酸液對酸蝕裂縫導流能力影響的研究

王明星，吳亞紅，孫海洋，陳盼盼，賈旭楠

(1.中國石油新疆油田分公司，新疆 克拉瑪依 834099； 2.中國石油大學(北京)，北京 102249；3.中國石油長慶油田分公司，陜西 西安 710200； 4.國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作天津中心，天津 300304)

0 引 言

碳酸鹽巖油氣藏采用酸化壓裂或復合酸化壓裂施工，酸與裂縫面的可溶礦物接觸，發(fā)生酸巖反應，形成對裂縫面的刻蝕，酸蝕裂縫的導流能力與酸化壓裂優(yōu)化設計和酸化壓裂效果緊密相關(guān)[1-4]。酸蝕裂縫導流能力取決于酸的不均勻刻蝕程度，酸與巖石在地層中的反應是一個隨機過程，因此，酸蝕作用形成的裂縫導流能力很難預測。選擇合理的酸液體系和施工參數(shù)，形成長效高導流能力的不均勻酸蝕通道，可以大幅度地提高油井產(chǎn)能[5-6]。此次研究通過改變高溫膠凝酸、變黏酸和自轉(zhuǎn)向酸的體積分數(shù)、用量、溫度、組合方式，進行導流能力實驗，評價不同影響因素下酸蝕裂縫導流能力的變化規(guī)律和導流能力保持率(在地層閉合壓力作用下，裂縫導流能力的剩余值與初始值的比值，稱之為導流能力保持率)，在此基礎上優(yōu)化酸化壓裂的施工參數(shù)，為現(xiàn)場施工提供決策依據(jù)。

1 實驗方案設計

主要實驗設備為酸蝕裂縫導流儀，實驗試劑主要為變黏酸、高溫膠凝酸和自轉(zhuǎn)向酸，實驗巖板使用塔里木盆地奧陶系碳酸鹽巖的巖心制作。酸液體積分數(shù)設置為10%、15%、20%、25%，用量設置為300、500、700、900、1 000 mL，溫度設置為60、80、100、120 ℃。實驗目的：一是評價不同酸液體積分數(shù)、酸液用量和溫度條件下，變黏酸、高溫膠凝酸和自轉(zhuǎn)向酸的酸蝕裂縫導流能力的變化規(guī)律；二是評價2種酸在不同組合下的酸蝕裂縫導流能力的變化規(guī)律(酸液體積分數(shù)為20%，酸液用量各為250 mL)。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 酸種類對酸蝕導流能力的影響

酸液注入速率為10 mL/min，酸液體積分數(shù)為20 %，酸液用量均為1 000 mL，酸蝕導流能力實驗結(jié)果見圖1。由圖1可知：隨著閉合壓力的增加，3種酸液的酸蝕導流能力均逐漸降低，其中，高溫膠凝酸導流能力下降幅度最大，變黏酸下降幅度最??；在相同的閉合壓力下，高溫膠凝酸的導流能力保持率最低，變黏酸的導流能力保持率最高；盡管高溫膠凝酸導流能力保持率最低，但其導流能力始終高于變黏酸和自轉(zhuǎn)向酸。

觀察酸蝕后巖板表面的刻蝕情況可知(圖2)，3種酸液體系對巖板刻蝕程度明顯不同，高溫膠凝酸不均勻刻蝕程度較強，自轉(zhuǎn)向酸和變黏酸不均勻刻蝕程度較弱。

圖1 不同酸液種類對酸蝕導流能力的影響

2.2 酸液體積分數(shù)對巖板導流能力的影響

酸液體積分數(shù)分別為10%、15%、20%、25%，酸液用量均為1 000 mL，注入速率為10 mL/min，評價酸液體積分數(shù)對巖板導流能力的影響(圖3)。由圖3可知：隨著酸液體積分數(shù)的增加，3種酸液的酸蝕導流能力均增加；隨閉合壓力升高，3種酸液的酸蝕導流能力均逐漸下降。其主要原因是隨著酸液體積分數(shù)增加，溶蝕能力越強，增加了酸液對巖石礦物的溶解量以及不均勻刻蝕程度，同時，酸液黏度也隨著酸液體積分數(shù)增加而增加，降低了酸液的濾失量；酸液體積分數(shù)增加，降低了酸巖反應速度，有利于長時間保持酸液中的有效成分，酸液向地層深部穿透，增加了有效作用距離。總之，酸液體積分數(shù)的增加，提高了酸液的作用效果和酸蝕裂縫的導流能力[7-9]。

觀察不同體積分數(shù)的3種酸液酸蝕后的巖板(圖2)可知：隨酸液體積分數(shù)的增加，巖板表面的不均勻刻蝕程度越來越明顯；相同體積分數(shù)下，高溫膠凝酸的不均勻刻蝕程度最強，自轉(zhuǎn)向酸其次，變黏酸最弱。巖板的刻蝕程度與酸蝕裂縫導流能力有較強的正相關(guān)性，巖板的刻蝕程度越強，導流能力越高。

由圖3a可知，變黏酸的導流能力保持率與其體積分數(shù)并不是完全呈現(xiàn)一一對應關(guān)系，不同體積分數(shù)的導流能力保持率曲線出現(xiàn)交叉現(xiàn)象，這是由于不同體積分數(shù)的變黏酸的刻蝕程度不同，刻蝕的強度、深淺和均勻性等導致其支撐裂縫的能力也不同，在高閉合壓力作用下，導流能力的下降幅度受這幾種因素的共同作用，沒有表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性。但總的來看，變黏酸體積分數(shù)在15%和20%時，導流能力的保持率較高[10-12]。由圖3b可知，高溫膠凝酸體積分數(shù)在20%和25%時，導流能力保持率最大[13-15]。由圖3c可知，在閉合壓力小于80 MPa時，自轉(zhuǎn)向酸體積分數(shù)為15%時的導流能力保持率最高，閉合壓力達到90 MPa時，酸液體積分數(shù)為20%時的導流能力保持率最高。這是由于自轉(zhuǎn)向酸作用機理所致，隨注入量和注入壓力增加，表現(xiàn)出了明顯的變黏增壓轉(zhuǎn)向作用，從而更加有效地改造非均質(zhì)儲層[16-19]。因此，在實際應用中，綜合考慮經(jīng)濟成本，推薦最佳酸液體積分數(shù)為15%～20%。

圖2 巖板酸蝕實驗(從左至右酸液體積分數(shù)分別為10%、15%、20%、25%)

2.3 酸液用量對酸蝕導流能力的影響

酸液注入速率為10 mL/min，酸液體積分數(shù)為20%，酸液用量為300、500、700、900 mL，評價酸液用量對導流能力的影響(圖4)。由圖4可知：隨酸液用量的增加，酸蝕裂縫的導流能力提高，這是由于酸液用量增加，增強了對裂縫壁面的刻蝕程度，從而提高了導流能力；隨閉合壓力的增加，酸蝕裂縫導流能力大幅度下降。由圖4a、b可知，變黏酸和自轉(zhuǎn)向酸用量為900 mL時，酸蝕導流能力最大，但隨著閉合壓力增大，其下降幅度也是最大的。因此，在酸化壓裂設計時，變黏酸和自轉(zhuǎn)向酸的用量應根據(jù)儲層特征和酸化壓裂井段長度，考慮初始導流能力以及導流能力下降幅度等因素綜合優(yōu)化。由圖4c可知，高溫膠凝酸用量為900 mL時，酸蝕導流能力下降的幅度最小。因此，在考慮成本的情況下，應盡可能增大高溫膠凝酸的用量，以獲得良好的增產(chǎn)效果。

2.4 溫度對酸蝕導流能力的影響

實驗注入速率為10 mL/min，酸液用量為500 mL，溫度分別為60、80、100、120 ℃，研究溫度對導流能力的影響(圖5)。由圖5可知：溫度對酸蝕裂縫導流能力的影響較大，不同酸的導流能力變化規(guī)律不同，高溫膠凝酸在80 ℃時導流能力最大，變黏酸和自轉(zhuǎn)向酸在100 ℃時的導流能力最大；低閉合壓力下，酸蝕導流能力越高，則在高閉合壓力下，其下降幅度也越大。

由圖5a可知：高溫膠凝酸在80 ℃時酸蝕導流能力最大，120 ℃時次之；隨著閉合壓力增大，酸蝕導流能力不斷下降，閉合壓力達到90 MPa時，無論是80 ℃還是120 ℃，導流能力仍能維持在4 μm2·cm左右，對酸蝕裂縫是比較理想的一個數(shù)值，說明高溫膠凝酸適合高溫高閉合壓力儲層的酸化壓裂施工。

圖3 不同酸液體積分數(shù)對酸蝕導流能力的影響

由圖5b、c可知，不同溫度下變黏酸和自轉(zhuǎn)向酸的酸蝕導流能力變化規(guī)律相似。當溫度為60 ℃時，導流能力較低，閉合壓力對導流能力的影響較??；溫度升至100 ℃時，酸蝕導流能力最大，繼續(xù)升高溫度，酸蝕導流能力下降。綜合分析可知，在一定范圍內(nèi)，溫度升高加快了酸巖反應速度，有利于酸對巖板的溶蝕，提高了酸蝕導流能力。但溫度過高，酸巖反應速度過快，導致巖板不均勻刻蝕程度嚴重，有效酸巖反應距離縮短，反而不利于保持較高的導流能力。因此，變黏酸和自轉(zhuǎn)向酸適用溫度為100 ℃左右。

圖4 酸液用量對酸蝕導流能力的影響

2.5 組合酸對酸蝕導流能力的影響

實驗注入速率為10 mL/min，酸液體積分數(shù)為20%，每種酸液的用量為250 mL，評價組合酸對導流能力的影響(圖6)。由圖6可知，在相同閉合壓力下，組合酸酸蝕導流能力的大小順序依次為：高溫膠凝酸和自轉(zhuǎn)向酸組合、高溫膠凝酸和變黏酸組合、變黏酸和自轉(zhuǎn)向酸組合；組合酸導流能力介于高溫膠凝酸和變黏酸之間，偏向高溫膠凝酸一側(cè)。

圖5 不同溫度對酸蝕導流能力的影響

圖6 組合酸對酸蝕導流能力的影響

組合酸綜合了2種酸的優(yōu)點，不僅有利于保持較高的導流能力，還有利于維持較高的導流能力保持率，因此，采用交替注入組合酸的方式，可以獲得更高的導流能力，從而提高增產(chǎn)效果。

3 應用實例分析

根據(jù)3種長效酸對酸蝕導流能力變化規(guī)律的實驗評價，在塔里木盆地碳酸鹽巖儲層開展了不同酸液體系的酸化壓裂施工現(xiàn)場應用。針對不同儲層類型，采用相應的液體體系，并對酸化壓裂施工參數(shù)進行了優(yōu)化。

在塔里木盆地奧陶系碳酸鹽巖儲層采用高溫膠凝酸施工的20口井，均獲得了良好的施工效果。以A井酸化壓裂施工為例，酸化壓裂目的層為奧陶系中下統(tǒng)鷹山組，酸化壓裂井段為6 687.94～6 780.00 m，近井地帶儲層發(fā)育及油氣顯示一般。該井酸化壓裂施工設計采用340 m3凍膠壓裂液和330 m3高溫膠凝酸進行酸化壓裂，設計動態(tài)縫長為110.2 m，縫高為68.5 m，酸蝕縫長為92.7 m。

施工曲線表明，泵注前期地層順利壓開，泵注凍膠260 m3，壓力平穩(wěn)；正擠高溫膠凝酸295 m3，油壓為65.9～84.0 MPa，套壓為17.9～28.1 MPa，排量為5.4～6.0 m3/min。壓裂后數(shù)值模擬動態(tài)縫長為129.7 m，縫高為69.3 m，酸蝕縫長為107.6 m，酸化壓裂施工參數(shù)合理，施工成功，表明采用的高溫膠凝酸液對地層酸蝕效果良好，為增產(chǎn)增儲提供了良好的技術(shù)保障[20]。

4 結(jié) 論

(1) 通過3種酸液的導流能力實驗評價和巖板刻蝕觀察，酸蝕裂縫導流能力和酸蝕強度由強到弱依次為高溫膠凝酸、自轉(zhuǎn)向酸、變黏酸。高溫膠凝酸和自轉(zhuǎn)向酸形成的刻蝕紋理在巖板上分布均勻性較差，變黏酸形成的刻蝕紋理均勻性較好，有利于進行深部酸化。

(2) 隨著酸液體積分數(shù)增加，3種酸液的酸蝕導流能力和刻蝕程度均增加，酸液體積分數(shù)在15%～20%時，酸蝕導流能力保持率最高。綜合考慮儲層特征和施工成本，酸化壓裂設計最優(yōu)體積分數(shù)為15%～20%。

(3) 對變黏酸和自轉(zhuǎn)向酸，隨著酸液用量的增加，酸蝕導流能力也增大；隨著閉合壓力增大，酸液用量最大的，其下降幅度也最大。因此，在酸化壓裂設計時，酸液用量應考慮初始導流能力以及導流能力下降幅度等因素進行綜合優(yōu)化。高溫膠凝酸用量越大，酸蝕導流能力也越大，適合進行大規(guī)模酸化壓裂施工。

(4) 隨溫度的升高，3種酸液的酸蝕導流能力總體是增大的；溫度對變黏酸和自轉(zhuǎn)向酸的酸蝕導流能力保持率的影響較小；高溫膠凝酸隨著溫度增加，酸蝕導流能力也增大，但在高閉合壓力作用下，其下降幅度也大。

(5) 高溫膠凝酸和自轉(zhuǎn)向酸組合，酸蝕導流能力最高，高溫膠凝酸和變黏酸組合，酸蝕的導流能力次之，變黏酸和自轉(zhuǎn)向酸酸蝕后的導流能力最低。對于裂縫發(fā)育的儲層可以采用高溫膠凝酸和自轉(zhuǎn)向酸的組合進行酸化壓裂施工；對于基質(zhì)孔隙型儲層，可以采用高溫膠凝酸和變黏酸組合進行酸化壓裂施工。

(6) 現(xiàn)場實例應用高溫膠凝酸酸化壓裂施工，對地層的酸蝕效果較好，形成了高導流能力的裂縫，獲得了良好的酸化壓裂效果，為增產(chǎn)增儲提供了技術(shù)保障。