奧陶系深層碳酸鹽巖酸壓機(jī)理與深度酸壓工藝優(yōu)化

牟春國(guó)，鄺 聃，何 平，王歷歷

（中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司油氣工藝研究院，陜西西安 710018）

近年來，鄂爾多斯盆地奧陶系深層碳酸鹽巖已成為長(zhǎng)慶油田天然氣勘探的重要領(lǐng)域，并取得了較大進(jìn)展。馬五6段、馬五7段累積完鉆試氣井165 口，整體上單井產(chǎn)量較低，只有10口井獲得高產(chǎn)；馬三、馬四段地層壓力系數(shù)較高，平均達(dá)到32.6 MPa，累積完鉆試氣井41 口，其中18 口井獲得低產(chǎn)氣流。與靖邊氣田風(fēng)化殼碳酸鹽巖儲(chǔ)層相比，奧陶系深層尤其是馬三、馬四段氣層埋藏深、儲(chǔ)層致密、灰質(zhì)含量高，常規(guī)酸壓改造因規(guī)模較小、工藝參數(shù)不合理，改造后酸蝕縫長(zhǎng)較短、裂縫導(dǎo)流能力較低，平均單井試氣產(chǎn)量?jī)H為0.52×104～2.63×104m3/d。需在開展酸壓機(jī)理研究的基礎(chǔ)上，優(yōu)化酸壓工藝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層深度酸壓改造，提高單井產(chǎn)量。

中外學(xué)者圍繞提高酸蝕裂縫導(dǎo)流能力開展了大量的研究工作。BARRON 等考慮了縫寬、酸濃度、反應(yīng)時(shí)間、縫高等參數(shù)對(duì)酸和天然大理石的影響［1］。WALSH 發(fā)現(xiàn)巖心非均質(zhì)性和地層圍壓將影響酸蝕后的裂縫導(dǎo)流能力［2］。MIRZA等研究認(rèn)為裂縫壁面的不均勻幾何形態(tài)是影響裂縫導(dǎo)流能力的關(guān)鍵因素［3］。POURNIK 等研究了殘酸對(duì)裂縫刻蝕形態(tài)的影響，發(fā)現(xiàn)殘酸、鮮酸造成的裂縫刻蝕形態(tài)存在一定的差別［4］。齊寧等實(shí)現(xiàn)了裂縫性碳酸鹽巖油藏儲(chǔ)層尺度的酸化數(shù)值模擬，為開展白云巖大尺度酸壓數(shù)值模擬提供了可能［5-6］。目前改善酸蝕裂縫導(dǎo)流能力研究多是基于灰?guī)r而開展的［7］，對(duì)于灰質(zhì)白云巖儲(chǔ)層酸壓效果差、非均勻刻蝕程度低、壓后導(dǎo)流能力低等問題，尚未開展深入研究［8-11］。為此，筆者針對(duì)奧陶系深層碳酸鹽巖儲(chǔ)層地質(zhì)特征，開展酸壓機(jī)理研究與評(píng)價(jià)，通過酸蝕裂縫導(dǎo)流實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，揭示奧陶系深層灰質(zhì)白云巖儲(chǔ)層非均勻刻蝕機(jī)理，指導(dǎo)酸壓改造工藝技術(shù)與參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 儲(chǔ)層地質(zhì)特征及改造難點(diǎn)

奧陶系深層碳酸鹽巖馬五6—馬五10段氣藏埋深為3 100～4 200 m，其中馬五7、馬五9段巖性以粉晶白云巖為主，晶間孔、溶孔發(fā)育，平均孔隙度為5.0%，平均滲透率為0.53～0.74 mD；馬五6、馬五8、馬五10段巖性以粉晶白云巖、含膏白云巖為主，晶間孔、溶孔較發(fā)育，平均孔隙度為3.06%，平均滲透率為0.53 mD。馬三段—馬四段氣藏埋深為3 200～4 400 m，發(fā)育白云巖薄夾層，馬三段平均孔隙度為2.5%，平均滲透率為0.33 mD；馬四段晶間孔較發(fā)育，局部發(fā)育微裂縫，平均孔隙度為2.8%，平均滲透率為4.76 mD。

奧陶系深層碳酸鹽巖酸壓改造存在的主要問題為：①灰質(zhì)含量高，尤其盆地中東部馬四段發(fā)育白云巖薄夾層，部分發(fā)育云質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r，酸巖反應(yīng)速度快。②儲(chǔ)層致密，與常規(guī)白云巖儲(chǔ)層相比，酸蝕裂縫表面更均勻，不利于形成非均勻刻蝕溝槽或蚓孔，酸蝕裂縫導(dǎo)流能力低。③氣層埋藏深，閉合應(yīng)力較高，酸蝕裂縫閉合后導(dǎo)流能力下降幅度大，改造效果較差。為此，在開展巖心酸巖反應(yīng)機(jī)理實(shí)驗(yàn)、酸蝕表面刻蝕評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，優(yōu)化酸壓改造工藝，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層深度改造，提高酸蝕裂縫泄流面積。

2 酸巖反應(yīng)機(jī)理

2.1 酸巖反應(yīng)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)

影響酸壓改造效果的關(guān)鍵因素是酸蝕裂縫的有效長(zhǎng)度和導(dǎo)流能力。對(duì)于奧陶系深層碳酸鹽巖儲(chǔ)層，常規(guī)酸壓的酸液與巖石反應(yīng)較快，酸液的有效作用距離變短。要開展深度酸壓改造，從本質(zhì)上改變酸巖反應(yīng)過程，控制反應(yīng)速度，降低酸液濾失，提高酸液作用距離。

為了明確白云巖、灰?guī)r的酸巖反應(yīng)動(dòng)力學(xué)差異，選取白云石含量分別為7%，56%，75%和90%的4 種巖樣，在酸液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%，實(shí)驗(yàn)溫度為90 ℃，轉(zhuǎn)速為500 r/min 的條件下開展酸巖反應(yīng)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果（表1）表明：相同條件下，白云巖的酸巖反應(yīng)速度遠(yuǎn)小于灰?guī)r，兩者相差1 個(gè)數(shù)量級(jí)；灰質(zhì)白云巖的反應(yīng)速度介于灰?guī)r、白云巖之間。

表1 不同條件下酸巖反應(yīng)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table1 Kinetics experiment results of acid-rock reaction under different conditions

在不同溫度、不同酸液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、不同轉(zhuǎn)速條件下開展不同白云石含量的碳酸鹽巖與酸液的反應(yīng)速度評(píng)價(jià)。從圖1可看出，灰?guī)r、白云巖的酸巖反應(yīng)速度與酸液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、溫度呈正相關(guān)，當(dāng)溫度達(dá)到90 ℃以上時(shí)，溫度對(duì)白云巖的酸巖反應(yīng)速度的影響趨于穩(wěn)定；酸巖反應(yīng)速度隨轉(zhuǎn)速增加而增大，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到500 r/min 以上時(shí)，酸巖反應(yīng)速度變化趨于穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速變化對(duì)白云巖的酸巖反應(yīng)速度影響較小。

圖1 不同白云石含量的碳酸鹽巖酸巖反應(yīng)速度與溫度、酸液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、轉(zhuǎn)速的關(guān)系Fig.1 Relations of reaction rate of carbonate rocks with different dolomite contents with temperature，acid concentration，and rotation speed

2.2 酸巖酸蝕表面特征評(píng)價(jià)

選取奧陶系深層碳酸鹽巖巖心（白云石含量分別為56%和75%）切片17 組進(jìn)行三維激光掃描，按照不同酸液質(zhì)量分?jǐn)?shù)（5%，10%，15%，20%）、不同溫度（60，75，90，100 ℃）、不同轉(zhuǎn)速（100，200，350，500和900 r/min）開展酸巖反應(yīng)，再將反應(yīng)后的巖心切片進(jìn)行激光掃描，得到巖心表面酸蝕下降高度。

不同白云石含量的碳酸鹽巖刻蝕程度評(píng)價(jià) 選取白云石含量分別為56%和75%的碳酸鹽巖在實(shí)驗(yàn)溫度為90 ℃、轉(zhuǎn)速為500 r/min條件下進(jìn)行酸巖反應(yīng)，評(píng)價(jià)酸蝕表面刻蝕程度。結(jié)果表明：不同白云石含量的碳酸鹽巖酸蝕后均能形成非均勻刻蝕，灰?guī)r含量高的巖樣刻蝕程度較高。隨著白云石含量增加，刻蝕越偏向于面溶蝕，而白云石含量較少時(shí)傾向于點(diǎn)溶蝕。

不同酸液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、溫度、轉(zhuǎn)速的刻蝕程度評(píng)價(jià) 選取白云石含量為75%的碳酸鹽巖在不同酸液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、溫度、轉(zhuǎn)速條件下進(jìn)行反應(yīng)，評(píng)價(jià)酸蝕表面刻蝕程度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨著酸液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高，酸蝕下降高度分別集中在-0.4，-0.6，-0.8和-1.2 mm，表明隨著酸液質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，刻蝕程度越大；隨著溫度的升高，酸蝕下降高度分別集中在-0.6，-0.8，-1.2 和-1.3 mm，表明溫度越高，刻蝕程度越大，酸巖反應(yīng)速度越快；隨著轉(zhuǎn)速的升高，酸蝕下降高度分別集中在-0.6，-0.65，-0.9，-1.3 和-1.4 mm，且隨著轉(zhuǎn)速增加，巖石表面越凹凸不平，刻蝕程度越大。

2.3 白云巖酸壓數(shù)值模擬

酸壓作為碳酸鹽巖儲(chǔ)層最常用的改造措施，酸蝕裂縫的有效長(zhǎng)度和導(dǎo)流能力決定酸壓改造的效果。研究發(fā)現(xiàn)，灰質(zhì)含量影響巖石礦物組分，巖石礦物組分影響酸巖反應(yīng)速度，不影響巖石孔隙結(jié)構(gòu)［12-14］。白云巖和酸液發(fā)生反應(yīng)后，巖石表面越平坦均勻，酸蝕裂縫導(dǎo)流能力越低。改善白云巖儲(chǔ)層酸壓效果的關(guān)鍵在于提高改造裂縫的長(zhǎng)度和導(dǎo)流能力。采用數(shù)值模擬的方式，研究不同巖性和酸液反應(yīng)的裂縫酸蝕形態(tài)，確定表面反應(yīng)速度、儲(chǔ)層白云石含量、酸液注入速度和酸液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)裂縫長(zhǎng)度和導(dǎo)流能力的影響。

假設(shè)碳酸鹽巖儲(chǔ)層長(zhǎng)度為L(zhǎng)，寬度為W，中間由一條寬度為Wf的水力裂縫連接至井筒。酸液自井筒，經(jīng)裂縫垂直流入儲(chǔ)層。裂縫的流動(dòng)阻力較小，壓降幾乎為0。酸液在裂縫壁面不同位置的流速為U0，在裂縫壁面的濃度隨位置的變化而變化。酸液在地層中的流動(dòng)符合達(dá)西定律，壓力分布滿足不可壓縮流體的連續(xù)性方程；氫離子在流體中的濃度分布滿足對(duì)流擴(kuò)散方程；巖石組分變化滿足白云石和方解石的含量變化方程。

酸巖反應(yīng)速度方程式為：

當(dāng)反應(yīng)級(jí)數(shù)m=1 時(shí)，純白云巖和純灰?guī)r在溫度為90 ℃、轉(zhuǎn)速為500 r/min條件下得到酸巖反應(yīng)速度常數(shù)。同等條件下，灰?guī)r的酸巖反應(yīng)速度常數(shù)KCa=55.8×10-3mm/s，處于傳質(zhì)控制模式；白云巖的酸巖反應(yīng)速度常數(shù)KMg=2.4×10-3mm/s，兩者相差23.3倍，白云巖處于表面反應(yīng)控制模式。

酸蝕裂縫長(zhǎng)度 如圖2 所示，不同巖性儲(chǔ)層酸蝕后均能形成一定長(zhǎng)度酸蝕裂縫，灰質(zhì)含量高的儲(chǔ)層酸巖反應(yīng)速度快，酸蝕裂縫距離短；白云巖酸巖反應(yīng)速度慢，酸蝕裂縫距離較長(zhǎng)。

圖2 不同白云石含量碳酸鹽巖酸蝕裂縫長(zhǎng)度模擬Fig.2 Simulation of acid-etched fracture length in carbonate rocks with different dolomite contents

非均勻刻蝕程度 不同巖性儲(chǔ)層酸蝕后均能形成非均勻刻蝕，白云石含量越低的儲(chǔ)層酸液刻蝕程度較高。白云石含量大于95%時(shí)，裂縫壁面和近裂縫地層溶蝕均勻；白云石含量大于75%時(shí)，裂縫壁面溶蝕均勻，近裂縫地層出現(xiàn)高滲透通道；白云石含量小于50%時(shí)，裂縫壁面形成不均勻刻蝕溝槽。

不同表面反應(yīng)速度下的酸蝕裂縫形態(tài)模擬結(jié)果（圖3a）表明：表面反應(yīng)速度越高，酸蝕裂縫非均勻刻蝕程度較高，但整體導(dǎo)流能力偏低；表面反應(yīng)速度越低，酸蝕裂縫導(dǎo)流能力越高。不同酸液流速下的酸蝕裂縫形態(tài)模擬結(jié)果（圖3b）表明：提高注入速度，儲(chǔ)層出現(xiàn)均勻溶蝕的趨勢(shì)，高滲透通道增多、變細(xì)；裂縫壁面溶蝕效果變差，尤其是白云石含量超過95%的地層。較低的流速有利于酸液與白云巖充分反應(yīng)，在裂縫壁面形成具有一定強(qiáng)度的刻蝕槽。不同酸液濃度下的酸蝕裂縫形態(tài)模擬結(jié)果（圖3c）表明：注入相同量的氫離子，酸液濃度對(duì)模擬結(jié)果影響不大。這是因?yàn)閿?shù)值模擬將酸巖反應(yīng)級(jí)數(shù)定為1，若白云巖與酸液的反應(yīng)級(jí)數(shù)大于1，提高酸液濃度對(duì)改善裂縫壁面溶蝕有效，否則效果不大。綜合上述分析，各因素影響程度由大到小為：表面反應(yīng)速度、酸液流速、酸液濃度。

圖3 不同條件下酸蝕裂縫酸蝕程度模擬Fig.3 Simulation of acid etching of fractures under different conditions

天然裂縫對(duì)酸蝕裂縫形態(tài)的影響 奧陶系深層碳酸鹽巖儲(chǔ)層天然裂縫較為發(fā)育，天然裂縫對(duì)酸蝕裂縫長(zhǎng)度、裂縫導(dǎo)流能力影響較大［15］，從而影響酸壓改造效果和試氣產(chǎn)量。天然裂縫的條數(shù)、裂縫傾角、與酸蝕裂縫的距離都對(duì)酸壓改造效果有較大的影響。

由圖4a 的模擬結(jié)果可知，在裂縫型白云巖儲(chǔ)層中，酸液能迅速穿過儲(chǔ)層中的天然裂縫，天然裂縫的存在會(huì)使酸液更快突破地層，減少酸液用量。隨著儲(chǔ)層中天然裂縫的增加，酸液突破時(shí)間減少，酸液用量減少，即天然裂縫越多，酸壓改造效果越好。

裂縫傾角是指裂縫內(nèi)酸液流動(dòng)方向與垂直方向的夾角，即裂縫與y軸方向的夾角。由圖4b 的模擬結(jié)果可知，裂縫傾角越小，酸液突破時(shí)間越短，酸液用量越小，酸壓效果越好。

由圖4c 的模擬結(jié)果可知，在裂縫型白云巖儲(chǔ)層中，對(duì)于垂直縫（垂直于人工裂縫，傾角為0°），酸液能迅速穿透，利于酸液突破，其與人工裂縫的距離越短，酸液突破時(shí)間越短，酸液用量越小，酸壓效果越好；對(duì)于水平縫（平行于人工裂縫，傾角為90°），其主要作用是連通相對(duì)較近的酸蝕通道，在一定程度上會(huì)增加酸液的消耗，降低酸壓后裂縫壁面的穩(wěn)定性，其與人工裂縫的距離越短，酸蝕通道越易溝通，酸液量越大，酸壓效果越差。

圖4 天然裂縫條件下酸蝕裂縫形態(tài)模擬Fig.4 Simulation of acid-etched fracture shapes under natural fracture conditions

3 酸壓工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)

以提高酸液作用距離，增大酸蝕裂縫非均勻刻蝕程度和酸蝕裂縫導(dǎo)流能力為目標(biāo)，按照“先造壓裂縫、后酸蝕”的酸壓改造思路，通過酸液和非反應(yīng)的壓裂液共同作用，形成水力裂縫、酸蝕裂縫與基質(zhì)溶孔連通的裂縫網(wǎng)絡(luò)。主要做法為：①采用非反應(yīng)型流體作為前置液在酸壓前注入地層，形成較長(zhǎng)人工壓裂改造裂縫。②采用多種酸液交替注入，降低巖石表面與酸液的反應(yīng)速度，提高酸液的穿透距離。③通過轉(zhuǎn)向酸實(shí)現(xiàn)裂縫縫內(nèi)暫堵轉(zhuǎn)向，提高儲(chǔ)層改造程度。④采用較大排量注入，實(shí)現(xiàn)酸液快速向儲(chǔ)層深度推進(jìn)，減少酸液與巖石表面的接觸反應(yīng)時(shí)間，降低酸液濾失和酸巖反應(yīng)速度，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層深部酸蝕，提高改造深度。

酸液量?jī)?yōu)化 取奧陶系深層馬四段巖心，進(jìn)行不同酸液量的酸蝕裂縫導(dǎo)流能力對(duì)比，模擬結(jié)果（表2）表明，在不同閉合壓力條件下，隨著酸液量的增加，酸蝕裂縫導(dǎo)流能力增大；儲(chǔ)層埋藏越深，閉合壓力越高，酸蝕裂縫導(dǎo)流能力越小。因此，在滿足入地酸液返排出井筒減少儲(chǔ)層傷害的前提下，可盡量提高酸液量，增大酸壓改造強(qiáng)度。

表2 不同酸液量的酸蝕裂縫導(dǎo)流能力對(duì)比Table2 Comparison between conductivity of acid-etched fractures with different acid contents mD·m

并對(duì)不同酸液量的酸蝕裂縫長(zhǎng)度進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果表明，增大酸液量，有利于增加酸蝕縫長(zhǎng)，提高酸蝕裂縫泄流面積，優(yōu)化單層酸液量為200～300 m3。

注入級(jí)數(shù)優(yōu)化 隨著注入級(jí)數(shù)的增加，酸蝕距離增加，當(dāng)注入級(jí)數(shù)達(dá)到3級(jí)以后，酸蝕距離及導(dǎo)流能力增加幅度不大，優(yōu)選注入級(jí)數(shù)為3～4級(jí)（圖5）。

圖5 不同注入級(jí)數(shù)下裂縫延伸與導(dǎo)流能力Fig.5 Fracture extension and conductivity at different injection levels

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及效果評(píng)價(jià)

2019—2020年，蘇里格氣田開展多體系復(fù)合酸壓試驗(yàn)5 口井，平均產(chǎn)氣量為4.62×104m3/d，對(duì)比6口鄰井平均產(chǎn)氣量2.93×104m3/d，增產(chǎn)效果較為明顯。其中，陜X1 井試氣獲日產(chǎn)氣量5.62×104m3/d（表3），對(duì)比鄰井平均日產(chǎn)氣量1.77×104m3/d，增產(chǎn)效果較為顯著。酸壓模擬結(jié)果表明，陜X1井酸蝕縫長(zhǎng)為86.5 m，平均裂縫閉合寬度為8.2 mm，平均裂縫導(dǎo)流能力為175 mD·m；陜B2 井酸蝕縫長(zhǎng)為52.6 m，平均裂縫閉合寬度為5.4 mm，平均裂縫導(dǎo)流能力為134 mD·m；陜X1 井通過酸壓工藝和改造參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，酸蝕縫長(zhǎng)和裂縫導(dǎo)流能力對(duì)比陜B2 井增大，表明該井改造效果較好。

表3 陜X1井多體系復(fù)合酸壓試氣效果對(duì)比Table3 Comparison between gas testing of multi-system compound acid fracturing in Well Shaan X1

5 結(jié)論

奧陶系深層碳酸鹽巖埋藏深、溫度較高、儲(chǔ)層致密、灰質(zhì)含量高，酸巖反應(yīng)速度較白云巖快，且隨著酸液濃度、溫度、轉(zhuǎn)速的增大，酸巖反應(yīng)速度均增大。白云巖儲(chǔ)層中天然裂縫較為發(fā)育，酸液沿著裂縫面進(jìn)行反應(yīng)，造成酸液濾失增大，酸蝕裂縫長(zhǎng)度變短。通過優(yōu)化“前置液造縫、多體系酸液交替注入、縫內(nèi)轉(zhuǎn)向”的酸壓工藝技術(shù)，提高了酸蝕裂縫長(zhǎng)度，增大了非均勻刻蝕程度和酸蝕裂縫導(dǎo)流能力，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用取得明顯的增產(chǎn)效果。下步在持續(xù)優(yōu)化酸液體系緩速性能和酸壓工藝技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高酸壓改造效果，提升單井試氣產(chǎn)量。

符號(hào)解釋

C0——酸液濃度，mol/L；

J——酸巖反應(yīng)速度，mol/（s·cm2）；

K——酸巖反應(yīng)速度常數(shù)，mm/s；

KCa——方解石酸巖反應(yīng)速度常數(shù)，mm/s；

KMg——白云巖酸巖反應(yīng)速度常數(shù)，mm/s；

KsCaMg——白云巖表面反應(yīng)速度常數(shù)，mm/s；

m——反應(yīng)級(jí)數(shù)；

L——儲(chǔ)層長(zhǎng)度，cm；

U0——注入速度，cm/min；

W——儲(chǔ)層寬度，cm；

Wf——裂縫寬度，cm，取值為2；

x——酸蝕縫長(zhǎng)，m；

y——酸蝕縫寬，m。