酸化壓裂工藝技術(shù)綜述

朱麗君，劉國良（成都理工大學(xué)，四川成都610059）

酸化壓裂工藝技術(shù)綜述

朱麗君，劉國良
（成都理工大學(xué)，四川成都610059）

摘要：隨著能源需求量的增大，油氣田開發(fā)的酸化壓裂技術(shù)日益成熟。分析了目前酸壓工藝技術(shù)的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍，介紹了碳酸鹽巖儲層常見的五種酸壓技術(shù)——常規(guī)酸壓、前置液酸壓、特性酸深度酸壓、高導(dǎo)流裂縫酸壓、復(fù)合酸壓，并比較了酸化壓裂和常規(guī)壓裂技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，最后提出了酸化壓裂技術(shù)未來的發(fā)展動(dòng)向。

關(guān)鍵詞：酸化壓裂；工藝技術(shù)；常規(guī)壓裂

1　概述

在儲層增產(chǎn)改造過程中，形成了基質(zhì)酸化和壓裂酸化兩大類技術(shù)。基質(zhì)酸化也稱為常規(guī)酸化，是指在井底施工壓力小于儲層破裂壓力的條件下，將酸液注入地層，解除井筒附近的傷害，恢復(fù)儲層產(chǎn)能的酸化技術(shù)[1]。壓裂酸化又簡稱為酸壓，指的是當(dāng)井底施工壓力高于地層巖石破裂壓力時(shí)，把酸液作為壓裂液，不加入任何支撐劑注入地層，地層將會形成裂縫[2，3]。酸液在裂縫中流動(dòng)并與裂縫壁面發(fā)生反應(yīng)，將裂縫表面溶蝕成凹凸不平的形態(tài)。酸蝕裂縫表面特征很大程度上依賴于酸化環(huán)境，包括壓裂液類型和強(qiáng)度、酸蝕速度、酸液濾失速率及巖石類型等[4]。當(dāng)停泵卸壓時(shí)，裂縫壁面不能完全閉合，從而在地層中形成了具有一定導(dǎo)流能力和滲透性的裂縫[5]。

控制碳酸鹽巖酸壓增產(chǎn)效果的兩個(gè)重要因素是酸壓裂縫的有效長度和裂縫的導(dǎo)流能力。前者受酸液濾失性、酸巖反應(yīng)速度、酸液流速和酸液類型等影響，后者受裂縫閉合、酸巖反應(yīng)的溶蝕形態(tài)等影響。為了獲得有效的導(dǎo)流能力和較長的酸蝕裂縫來增加油氣產(chǎn)量，人們研發(fā)了一系列的酸化壓裂技術(shù)。

2　酸化壓裂技術(shù)的現(xiàn)狀

按照工藝技術(shù)流程，壓裂技術(shù)可以分為酸洗、基質(zhì)酸化和酸壓三種[6]。酸壓以能否實(shí)現(xiàn)濾失控制、延緩酸巖反應(yīng)速度、形成較長的酸蝕裂縫為劃分標(biāo)準(zhǔn)，分為普通酸壓、平衡酸壓、前置液酸壓以及交替注入酸壓等[7]。

2.1酸化壓裂工藝技術(shù)

酸化壓裂工藝分為前置液、稠化酸壓、多級交替注入和閉合酸化組合等工藝技術(shù)。

2.1.1前置液

前置液酸壓又被稱為粘性指進(jìn)，即用高粘液體壓開地層，在形成一定幾何尺寸裂縫的同時(shí)降低巖石表面的溫度，延緩酸液與巖石的有效作用距離，使裂縫更長。前置液酸壓中，酸液頂替高粘壓裂液時(shí)會產(chǎn)生粘性“指進(jìn)”效應(yīng)，酸液對裂縫壁面產(chǎn)生不均勻刻蝕，形成溝槽，使裂縫具有較高的導(dǎo)流能力[8]。前置液和酸液的粘度比決定著粘性指進(jìn)是否順利進(jìn)行，粘度比太小，酸液流速將大于前置液，無法“指進(jìn)”。前置液酸壓的過程要特別注意濾餅的形成與否，一旦裂縫壁面形成濾餅，濾餅?zāi)鼙粯O少量的酸液迅速穿透，并產(chǎn)生酸蝕孔洞，此時(shí)的酸液濾失與用不用前置液是一樣的[9]。

2.1.2稠化酸壓

稠化酸一般有兩種：非交聯(lián)酸用稠化劑和交聯(lián)膠凝酸。稠化酸是通過在酸液中添加水溶性高分子而形成的具有較高粘度的酸液體系，通常由酸、稠化劑及其它添加劑組成。其中鹽酸是配制稠化酸最常用的酸。酸化作業(yè)時(shí)，可以根據(jù)被處理巖層的性質(zhì)決定使用酸的種類和酸的濃度[10]。稠化酸一般適用于中滲儲層的酸壓，酸蝕縫長在20～50m之間，在高滲和低滲地層要慎用稠化酸。另外，由于粘度大，稠化酸的使用要考慮返排問題。在酸壓中，稠化酸能夠提高酸液穿透能力，增加裂縫導(dǎo)流能力，減小酸化二次污染。

2.1.3閉合酸化壓裂

在低于閉合裂縫中泵入少量的酸液，從而盡可能地與井筒之間建立一條開啟的裂縫，以便在井眼周圍形成裂縫[11]。將酸液灌入閉合裂縫的過程中要注意酸液不能超過規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，以便井上和井底空氣層能夠有效地結(jié)合在一起[12，13]。

2.1.4轉(zhuǎn)向酸

酸化壓裂最有效的轉(zhuǎn)向方法是使用封堵球，也可以通過高注入速率或者通過交替注入高粘前置液和酸液來實(shí)現(xiàn)，也有通過交聯(lián)聚合物凍膠體系和表面活性酸溶液的自我分流能力來實(shí)現(xiàn)。其原理是高粘酸液發(fā)生轉(zhuǎn)向，壓開與破裂壓力相近的各個(gè)目的層。

轉(zhuǎn)向酸分流轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)了對滲透率不同的非均質(zhì)儲層的均勻酸化，其轉(zhuǎn)向性能影響分流效果和均勻酸化強(qiáng)度。溫度、滲透率倍數(shù)、酸液配方以及注酸排量又決定著轉(zhuǎn)向性能[14]。研究表明，酸液的轉(zhuǎn)向范圍及轉(zhuǎn)向程度隨溫度、滲透率倍數(shù)的升高而降低，隨配方中轉(zhuǎn)向劑添加量的增加而提高。

2.1.5多級交替注入+閉合酸化組合工藝

該技術(shù)的特點(diǎn)是前置液和酸液交替注入，既可明顯降低濾失，提高工作液效率，又具有持續(xù)延伸擴(kuò)展裂縫功能，極大地增加酸蝕作用距離；同時(shí)，閉合酸對縫口不均勻刻蝕，大大提高了近井筒特別是縫口的導(dǎo)流能力，從而提高了酸化增產(chǎn)效果。此項(xiàng)技術(shù)的特點(diǎn)是大液量、大排量施工，閉合酸液頂替技術(shù)，交替級數(shù)與階段液量[15]。

2.1.6降濾失酸酸壓工藝

施工時(shí)酸液進(jìn)入地層與巖石發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，當(dāng)其濃度下降到一定值時(shí)交聯(lián)劑發(fā)揮作用，酸液的粘度迅速提高，其中濾餅的形成也會減緩酸液的濾失。當(dāng)酸巖繼續(xù)反應(yīng)時(shí)，氫離子濃度下降到一定值，破膠劑發(fā)生作用，酸液的濃度下降到最初狀態(tài)，不影響殘液的返排。

該工藝技術(shù)的使用已在川渝、塔里木等地區(qū)的低滲透儲層深度改造中獲得良好的增產(chǎn)效果。經(jīng)過國內(nèi)外數(shù)百口井的實(shí)踐證明，變粘酸及其應(yīng)用工藝技術(shù)是當(dāng)今最為成功的深穿透酸壓改造工藝技術(shù)之一，具有廣闊的應(yīng)用前景。

2.2碳酸鹽巖儲層酸壓工藝

碳酸鹽巖儲層作為一種特殊類型的儲層，巖石成分復(fù)雜，巖性變化差異大，巖石結(jié)構(gòu)及成因類型多種多樣。碳酸鹽巖油藏具有埋藏深、地溫高、非均質(zhì)性強(qiáng)，儲集空間主要以溶洞、溶孔和裂隙為主，孔喉配合度低，連通性差等特點(diǎn)。通過酸壓技術(shù)來改造酸蝕裂縫長度和裂縫的導(dǎo)流能力，從而提高原油產(chǎn)量。碳酸鹽巖酸壓技術(shù)分為普通酸壓技術(shù)和深度酸壓技術(shù)。

2.2.1普通酸壓工藝

普通酸壓工藝直接往地層注入酸液，不需要加入前置液造縫，也不需要混入支撐劑撐開裂縫，其特點(diǎn)是酸液濾失嚴(yán)重，酸巖反應(yīng)速度快，有效酸蝕作用距離較短，一般在15～30m之間。在地層中形成高導(dǎo)流能力的裂縫，使原來的徑向流變?yōu)閮蓚€(gè)線性流，從而減少了流動(dòng)阻力。

2.2.2深度酸壓技術(shù)

（1）前置液酸壓工藝

以硼砂或者有機(jī)硼作為交聯(lián)劑，要求粘度高，施工結(jié)束時(shí)順利破膠?，F(xiàn)場常見的前置液一般選擇膠凝水（香豆膠或者改性胍膠）、水外相乳狀液和油外相乳狀液等。

（2）特性酸深度酸壓

由于普通鹽酸在酸壓過程中濾失嚴(yán)重，難以形成深穿透酸蝕裂縫。為滿足地層特性和施工需要，研發(fā)了不同酸液體系的酸壓技術(shù)，包括稠化酸、乳化酸、固體酸酸壓、活性酸和變粘酸等[16]。每種酸液都有利有弊。泡沫酸雖然有利于氣井增產(chǎn)處理和相對易于返排，但是酸的粘度只能保持相對較短的時(shí)間，容易造成酸蝕滯后。乳酸很好地克服了這一弊端，但是它在注入期間摩阻大。稠化酸體系是最常見的，與其它酸液體系相比較，具有較低的濾失性、很高的注入速率和自動(dòng)轉(zhuǎn)向等優(yōu)點(diǎn)。在現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用時(shí)，我們可以根據(jù)酸液的性質(zhì)并結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行液體優(yōu)選。

（3）高導(dǎo)流裂縫酸壓

高導(dǎo)流裂縫酸壓方式分為平衡酸壓、閉合酸化、平衡酸壓閉合酸化三種。

平衡酸壓主要是在壓開的地層裂縫注入與濾失量平衡的酸液，當(dāng)裂縫延伸壓力高于縫中壓力，就能讓裂縫保持張開狀態(tài)，酸液可以充分溶蝕裂縫面，因此提高了溶蝕的效率和強(qiáng)度，裂縫導(dǎo)流能力隨之提高，但是要注意防止將上下非產(chǎn)層、水層壓開[17]。

閉合酸化是指在低于閉合壓力的基礎(chǔ)上經(jīng)酸液流入閉合裂縫，大量的酸液迅速地流經(jīng)閉合的裂縫，快速地溶蝕巖石表層，此種方式溶蝕的巖石表面比張開裂縫的表面積要大，因而提高產(chǎn)量。閉合裂縫酸化是針對較軟以及均質(zhì)程度較高的儲層而發(fā)展采用的一種技術(shù)。

平衡酸壓閉合酸化則是在利用平衡酸壓形成裂縫的條件下，再讓酸蝕裂縫，然后采用和平衡酸壓技術(shù)相反的辦法進(jìn)行閉合酸化，主要是通過把不能起到支撐作用、不完整的碳酸鹽巖實(shí)施酸化處理，有效提高閉合裂縫的導(dǎo)流能力，從而提高產(chǎn)量。

（4）復(fù)合酸壓

對于孔喉小、連通性差、非均質(zhì)性強(qiáng)的碳酸鹽巖油藏，常規(guī)酸壓工藝技術(shù)不能解決酸壓濾失量大，酸蝕裂縫穿透距離有限的問題，而復(fù)合酸壓技術(shù)則起到了很好的效果[18]。

以塔河油田奧陶系油藏為例，它是以縫洞為儲集體、受構(gòu)造-巖溶旋回作用控制、由多個(gè)縫洞單元在空間上疊合形成的復(fù)合油氣藏，具有高溫高壓、埋藏超深和非均質(zhì)性極強(qiáng)的特點(diǎn)。試驗(yàn)應(yīng)用了“大前置液+變粘酸體系+膠凝酸+支撐劑單級或者多級泵注體系”超大規(guī)模復(fù)合酸壓技術(shù)，以有效地提高酸蝕裂縫穿透距離和有效裂縫縫長，確保有效溝通井筒周圍的有利儲集體和壓后裂縫的導(dǎo)流能力。目前塔河油田已在31口井應(yīng)用了超大規(guī)模復(fù)合壓裂技術(shù)，其中11口井在酸壓后初期平均產(chǎn)油量98.1t/d，增產(chǎn)效果較好[19，20]。

2.3酸化壓裂和常規(guī)壓裂技術(shù)的對比

2.3.1基本原理

酸化壓裂的基本原理和目的同使用支撐劑的常規(guī)壓裂一致，兩者都是為了擴(kuò)大裂縫的長度及其流通性，以增強(qiáng)油層的排液能力。為了獲得良好的流通性，常規(guī)壓裂要把石英砂或者陶粒等支撐劑帶入裂縫，以防卸壓后裂縫重新閉合，而酸化壓裂則是依靠裂縫表面的不均勻性，一般不用支撐劑[21]。因此，酸化壓裂只適用于石灰?guī)r或白云巖地層。

2.3.2優(yōu)缺點(diǎn)對比

（1）工藝技術(shù)特點(diǎn)。酸化壓裂工藝分為前置液、稠化酸壓、多級交替注入和閉合酸化組合工藝技術(shù)、降濾失酸酸壓工藝技術(shù)、壓裂酸化優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)、多級分層壓裂酸化技術(shù)。常規(guī)壓裂工藝分為大液量、大排量、高砂比作業(yè)技術(shù)，快速排液強(qiáng)制閉合壓裂技術(shù)，控縫高壓裂技術(shù)，施工實(shí)時(shí)監(jiān)測、評價(jià)和裂縫診斷技術(shù)等。酸化壓裂是在常規(guī)壓裂的基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展起來的，針對不同的儲層巖性、物性、開發(fā)方案、巖石應(yīng)力、經(jīng)濟(jì)優(yōu)化等壓裂特征評估和優(yōu)選出有針對性的工藝技術(shù)。

（2）經(jīng)濟(jì)、技術(shù)可行性。酸化壓裂不用支撐劑，操作相對簡單，但是酸液要比大多數(shù)壓裂液昂貴。雖然酸化壓裂沒有加砂壓裂的成本昂貴，但是考慮到高閉合壓力下的酸蝕裂縫可能會失去導(dǎo)流能力，因而常常不考慮酸壓工藝。常規(guī)壓裂中，考慮到天然支撐劑石英砂、人造支撐劑陶粒以及樹脂包層砂等支撐劑的使用，它們的密度、分選、破碎率等直接關(guān)系到壓裂液性能和泵送條件的要求。儲層壓裂規(guī)模和費(fèi)用比較高，因而施工前一定要做好地質(zhì)論證與評價(jià)，以免投入大、回報(bào)小。

（3）適用儲層范圍。因?yàn)樗峄瘔毫褯]有加入支撐劑，不會出現(xiàn)過早脫砂，沒有支撐劑回流的風(fēng)險(xiǎn)，因而施工的風(fēng)險(xiǎn)比較低，但僅適用于不均勻刻蝕程度比較好的儲層。

（4）壓裂效果。常規(guī)壓裂所造成的裂縫長度取決于支撐劑帶入裂縫的距離。酸蝕裂縫長度取決于酸耗盡前流入裂縫的距離。影響酸液流入裂縫距離的最大因素是酸液的濾失量和酸液的緩蝕速率。在酸化過程中，很難形成濾餅，酸液溶蝕不均勻，濾失增加都會影響造縫效果。緩蝕速率與酸液粘度、地層溫度有關(guān)，這些都很難控制。在加砂壓裂中，壓裂液濾餅、殘?jiān)w粒、支撐劑中的雜質(zhì)及儲層巖石中不溶顆粒等固體都會對儲層基質(zhì)和支撐裂縫造成傷害。同時(shí)壓裂液濾液也會引起粘土礦物膨脹和顆粒運(yùn)移、水鎖等多種類型的傷害，從而使得常規(guī)加砂壓裂效果受到限制。

酸化壓裂和加砂壓裂是有效的增產(chǎn)技術(shù)手段。酸化主要是通過解除孔隙、裂縫中的堵塞物或者擴(kuò)大溝通地層原有的孔隙、裂縫，提高地層的滲透性能。加砂壓裂主要是通過水力作用在地層中形成人工裂縫，再加砂支撐裂縫，提高地層的導(dǎo)流能力。但是常規(guī)加砂壓裂過程往往會給儲層和支撐裂縫帶來傷害，導(dǎo)致壓裂效果有限，甚至無效。酸化壓裂適用的儲層效果有限也會導(dǎo)致增產(chǎn)效果不理想。為了改善壓裂增產(chǎn)效果，目前已經(jīng)提出了酸化加砂壓裂復(fù)合增產(chǎn)技術(shù)，充分發(fā)揮了兩大技術(shù)的優(yōu)勢，并且該復(fù)合技術(shù)在一些油田已經(jīng)有了現(xiàn)場應(yīng)用，取得了不錯(cuò)的效果[22]。

3　酸化壓裂技術(shù)的展望

壓裂技術(shù)的研究成果主要為三維裂縫模型、控縫高技術(shù)以及變排量、變粘度、變支撐劑類型和支撐劑粒徑技術(shù)的“四變技術(shù)”[21，22]。復(fù)合型酸液的使用，可以有效減少濾失，順利消除堵塞物，降低反應(yīng)速度。單級酸液交替灌入法和多級酸液交替灌入法也取代了過去傳統(tǒng)用的酸液交替灌入法，不僅有效強(qiáng)化了深層穿透裂縫的能力，還提高了導(dǎo)流能力。對于低滲、特低滲儲層，優(yōu)先考慮使用多級注入酸壓技術(shù)。在高滲、中滲儲層可以選擇適合儲層性質(zhì)的酸液體系進(jìn)行酸壓施工。對于進(jìn)行過酸壓施工的老井，可以進(jìn)行重復(fù)酸壓。分層壓裂技術(shù)可通過限流分層壓裂方法、封隔器封堵逐層壓裂方法以及投球封堵逐層壓裂方法來達(dá)到徹底改造的目的?？乜p高壓裂技術(shù)是控制裂縫延伸的關(guān)鍵技術(shù)。此外，高砂比壓裂技術(shù)、深井及超深井壓裂技術(shù)等工藝技術(shù)也得到了更為廣泛的應(yīng)用。

目前在低滲、特低滲油藏中，普通的水驅(qū)、化學(xué)驅(qū)等技術(shù)很難起到增產(chǎn)效果，酸化壓裂技術(shù)在很大程度上解決了這個(gè)問題。油藏的特殊性和復(fù)雜性也需要對應(yīng)儲層開采特點(diǎn)的酸化壓裂技術(shù)。現(xiàn)階段酸化壓裂技術(shù)仍然存在需要解決的問題，還需要作進(jìn)一步的研究與探討。

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doi：10.3969/j.issn.1008- 553X.2015.02.004

中圖分類號：TE357.1+1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1008- 553X（2015）02- 0009- 04

收稿日期：2014- 12- 01

作者簡介：朱麗君（1991-），女，湖北鄂州人，在讀碩士研究生，研究方向：試井、測井、儲層增產(chǎn)改造技術(shù)，18428325023，lizi_lucky@163.com，949102090@qq.com。

Summary of Acidizing Fracturing Technology

ZHU Li-jun，LIU Guo-liang
（Chengdu Universityof Technology，Chengdu 610059，China）

Abstract:As growing demand for energy，acidizing fracturing technology which is one of the most important oil and gas field development technologies is improved gradually，and has made great contribution to enterprises of oil and gas field development. This paper analyzes the present situation and the scope of application of acidizing fracturing technology. It introduces five classes acid- fracturing technologies for carbonate reservoirs: ordinary acid fracturing，deeply acid fracturing，deeply acid fracturing with special acid，high diversion crack acidizing，fracturing complex acid fracturing. It is the further generalization for the acid- fracturing. Then by comparing the characteristics of the acidizing fracturing and conventional fracturing，it tells the advantages and disadvantages of acidizing fracturing technology. Finally，it summarizes the development prospect and possibilities ofacid- fracturingtechnology.

Key words:acid- fracturing；technology；conventional fracturing