地層后由于Fe3＋的交聯(lián)作用使其黏度大幅度提高到約1000 mPa·s，能有效地阻止酸液向孔洞和天然裂縫內(nèi)濾失，從而轉(zhuǎn)向低滲帶，對(duì)需要改造的低滲帶儲(chǔ)層巖石進(jìn)行酸蝕改造而增大酸蝕作用距離，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層的深度改造；在殘酸條件下的還原作用又使液體黏度下降而實(shí)現(xiàn)高滲帶的“解堵”，并有利于殘液的順利返排［3－4］。

3 酸壓參數(shù)優(yōu)化

結(jié)合鄂爾多斯盆地致密低滲油氣藏儲(chǔ)層特征以及水平井分段酸壓工藝技術(shù)特點(diǎn)，形成了水平井分段酸壓設(shè)計(jì)優(yōu)化原則：①工程地質(zhì)密切結(jié)合，酸壓設(shè)計(jì)要最大限度溝通油氣富集區(qū)，以水平段鉆遇油氣為目標(biāo)，根據(jù)三維地震資料、儲(chǔ)層地質(zhì)特征和油氣富集區(qū)預(yù)測(cè)成果，結(jié)合錄井顯示、測(cè)井解釋、鄰井物性特征及前期施工分析，確定施工參數(shù)，確保施工效果；②通過理論研究和數(shù)據(jù)分析，以產(chǎn)能最大化為原則，確定水平井酸壓段數(shù)、水平段長(zhǎng)、酸壓規(guī)模等設(shè)計(jì)及施工參數(shù)。

3.1 酸壓裂縫間距與分段數(shù)優(yōu)化

水平井井眼軌跡一般沿最小水平主應(yīng)力方向延伸，水平段長(zhǎng)度一般在1000～1500 m之間。由于水平井裸眼段比較長(zhǎng)，為最大限度溝通含氣儲(chǔ)層、擴(kuò)大氣層滲流體積、提高酸蝕裂縫導(dǎo)流能力、實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)，結(jié)合水平段長(zhǎng)度和數(shù)值模擬結(jié)果，以裂縫間距80～120 m為原則來確定分段酸壓的段數(shù)，各段盡可能均勻分布。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用中，噴砂滑套的位置選擇在隨鉆顯示好、氣測(cè)含量高的水平裸眼段；為了保證封隔器酸壓段間的有效密封，封隔器座封位置選擇井徑變化小、物性較差的水平井段。

3.2 酸壓裂縫長(zhǎng)度優(yōu)化

根據(jù)儲(chǔ)層的地質(zhì)參數(shù)和儲(chǔ)層特征，按照碳酸鹽巖儲(chǔ)層的產(chǎn)能特點(diǎn)，采用水平井分段酸壓產(chǎn)能預(yù)測(cè)軟件，計(jì)算酸壓酸蝕裂縫導(dǎo)流能力為400μm2·m時(shí)分段酸壓的產(chǎn)能（圖2），酸壓酸蝕裂縫長(zhǎng)度與產(chǎn)能正相關(guān)，當(dāng)酸壓酸蝕裂縫長(zhǎng)度從50 m增加到150m時(shí)，產(chǎn)能增加速率比較明顯，若在裂縫長(zhǎng)度進(jìn)一步增加時(shí)，產(chǎn)能的增加速率減緩，裂縫酸蝕長(zhǎng)度在200 m就可以獲得較理想的產(chǎn)能，因此酸壓酸蝕裂縫長(zhǎng)度控制在150～200 m左右為佳。

圖2 水平井單縫壓后產(chǎn)能預(yù)測(cè)

3.3 施工規(guī)模與排量?jī)?yōu)化

根據(jù)儲(chǔ)層的地質(zhì)參數(shù)和儲(chǔ)層特征以及采用酸液體系的不同，欲實(shí)現(xiàn)150～200 m縫長(zhǎng)，經(jīng)酸壓軟件優(yōu)化，對(duì)于膠凝酸體系，單段酸壓規(guī)模以150～250 m3為宜，采用轉(zhuǎn)向酸和交聯(lián)酸體系單段酸壓規(guī)模以120～180 m3為宜。為了延緩酸巖反應(yīng)速率，遵循在施工壓力不超過施工限壓的情況下，盡可能提高施工排量，最低要求排量＞5.0 m3／min。

4 水平井分段酸壓應(yīng)用效果

針對(duì)下古馬五不同儲(chǔ)層開展了水平井試驗(yàn)開發(fā)，試圖通過水平井方式解放儲(chǔ)層，提高單井產(chǎn)量。目前下古生界氣藏已改造開發(fā)5口，酸壓改造總體思路為“高排量、降阻、緩速、降濾、大規(guī)模、深穿透”。針對(duì)不同儲(chǔ)層，采用不同酸液體系。均采用預(yù)置管柱完井多級(jí)管外封隔器分段酸壓工藝，從酸壓改造效果看（表1），分段酸壓效果良好，施工速度快，壓后平均單井試氣產(chǎn)量6.3×104m3／d，最高PG5井為8.3×104m3／d。與直井改造效果相比增產(chǎn)6倍以上，達(dá)到了經(jīng)濟(jì)有效建產(chǎn)的目的。

表1 水平井酸壓效果統(tǒng)計(jì)表

5 認(rèn)識(shí)與結(jié)論

（1）針對(duì)大牛地氣田下古生界低滲、致密碳酸鹽巖氣藏儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)、微裂縫發(fā)育、酸液濾失嚴(yán)重和直井酸壓改造難以有效建產(chǎn)等問題，采用水平井裸眼完井、管外封隔器分段壓裂工具實(shí)施多段分段，并采用低濾失的膠凝酸和轉(zhuǎn)向酸液體系進(jìn)行酸壓改造，實(shí)現(xiàn)了該氣田致密低滲碳酸鹽巖氣藏的經(jīng)濟(jì)有效開發(fā)。

（2）碳酸鹽巖儲(chǔ)層在采用預(yù)置管柱裸眼完井方式下，由于水平井鉆遇裂縫幾率高、裸眼段長(zhǎng)，且碳酸鹽巖存在微裂縫，施工中酸液與儲(chǔ)層接觸面積大，酸液濾失嚴(yán)重，造成施工時(shí)無明顯的破裂壓力，且隨著儲(chǔ)層巖性的不同，泵酸壓力普遍較直井施工壓力低10～20 MPa左右，因此，水平井分段酸壓明顯降低了施工作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

（3）酸壓改造的關(guān)鍵是注入排量，注入排量的高低，決定酸巖反應(yīng)速率的快慢和酸蝕裂縫形態(tài)。若酸壓施工排量低，酸液進(jìn)入地層后立即在近井筒周圍與地層發(fā)生反應(yīng)，在井底不能形成足夠的凈壓力［6］，酸蝕裂縫只能在近井筒地帶發(fā)展，形成酸刻蝕的“大肚子”或“糖葫蘆”狀的酸蝕裂縫形態(tài)，很難達(dá)到儲(chǔ)層改造設(shè)計(jì)的目的。

（4）黏彈性清潔轉(zhuǎn)向酸隨著酸巖反應(yīng)的pH值得升高和交聯(lián)酸與Fe3＋離子的交聯(lián)，酸液黏度不斷升高，從而堵塞高滲帶巖石的孔洞與滲流通道，讓活性酸液不斷轉(zhuǎn)向而流向低滲帶，對(duì)需要改造的低滲帶儲(chǔ)層巖石進(jìn)行酸蝕改造，從而增加酸蝕裂縫長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層的深度改造；殘酸液中黏度的降低還原又能促使高滲帶的解堵和有利于殘酸液的返排。因此，對(duì)裂縫性黑色灰?guī)r儲(chǔ)層而言，黏彈性清潔轉(zhuǎn)向酸和交聯(lián)酸能有效降低酸液的濾失，增加酸蝕裂縫長(zhǎng)度，提高酸蝕改造效果。

（5）建議結(jié)合碳酸鹽巖儲(chǔ)層特征嘗試采用套管固井分段酸壓工藝進(jìn)行儲(chǔ)層酸壓改造，避免出現(xiàn)由于水平井裸眼段長(zhǎng)、儲(chǔ)層裂縫發(fā)育、酸液接觸面積大，酸液濾失嚴(yán)重，酸蝕裂縫長(zhǎng)度短。

1 騰春明，杜澤宏，施凌麗，等.水平井裸眼封隔器多級(jí)分段壓裂技術(shù)在蘇75區(qū)塊的應(yīng)用［J］.鉆采工藝，2012，35（6）：31－33.

2 許建國，王峰，劉長(zhǎng)宇，等.水平井滑套分壓工藝技術(shù)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用［J］.鉆采工藝，2008，31（S0）：54－56.

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4 艾昆，李謙定，袁志平，等.清潔轉(zhuǎn)向酸酸壓技術(shù)在塔河油田的應(yīng)用［J］.石油鉆采工藝，2008，30（4）：71－74.

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（修改回稿日期 2013－05－21 編輯 文敏）

國家科技重大專項(xiàng)專題（2011ZX05045－04）“下古生界碳酸鹽巖儲(chǔ)層改造技術(shù)”

張永春，男，1982年出生，工程師；2005年畢業(yè)于長(zhǎng)江大學(xué)石油工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事油氣儲(chǔ)層改造研究工作。地址：（450000）鄭州市中原區(qū)隴海西路199號(hào)。電話：13523575119。E－mail：hbjzyc＠126.com