元壩氣田深度酸壓工藝技術探索及應用

繆尉杰，王興文，丁 咚

（中國石化西南油氣分公司石油工程技術研究院，四川 德陽 618000）

元壩海相長興組氣藏為“三高”氣田[1]（高溫、高壓、高含硫），儲層為白云巖和白云質灰?guī)r，呈中低孔、中滲特征，以Ⅱ、Ⅲ類儲層為主，主要采用分流酸化、轉向酸化、閉合酸化等[2-7]工藝進行改造后投產(chǎn)，但也面臨儲層溫度達150 ℃以上，酸巖反應速度快，儲層天然裂縫較發(fā)育，酸液濾失大，縱橫向充分動用難度大等問題[8-11]。同時，產(chǎn)能主控因素研究表明，氣井生產(chǎn)能力受氣藏特性、完井和投產(chǎn)措施等多種因素影響[12-15]，井間產(chǎn)量差異大，段間改造不協(xié)調，后續(xù)開發(fā)調整井水平段增長使得均勻酸化、暫堵酸化改造范圍受限，充分改造難度大，深度酸壓改造的需求明顯。

目前，國內外碳酸鹽巖深部改造技術依托工具、暫堵劑和酸液體系等實現(xiàn)深度酸壓。其中，普光氣田、龍王廟氣田[16-18]選用暫堵材料或者轉向酸進行分流深度改造；塔中油氣田、高磨燈影組氣田[19-20]則利用封隔器實現(xiàn)大斜度井/水平井裸眼分段酸壓，充分利用水平井實現(xiàn)多段改造；河壩氣田、普光大灣、塔河部分區(qū)塊[21]在分段酸壓的基礎上，利用多液體多交替工藝實現(xiàn)均勻酸化多點溝通；川西雷口坡組[22]則采用“機械分段+滑套分流”的組合工藝作為川西氣田主體深度改造方案。元壩氣田[23]早期采用纖維暫堵實現(xiàn)深度改造，但受封堵強度較低、儲層吸液不均等影響，深度改造效果不佳。本文基于元壩氣田儲層物性特征，結合深度酸壓改造機理和工藝研究[24-28]，探索出一套以抓機理、強暫堵和變工藝的深度酸壓改造技術，為大斜度井/水平井進行深度酸壓及施工參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)和理論支撐，促進元壩氣田高效、穩(wěn)定開發(fā)。

1 地質工程特點

1.1 儲層巖石學特征

長興組主要為臺緣相沉積，縱向具有“多期成灘成礁，早期成灘，晚期成礁”的沉積特征；發(fā)育生物礁相、灘相沉積；但元壩地區(qū)屬緩斜坡臺地邊緣，水動力條件相對較弱，以側向加積為特征。儲層縱向上層數(shù)多、單層厚度?。粰M向上交錯分布、連通性差、非均質性強。其中，晶粒白云巖和殘余生屑白云巖是最好的儲集巖類，其次是殘余生物礁白云巖、灰質白云巖、白云質灰?guī)r、生屑（生物）灰?guī)r和生物礁灰?guī)r。X-RD測試表明儲層礦物成分主要以白云石、方解石為主，含少量石英，石膏及黏土礦物。

1.2 微觀物性特征

巖樣分析表明，礁灘相儲層孔隙度為2.0%～5.0%，平均為4.0%，滲透率為2.8×10-3～1 720.7×10-3μm2，基質孔隙度較差，受裂縫影響滲透率級差大，主體屬中-低孔、中-低滲儲層。同時，長興組儲層水平縫、斜縫及垂直縫在儲層中均較發(fā)育，多數(shù)為半充填或張開縫，裂縫密度為51.2～156.0條/m，開啟度為30%～50%，裂縫活性較好，利于后期酸壓連通。

采用電鏡掃描分析系統(tǒng)對巖樣微觀結構進行觀察，可見少量微孔，其溶蝕孔洞充填白云石，且見少量白云石晶間微孔（圖1），整體白云化程度較高，屬于優(yōu)質碳酸鹽巖儲層。

圖1 電鏡掃描示意圖

1.3 巖石力學特征

地層整體彈性模量平均為26.44 GPa，泊松比平均為0.26，抗壓強度平均為225.81 MPa，抗張強度平均為5.24 MPa（表1），因孔、洞、縫的相對發(fā)育，巖石強度相對差異較大，非均質性較強。

表1 元壩長興組巖石力學參數(shù)統(tǒng)計

2 深度酸壓工藝探索

2.1 酸巖反應機理

酸巖反應速度直接影響酸壓效果和深度酸壓作用距離，儲層巖性分布復雜，裂縫發(fā)育，高溫高壓狀態(tài)使得酸巖反應速度控制因素繁多，本文采用高溫高壓旋轉盤酸巖反應測試儀，測定質量分數(shù)為20%的常見閉合酸、交聯(lián)酸、膠凝酸在不同地層溫度的反應速率（表2）。

由表2可以看出，在90～130 ℃范圍中，不同液體體系白云巖儲層較灰?guī)r儲層酸巖反應速率更低，其中，交聯(lián)酸緩速效果最好，更長的酸蝕裂縫長度可實現(xiàn)深度酸壓；當溫度大于110 ℃時，隨著溫度的增加，反應速率呈指數(shù)式增長，溫度是控制反應速率的主要因素。

表2 三種酸液在不同溫度的反應速率

由圖2可以發(fā)現(xiàn)，不同類型酸液反應速率的控制效果有所差別。對于白云巖而言，反應速率閉合酸約是膠凝酸的1.3倍，約是交聯(lián)酸的2.6倍，膠凝酸約是交聯(lián)酸的2.0倍。針對此特點，閉合酸反應速度最大適合刻蝕近井地帶保證縫口高導流能力，膠凝酸、交聯(lián)酸進行非均勻刻蝕，利用其緩速性體系實施遠端突破，更好地溝通天然裂縫等儲集體。

圖2 130 ℃時不同酸液體系對白云巖溶蝕形態(tài)

2.2 酸液濾失特征

在III類儲層的濾失實驗中，由于巖心滲透率較低，酸液并不能沿著巖心進行長距離流動，僅在端面對巖樣產(chǎn)生溶蝕，且溶蝕程度接近。而I、II類儲層裂縫孔隙發(fā)育，其濾失實驗結果如圖3所示，濾失特征受裂縫開度影響明顯，當天然裂縫開度大于22.0 μm時，易形成貫穿流動通道，孔隙較發(fā)育儲層產(chǎn)生的酸蝕蚓孔雖不會貫穿巖心但也會加劇酸液濾失。

圖3 不同開度條件下酸液濾失量與時間曲線

通過酸巖反應速度進行曲面插值，按照公式（1）進行計算每一段濃度差需要的反應時間，再進行疊加就可以得到不同縫寬和溫度下，鮮酸消耗到殘酸質量百分數(shù)為3%時所需要的時間，從而確定臨界反應速度。計算認為酸液在裂縫中耗盡的時間一般都在30 min以下。

式中：C為當前酸液質量分數(shù)，%；Co為原始酸液質量分數(shù)，%；ρ為當前濃度下的酸液密度，g/cm3；oρ為原始濃度下的酸液密度，g/cm3；V為當前溫度下的酸巖反應速度，mol/（cm2·s）；t為反應時間，s；w為縫寬，cm。

2.3 深度酸壓工藝優(yōu)化

施工注入?yún)?shù)對裂縫刻蝕形態(tài)及導流能力的影響規(guī)律不同，為實現(xiàn)深度酸壓，優(yōu)化施工設計，開展酸刻蝕實驗和酸蝕裂縫導流能力測試，共設計13組酸刻蝕實驗（表3），主要研究工程參數(shù)（注酸排量）、酸液體系參數(shù)（酸液濃度、酸液規(guī)模）和工藝（注入級數(shù)）對酸刻蝕效果的影響。

表3 酸刻蝕實驗方案

模擬交替級數(shù)對裂縫刻蝕的影響如圖4所示，經(jīng)多級交替注入后，裂縫表面存在一條溝壑溝槽狀酸蝕縫，刻蝕非均質性較強，而閉合壓力超過20.00 MPa后，四級交替注入酸壓所形成的酸蝕裂縫導流能力低于二級和三級交替注入，表明四級交替注入酸壓對裂縫表面刻蝕最為劇烈，但也導致裂縫表面凸起點的承壓能力較差；三級交替注入酸壓所形成的酸蝕裂縫導流能力最高。因此，最佳注酸工藝為三級交替注入。

圖4 三級交替注入后裂縫形態(tài)

模擬施工排量對深度酸壓形態(tài)的影響如圖5所示，高排量下裂縫形態(tài)多樣性得到顯著提高，溝壑、點刻蝕、臺柱刻蝕等非均勻形態(tài)均有所體現(xiàn)，而酸蝕裂縫的初始導流能力與注酸排量呈正相關，高注酸排量下膠凝酸容易發(fā)生指進現(xiàn)象，產(chǎn)生非均勻刻蝕形態(tài)。500 mL/min即6.0～7.0 m3/min條件下表面刻蝕出現(xiàn)臺柱狀的溝槽刻蝕，在高閉合應力下保持較好。

圖5 施工注入?yún)?shù)為500 mL/min時裂縫形態(tài)

從導流能力來看，當酸液質量分數(shù)為20%時，巖板壁面支撐點平均高度最大，相對高程差最大，非均勻刻蝕程度最大；隨著酸液質量分數(shù)減小巖板壁面支撐點平均高度減小，非均勻刻蝕程度降低；當酸液質量分數(shù)增加至24%后由于巖板的過度刻蝕，刻蝕形態(tài)趨于平整，導流能力反而降低（圖6）。

圖6 不同質量分數(shù)酸液的裂縫導流能力

利用注酸時間來反應注酸量的影響，整體來說，酸液與樣品接觸時間越長，刻蝕形態(tài)非均勻程度更高，導流能力與注酸時間呈正相關。75 min條件下表面刻蝕非均勻程度最高，但由于非均勻刻蝕集中于巖板前段，在高閉合應力條件下導流能力保持較差，綜合來看60 min注酸時間為最佳（圖7）。

圖7 不同注酸時間下裂縫導流能力

酸刻蝕非均質程度是影響導流能力的重要因素，也是深度酸壓工藝的重要指標，從提高深井高閉合應力條件下酸蝕裂縫導流能力角度推薦：交替注酸級數(shù)為三級，注酸排量為6.0～7.0 m3/min，注酸質量分數(shù)為20%，注酸時間為60 min。

2.4 暫堵轉向酸壓設計

考慮到施工中暫堵劑隨流體的注入會對井筒及裂縫產(chǎn)生降溫作用，導致暫堵劑體系在低溫環(huán)境中無法迅速實現(xiàn)封堵，因此優(yōu)選水溶性凝膠作為暫堵劑，由酸液進行攜帶，設置暫堵劑突破后滲透率恢復前后作為損害因子，以封得住、解得開、低傷害為原則進行水溶性暫堵劑優(yōu)選，根據(jù)損耗因子與突破壓力之間的對數(shù)相關性，損耗因子（G″/G′）越小，暫堵劑體系的封堵強度會更高，50%～60%凝膠含量的損害因子最低，承壓能力達到1.00 MPa（圖8）。

圖8 凝膠位級趨勢分析

模擬實驗表明通常酸壓裂縫寬度位于中開度0.5～2.0 mm，此時單一凝膠、單一纖維和纖維+凝膠復合劑均可進行暫堵。單一凝膠暫堵時，裂縫入口端近1/4被封堵且凝膠被攜帶進裂縫壁面處，酸液的整個流動通道呈現(xiàn)出一個喇叭狀，中部薄弱點被酸液突破后，鹽酸將很快進入裂縫內部形成酸刻蝕溝槽，中部酸液的流動通道進一步擴大，暫堵效果有限，實驗結果表明封堵整個持續(xù)時間為25 min，約在8 min時凝膠的封堵壓力達到最大，之后封堵介質被突破，封堵失效。

針對單一纖維暫堵，實驗證明其端面存在一個纖維濾餅，由于中間缺失凝膠填充，類似于多孔介質阻擋層，對酸液進入裂縫有一定的阻擋作用。巖心壁面的腐蝕情況表明，酸液直接與巖心作用使壁面腐蝕嚴重，特別是巖心端部腐蝕最為嚴重。固體纖維在較短時間內將形成濾餅，進而對裂縫形成封堵，封堵壓力大約為0.35 MPa。纖維整個封堵持續(xù)時間較短，約為7 min，在4 min時封堵達到最佳。

在纖維+凝膠混合暫堵實驗中，巖心入口端受酸液侵蝕的影響較小，縫口形成固體纖維和纖維凝膠混合物的濾餅，入口端前部有較多纖維和凝膠的混合物，越到裂縫后端纖維和凝膠的混合物越少。相比于純纖維，由于凝膠在裂縫中的運移阻力較大，纖維侵入裂縫深處的距離會更短。可將裂縫分為三個區(qū)域，即縫口壓實區(qū)、封堵介質侵入?yún)^(qū)和后端無液區(qū)。

以纖維+凝膠混合時間為變量進行測試，測試結果如圖9所示：①10 min時“纖維+凝膠”和15 min時“纖維+凝膠”的封堵壓力接近，分別為5.30 MPa和5.00 MPa，此階段封堵介質中有較多的固體纖維和適量的纖維凝膠相互配合；②5 min時“纖維+凝膠”在最大封堵壓力處約維持5 min，這與固體纖維的剛性特征有密切關系，此時的最大封堵壓力為3.60 MPa；③各階段的“纖維+凝膠”的封堵效果達到最佳狀態(tài)都在8 min左右，說明當縫寬較大時，封堵介質需要較長時間達到平衡狀態(tài)；④突破最大壓力后，壓力的下降速率緩慢，表明裂縫中封堵介質的增多可有效減緩壓力的下降速率。

圖9 各階段纖維+凝膠封堵結果

3 現(xiàn)場應用

3.1 YB104–1H井深度酸壓

本井目的層漏失泥漿3.6 m3，裸眼段長678.0 m，采用襯管完井方式，以漏失段、白云巖段、孔滲發(fā)育段、全烴高層段為主要目標，兼顧灰?guī)r段對整個水平段的控制，根據(jù)“針對性分段+間距控制”的原則，采用多級滑套分流深度酸壓提高長水平段均勻布酸程度，對地質“甜點”進行5級分段及段內暫堵。

實際進行三段酸壓改造，采用滑套+暫堵分流深度酸壓工藝，施工壓力0～62.00 MPa，施工排量1.0～6.0 m3/min，入地液量1 211.5 m3（含送球液量57.5 m3，壓裂液202.0 m3，滑溜水52.0 m3，暫堵液20.0 m3，入地酸量880.0 m3），停泵壓力0 MPa。

由圖10可知，該井實現(xiàn)了3段分流改造的目的，深度改造效果較好，采用“纖維+凝膠”暫堵后壓力普遍上漲4.00～5.00 MPa，暫堵承壓明顯。壓后在穩(wěn)定油壓31.60 MPa條件下，獲日產(chǎn)天然氣61.24×104m3。

圖10 YB104–1H井三段酸化施工曲線

3.2 YB27–4井深度酸壓

本井目的層出現(xiàn)疑似滲透型井漏，后用襯管進行完井，采取大規(guī)模大排量“多種酸+非反應液”交替注入酸壓工藝，實現(xiàn)解除近井帶污染和深度改造，并配合暫堵轉向充分動用儲層，實現(xiàn)儲層段的均勻布酸和深度改造，模擬優(yōu)化施工排量為6.0～8.0 m3/min，酸液量1 000.0 m3（膠凝酸600.0 m3，交聯(lián)酸300.0 m3，閉合酸100.0 m3），壓裂液用量355.0 m3，改造后裂縫有效刻蝕長度62.7 m，縫口導流能力27.7 μm2·cm。

該井采用油管注入分段進行酸壓施工，累計入地液量1 397.0 m3（酸量1 000.0 m3），高擠暫堵劑32.0 m3，伴注液氮4.0 m3，高擠液氮3.0 m3，施工排量0.5～7.2 m3/min，施工壓力0～64.00 MPa，在穩(wěn)定油壓30.60 MPa條件下，獲日產(chǎn)天然氣81.79×104m3。

深度酸壓在兩口井上的成功應用，取得了礁灘疊合區(qū)開發(fā)調整的重大突破，為元壩氣田延長穩(wěn)產(chǎn)期奠定了堅實基礎。

4 結論

（1）依托酸巖反應機理，酸液濾失特征優(yōu)選出以閉合酸、膠凝酸為主的多種類酸液體系可適應深部酸壓和近井高導流能力的地質需求。

（2）基于酸壓工藝參數(shù)以及暫堵酸壓工藝優(yōu)化，采用三級交替注入和“纖維+凝膠”混合暫堵能充分動用縱橫向儲層，實現(xiàn)深度酸壓。

（3）深度酸壓工藝技術在元壩氣田成功應用2井次，平均日產(chǎn)天然氣71.52×104m3，深度酸壓改造增產(chǎn)效果顯著。