復(fù)雜非均質(zhì)碳酸鹽巖儲(chǔ)層酸巖反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特征及酸壓對(duì)策研究

鐘小軍，張銳，吳剛，尹崢，王孝超，盧昊，高躍賓

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島 266000；2.中國(guó)石油華北油田分公司勘探部，河北任丘 062550；3.中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083）

冀中坳陷廊固凹陷北部楊稅務(wù)等潛山具有億噸級(jí)儲(chǔ)量，是渤海灣地區(qū)油氣接替的新領(lǐng)域。該凹陷的勘探始于20 世紀(jì)80 年代，先后鉆探務(wù)古1 井、務(wù)古2井、務(wù)古4井均見到一定顯示，但單井產(chǎn)量低、穩(wěn)產(chǎn)難度大。與國(guó)內(nèi)外其他深層碳酸鹽巖油氣藏相比，楊稅務(wù)潛山油氣藏具有埋藏深、溫度高、儲(chǔ)集空間復(fù)雜（裂縫型、溶蝕孔洞型、縫洞型），儲(chǔ)層品質(zhì)差、自然產(chǎn)能低、經(jīng)濟(jì)有效動(dòng)用難度大等特點(diǎn)。近年來(lái)，隨著儲(chǔ)層改造技術(shù)的不斷進(jìn)步，帶動(dòng)了深層勘探發(fā)現(xiàn)，也給本潛山的改造帶來(lái)新的思路。因此鉆探了安探X 風(fēng)險(xiǎn)探井，力爭(zhēng)通過(guò)新型改造技術(shù)達(dá)到勘探發(fā)現(xiàn)的目的。與國(guó)內(nèi)塔里木、西南等油田的均質(zhì)海相儲(chǔ)層相比，楊稅務(wù)潛山儲(chǔ)層具有巖性更復(fù)雜（白云巖、灰?guī)r夾雜）、溫度高、地應(yīng)力梯度高、酸巖反應(yīng)快、改造距離短等諸多難點(diǎn)[1]，國(guó)際上對(duì)這類儲(chǔ)層改造的研究也較少，完全照搬以往的改造技術(shù)不能滿足本該的塊的改造需求。同時(shí)由于前期楊稅務(wù)潛山儲(chǔ)層取心井較少，導(dǎo)致酸巖反應(yīng)基礎(chǔ)研究較為薄弱，使得針對(duì)性的改造工藝和改造規(guī)模優(yōu)化難度大。針對(duì)以上問(wèn)題酸巖，在系統(tǒng)分析以往區(qū)塊儲(chǔ)層改造經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)巖心觀察、薄片鑒定、全巖分析及電鏡觀察，分析了4 套碳酸鹽巖礦物成分，開展不同層位礦物成分的酸巖反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特征研究，結(jié)合酸壓導(dǎo)流能力測(cè)試等，形成了“高排量、大液量、壓裂+酸壓”組合工藝為主體的酸壓改造技術(shù)，同時(shí)形成了針對(duì)不同層系的酸壓改造酸液體系及對(duì)策。

1 不同層系酸巖反應(yīng)主控因素分析

楊稅務(wù)奧陶系儲(chǔ)層受巖性、巖溶作用和斷裂發(fā)育程度等影響，縱橫向均有較大的差異，區(qū)內(nèi)奧陶系主要發(fā)育峰峰組、上馬家溝、下馬家溝和亮甲山組4 套儲(chǔ)層，儲(chǔ)集空間以孔隙型和巖溶縫洞型為主[2-3]。儲(chǔ)層埋藏深度為5065～5800 m，井底溫度165～180 ℃，有效儲(chǔ)層孔隙度平均為3.06%～3.81%，滲透率平均為0.04～1.2 mD，各套儲(chǔ)層間孔滲、溫度條件差別不明顯。通過(guò)巖心觀察、薄片鑒定、全巖分析及電鏡觀察，碳酸鹽巖主要分為灰?guī)r類和云巖類，主要巖性為灰質(zhì)白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖、灰?guī)r等，從礦物成分來(lái)看，4 套儲(chǔ)層均以方解石和白云石為主，含少量黏土礦物和石英，但各儲(chǔ)層段含量差別較大，見表1。各套儲(chǔ)層間礦物成分差異性較大，特別是影響改造效果的黏土礦物和石英含量差別明顯。因此，總體上看儲(chǔ)層酸巖反應(yīng)受超高溫控制，而區(qū)內(nèi)不同層系受不同層位巖心的礦物組分控制，需要對(duì)不同儲(chǔ)層特征進(jìn)行深入研究，制定針對(duì)性的壓裂改造措施。

表1 楊稅務(wù)潛山不同層系儲(chǔ)層參數(shù)對(duì)比

2 巖心取樣與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器與巖心

實(shí)驗(yàn)儀器為CRS-1000-35（美國(guó)TEMCO公司）。實(shí)驗(yàn)用峰峰組和亮甲山組巖心取自安探1X、安探2x、安探3、安探5x 等井不同層位，采用的馬家溝組巖心由地表露頭制備，巖心總數(shù)量達(dá)到120 塊，4 套層系每組達(dá)到30 塊左右，保證實(shí)驗(yàn)的可靠性。

2.2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為建立楊稅務(wù)潛山奧陶系4 套儲(chǔ)層的酸巖反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程，每套儲(chǔ)層分別設(shè)置3 組不同VES 鮮酸濃度下的酸巖反應(yīng)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)溫度wei 120 ℃，壓力為8 MPa，時(shí)間為10 min。實(shí)驗(yàn)配方如下。

1#（2#、3#）18%（15%、8%）HCl+5%VES+5%緩蝕劑+2%鐵離子穩(wěn)定劑

3 楊稅務(wù)潛山不同儲(chǔ)層酸巖反應(yīng)實(shí)驗(yàn)與改造對(duì)策

3.1 高溫的影響及對(duì)策

溫度對(duì)酸巖反應(yīng)速度影響很大。從圖1 可以看出，隨著溫度的升高，灰?guī)r和白云巖酸巖反應(yīng)速度都大幅上升，造成酸蝕裂縫距離過(guò)短，影響改造效果。同時(shí)可以看出，在80 ℃，灰?guī)r酸巖反應(yīng)速度是白云巖的7 倍，而當(dāng)溫度升至140 ℃時(shí)，灰?guī)r酸巖反應(yīng)速度僅是白云巖的1.6 倍，高溫下不利于酸液的非均勻刻蝕。因此，在現(xiàn)場(chǎng)施工中，前期需要大規(guī)模滑溜水的注入，對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行降溫，降低酸巖反應(yīng)速度，增加酸蝕裂縫長(zhǎng)度，同時(shí)有利于酸液對(duì)裂縫壁面的非均勻刻蝕，提高裂縫導(dǎo)流能力[4-5]。

圖1 不同類型巖樣酸巖反應(yīng)速率

3.2 不同層位酸巖反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特征

酸巖反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)包括反應(yīng)速率常數(shù)k和反應(yīng)級(jí)數(shù)m，是酸巖反應(yīng)動(dòng)力學(xué)中的重要參數(shù)，不僅可用于對(duì)酸巖反應(yīng)規(guī)律的定性定量分析，也可用于酸壓酸液體系的優(yōu)化[6-9]。計(jì)算酸巖反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的前提是酸巖反應(yīng)為表面反應(yīng)控制，所以系統(tǒng)反應(yīng)速率等于表面反應(yīng)速率。楊稅務(wù)奧陶系4 套儲(chǔ)層巖心在不同酸液濃度下的酸巖反應(yīng)速率測(cè)定結(jié)果見表3。根據(jù)質(zhì)量作用定律，對(duì)酸巖反應(yīng)速率和酸液濃度進(jìn)行線性回歸，得到的結(jié)果如圖2～圖4 所示。

表2 不同酸液濃度下酸巖反應(yīng)速率常數(shù)

1）峰峰組巖心在表面反應(yīng)控制區(qū)，隨著酸液濃度增加，失重增加，酸巖反應(yīng)速率增加。巖心表面反應(yīng)后較平坦，且有一定量殘?jiān)鼫?。?jì)算得峰峰組的酸巖反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)k=155.72×10-5cm2/s，m=0.92（見圖2）。峰峰組因?yàn)榉欠磻?yīng)性礦物含量較大，形成“點(diǎn)狀”刻蝕，導(dǎo)流能力保持能力較差。在酸壓的基礎(chǔ)上，可以通過(guò)提高酸液濃度提高酸化距離，同時(shí)需要考慮加砂壓裂工藝，以保證在高閉合應(yīng)力下的裂縫導(dǎo)流能力。

圖2 峰峰組酸巖反應(yīng)速率——酸液濃度曲線

2）上馬家溝組地層白云石、方解石交錯(cuò)分布，在表面反應(yīng)控制區(qū)，隨著酸液濃度增加，巖心失重增加，酸巖反應(yīng)速率增加。計(jì)算得上馬家溝組酸巖反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)k=606.63×10-5cm2/s，m=1.03（見圖3）。上馬家溝組巖心與低濃度酸液反應(yīng)后表面較平坦，酸液濃度提高，表面出現(xiàn)溶蝕溝壑，形成“溝槽”刻蝕，導(dǎo)流能力保持較好。使用15%VES酸，同時(shí)增大注酸排量與注酸時(shí)間，導(dǎo)流能力絕對(duì)值、穩(wěn)定性得到較大提升。

圖3 上馬家溝組酸巖反應(yīng)速率——酸液濃度曲線

3）下馬家溝組巖心受旋轉(zhuǎn)圓盤影響，表面中心和巖面周圍形成圓錐形。通過(guò)計(jì)算得下馬家溝組酸巖反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)k=2821.8×10-5cm2/s，m=1.15（見圖4）。下馬家溝組方解石含量高，形成較均勻刻蝕，導(dǎo)流能力保持能力差，在酸壓的基礎(chǔ)上需要考慮加砂壓裂工藝。

4）亮甲山組巖心主要以白云巖為主，通過(guò)回歸計(jì)算得酸巖反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)k=221.62×10-5cm2/s，m=0.82（見圖5）?？傮w上看，與灰?guī)r含量較高的馬家溝組相比，亮甲山組巖心與酸液的反應(yīng)速率較慢，反應(yīng)45 min 造成表面中部礦物溶蝕程度較低，延長(zhǎng)注酸時(shí)間能增加凹坑沿酸液流向連通程度，形成了表面中心和巖面周圍形成圓錐形，導(dǎo)流能力較穩(wěn)定。因此，對(duì)于亮甲山組提高酸液濃度和用量，同時(shí)加砂壓裂可進(jìn)一步提高裂縫導(dǎo)流能力。

圖4 下馬家溝組酸巖反應(yīng)速率——酸液濃度曲線

圖5 亮甲山組酸巖反應(yīng)速率——酸液濃度曲線

從反應(yīng)速率常數(shù)來(lái)看：下馬家溝組最大，高出一個(gè)數(shù)量級(jí)；其他3 個(gè)層位從大到小依次是上馬家溝組＞亮甲山組＞峰峰組，同時(shí)酸巖反應(yīng)速率大小關(guān)系與反應(yīng)速率常數(shù)大小關(guān)系一致。

4 基于不同酸巖反應(yīng)特征與改造現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)論指導(dǎo)了華北油田楊稅務(wù)潛山改造13 井次，9 層獲高產(chǎn)油氣流，新增探明+預(yù)測(cè)天然氣地質(zhì)儲(chǔ)量296.46×108m3，石油地質(zhì)儲(chǔ)量 700.09×104t。已累計(jì)生產(chǎn)天然氣3.22×108m3，產(chǎn)油 6.72 104t，合計(jì)產(chǎn)油（折油氣當(dāng)量）32.78×104t，見表3。

安探101 井位于冀中坳陷廊固凹陷楊稅務(wù)潛山安探1X 潛山圈閉，施工井段5791.5～5799.5 m。結(jié)合該井儲(chǔ)層特點(diǎn)，以上述室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)論為依據(jù)，優(yōu)選液體體系配方，采用“酸壓+滑溜水造縫網(wǎng)+凍膠加砂”復(fù)合體積改造工藝，在增大改造體積的同時(shí)，兼顧壓后裂縫合理的導(dǎo)流能力，施工注入總液量為2806.9 m3，酸量為474.4 m3，加砂38.9 m3，施工排量2.3～8.79 m3/min，施工壓力31.0～85.5 MPa。壓后日產(chǎn)油59 m3/d、日產(chǎn)氣38×104m3/d，實(shí)現(xiàn)了壓后高產(chǎn)的目標(biāo)。

表3 楊稅務(wù)潛山部分探井改造成效統(tǒng)計(jì)表

5 結(jié)論

1.開展了華北油田楊稅務(wù)潛山4 套儲(chǔ)層酸巖反應(yīng)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，明確了酸巖反應(yīng)速率與動(dòng)力學(xué)參數(shù)：峰峰組：J=155.72×10-5Cs0.92；上馬家溝組：J=606.63×10-5Cs1.0304；下馬家溝組J=282.18×10-4Cs1.1497；亮甲山組：J=221.62×10-5Cs0.9191。

2.基于酸巖反應(yīng)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，優(yōu)選了4套儲(chǔ)層個(gè)性化的液體體系和改造工藝，并在現(xiàn)場(chǎng)成功應(yīng)用11 次，其中9 井次獲高產(chǎn)工業(yè)油氣流，實(shí)現(xiàn)了壓后高產(chǎn)的目標(biāo)。