川西北部地區(qū)棲霞組超深高溫氣井酸壓技術(shù)

曾冀 馬輝運(yùn) 劉俊辰 茍波 李金穗 楊林

1.中國石油西南油氣田分公司工程技術(shù)研究院；2.四川頁巖氣勘探開發(fā)有限責(zé)任公司；3.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；4.中國石油西南油氣田分公司致密油氣勘探開發(fā)項(xiàng)目部

川西北地區(qū)位于四川盆地西部龍門山山前帶，2014年在雙探1井取得勘探突破后，相繼在雙探3井、龍?zhí)?井等獲得高產(chǎn)工業(yè)氣流，展現(xiàn)了巨大的勘探開發(fā)潛力［1］。棲霞組作為川西北部地區(qū)主探層，主要發(fā)育晶粒白云巖和殘余砂屑白云巖儲層，普遍表現(xiàn)出超深 (7 000～7 500 m)、高溫 (160 ℃)、高壓(96 MPa)的特征［2］，且工區(qū)內(nèi)地層高陡，壓力梯度復(fù)雜，斷層、膏巖層及復(fù)合鹽水層發(fā)育，鉆采工程面臨巨大挑戰(zhàn)。在高額的單井投資背景下，如何通過提高單井產(chǎn)量實(shí)現(xiàn)效益開發(fā)是一個亟待解決的問題。

經(jīng)過多年發(fā)展，針對碳酸鹽巖儲層主要形成了以均勻布酸酸化、深穿透酸壓和酸攜砂壓裂為代表的儲層改造技術(shù)，同時配套完善了相應(yīng)的液體、工具、材料。大量現(xiàn)場實(shí)踐表明，儲層改造工藝的優(yōu)選需要緊密結(jié)合儲層地質(zhì)特征，其中：塔里木塔中地區(qū)奧陶系儲層縫洞系統(tǒng)發(fā)育，依靠高精度三維地震資料對縫洞進(jìn)行刻畫，進(jìn)而通過酸壓工藝溝通有利油氣儲集體；長慶靖邊氣田馬家溝組儲層碳酸鹽巖純度較高，難以獲得高導(dǎo)流能力酸蝕裂縫，采用交聯(lián)酸攜砂工藝提高了酸壓后的穩(wěn)產(chǎn)時間；冀中坳陷楊稅務(wù)潛山凝析氣藏基質(zhì)致密、裂縫連通性差、地應(yīng)力梯度高，經(jīng)過多輪工藝試驗(yàn)，明確復(fù)雜縫網(wǎng)酸壓工藝是實(shí)現(xiàn)氣藏效益開發(fā)的有效手段［3-7］。與國內(nèi)其他碳酸鹽巖儲層相比，棲霞組的主要特征為超深和高溫。因此，為提高棲霞組儲層改造的針對性，筆者通過分析儲層地質(zhì)特征和開展系統(tǒng)的室內(nèi)評價(jià)實(shí)驗(yàn)，明確了棲霞組儲層改造關(guān)鍵為溝通縫洞系統(tǒng)、增大泄流面積，指出了酸巖反應(yīng)速率是制約縫長增長的主要因素。通過引入酸巖反應(yīng)熱，建立了以溫度場為核心的多場耦合酸壓模型，形成了適合于棲霞組的超深高溫氣井酸壓技術(shù)。

1 儲層地質(zhì)特征

1.1 巖礦特征

棲霞組儲集巖主要為晶粒白云巖和殘余砂屑白云巖，次為云質(zhì)豹斑灰?guī)r和生物(屑)灰?guī)r。礦物組分以鐵白云石和方解石為主，平均含量分別為43%和55%。

1.2 物性特征

棲霞組巖心統(tǒng)計(jì)表明，孔隙度分布范圍為2.02%～7.59%，平均孔隙度 3.09%；白云巖樣品孔隙度主要分布在2%～4%，平均孔隙度3.36%；滲透率分布范圍 (0.013～53.4)×10-3μm2，平均值 2.92×10-3μm2，小于 1×10-3μm2的樣品占 50%，表現(xiàn)出低孔、中～低滲特征。

1.3 儲集空間特征

棲霞組溶洞較發(fā)育，以小洞(2～5 mm)和中洞(5～20 mm)為主，早期構(gòu)造縫多數(shù)被方解石、瀝青全充填，晚期縫呈未充填或半充填狀態(tài)，微裂縫較發(fā)育(＜150 μm)。儲層儲集空間主要為晶間孔、晶間溶孔 (圖1)。

圖1 發(fā)育溶孔、微裂縫的棲霞組巖心Fig.1 Core of Qixia formation with dissolved pores and micro-fractures

2 儲層改造技術(shù)難點(diǎn)

2.1 埋藏深，酸液流動摩阻大，施工壓力高

棲霞組埋深7 000～7 500 m，水平最小主應(yīng)力梯度0.019 9 MPa/m。根據(jù)實(shí)際施工管串預(yù)測不同吸酸壓力梯度下的膠凝酸施工泵壓(圖2)，可以看出，施工泵壓隨排量增大而顯著提高，當(dāng)排量達(dá)到5 m3/min時，摩阻接近70 MPa，對應(yīng)的井口壓力在120 MPa以上。

圖2 不同吸酸壓力梯度下施工泵壓和排量關(guān)系Fig.2 Relationship between pumping pressure and displacement at different acid absorbing pressure gradients

2.2 酸巖反應(yīng)速率快，酸蝕縫長延伸受限

旋轉(zhuǎn)巖盤實(shí)驗(yàn)表明，在160 ℃下棲霞組的酸巖反應(yīng)速率是川中龍王廟組和燈影組的4～6倍(圖3)，導(dǎo)致在棲霞組酸壓施工過程中活性酸難以進(jìn)入儲層深部，降低了酸液對儲層的有效刻蝕距離，使得增大酸蝕縫長的難度較大。

圖3 不同溫度下酸巖反應(yīng)速率Fig.3 Acid-rock reaction rate at different temperatures

2.3 有效閉合應(yīng)力高，酸蝕裂縫導(dǎo)流能力保持困難

棲霞組水平最小主應(yīng)力梯度為0.019 9 MPa/m，壓力系數(shù)為1.3，在7 300 m的埋深下，作用在裂縫壁面上的有效閉合應(yīng)力為49.4 MPa，且有效閉合應(yīng)力會隨著生產(chǎn)的進(jìn)行而進(jìn)一步增大。棲霞組儲層不同程度發(fā)育方解石和白云石，巖板過酸后容易形成非均勻刻蝕，為裂縫提供高導(dǎo)流能力(圖4)。但導(dǎo)流能力隨著閉合應(yīng)力的增大而快速降低，由于棲霞組的有效閉合應(yīng)力高，導(dǎo)致非均勻刻蝕形成的導(dǎo)流能力難以有效保持(圖5)。

3 多場耦合酸壓設(shè)計(jì)

常規(guī)酸壓設(shè)計(jì)方法主要是采用商業(yè)軟件模擬不同規(guī)模、排量下的酸蝕裂縫形態(tài)，以最大酸蝕裂縫長度作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)。由于棲霞組在相同溫度下的酸巖反應(yīng)速率遠(yuǎn)高于其他儲層，因此，需要考慮酸巖反應(yīng)速率對酸蝕裂縫形態(tài)的影響。

圖4 棲霞組巖板酸刻蝕后三維形態(tài)Fig.4 Three-dimensional morphology of the rock plate of Qixia formation after being acid etched

圖5 棲霞組巖板酸蝕后導(dǎo)流能力保持率Fig.5 Retention ratio of the flow conductivity of the rock plate of Qixia formation after being acid etched

3.1 酸巖反應(yīng)熱計(jì)算方法

白云巖儲層酸壓，在常溫(25 ℃)下的標(biāo)準(zhǔn)摩爾反應(yīng)焓可表示為(公式排列)

溫度為Tw時的標(biāo)準(zhǔn)摩爾反應(yīng)焓為

考慮高壓下二氧化碳的狀態(tài)，得到壓力對反應(yīng)焓的影響，可表示為

式中，ΔrHm為摩爾反應(yīng)焓，kJ/mol，T為溫度，K；p為壓力，MPa；V為摩爾體積，cm3/mol；Z為氣體偏差因子，無因次；R為氣體普適常數(shù)，8.314 J/(mol · K)。

綜合考慮溫度、壓力和CO2的體積功的影響，溫度為Tw、壓力為p時的酸巖摩爾反應(yīng)熱的計(jì)算公式可表示為

式中，ΔrQm為摩爾反應(yīng)熱，kJ/mol；fg為游離態(tài)二氧化碳的摩爾分?jǐn)?shù)，無因次；VCO2為二氧化碳摩爾體積，cm3/mol。

3.2 多場耦合酸壓設(shè)計(jì)方法

以裂縫溫度場為核心，建立溫度場、壓力場、裂縫延伸和酸液流動的酸壓耦合模型，實(shí)現(xiàn)對棲霞組酸壓過程的針對性模擬。其中，溫度場、壓力場、裂縫延伸和酸液流動模型見文獻(xiàn)［8-9］。特別地，在溫度場的邊界條件中加入酸巖反應(yīng)熱，即裂縫壁面處 (y=±w/2)

式中，Khf為裂縫流體導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m · K)；m為反應(yīng)級數(shù)，無因次；kR為酸巖反應(yīng)速率常數(shù)，100 Lm-2/(molm-1· s)；c為酸液摩爾濃度，mol/L；qh為地層向裂縫傳遞的熱流量，W/m2。

酸蝕縫長和酸蝕縫寬的求解是建立在裂縫內(nèi)酸液濃度分布的基礎(chǔ)上，因而酸蝕裂縫幾何尺寸計(jì)算模型必須和酸液流動反應(yīng)模型耦合求解。另一方面，裂縫溫度場和裂縫內(nèi)酸液濃度分布是同時計(jì)算出來的，因而只需將酸蝕裂縫幾何尺寸計(jì)算程序與考慮酸巖反應(yīng)熱的裂縫溫度場計(jì)算程序嵌接，即可求出有效酸蝕縫長和任意時間、任意位置處的酸蝕縫寬，酸液有效作用距離和酸蝕縫寬的計(jì)算程序如圖6所示。

根據(jù)棲霞組基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，模擬了200 m3酸量時不同排量下酸巖反應(yīng)熱對酸液有效作用距離的影響，結(jié)果表明，反應(yīng)熱對酸液有效作用距離影響非常明顯，考慮酸巖反應(yīng)熱之后，在酸巖反應(yīng)位置溫度增加，酸巖反應(yīng)速率增加，從而降低了酸液有效作用距離，最高影響達(dá)9 m；排量越大，酸液有效作用距離越長。根據(jù)預(yù)測的泵壓，選擇施工排量為4 m3/min時，從不同酸量對酸蝕有效縫長的影響(圖7)可以看出，隨著酸量的增加，酸蝕有效縫長不斷增加；但在酸量超過160 m3后，酸蝕有效縫長的增加幅度變化很小。因?yàn)榇藭r酸液有效作用距離受酸液反應(yīng)活性控制，隨著酸蝕縫長增加，酸液的濃度也逐漸降至殘酸，失去反應(yīng)活性。

圖6 酸蝕裂縫幾何尺寸計(jì)算程序框圖Fig.6 Block diagram of the program for calculating the geometry of etched fracture

圖7 酸量對酸蝕有效縫長的影響Fig.7 Effect of acid volume on the effective length of etched fracture

4 現(xiàn)場試驗(yàn)

針對棲霞組酸壓改造難點(diǎn)，在現(xiàn)場試驗(yàn)過程中主要采用以下措施：(1)優(yōu)化膠凝劑的黏彈性，使膠凝酸降阻率提高至62%，降低酸液流動摩阻；(2)采用以溫度場為核心的酸壓耦合模型，提高酸壓設(shè)計(jì)合理性；(3)采用自生酸作為前置液對地層進(jìn)行降溫預(yù)處理，減緩酸巖反應(yīng)速率。

S8井棲霞組設(shè)計(jì)施工規(guī)模300 m3(60 m3自生酸、240 m3膠凝酸)，施工排量 3.5～4.5 m3/min。在施工過程中有明顯壓降顯示，表明酸液對滲流通道起到明顯的改善作用。施工曲線凈壓力擬合顯示酸蝕縫長為51 m，試井資料解釋縫長為39 m，表明采用的設(shè)計(jì)方法在川西地區(qū)棲霞組具有較好的適應(yīng)性?，F(xiàn)場累計(jì)試驗(yàn)4井次，井均測試產(chǎn)氣量67.03×104m3/d。

5 結(jié)論

川西北部地區(qū)棲霞組埋藏深、溫度高、以小洞和中洞發(fā)育為主，酸壓改造面臨酸液流動摩阻高、酸巖反應(yīng)速率快和酸蝕裂縫導(dǎo)流能力保持困難等難題。通過引入酸巖反應(yīng)熱，建立了以溫度場為核心的多場耦合酸壓模型，提高了棲霞組酸壓模擬的針對性，形成了適合于棲霞組的超深高溫氣井酸壓設(shè)計(jì)方法。針對棲霞組改造難點(diǎn)，在現(xiàn)場試驗(yàn)過程中形成了針對性措施，成功開展了4口井的酸壓工藝試驗(yàn)，有效支撐了棲霞組氣藏的勘探開發(fā)。