低滲透油藏注水井水力多級(jí)脈沖酸化工藝及應(yīng)用
——以姬塬油田為例

張頂學(xué),孫意,高偉，許譯文，古仁超

1.長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100 2.油氣鉆采工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(長(zhǎng)江大學(xué))，湖北 武漢 430100 3.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第一采氣廠，陜西 榆林 750001 4.中國(guó)石油新疆油田分公司工程技術(shù)研究院，新疆 克拉瑪依 834000 5.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第三采油廠，寧夏 銀川 750000

姬塬油田是長(zhǎng)慶的一個(gè)主力產(chǎn)區(qū)，儲(chǔ)層以巖屑砂巖為主，主要為淺變質(zhì)巖軟碎屑，石英含量在30%～50%，平均孔隙度9.6%，平均滲透率0.39mD，是典型低滲透油藏，儲(chǔ)層物性差，非均質(zhì)性強(qiáng)。隨著投產(chǎn)年限的增加，高壓欠注、堵塞等問題日益嚴(yán)重。酸化是低滲透油藏的一種有效的增產(chǎn)增注措施。土酸、氟硼酸、固體硝酸和多氫酸等多種酸液體系在低滲透油藏中得到了推廣應(yīng)用并取得了一定的效果[1-6]。由于儲(chǔ)層物性的差異，姬塬油田應(yīng)用了膠束酸、自轉(zhuǎn)向酸、土酸、螯合酸、暫堵酸和多氫酸等多種酸液體系，但效果不夠理想，主要是因?yàn)榈貙訚B透率過低使得酸液很難進(jìn)入地層，從而使得酸液作用距離有限，有效期較短。

為了增加酸液的作用距離，延長(zhǎng)有效期，提高措施效果，脈沖造縫與酸化技術(shù)相結(jié)合的聯(lián)作技術(shù)被提出并得到應(yīng)用。張榮等[7]在中原油田首次采用多脈沖造縫與酸化聯(lián)作技術(shù)，其在高能氣體壓裂基礎(chǔ)上利用不同燃速推進(jìn)劑的組合和分段延時(shí)發(fā)火燃燒，實(shí)現(xiàn)多級(jí)脈沖。在多脈沖造縫的同時(shí)或之后將酸液通過裂縫注入地層深部，并通過多脈沖造縫與酸化聯(lián)作的機(jī)械作用、脈沖作用、熱力作用以及化學(xué)作用來增加酸液的作用距離，提高酸化效果，現(xiàn)場(chǎng)施工12井次，增油效果顯著。楊乾隆等[8]提出了一種脈沖式注入酸化增注技術(shù)，其通過注酸時(shí)控制排量交替變化，使酸液在井底產(chǎn)生水力沖擊波，沖擊波經(jīng)傳播作用在巖石壁面進(jìn)行交變擾動(dòng)和振蕩剪切使得巖石產(chǎn)生微裂縫，從而增加酸液的作用距離。

借鑒前人的現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)，筆者提出了一種水力多級(jí)脈沖酸化工藝：首先，優(yōu)化適應(yīng)于姬塬油田的緩速酸酸液體系；再在現(xiàn)有酸化工藝的基礎(chǔ)上，用沖壓振蕩器產(chǎn)生多級(jí)脈沖壓力對(duì)地層進(jìn)行水力振動(dòng)，使地層產(chǎn)生不規(guī)則的微裂縫；最后，擠入酸液實(shí)現(xiàn)水井增注。

1 水力多級(jí)脈沖酸化工藝原理

水力多級(jí)脈沖酸化是為加強(qiáng)酸化效果而將水力脈沖與酸化相結(jié)合的聯(lián)作技術(shù)。該工藝先通過多級(jí)水力脈沖使地層產(chǎn)生微裂縫，再擠入酸液，酸液沿著微裂縫進(jìn)入地層并溶蝕巖石礦物，改善地層的滲透率。酸液也會(huì)溶蝕微裂縫巖石表面而形成凸凹不平的溝槽，在上覆巖層作用下，所產(chǎn)生的微裂縫會(huì)閉合不嚴(yán)，這樣酸液更加容易進(jìn)入地層，使得地層的滲透率也得到了改善。

水力多級(jí)脈沖主要由下入井筒中的沖壓振蕩器來實(shí)現(xiàn)。沖壓振蕩器由多級(jí)沖壓爆破片、鋼球、沖壓室和單流閥組成。施工時(shí)，由泵車在井口向油管打壓，當(dāng)井口壓力上升到與油管內(nèi)液柱所產(chǎn)生的壓力之和大于沖壓爆破片爆破壓力時(shí)，沖壓片爆破，此時(shí)井筒內(nèi)高壓液體轉(zhuǎn)化為高速流體進(jìn)入沖壓室，再經(jīng)單流閥流出沖壓室完成對(duì)地層的一次水擊振動(dòng)。由于水擊振動(dòng)壓力大于地層的破裂壓力，因此在水擊振動(dòng)地層的瞬間會(huì)產(chǎn)生多條不規(guī)則裂縫。再依次投入多級(jí)鋼球，對(duì)地層進(jìn)行多次水擊振動(dòng)處理，可以使裂縫加深。水擊振動(dòng)地層完成后，注入酸液來完成對(duì)地層的酸化。因此，多級(jí)脈沖酸化效果的好壞，除了通過水力多級(jí)脈沖產(chǎn)生微裂縫外，還需要優(yōu)選出適應(yīng)于儲(chǔ)層條件的酸液體系。

2 緩速酸體系優(yōu)化

2.1 主體酸優(yōu)選

姬塬油田樣品X衍射全巖礦物成份分析結(jié)果顯示，黏土礦物主要以綠泥石為主，其次為伊蒙混層，因此在注水或酸化過程中，易造成微粒運(yùn)移、水化膨脹，并生成各種敏感性堵塞物。由于儲(chǔ)層低孔低滲、堵塞物既有無機(jī)物也有有機(jī)物、以及水質(zhì)不配伍性易結(jié)垢的特點(diǎn)，酸液必須具備深部穿透性、低腐蝕性和沉淀抑制性。為了提高酸液的深部穿透性，主體酸選擇緩速酸體系，在常規(guī)土酸的基礎(chǔ)上加入有機(jī)酸延緩其反應(yīng)速度，經(jīng)協(xié)同酸化作用使酸液的酸化效果達(dá)到最佳。氟硼酸(HBF4)通過水解產(chǎn)生的氫氟酸(HF)可以與地層礦物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，其與地層黏土的化學(xué)反應(yīng)能夠溶解、膠結(jié)黏土顆粒，從而起到穩(wěn)定黏土層和細(xì)小顆粒的位移作用。由于儲(chǔ)層中的黏度礦物含有大量的綠泥石，為防止酸化過程中產(chǎn)生酸敏效應(yīng)，在酸液中加入一定量的羥基乙叉二磷酸(HEDP)，HEDP能與Fe3+、Cn2+、Zn2+等形成穩(wěn)定的絡(luò)合物，溶解金屬表面的氧化物和吸附在黏土表面，防止分散運(yùn)移對(duì)儲(chǔ)層造成傷害。同時(shí)，為增加酸液的有效作用距離，加入了一定量的乙酸(HAc)。HAc是一種有機(jī)弱酸，可以減緩酸液的反應(yīng)速度和腐蝕速度，從而增大酸液在地層中的穿透深度，實(shí)現(xiàn)對(duì)地層的深部酸化；同時(shí)在水溶液中電離出H+，保持了酸巖反應(yīng)體系環(huán)境較低的pH，對(duì)防止砂巖儲(chǔ)層酸巖反應(yīng)生成二次沉淀的傷害具有重要的作用。

酸液的溶蝕性能能夠體現(xiàn)酸液體系的優(yōu)劣，良好的酸液性能既要保證溶蝕過程中有較好的溶蝕速率，又要求其具有不低最終溶蝕率。通過巖心溶蝕實(shí)驗(yàn)來優(yōu)選有機(jī)酸的濃度并繪制溶蝕曲線，結(jié)果見表1和圖1?？梢钥闯觯?號(hào)酸液體系的溶蝕性能最好，初始有一定的溶蝕性，且在整個(gè)溶蝕過程中溶蝕速率保持持續(xù)增加，8h溶蝕率33.25%。最終確定主體酸配方：8%HCl+3%HF+2%HBF4+3%HEDP+3%HAc(配方中的百分?jǐn)?shù)為質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)。

圖1 不同酸液體系巖心溶蝕曲線

表1 酸液溶蝕實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.2 緩蝕劑優(yōu)選

緩蝕劑能夠有效地抑制酸液對(duì)管柱和套管的腐蝕，高效酸化的緩速酸不僅要保證其對(duì)地層堵塞物的降解溶蝕程度較高，而且要保證其對(duì)設(shè)備及井筒的腐蝕率控制在較低的范圍內(nèi)。參照SY/T 5405—2019《酸化用緩蝕劑性能試驗(yàn)方法及評(píng)價(jià)指標(biāo)》，分別在主體酸中進(jìn)行緩蝕劑的優(yōu)選，結(jié)果見表2?？梢钥闯?，60℃溫度下聚環(huán)氧琥珀酸鈉的緩蝕效果最好。這是因?yàn)榫郗h(huán)氧琥珀酸鈉分子中的氧原子具有未共用的電子對(duì)，可以以此為中心吸附在金屬表面上，形成一層致密的保護(hù)膜，從而更好起到緩蝕作用[9-11]。

表2 緩蝕劑優(yōu)選

參考SY/T 5405—2019《酸化用緩蝕劑性能試驗(yàn)方法及評(píng)價(jià)指標(biāo)》來評(píng)價(jià)聚環(huán)氧琥珀酸鈉的緩蝕性能，將質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的聚環(huán)氧琥珀酸鈉分別加入到3種不同的酸液體系中測(cè)定其常壓靜態(tài)腐蝕速率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。3種酸液體系的腐蝕速度均滿足SY/T 5405—2019《酸化用緩蝕劑性能試驗(yàn)方法及評(píng)價(jià)指標(biāo)》(腐蝕速率≤5g/(m2·h))。因此，現(xiàn)場(chǎng)選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%～1.5%的聚環(huán)氧琥珀酸鈉作為緩蝕劑。

表3 緩蝕劑的性能評(píng)價(jià)

2.3 助排劑優(yōu)選

為提高殘酸的返排效率，最有效的方法是向體系中添加助排劑。助排劑可以產(chǎn)生很低的表面張力，增大接觸角，并清除地層傷害[12]。配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為1%的5種助排劑溶液YF-01、OB-2、FC-30、OAE、EAB，并對(duì)其進(jìn)行表面張力的測(cè)定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。從表4可以看出，在注入水中加入助排劑后體系表面張力會(huì)有明顯降低，且加入助排劑OB-2后的降低程度最大。OB-2是由烯醇類單體和乙二醇單體聚合而成的聚合體，其在濁點(diǎn)以上具有很好的吸附特性，一定濃度下能大幅度降低酸液的表面張力[13,14]。因此，選擇OB-2作為助排劑。

表4 助排劑表面張力測(cè)定

采用TX-500C型界面張力儀測(cè)定不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)OB-2溶液的界面張力，結(jié)果如圖2所示。隨著OB-2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加界面張力逐漸減小，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.5%后，界面張力明顯降低，其值為0.0857mN/m，有利于殘酸返排，因此推薦使用OB-2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%。

圖2 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)OB-2的界面張力

3 緩速酸液性能評(píng)價(jià)

基于儲(chǔ)層物性分析及室內(nèi)實(shí)驗(yàn)優(yōu)選復(fù)配了一種緩速酸液體系，配方如下:8%HCl+3%HF+2%HBF4+3%HEDP+ 3%乙酸+1.5%聚環(huán)氧琥珀酸鈉(緩蝕劑))+0.5%OB-2(助排劑)。

3.1 配伍性

將配制好的酸化液在常溫下放置12h和在60℃恒溫中放置12h，酸液都均勻清澈，無沉淀物和懸浮物出現(xiàn)，也無明顯的分層現(xiàn)象，說明該酸液配伍性良好。

3.2 沉淀抑制性

對(duì)新型酸液體系進(jìn)行沉淀抑制性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表5。從表5可以看出，新型酸液體系對(duì)Fe3+、Ca2+、Mg2+抑制率超過85%，具有較好的抑制性，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)需要。

表5 新型酸化液抑制性

3.3 增注性能評(píng)價(jià)

為了評(píng)價(jià)緩速酸液的增注性能及與地層的適應(yīng)性，采用姬塬油田的巖心做酸化流動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)，并與土酸進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)先將現(xiàn)場(chǎng)巖心洗鹽、洗油、烘干、抽真空，飽和模擬地層水并測(cè)量孔隙體積后裝入巖心夾持器，隨后依次用5PV的模擬地層水、10PV的酸液和模擬地層水驅(qū)替，并測(cè)量巖心的滲透率K1。用K1與原始滲透率K0的比值(K1/K0)表示滲透率的改善率。實(shí)驗(yàn)得到巖心滲透率的改善曲線如圖3所示，從圖3可以看出，注入土酸初期巖心的滲透率得到快速改善，但是隨著酸液的注入滲透率改善率呈現(xiàn)出下降；而注入緩速酸的巖心滲透率改善率呈現(xiàn)出持續(xù)上升，但是在初期上升的幅度明顯小于土酸。分析原因，是因?yàn)橥了嶂蠬+電離速度大，電離出來的H+快速與巖土礦物發(fā)生反應(yīng)而使得酸液變?yōu)闅埶?，隨著注入殘酸不能改善巖心的滲透率，從而使得巖心滲透率改善率下降；緩速酸中H+電離速度較小，隨著酸液注入能不斷地電離出H+，從而使得巖心滲透率能持續(xù)改善。這也表明緩速酸能夠達(dá)到深部酸化的效果。

圖3 巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

在室內(nèi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，2020年在姬塬油田X井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。該井于2016年7月14日投注，初期油壓19.0MPa，套壓18.4MPa，配注15m3，實(shí)注16m3；2017年9月開始欠注，油壓22.0MPa，套壓21.8MPa，配注23m3，實(shí)注5m3；2018年9月措施增注，措施后油壓21.2MPa，配注23m3，實(shí)注23m3；2019年1月欠注，2019年8月29日組織洗井?dāng)D注，但效果不明顯，油壓22.3MPa，套壓22.2MPa，配注25m3，日注水量4m3，至2020年3月3日累計(jì)注水量19531m3。該井油層段為2347.1～2364.8m，厚度17.7m，射孔段10.0m。設(shè)計(jì)用酸量65m3，酸液配方為8%HCl+3%HF+2%HBF4+3%HEDP+ 3%乙酸+1.5%聚環(huán)氧琥珀酸鈉+0.5%OB-2，于2020年3月4日實(shí)施三級(jí)脈沖酸化措施。施工時(shí)先進(jìn)行三級(jí)水力脈沖造縫，3次爆破壓力值依次為60、55、58MPa，再以排量150L/min注入酸液，然后正擠20m3活性水后關(guān)井反應(yīng)4h，最后用活性水循環(huán)洗井后開注。該井措施前后的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)曲線如圖4所示?？梢钥闯觯胧┖笤摼挠蛪好黠@下降，由措施前的22.3MPa下降到18.9MPa，經(jīng)過6個(gè)月后油壓僅上升至19.1MPa。該井措施后調(diào)整配注方案，實(shí)施周期注水，上半月配注20m3/d，下半月配注30m3/d，均能滿足配注要求。截至2020年9月30日，已累計(jì)增注4804m3，降壓增注效果明顯。

圖4 生產(chǎn)動(dòng)態(tài)曲線

5 結(jié)論

1)針對(duì)姬塬油田欠注嚴(yán)重、酸化效果差等問題，提出緩速酸多級(jí)脈沖酸化技術(shù)，并通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)優(yōu)選得出一種新型緩速酸酸液體系，配方為8%HCl+3%HF+2%HBF4+3%HEDP+3%乙酸+1.5%聚環(huán)氧琥珀酸鈉(緩蝕劑)+0.5%OB-2(助排劑)。

2)新型酸的沉淀抑制性優(yōu)越，F(xiàn)e3+的抑制性90.24%，Ca2+的抑制性86.89%，Mg2+的抑制性87.35%；巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)表明，新型酸化液能夠有效改善地層滲透率。

3)2020年在姬塬油田X井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)施工試驗(yàn)，措施后油壓由22.3MPa下降到18.9MPa，經(jīng)過6個(gè)月后油壓僅上升至19.1MPa，截至2020年9月30日，該井累計(jì)增注4804m3，降壓增注效果明顯。