涪陵頁巖氣田深層氣井酸處理技術研究

張 馳

(中國石化重慶涪陵頁巖氣勘探開發(fā)有限公司，重慶408014)

0 引言

隨著涪陵頁巖氣田二期區(qū)塊埋深不斷增加，頁巖氣井壓裂改造難度也隨之增大。目前涪陵頁巖氣田深層頁巖氣井借鑒淺井經驗，采用前置20 m3濃度為15%的鹽酸以2 m3/min的排量處理地層來降低施工壓力，但效果有限[1]。針對深層頁巖氣井酸處理效果不佳的難題，調研分析了深層酸處理效果變差的原因，通過現場試驗研究了影響現場酸處理效果的各項因素，探討了針對深層頁巖采用優(yōu)化酸液配方、提高酸液濃度、提高酸處理排量、優(yōu)化用量各項措施提高酸處理效果的可行性，為不斷提升涪陵頁巖氣田深層氣井前期酸處理效果，改善93 MPa限壓下深層壓裂改造效果明確了后期研究攻關方向。

1 深層酸處理不利條件分析

涪陵頁巖氣田深層頁巖氣井采用淺層頁巖氣井酸處理工藝出現酸降效果差、難以形成足夠的壓力窗口開展各項工藝措施的問題。通過調研分析認為以下幾點不利因素則可能嚴重影響了深層酸處理的效果。

1.1 深層溫度升高

由于涪陵頁巖氣田碳酸鹽巖含量較高，一般采用鹽酸進行前置預處理，降低巖石強度，為后期提供足夠的壓力窗口。但是隨著頁巖氣井埋深的增加，地層溫度逐漸升高，鹽酸與碳酸鹽的反應速率大幅加快[2-4]，酸液難以穿透到更深的地層，處理范圍有限，不利于深層后續(xù)壓裂施工。

1.2 深層壓力升高

埋深的增加還會造成壓力的升高，有室內試驗表明，雖然隨著壓力的升高，鹽酸與碳酸鹽巖的反應速率會逐漸減緩，但是在深層高溫高壓共同作用的條件下，酸巖反應速率還是主要受到溫度的影響，遠大于埋深較淺的低溫低壓條件下的反應速率[5-6]，酸處理范圍受限。

1.3 礦物組分發(fā)生變化

涪陵頁巖氣田隨著埋深的增加，部分氣井的巖石礦物組分發(fā)生變化：通過常規(guī)測井結果可以看出，礦物組分中泥質含量明顯增多(見表1)；由于鹽酸酸液體系僅能處理碳酸巖鹽，無法處理泥質組分(粘土礦物)，因此，涪陵頁巖氣田部分深層氣井會由于泥質含量的增多而導致原有的鹽酸酸液體系效果降低。

表1 涪陵頁巖氣田深淺井泥質含量對比 %

1.4 深層縫寬減小

深層頁巖氣井地層壓力增大，地層壓實作用增強，裂縫擴展困難，縫寬相比于淺層明顯變窄，室內試驗表明：裂縫縫寬與反應速率成一定的反比關系[7-8](見圖1)；因此，在深層壓裂過程中若酸處理排量較低，由于酸液流經的裂縫縫寬不足，酸液反應速率較快，只能處理較小范圍的地層，不利于酸液處理遠端裂縫。

圖1 縫寬對酸巖反應速率影響

2 深層酸處理技術對策

針對淺層頁巖氣井，酸處理的目的主要是清理炮眼及近井污染，在形成快速酸降后可以快速提高施工排量進行壓裂施工，較低的裂縫延伸壓力也保證了裂縫在高排量泵壓下的延伸；但對于深層頁巖氣井，酸處理的目的不僅僅是清理炮眼及近井污染，更重要的是處理更大范圍的地層，降低深層巖石的破壓，確保在限壓條件下裂縫更好地起裂、延伸。因此，對于深層頁巖的酸處理，應當在保證酸蝕作用的基礎上，延緩酸巖反應時間，盡量擴大酸處理范圍。主要考慮從以下幾個方面進行調整。

2.1 優(yōu)化酸液體系配方

部分深層頁巖氣井粘土礦物成分增多，使用鹽酸處理效果不佳，而有研究表明采用鹽酸+土酸的酸液體系作用于粘土礦物含量較高的地層時，鹽酸反應速率較快優(yōu)先與碳酸鹽巖反應，隨后土酸中的HF處理粘土礦物，可有效降低巖石強度[9]，提高酸蝕效果(見式1、式2)：

16HF+CaAl2Si2O8=CaF2↓+2AlF3+2SiF4↑+8H2O

(1)

6HF+SiO2=H2SiF6+2H2O

(2)

將涪陵頁巖氣田深層氣井巖心進行室內試驗，試驗結果表明：巖心粘土礦物含量增多，采用鹽酸+土酸酸液體系對巖心的溶蝕效果相比于單純使用鹽酸明顯增強(見表2)。

表2 不同酸液體系溶蝕率試驗結果 %

2.2 提高酸處理排量

提高酸處理排量使地層中酸液流速更快，雖然會加快酸鹽反應速率，但由于在高流速下酸液可以更快達到較遠區(qū)域，因此，酸液穿透距離也隨之增加[10-12]，室內試驗也表現出相同的現象(見圖2)。涪陵頁巖氣田深層氣井現階段主要采用2 m3/min的排量進行酸處理，排量明顯較低，存在繼續(xù)優(yōu)化的空間。

但在現場壓裂施工中，施工排量直接影響到壓裂的施工壓力，在深井壓力窗口有限的前提下，也必須對施工排量嚴格限制，避免超過限壓。因此，在現場實際施工中，應根據實時泵壓調整酸處理排量。

圖2 酸液注入速率對穿透距離的影響

2.3 提高酸液濃度

現階段涪陵頁巖氣田主要采用15%的鹽酸前置處理，室內試驗結果顯示在溫度、壓力一定的條件下，15%HCl酸鹽反應速率最快(見圖3)，對于淺層頁巖氣井使用該濃度鹽酸可以較快反應形成壓降便于提高施工排量，但對于深層頁巖氣井來說，應改變酸液濃度，減緩反應速率，考慮到低濃度的鹽酸酸蝕作用減弱[13]，因此，考慮提高酸液濃度至20%。室內巖心試驗結果也表明，使用20%濃度的鹽酸相比于15%的鹽酸反應速率更慢，穿透深度也隨之增加(見表3)。

圖3 不同酸液濃度酸鹽反應速率

酸液濃度/%37℃穿透深度/m71℃穿透深度/m104℃穿透深度/m1536.326.724.22044.241.339.8

2.4 優(yōu)化酸液用量

有室內試驗顯示，酸液用量的增多可以提高酸液處理后殘酸的濃度，可以增大酸液處理的距離[14]。目前，涪陵頁巖氣田深層氣井仍然主要采用前置20 m3的鹽酸預處理的工藝，效果有限，因此，在室內試驗的基礎上考慮通過增大酸液用量，提高酸處理效果；但酸液液量也并非越多越好，有研究表明酸液過多會導致濾失增加，不利于后期開展加砂壓裂[15-17]。因此，結合前期淺層氣井施工經驗，在深層增加酸液用量至40 m3，改善酸處理效果。

3 現場試驗效果

針對深井開展了多井次的酸液現場試驗，進一步分析對比各項調整措施在提高深層酸處理效果中的適用性。

3.1 “鹽酸+土酸”體系試驗

焦石壩區(qū)塊JYA-1HF井第15、17段同穿行于⑥小層，兩段垂深相近(3700～3800 m)，射孔處石英含量45.25%，碳酸鹽巖含量8.42%，粘土總量達到42.35%。酸處理排量均為2 m3/min，但第15段采用20 m3的15%鹽酸體系，第17段采用20 m3的15%鹽酸+1.5%土酸體系。從壓裂施工來看，使用鹽酸+土酸的酸液體系的第17段酸降壓力達到16.8 MPa，明顯高于使用鹽酸體系第15段的9.8 MPa，為后期提高施工排量創(chuàng)造了更好的條件。

焦石壩區(qū)塊JYB-3HF井前8段同穿行于③小層，各段垂深相近(3900～4000 m)，射孔處石英含量53.43%，碳酸鹽巖含量14.48%，粘土總量31.43%。酸處理排量為2 m3/min，第4段、第5段采用前置40 m3的15%鹽酸+1.5%土酸體系，其余段前置30 m3的15%鹽酸體系，從施工結果來看，在粘土含量相對較少的井段采用溶蝕效果更強的鹽酸+土酸體系酸降效果相比于鹽酸處理的壓裂段并未有明顯優(yōu)勢(見圖4)。

圖4 JYB-3HF井不同酸液體系酸降壓力對比

3.2 酸處理排量變化試驗

對比分析了涪陵頁巖氣田平橋區(qū)塊礦物組分含量相近的各井，在穿行相同小層、采用20 m315%鹽酸體系的壓裂段對比不同排量下的酸降效果，對比發(fā)現各井最終的酸降壓力與氣井的垂深并無明顯相關性，而與酸處理排量呈現出一定的正相關關系(見圖5)。從現場試驗結果來看，提高酸處理排量將有助于提高酸降壓力。

圖5 平橋區(qū)塊各井相同小層不同酸處理排量酸降壓力對比

3.3 鹽酸濃度變化試驗

在焦石壩區(qū)塊西南區(qū)進行15%與20%鹽酸效果對比試驗，在地質條件相近、垂深相近的臨井對比相同穿行小層、相同排量、用量條件下，不同鹽酸濃度取得的酸降效果。對比結果顯示采用20%濃度鹽酸的壓裂井段短期內酸降壓力明顯低于采用15%鹽酸濃度的壓裂井段，但在泵酸壓力相當的情況下，使用20%濃度鹽酸后，其破裂壓力相比較與15%濃度的鹽酸明顯更低，分析認為提高酸液濃度至20%，短期反應速率低于15%的鹽酸，酸降壓力相對較低，但由于殘酸濃度較高，處理了更大的范圍，提高排量時地層破裂明顯降低。

表4 不同酸液濃度現場試驗對比結果

3.4 鹽酸用量變化試驗

焦石壩區(qū)塊JYC-2HF井埋深達到3900～4000 m，在施工井段礦物組分差異不大、穿行小層相同的前提下，對比分析了采用15%鹽酸、2 m3/min排量下，不同酸液用量的酸降效果(見表5)，通過對比結果可以看出，酸液用量的增多并不能帶來酸降壓力的提高。分析認為，深層酸液用量更多受到地層中天然裂縫濾失作用的影響，酸液用量的增多，若濾失嚴重，并不能增大處理地層的酸液量。而具體單段酸處理前天然裂縫發(fā)育情況目前通過常用的曲率評價方法難以精確評定，這也是現場合理優(yōu)化酸液用量的一大難點。

表5 不同酸液用量現場試驗對比結果

4 結論與認識

(1)針對涪陵頁巖氣田深層頁巖氣井，通過試驗調研以及現場試驗對比可以發(fā)現，針對粘土含量較高的(>40%)井段，采用“鹽酸+土酸”的前置酸液處理酸降效果明顯好于采用鹽酸前置處理的井段；但在粘土含量不高的井段使用“鹽酸+土酸”體系，在成本增加的基礎上，酸降效果并無明顯優(yōu)勢。

(2)提高前置階段酸處理排量將有助于提高前期酸降效果，為后期大排量施工打好基礎。但涪陵頁巖氣田深層頁巖氣井施工壓力高，在限壓控制在93 MPa的前提下，無法大幅提高酸處理排量，現場施工應根據實際壓力窗口，在安全合理的條件下盡可能保證酸處理的排量，增大酸液處理范圍。

(3)在涪陵深層頁巖氣井使用20%濃度的鹽酸短期內酸降效果并不如15%濃度的鹽酸，但從隨后施工來看，在泵酸壓力相當的情況下，使用20%濃度鹽酸的破裂壓力明顯低于15%濃度的鹽酸。

(4)從試驗對比結果來看，對于涪陵深層頁巖氣井提高酸液用量效果并不明顯，酸液的濾失作用可能是主要的影響因素；如何精確判斷各壓裂段

天然裂縫發(fā)育程度，并針對性優(yōu)化該段酸液用量將成為后續(xù)工作的難點。

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