酸化壓裂工藝在浙江桐鄉(xiāng)地?zé)峋霎a(chǎn)中的應(yīng)用

何鐵柱　孫振添

摘 要：本文簡要介紹了酸化壓裂洗井技術(shù)的原理、施工工藝及適用性等，并探討了其在浙江桐鄉(xiāng)某地碳酸鹽巖地?zé)醿?chǔ)層地?zé)峋霎a(chǎn)中的應(yīng)用成效。通過分析地?zé)峋疁y井和編錄資料，酸化壓裂洗井的實(shí)施，成功擴(kuò)大了地?zé)峋苓厽醿?chǔ)層的裂隙，有效溝通了熱儲(chǔ)通道，使得地?zé)峋脑诮瞪顪p小的情況下，涌水量由120m3/d增加至205.55m3/d，出水溫度由54℃上升至62℃。結(jié)果表明，本工藝對(duì)于桐鄉(xiāng)地區(qū)碳酸鹽巖儲(chǔ)層地?zé)峋脑霎a(chǎn)是具有可行性的，可為今后類似項(xiàng)目提供經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)，針對(duì)不同區(qū)域的地?zé)峋M(jìn)行酸化壓裂時(shí)，應(yīng)注意前期相關(guān)參數(shù)的分析、模擬計(jì)算、酸液配比及殘留物的排出等，以免影響壓裂效果或造成環(huán)境污染。

關(guān)鍵詞：桐鄉(xiāng);地?zé)峋?碳酸鹽巖;酸化壓裂;洗井

中圖分類號(hào)：P314? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ?文章編號(hào)：1007-1903（2019）04-0049-06

Abstract： This paper expounds the theories， technique points and application condition of acid fracturing technology， and discusses the application for increasing the production of geothermal well from carbonate reservoirs in Tongxiang area， Zhejiang Province. By analyzing the logging and geological compiling data， it indicates that the acid fracturing technology can successfully expand the fractures of geothermal well reservoirs， effectively communicate the heat reservoir， increase the water yield from 120m3/d to 205.55m3/d and raise the temperature from 54℃ to 62℃ in the case of reduced drawdown. The results show that acid fracturing technology is feasible to increase the water yield from carbonate strata in Tongxiang area; in addition， it can provide reference for future projects. Meanwhile， for acidizing fracturing of geothermal well in different regions， it should pay more attention to simulation calculation of the related parameters of early stage， rationing the acid and discharged the residue after acidizing fracturing， which can avoid affecting the effect of acidizing fracturing or causing the environmental pollution.

Keywords： Tongxiang; Geothermal well; Carbonate reservoir; Acid fracturing; Well flushing

0 引言

酸化壓裂是目前油田和地?zé)峋妓猁}巖儲(chǔ)層開發(fā)中所廣泛采用的一項(xiàng)增產(chǎn)措施和完井手段。用酸液作為壓裂液實(shí)施不加支撐劑的壓裂成為酸化壓裂，是一項(xiàng)將酸化洗井和壓裂工藝相結(jié)合的一種洗井工藝。酸化壓裂過程中一方面靠水力作用形成裂隙，另一方面靠酸液的溶蝕作用把裂隙的壁面溶蝕成凹凸不平的表面，停泵卸壓后，裂隙壁面不能完全閉合，具有較高的導(dǎo)流能力，可提高地層滲透性，改善地層特性，最終達(dá)到增加產(chǎn)量的目的。

近年來，酸化壓裂技術(shù)被引用到地?zé)峥辈殚_發(fā)領(lǐng)域（馬忠平等，2007），并取得了良好的應(yīng)用效果，在天津、北京等地?zé)豳Y源開發(fā)工藝較為先進(jìn)的地區(qū)已有了較多成功案例。本文以浙江桐鄉(xiāng)地區(qū)某地?zé)峋疄槔?，闡述了使用酸化壓裂工藝提高井產(chǎn)量、增加出水溫度的方法，并對(duì)壓裂結(jié)果加以分析，探討酸化壓裂工藝在區(qū)域巖溶裂隙型熱儲(chǔ)中的適用性。

1 酸化壓裂技術(shù)原理

酸化壓裂技術(shù)是在人為作用下，以高于熱儲(chǔ)層破裂壓力的方式向地層內(nèi)注入酸液，靠酸液的化學(xué)溶蝕作用提高熱儲(chǔ)層滲透性能的一種工藝措施（王連成等，2010）;壓酸時(shí)的水力作用可以擴(kuò)大、延伸和溝通地層中的裂隙，形成流通能力較高的滲流通道（王鴻勛，1987;姬永紅，2017;劉興浩，2011）。酸化壓裂的效果主要體現(xiàn)在產(chǎn)生裂隙的有效長度和導(dǎo)流能力，一般有效的裂隙長度是受酸液的濾失特性，酸巖反應(yīng)速度及裂隙內(nèi)的流速控制的，導(dǎo)流能力取決于酸液對(duì)地層巖石礦物的溶解量及不均勻溶蝕程度。由于儲(chǔ)層礦物分布的分均質(zhì)性和裂隙內(nèi)酸液濃度的變化，導(dǎo)致酸液對(duì)裂隙壁面的溶解也是非均質(zhì)的，因此酸壓后能保持較高的裂隙導(dǎo)流能力（陳生輝，2010）。目前，酸化壓裂工藝主要應(yīng)用于碳酸鹽巖熱儲(chǔ)層的地?zé)峋霎a(chǎn)中，由于碳酸鹽巖地層的主要礦物成份是方解石和白云石，在對(duì)其加壓壓酸過程中，進(jìn)入巖層裂縫中的鹽酸與其壁面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，溶蝕掉其中的充填物（張榮軍等，2004），可有效增加裂縫的空間，提高地層的滲透性。

2 酸化壓裂施工工藝

酸化壓裂施工工藝的效果與多種因素相關(guān)，為了保護(hù)地層，提高酸化壓裂效果，必須根據(jù)不同地區(qū)地層的不同特點(diǎn)，選擇合適的酸化段、酸液、前置液等施工配料和工藝，使其與地層準(zhǔn)確配伍，方可增加其地?zé)崴a(chǎn)量（徐云鵬，2015）。

酸化壓裂前期準(zhǔn)備工作包括資料分析、選擇酸化段、模擬分析等步驟。首先應(yīng)對(duì)地?zé)峋臏y井和編錄資料進(jìn)行全面分析，選取儲(chǔ)層含水量最好或裂隙較為發(fā)育的層段作為酸化段;其次分析酸化段內(nèi)巖石及流體的物理化學(xué)性質(zhì)（林天懿等，2018），模擬井下壓力和溫度等物理化學(xué)條件，確定使用的酸液成分和其他施工參數(shù)，酸液的配伍應(yīng)滿足通裂隙通道，提高酸化壓裂效果的要求。實(shí)際應(yīng)用效果表明，對(duì)于一類和二類裂隙層（視電阻率與基巖電阻率的比值在0～0.2之間的為一類裂隙，比值在0.2～0.5之間的為二類裂隙），酸化壓裂的效果最好（楊淼等，2018）。

酸化壓裂施工包括注入前置液和酸液兩個(gè)過程。首先應(yīng)應(yīng)將封隔器下入相應(yīng)的深度，從油管或井管內(nèi)以較高的壓力向井內(nèi)注入前置液（清水），在水力作用下，達(dá)到擴(kuò)大或延伸地層中裂隙的作用。其次，用高壓泵入適量的酸液，在高于地層破裂壓力的情況下，使酸液沿裂隙行進(jìn)，逐漸將裂隙溶蝕成溝槽（王連成等，2010），從而增大地層的導(dǎo)流能力。

酸化壓裂后，地層中會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的沉淀物充填在地層空隙和裂隙內(nèi)，為了不影響酸化壓裂效果，應(yīng)盡快使用空壓機(jī)氣舉法將殘留的酸液和沉淀物排出，以避免阻塞導(dǎo)水通道。

3 應(yīng)用實(shí)例

浙江桐鄉(xiāng)位于桐鄉(xiāng)凹陷中的次隆部位（圖1），屬中生代白堊紀(jì)斷陷盆地。凹陷南北兩側(cè)為斷裂所切，其中，北界為烏鎮(zhèn)-馬金深斷裂（F4），南界為球川-平湖深斷裂（F14），二者均為斜貫浙江西部地區(qū)的元古代深斷裂。由于受一系列北東向斷裂（F11、F12）切割，凹陷內(nèi)部呈“兩凹一凸”狀。凹陷內(nèi)熱儲(chǔ)層一般為震旦—寒武系碳酸鹽巖地層，熱儲(chǔ)類型為巖溶裂隙型熱儲(chǔ)。蓋層主要由第四系松散沉積物，白堊系碎屑巖和黃尖組、勞村組火山巖組成，厚度約為1400～2200m。由于該地區(qū)熱儲(chǔ)埋深較大，富水性不均勻，地?zé)峋a(chǎn)量不穩(wěn)定，嚴(yán)重限制了地?zé)豳Y源的開發(fā)進(jìn)程。目前，針對(duì)產(chǎn)量較低的地?zé)峋?，洗井是一種有效的補(bǔ)救措施（柯柏林等，2008;任良治等，2010;姬永紅，2017）。常規(guī)的洗井工藝有拉活塞洗井、二氧化碳洗井、酸化洗井和空壓機(jī)壓風(fēng)洗井等（朱一函，1990;程志忠，2008）。針對(duì)不同的水文地質(zhì)條件，選擇合適的洗井方法，可以取得較好的增產(chǎn)效果。

在浙江桐鄉(xiāng)地區(qū)碳酸鹽巖地?zé)峋氖┕み^程中，最常用洗井方法是酸化洗井。其主要原理是利用酸液與地層中的碳酸鹽巖發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，溶蝕掉巖溶裂隙中的充填物，從而改善裂隙通道的聯(lián)通性，增強(qiáng)巖石的滲透性（張道清等，2006;姬永紅，2017），同時(shí)，解除泥漿對(duì)含水層的污染堵塞，提高井產(chǎn)量（李硯智等，2009）。本文所選地?zé)峋_孔孔徑為445mm，終孔孔徑為216mm，井深2500.26m，其在1460m處穿透了第四系和白堊系進(jìn)入寒武系碳酸鹽巖地層（圖2），該地層的主要巖性為白云質(zhì)灰?guī)r和白云巖。施工過程中，經(jīng)過兩次常規(guī)酸化洗井和一次汽水混合洗井后，其抽水試驗(yàn)結(jié)果顯示，該井在降深473.9m時(shí)，出水溫度為54℃，涌水量120m3/d。經(jīng)分析可能是用于地層裂隙不發(fā)育、含水層段較少以及酸化洗井時(shí)酸鹽反應(yīng)產(chǎn)生的沉淀物堵塞裂隙所致。為了提高該井產(chǎn)量，決定采用酸化壓裂洗井工藝對(duì)該井進(jìn)行處理。

3.1 酸化壓裂施工設(shè)計(jì)

（1）目的層段選擇

基于巖屑編錄和測井解譯資料的分析，該井在1435～1491m和2390～2500m段中裂隙發(fā)育較為充分，層段巖性為灰?guī)r和白云巖，據(jù)此選擇此段為洗井目的層段。

（2）酸液配伍選擇

選取待酸化的地層巖屑與配比好的酸液，然后進(jìn)行室內(nèi)溶蝕實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，選用濃度20%的鹽酸對(duì)該地層有較好的溶蝕作用，且反應(yīng)物可溶于水并產(chǎn)生二氧化碳?xì)怏w，利于反應(yīng)殘液反排。化學(xué)反應(yīng)式如下：

CaCO3+2HCl=CaCl2+CO2↑+H2O

CaMg（CO3）+4HCl=CaCl2+MgCl2+2C02↑+2H2O

同時(shí)，鹽酸也可以溶解地?zé)峋?、鉆桿等金屬，化學(xué)反應(yīng)式如下：

Fe2O3+6HCl=2FeCl3+3H2O

FeS+2HCl=FeCl2+H2S↑

為了緩解鹽酸對(duì)井管和鉆具的腐蝕，減緩溶蝕后沉淀物的沉積，降低鹽酸對(duì)碳酸鹽巖的溶蝕速度，在泵入鹽酸前可向井內(nèi)先泵入一定量的檸檬酸。

（3）施工設(shè)備及用料

本次酸化壓裂作業(yè)深度為1435～1491m和2390～2500m兩段，投入的施工設(shè)計(jì)及用料見表1。

3.2 酸化壓裂施工

（1）第一次壓裂

首先將封隔器下入孔內(nèi)1400m處（圖3），并接好地面施工管線。首先進(jìn)行高壓管匯清水試壓，壓力應(yīng)不大于20Mpa;然后以正擠方式高壓泵入清水30m3、檸檬酸200kg，疏通裂隙通道后，再向井內(nèi)加壓泵入濃度20%的鹽酸100m3，憋壓待鹽酸與井內(nèi)地層充分反應(yīng)4小時(shí)后，再向井內(nèi)泵入清水200m3，在此過程中觀察井口壓力值變化（圖4），待4小時(shí)后釋放壓力。

釋放壓力達(dá)到排液標(biāo)準(zhǔn)后，采用大型壓風(fēng)機(jī)風(fēng)管下到1000m氣舉負(fù)壓洗井，排出井內(nèi)酸巖反應(yīng)的殘留物。在壓風(fēng)機(jī)洗井過程中應(yīng)記錄上水情況、壓力變化情況，以及溫度值和上水渾濁度等參數(shù)，直至井內(nèi)殘留物排凈后結(jié)束洗井工作。

（2）第二次壓裂

待第一次酸化壓裂結(jié)束48小時(shí)后，按照上述工序?qū)?390～2500m井段進(jìn)行第二次壓裂施工，使用鹽酸50m3。首先將封隔器下入孔內(nèi)2390m處，并接好地面施工管線，進(jìn)行高壓管匯清水試壓，壓力應(yīng)不大于20Mpa;。然后以正擠方式高壓泵入清水16m3、檸檬酸200kg，疏通裂隙通道后，再向井內(nèi)加壓泵入濃度20%的鹽酸50m3，憋壓待鹽酸與井內(nèi)地層充分反應(yīng)4小時(shí)后，再向井內(nèi)泵入清水300m3，在此過程中觀察井口壓力值變化（圖5），待4小時(shí)后釋放壓力。

釋放壓力達(dá)到排液標(biāo)準(zhǔn)后，采用大型壓風(fēng)機(jī)風(fēng)管下到2300m氣舉負(fù)壓洗井，排出井內(nèi)酸巖反應(yīng)的殘留物。在壓風(fēng)機(jī)洗井過程中應(yīng)記錄上水情況、壓力變化情況，以及溫度值和、上水渾濁度等參數(shù)，直至井內(nèi)殘留物排凈后結(jié)束洗井工作。

3.3 酸化壓裂增產(chǎn)效果對(duì)比分析

本次酸化壓裂嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)執(zhí)行。在進(jìn)行第二次壓裂時(shí)，其最高泵壓20MPa，排量為0.8m3/min，在泵酸過程中，泵壓下降至16MPa，這說明地層內(nèi)的碳酸鹽巖與經(jīng)酸液溶蝕后，與周圍裂隙的溝通明顯加強(qiáng)。壓裂結(jié)束后，抽水試驗(yàn)結(jié)果顯示，在降深418.30m時(shí)，涌水量為205.55m3/d，較壓裂前的120m3/d，增加了71%，溫度由壓裂前的54℃升高至62℃，實(shí)現(xiàn)了地?zé)峋a(chǎn)能的大幅度提升，酸化壓裂效果明顯（表2）。

對(duì)酸化壓裂前地?zé)峋克枯^小的情況進(jìn)行分析，其主要原因包括：其一，隨著儲(chǔ)層深度的增加，地層內(nèi)部壓力越來越大，常壓狀態(tài)下的酸化洗井，酸液大部分停留在井筒內(nèi)，無法深入到地層裂隙，洗井半徑擴(kuò)展阻力大，造成洗井效果有限;其二，酸液與碳酸鹽巖發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后產(chǎn)生的沉淀物粘度較高，堆積在裂隙內(nèi)，導(dǎo)致巖層孔洞、裂隙封塵，滲透性降低;最后，由于該地區(qū)儲(chǔ)層裂隙發(fā)育不充分，酸液無法導(dǎo)流至含水層與地層進(jìn)行有效作用。

4 結(jié)論和建議

酸化壓裂工藝在絕大多數(shù)情況下可以有效的擴(kuò)展碳酸鹽巖地層的裂隙通道，增大裂隙率，提高熱儲(chǔ)導(dǎo)流能力和地?zé)峋a(chǎn)能。本次針桐鄉(xiāng)地區(qū)某地?zé)峋峄瘔毫严淳某晒?shí)施，使得該井涌水量由120m3/d增加至205.55m3/d，出水溫度由54℃上升至62℃，實(shí)現(xiàn)了地?zé)峋a(chǎn)能的大幅度提升，表明了該工藝用于桐鄉(xiāng)地區(qū)碳酸鹽巖地層增產(chǎn)的可行性，可為以后類似項(xiàng)目提供借鑒。

由于研究區(qū)內(nèi)斷裂規(guī)模較小，斷裂附近的裂隙發(fā)育較差，連通性不好，造成了該井的降深較大，出水量有限。在開發(fā)利用過程中，可滿足溫泉療養(yǎng)及保健健身等領(lǐng)域的需要，該井開發(fā)利用的成果，已帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)，成為促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展新的增長點(diǎn)。

對(duì)不同區(qū)域的地?zé)峋?，在施工過程中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：1）選擇合適的酸液配比和施工方案對(duì)提高酸化壓裂增產(chǎn)效果尤為重要，尤其是前期相關(guān)參數(shù)的分析、模擬計(jì)算需準(zhǔn)備充分。2）在酸化壓裂施工過程中，酸液與地層反應(yīng)的殘留物應(yīng)及時(shí)排除，否則殘留物的沉淀可能再次堵塞裂隙通道，影響施工效果。3）施工時(shí)應(yīng)隨時(shí)觀察記錄壓力值變化，判斷施工效果，并及時(shí)調(diào)整施工方案。4）施工結(jié)束后排出的廢液應(yīng)及時(shí)收集處理，以免造成環(huán)境污染。

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