多氫酸酸化技術(shù)在川西須家河低滲致密砂巖儲層中的應(yīng)用

王 鵬

中曼石油天然氣集團股份有限公司，上海 200120

針對砂巖儲層而言，基質(zhì)酸化和水力加砂壓裂是進行儲層改造的重要技術(shù)手段。雖都是儲層改造，但基質(zhì)酸化與水力壓裂有著本質(zhì)的區(qū)別，兩者有著不同的適應(yīng)性和優(yōu)缺點。高孔高滲砂巖儲層常因儲層膠結(jié)疏松，地層流體在滲流過程中易造成井眼周圍固相堵塞，多采用土酸或能在地層生成氟離子的酸液進行基質(zhì)酸化解堵，具有施工壓力低，成本低等優(yōu)點；低孔低滲儲層則常采用水力加砂壓裂為地層流體建立新的滲流通道，其施工壓力高，成本較高，但建立新的滲流通道后，其增產(chǎn)效果較為顯著。

1 工程概況及儲層主要傷害因素分析

1.1 新場氣田概況及川西須家河組儲層特征

新場氣田位于四川盆地西部川西坳陷中段，是由淺、中、深層多氣藏連片疊置的大型氣田，它處于四川盆地川西坳陷中段孝泉-豐谷北東東向的大型隆起帶。

川西須家河組氣藏深埋，原始地層溫度127.2～141.9 ℃，地溫梯度2.22～2.44 ℃/100 m，氣藏地層原始壓力76.48～84.69 MPa，原始地層壓力系數(shù)為1.44～1.73，屬于典型的高溫、深井、異常高壓氣藏。

須家河組須二氣藏儲層砂巖孔隙包括微裂縫、原生孔隙以及次生孔隙3種。原生孔隙主要為粒間孔隙，次生孔隙包括粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔、鑄?？住⒏邘X石晶間孔等。次生孔隙是本地區(qū)須家河組儲層砂巖最主要的儲集空間類型，大致占儲集空間的70%以上，原生孔隙約占儲集空間的21%，微裂縫約占儲集空間的4%[1]，且隨著孔隙度的增大滲透率有變好的趨勢但孔滲相關(guān)性較差。從“不合理”點多為低孔高滲點，由此推斷新場須二儲層的形成是孔隙與顯或微裂縫的合理搭配。

1.2 須家河儲層主要傷害因素分析

川西須家河儲層為典型的低孔低滲氣層，氣、水及少量的凝析油賴以流動的通道很窄，滲流阻力大，液、固界面及液、氣界面的相互作用力較強，導(dǎo)致油、氣、水滲流規(guī)律發(fā)生變化，使得低滲氣藏損害具有不同于油藏的特殊性。分析認為存在的主要傷害有以下幾種：

1)水鎖損害

須家河儲層喉道細，儲滲相關(guān)性差，粒間孔隙、孔喉的不均勻分布，導(dǎo)致鉆完井液、固井液、壓裂液等外來流體侵入儲層后，排液困難，產(chǎn)生水鎖損害，造成較大的啟動壓力梯度，使氣井產(chǎn)能下降。另一方面，當近井地層的壓降梯度超過地層原始平衡水恢復(fù)流動所需的啟動壓差時，會在井底形成積液，在井筒回壓、儲層巖石潤濕性和微孔隙毛管壓力作用下，低滲層的微毛管孔道產(chǎn)生反向滲吸，也會形成水鎖損害。須二低滲氣藏的氣井近井地層巖芯中反滲吸水鎖量增加，使其恢復(fù)流動所需的啟動壓差也相應(yīng)提高，如圖1所示。不同水鎖強度(0.1HPV，0.2HPV，0.3HPV)氣驅(qū)水實驗測試結(jié)果見圖2。在束縛水存在條件下，氣相有效滲透率隨氣體累積產(chǎn)出量的增加而得以恢復(fù)，當產(chǎn)出氣量較少時氣相有效滲透率較小，反映了水鎖堵塞的影響。

圖1 啟動壓差與水鎖量的關(guān)系

圖2 水鎖后采出氣量與滲透率關(guān)系

2)應(yīng)力敏感性損害

儲層壓力平衡系統(tǒng)被破壞以后，會引起巖石顆粒、孔隙和孔喉形態(tài)的變形，從而影響氣藏儲層滲透率、滲流特征、單井產(chǎn)能和最終采收率。實驗測試結(jié)果見圖3。

圖3 須家河巖樣滲透率隨有效應(yīng)力的變化關(guān)系

由圖3可見，滲透率存在較強的應(yīng)力敏感性，尤其在圍壓升高初期，滲透率下降幅度較大。半對數(shù)擬合曲線表明，絕大多數(shù)巖芯在生產(chǎn)壓差為7 MPa左右將發(fā)生嚴重的塑性變形，滲透率發(fā)生不可逆損害。從該區(qū)目前現(xiàn)場生產(chǎn)來看，多數(shù)生產(chǎn)井生產(chǎn)壓差達到10 MPa左右，過大的生產(chǎn)壓差是導(dǎo)致氣井產(chǎn)能快速遞減的一個重要因素。

3)黏土礦物導(dǎo)致儲層損害

川西須家河砂巖儲層黏土礦物絕對含量雖然不高(一般在1%～4%之間)，但由于砂巖粒度細、孔隙小，黏土礦物分別以包膜式、充填式、架橋式等分布于孔喉之間，在外來液配合作用下，對儲層的損害是相當嚴重。新場須二儲層黏土礦物以伊利石為主，占65.35%，次為綠泥石33.6%，少量高嶺石。伊利石、高嶺石為易于分散-運移的非膨脹型黏土礦物，在外來液的牽動下，極易堵塞孔喉；綠泥石為酸敏性黏土礦物，遇酸液易形成Fe (OH)3凝膠沉淀，污染氣層，并且一旦產(chǎn)生，便很難解除，因此酸化設(shè)計應(yīng)考慮儲層的酸敏性質(zhì)。

4)鉆完井液等外來工作液固相浸入導(dǎo)致的損害

從新場地區(qū)的實鉆資料以及鄰區(qū)須家河研究成果表明，龍門山前緣隱伏構(gòu)造帶須家河組儲層裂縫普遍發(fā)育，產(chǎn)生鉆井液、完井液、固井液等工作液固相浸入損害將不可避免。

對儲層巖芯樣品采用現(xiàn)場使用的泥漿配方體系進行傷害試驗，對比試驗前后的滲透率發(fā)現(xiàn)，泥漿驅(qū)替后巖芯的滲透率大大降低，其中觀察驅(qū)替后的DY1-8井巖芯發(fā)現(xiàn)，在其端面形成約1 mm左右的泥漿濾餅，并且?guī)r芯的滲透率降低至初始滲透率的5%左右，由此說明泥漿濾餅造成的傷害非常嚴重。因此，針對這種微裂縫發(fā)育并且存在傷害的儲層，可采用基質(zhì)酸化進行解堵。

2 多氫酸酸液體系在高溫深井致密砂巖儲層的適應(yīng)性

2.1 多氫酸作用機理

一般選用由鹽酸和氫氟酸組成的土酸體系對砂巖儲層進行酸化。鹽酸主要用于溶解碳酸鹽成分，而氫氟酸幾乎可以溶解所有的砂巖礦物，特別是對于砂巖礦物中的黏土成分和膠結(jié)物其溶解性更高。

常規(guī)土酸酸液體系因其成熟的工藝以及良好的解堵效果而在砂巖酸化中應(yīng)用廣泛。一般由濃度為5%～12%的鹽酸和濃度為1%～6%的氫氟酸組成。雖然土酸體系對儲層中的黏土成分及其他堵塞物質(zhì)有較好的溶解性，但反應(yīng)速率快，致酸化有效作用距離短；此外，常規(guī)土酸能較大幅度降低巖石骨架強度，對固結(jié)性較為疏松的儲層酸化后易引起出砂，因此采用土酸體系進行酸化應(yīng)充分考慮地層情況并根據(jù)地層情況選擇適宜的酸液濃度。

當儲層溫度高于80 ℃時，常用的氫氟酸體系與巖石反應(yīng)非常劇烈，因此在HF耗盡之前，酸液的穿透距離只有幾英寸。同時，由于HF與黏土的反應(yīng)將生成各種鋁硅酸鹽沉淀，這些沉淀會堵塞孔隙空間，降低儲層的孔隙度和地層滲透率，從而降低流體的流動能力；HF對黏土的過度溶解也可能讓近井地帶地層變得疏松和膠結(jié)不穩(wěn)固。地層膠結(jié)松散和反應(yīng)生成沉淀物對滲流通道的堵塞，這些損害會降低酸化效果，嚴重時還可能導(dǎo)致增產(chǎn)措施效果為零。而氟硼酸體系雖然能較好解決反應(yīng)速度快和微粒運移問題，但針對高溫儲層其緩速性能和控制二次沉淀物的效果也受到一定限制。

多氫酸體系能較好地解決以上難題，由于其含有多個氫離子而被稱為多氫酸。多氫酸是利用磷酸復(fù)合物與氟鹽反應(yīng)產(chǎn)生，從而能夠緩慢、多級生成氫離子實現(xiàn)緩速深部酸化的目的[2]。多氫酸可以在不同的pH值下產(chǎn)生不同濃度的氫離子，其電離程度受溫度的影響較大，同時，多氫酸還具有抑制反應(yīng)速度和控制黏土溶蝕率的作用，因此是砂巖儲層酸化較為理想的酸液體系。

2.2 多氫酸的優(yōu)越性[3]

1)多氫酸具有很好的緩速性。多氫酸與地層開始反應(yīng)時，由于化學(xué)吸附作用，在黏土表面形成硅酸-鋁膜的隔層，這個薄層將阻止黏土與HF酸的反應(yīng)，減小黏土溶解度，并且防止了地層基質(zhì)被肢解，特別是在反應(yīng)初期，其反應(yīng)速度約是其他酸液的30%左右；

2)多氫酸具有極強的吸附能力，能催化HF酸與石英的反應(yīng)。盡管反應(yīng)速度比土酸慢，但隨時間的增加，石英的溶解度將增加，對石英的溶解度比土酸的要高出50%左右；

3)多氫酸具有較好的分散性和防垢性能，并且具有亞化學(xué)計量螯合特性， 能較好的延緩/抑制近井地帶沉淀物的生成，有利于提高注水井酸化有效期和油井產(chǎn)能。酸巖反應(yīng)環(huán)境中，其對硅酸鹽沉淀的控制能力明顯優(yōu)于常規(guī)土酸、緩速土酸等；

4)多氫酸能保持或恢復(fù)地層的水濕性。

3 川西須家河組多氫酸酸化施工效果分析

3.1 A井基本情況

A井位于四川省德陽市，錄井解釋巖性為灰白色中粒巖屑石英砂巖、雜色礫巖夾灰黑色頁巖(次生礦物發(fā)育)，測井解釋儲層物性較差屬于低孔低滲儲層， T3x4(3 950～3 970 m)層段射孔后獲天然氣絕對無阻流量2.081 9×104m3/d，分析認為該井鉆完井以及修井作業(yè)對儲層造成了傷害，決定對T3x4層段進行酸化，一方面解除近井地帶堵塞，同時對近井滲流區(qū)域進行適當改造，提高該井的產(chǎn)能。

3.2 設(shè)計思路及配方分析

1)巖礦組成及酸液

須五段—須四段地層黏土類型主要為伊蒙混層和伊利石，酸化中應(yīng)考慮酸化時的水敏感性；石英及硅質(zhì)是基質(zhì)的主要組成部分，應(yīng)采用對硅質(zhì)溶解速度和溶解力強的酸液體系；考慮到填隙物中可能有有機堵賽物的存在，酸液中要加強對有機物堵塞的解除；黏土傷害的預(yù)防也應(yīng)加以考慮；此外，由于儲層屬于低孔低滲儲層，儲層膠結(jié)可能較好，應(yīng)適當加強對基質(zhì)的溶解。同時為了避免酸液與鈣質(zhì)礦物作用而產(chǎn)生氟化鈣等二次沉淀，配方酸液需要有適宜的鹽酸體系，以溶解碳酸鹽巖類礦物，有效的防止二次沉淀的生成。

2)儲層溫度

高溫條件下的管柱防腐問題、緩速問題及二次沉淀物控制是關(guān)鍵。酸化目的層段屬于異常高溫地層，推算地層溫度接近110 ℃，高溫條件下酸化管柱的防腐問題是關(guān)鍵，必須選用優(yōu)良的高溫緩蝕劑。

3)酸化規(guī)模

為了實現(xiàn)對近井地帶解堵，溶解地層巖石中填隙物和雜基，溝通可能存在的微裂縫等，設(shè)計酸液流動前緣達到1.5 m(平均)，預(yù)測平均酸化半徑可達到0.8 m以上。

綜合以上情況，設(shè)計酸液配方及規(guī)模見表1。

表1 A井酸液配方組成及規(guī)模設(shè)計

3.3 現(xiàn)場施工應(yīng)用及效果分析

該井酸化施工壓力68～85 MPa，施工排量0.8～1.95 m3/min，入地酸量88.93 m3，入地液量106.77 m3。整個施工過程順利。川西須家河巖組A中施工曲線見圖4。

圖4 川西須家河巖組A井酸化施工曲線

由圖4可見，施工參數(shù)與設(shè)計參數(shù)吻合度高。由施工曲線可以看出，應(yīng)用的酸液進入儲層后，注入壓力大幅降低(由85 MPa降至82 MPa)，地層吸液能力明顯增強。酸化后產(chǎn)量由2.081 9×104m3大幅上升至8.15×104m3，增產(chǎn)倍比4.6，增產(chǎn)效果良好，同時返排殘液94.9 m3，返排率達到88.9%，說明應(yīng)用酸液體系施工后殘酸返排率高，能有效降低由于殘酸滯留地層引起的水鎖損害。

4 結(jié)論

1)多氫酸酸化技術(shù)是適合砂巖油藏油、水井的解堵技術(shù)，與常規(guī)酸化壓裂相比具有成本低、效果好、施工方便等優(yōu)點，解除低滲透油藏油、水井堵塞， 恢復(fù)和提高油井產(chǎn)能效果顯著。

2)在川西須家河低滲致密砂巖儲層中應(yīng)用多氫酸酸化技術(shù)，提高了油井產(chǎn)能，解除了低滲油藏水井堵塞，施工效果顯著。