碳酸鹽巖油藏高溫超深井高導(dǎo)流自支撐酸化壓裂技術(shù)

周林波，劉紅磊，李 丹，張俊江，周 珺

(1.頁(yè)巖油氣富集機(jī)理與有效開發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206；2.中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京 102206；3.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司，陜西 榆林 719000；4.中國(guó)石化西北油田分公司，新疆 烏魯木齊 830011)

0 引 言

塔河油田超深碳酸鹽巖油井酸化壓裂投產(chǎn)后，約1/4的井出現(xiàn)供液不足、產(chǎn)量快速衰竭的問題。研究認(rèn)為有效閉合應(yīng)力逐漸增加，導(dǎo)致酸蝕裂縫導(dǎo)流能力急劇衰減，是產(chǎn)生這一問題的根本原因[1-10]。為此，周林波[11]提出了一種新的自支撐酸化壓裂技術(shù)，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：通過涂抹屏蔽保護(hù)劑覆蓋部分巖板表面，可以阻斷巖石和酸液之間的酸巖反應(yīng)，形成分散的面狀凸起，并依靠這些高強(qiáng)度巖石面來支撐裂縫；裂縫有效支撐高度可提高3倍，在閉合應(yīng)力為50 MPa條件下酸蝕導(dǎo)流能力提高41.8%，裂縫支撐的有效性、穩(wěn)定性得到改善。實(shí)驗(yàn)室所用樹脂保護(hù)劑雖然能有效阻斷酸巖反應(yīng)，但降解性差，在地層中長(zhǎng)期滯留易堵塞裂縫，也難以通過酸化壓裂泵注的方式注入地層。將室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果轉(zhuǎn)化為現(xiàn)場(chǎng)可實(shí)施的應(yīng)用方案的關(guān)鍵問題是合成具有特殊性質(zhì)的屏蔽保護(hù)劑。該材料能對(duì)水力裂縫表面非連續(xù)地暫時(shí)性屏蔽，阻斷酸巖反應(yīng)；施工結(jié)束后，屏蔽保護(hù)劑遇油溶解或自然降解，留下巖石面支撐酸蝕通道。為此，在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研發(fā)了專用屏蔽保護(hù)劑，采用CFD模擬軟件分析壓裂液和屏蔽保護(hù)劑固液兩相流動(dòng)規(guī)律，并優(yōu)化注入排量、攜帶液種類、用量等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的裂縫自支撐形態(tài)，大幅提高酸蝕裂縫導(dǎo)流能力，延長(zhǎng)酸化壓裂改造有效期。

1 屏蔽保護(hù)劑的研制

1.1 基礎(chǔ)材料優(yōu)選

屏蔽保護(hù)劑是實(shí)現(xiàn)自支撐酸化壓裂技術(shù)的核心材料，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)需求，屏蔽保護(hù)劑需滿足以下要求：①常溫條件下為固體顆粒形態(tài)，相對(duì)密度為0.95～1.10，便于分散混入壓裂液中注入地層；②在地層高溫高壓條件下(地層溫度為120～150 ℃，注入壓裂液降溫后溫度約為100～120 ℃，地層壓力60.0～90.0 MPa)，顆粒具有一定的自聚集特征，相互聚集并軟化黏附在地層巖石上；③具有耐酸性，在注入酸液的過程中，阻斷酸液和碳酸鹽巖之間的酸巖反應(yīng)；④屏蔽材料在地層條件下遇油溶解或降解，不污染地層。

根據(jù)屏蔽保護(hù)劑性能要求，通過實(shí)驗(yàn)初步篩選出多種性能接近的高分子體系，包括石蠟、松香、萜烯樹脂(BT06)、環(huán)氧樹脂、松香改性酚醛樹脂(BF10)、生物基苯并噁嗪(MY)等，對(duì)其性能進(jìn)行了分析和評(píng)價(jià)(表1，黏附性測(cè)定溫度為120 ℃)。

表1 基礎(chǔ)材料性能評(píng)價(jià)結(jié)果

由表1可知：松香、石蠟、環(huán)氧樹脂、MY的軟化點(diǎn)低于100 ℃，而BT06和BF10軟化點(diǎn)高于120 ℃，均在工作溫度范圍之外；從耐酸性來看，石蠟的耐酸性相對(duì)較差，其他樹脂均具有較低的酸溶性；從油溶性來看，環(huán)氧樹脂不滿足要求。綜合分析可知，單一高分子材料無法滿足屏蔽保護(hù)劑的整體性能指標(biāo)。

1.2 共混配方研究

由于單一樹脂無法滿足屏蔽保護(hù)劑的整體性能指標(biāo)，因此，通過共混方式發(fā)揮基礎(chǔ)材料各自的優(yōu)勢(shì)，合成滿足性能要求的屏蔽保護(hù)劑。共混改性是指將2種或2種以上聚合物通過混合而形成宏觀上均勻、連續(xù)的高分子材料的工藝。聚合物是否能混合取決于其間的相容性。MY、BF10和BT06均含有苯環(huán)結(jié)構(gòu)，三者具有良好的相容性，在共混過程中未出現(xiàn)宏觀相分離現(xiàn)象。因此，優(yōu)選MY、BT06、BF10為基礎(chǔ)材料，并通過正交實(shí)驗(yàn)確定5種屏蔽保護(hù)劑的配方(表2)。

表2 屏蔽保護(hù)劑配方

2 屏蔽保護(hù)劑的性能評(píng)價(jià)

2.1 軟化點(diǎn)

參照GB/T 4507—2014[9]測(cè)得各產(chǎn)品軟化點(diǎn)為80～121℃(表3)，滿足現(xiàn)場(chǎng)工作要求。

2.2 耐酸性和油溶性

將5種產(chǎn)品在鹽酸中進(jìn)行溶解性(140 ℃)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)前后鹽酸溶液的顏色并無變化，依然呈澄清狀態(tài)，屏蔽劑基本未溶解，酸溶率均小于5.00%(表3)。

將5種產(chǎn)品在白油中進(jìn)行油溶性測(cè)試，實(shí)驗(yàn)溫度為140 ℃，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為2 h。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，屏蔽保護(hù)劑全部溶解，溶液澄清透明，顏色由無色變?yōu)殚偌t色，油溶率大于96.00%(表3)。

2.3 自聚性

自聚性測(cè)試方法：在巖心表面均勻劃出16個(gè)大小一致的方格，將屏蔽劑均勻鋪于巖心表面(圖1a)，加熱軟化后，觀察巖心表面熔融自聚的屏蔽劑所占面積，屏蔽劑完全熔融的方格占總格數(shù)的比例即為屏蔽保護(hù)劑的自聚率。實(shí)驗(yàn)溫度為120 ℃，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為10 min。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：5種屏蔽劑的自聚率均可達(dá)到100%(圖1b)；向巖心表面滴鹽酸，觀測(cè)無氣泡產(chǎn)生(圖1c)，表明屏蔽保護(hù)劑有效阻斷了酸巖反應(yīng)。結(jié)果表明，所有配方體系在120 ℃、10 min內(nèi)的自聚率均可達(dá)到100%。

圖1 自聚性測(cè)試實(shí)驗(yàn)

2.4 黏附性

為了更直觀描述屏蔽保護(hù)劑與巖心的黏附性，將屏蔽保護(hù)劑粉末均勻鋪于巖心表面，加熱屏蔽保護(hù)劑完全熔融附著后，用耐熱膠帶貼在屏蔽保護(hù)劑表面，然后均勻用力撕下膠帶，測(cè)量膠帶上附著的屏蔽保護(hù)劑質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：屏蔽保護(hù)劑有極少量被剝離，剝離質(zhì)量比例為0.8%～2.4%。冷卻巖心，在巖心表面均勻滴加鹽酸測(cè)試其屏蔽效果，沒有氣泡產(chǎn)生，說明屏蔽保護(hù)劑在被撕離后仍能有效屏蔽酸巖反應(yīng)。

通過一系列實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定了屏蔽保護(hù)劑性能參數(shù)。屏蔽保護(hù)劑外觀為淡黃色固體粉末，常溫性脆；密度為0.95～0.98 g/cm3；軟化點(diǎn)為100～120 ℃；140 ℃、2 h條件下，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的HCL中的溶解率小于5.00%，在白油中的溶解率大于95.00%；自聚率大于90%；黏附能力強(qiáng)，外力剝離質(zhì)量比例小于5.0%。

3 自支撐酸化壓裂工藝參數(shù)優(yōu)化

屏蔽保護(hù)劑注入地層后，其分散形態(tài)和屏蔽面積，直接決定了酸化壓裂后的裂縫支撐形態(tài)。采用CFD模擬軟件，參考塔河超深碳酸鹽巖儲(chǔ)層物性參數(shù)，設(shè)置模型參數(shù)：楊氏模量為5.2×104MPa，泊松比為0.28，抗壓強(qiáng)度為78 MPa，有效閉合應(yīng)力為60 MPa。建立人工裂縫模型，對(duì)比分析壓裂液和屏蔽保護(hù)劑顆粒固液兩相流動(dòng)規(guī)律，優(yōu)化屏蔽保護(hù)劑用量、注入排量等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)屏蔽保護(hù)劑分散形態(tài)最優(yōu)，充分發(fā)揮裂縫自支撐優(yōu)勢(shì)，提高深井裂縫導(dǎo)流能力，延長(zhǎng)措施有效期，提高增產(chǎn)效果。

3.1 屏蔽保護(hù)劑用量?jī)?yōu)化

自支撐所需的屏蔽面積決定了屏蔽保護(hù)劑的用量。根據(jù)相似性原理，建立了單翼人工裂縫模型，酸蝕裂縫的縫寬較大，采用Navier-Stokes方程[13]模擬計(jì)算支撐面積比為5%～35%時(shí)縫內(nèi)流體流動(dòng)情況(圖2，圖中白色橢圓形代表支撐體)。由圖2可知：由于支撐體的存在，流體繞過支撐體會(huì)產(chǎn)生繞流的現(xiàn)象(支撐體后存在藍(lán)色區(qū)域)，即損失一部分流動(dòng)壓力，也會(huì)影響流線分布(圖2)。綜合裂縫內(nèi)流動(dòng)模擬分析可知：如果支撐面積過小，支撐巖體所受應(yīng)力集中，高閉合應(yīng)力條件下容易垮塌；如果支撐面積過大，繞流加劇，增加原油流動(dòng)的阻力，出口端流速和流量明顯變小。流量為200 mL/min時(shí)，不同支撐面積比條件下出口端流量變化見圖3。由圖3可知：支撐面積比為5%時(shí)，裂縫導(dǎo)流能力快速衰減，出口流量急劇降低；支撐面積比為15%～25%時(shí)，自支撐裂縫導(dǎo)流能力穩(wěn)定，流動(dòng)順暢，出口流速均勻穩(wěn)定；支撐面積比為35%時(shí)，流動(dòng)阻力明顯加大，出口流量偏小。因此，推薦支撐面積比為15%～25%，折算縫內(nèi)等效鋪置濃度為0.1～0.5 kg/m2，有利于自支撐裂縫保持長(zhǎng)期高導(dǎo)流能力。

圖2 自支撐裂縫內(nèi)流體流動(dòng)形態(tài)

圖3 不同自支撐面積出口流量對(duì)比

3.2 注入排量?jī)?yōu)化

屏蔽保護(hù)劑注入排量決定了其在裂縫中的分布形態(tài)，采用固液兩相流動(dòng)模型模擬研究注入排量對(duì)屏蔽保護(hù)劑在裂縫內(nèi)分布形態(tài)的影響(圖4，Q為注入排量)。由圖4可知：注入排量低，則屏蔽保護(hù)劑分散效果差，有效鋪置距離短(圖4a)；注入速度過高，裂縫中部屏蔽保護(hù)劑空白區(qū)面積(藍(lán)色區(qū)域)增大(圖4d)，不利于長(zhǎng)期裂縫導(dǎo)流能力保持；注入速度適宜時(shí)(圖4b、c)，鋪置范圍遠(yuǎn)，分散均勻程度好。因此，現(xiàn)場(chǎng)最優(yōu)施工排量為2～3 m3/min。

圖4 不同注入排量時(shí)的屏蔽保護(hù)劑鋪置形態(tài)

3.3 攜帶液優(yōu)選

參照壓裂液懸砂實(shí)驗(yàn)方法[14]，分別選擇滑溜水、線性膠、交聯(lián)液3種不同黏度攜帶液開展實(shí)驗(yàn)，優(yōu)選分散性、懸浮穩(wěn)定性好的液體作為屏蔽保護(hù)劑注入時(shí)的攜帶液(表4)。由表4可知：中等黏度的線性膠作為攜帶液，在屏蔽保護(hù)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%～20%時(shí)，均能較好地分散，同時(shí)充分?jǐn)嚢韬蟮幕旌弦耗軌虮３址€(wěn)定懸浮2 h，有利于屏蔽保護(hù)劑的現(xiàn)場(chǎng)施工注入。

表4 攜帶液優(yōu)選實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

TH12井位于塔里木盆地北部沙雅隆起阿克庫(kù)勒凸起，開發(fā)目的層為奧陶系碳酸鹽巖儲(chǔ)層。TH12井酸化壓裂目的層為奧陶系6 930～7 390 m裸眼井段，預(yù)測(cè)儲(chǔ)層溫度為151 ℃，地層閉合應(yīng)力達(dá)到94.8 MPa，生產(chǎn)過程中裂縫有效閉合應(yīng)力超過50.0 MPa，油藏具有埋藏深、溫度高、應(yīng)力高的顯著特征。該區(qū)域鄰井酸化壓裂后自噴期一般少于7 d，裂縫閉合速度快，導(dǎo)流能力快速遞減[15-18]。

針對(duì)TH12井改造需求，設(shè)計(jì)采用高導(dǎo)流自支撐酸化壓裂工藝，在高閉合應(yīng)力條件下延長(zhǎng)酸蝕裂縫的有效期，提高增產(chǎn)效果。酸化壓裂方案設(shè)計(jì)酸蝕縫長(zhǎng)為110 m、縫高為50 m；在第1階段壓裂液造縫降溫后，加入軟化點(diǎn)為121 ℃的SRP-5屏蔽保護(hù)劑100 kg，注入排量為2.0～3.0 m3/min，采用10 m3線性膠攜帶。屏蔽劑分散進(jìn)入水力裂縫以后，繼續(xù)以小排量擠注，直到SRP-5屏蔽保護(hù)劑完全進(jìn)入地層并軟化黏附在裂縫壁面。最后大排量注入膠凝酸，刻蝕水力裂縫面，形成自支撐酸蝕裂縫(表5)。

該井酸化壓裂后返排快速見到稠油，現(xiàn)場(chǎng)取樣檢測(cè)未見屏蔽劑保護(hù)劑顆粒返排出地面，表明屏蔽保護(hù)劑在地層溫度下黏附性、油溶性達(dá)到設(shè)計(jì)要求。酸化壓裂后累計(jì)自噴95 d，比鄰井延長(zhǎng)15.8倍，自噴累計(jì)產(chǎn)油980 t，比鄰井提高7倍；目前機(jī)抽生產(chǎn)動(dòng)液面保持在600 m左右，比鄰井提高約500 m。生產(chǎn)結(jié)果顯示，自支撐酸化壓裂技術(shù)有效改善了酸蝕裂縫支撐強(qiáng)度，裂縫導(dǎo)流能力長(zhǎng)期保持較高水平，油井生產(chǎn)能力顯著提高。

表5 TH12井酸化壓裂主要泵注程序

5 結(jié) 論

(1) 通過三元共聚配方，合成了具備獨(dú)特性能的屏蔽保護(hù)劑系列產(chǎn)品，是實(shí)現(xiàn)自支撐酸化壓裂的關(guān)鍵。

(2) 優(yōu)化了屏蔽劑用量、注入?yún)?shù)、攜帶液種類等工藝參數(shù)，形成了塔河油田超深井自支撐酸化壓裂工程應(yīng)用方案。

(3) 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，通過屏蔽保護(hù)形成的自支撐酸化壓裂技術(shù)明顯延長(zhǎng)了酸蝕裂縫有效時(shí)間，導(dǎo)流能力長(zhǎng)期保持在較高水平。