碳酸鹽巖儲層水平井靶向酸化研究及應用

薛 衡 ，何 冰，蔣利平，曹獻平，段 策

1.振華石油控股有限公司，北京 西城 100031 2.成都北方石油勘探開發(fā)技術有限公司，四川 成都 610000

引言

水平井酸化是開發(fā)油氣田的一種有效手段，可以顯著提高油氣藏開發(fā)的綜合效益。與直井相比，水平井由于作業(yè)井段長，如果加上儲層的非均質性，使得酸液的置放與轉向面臨巨大的挑戰(zhàn)，水平段達到均勻解堵或改造的難度極大。因此，水平井酸化關鍵技術與攻關目標是酸液的置放與轉向，以提高整個水平井段的酸液覆蓋率。國內圍繞這一目標開展了工作液、配套工具與完井方式的研究。在酸化液體體系上，著力深入優(yōu)化了降濾、增黏、降阻、轉向、緩蝕、緩速和降傷害等特性，開發(fā)出大量的新型液體體系。酸化工藝上從籠統(tǒng)酸化工藝逐步向改善吸酸剖面的均勻布酸工藝發(fā)展。目前，形成的水平井酸化工藝技術主要有：全井段籠統(tǒng)注酸技術[1]、連續(xù)油管注酸技術[2]、連續(xù)油管噴射酸化技術[3-4]、暫堵酸化技術[5]、機械方法分段注酸技術[6]和局部完井酸化技術[7]等，并結合自轉向酸[8-9]、可降解顆粒材料[10]和降解纖維[11-12]等材料改善布酸效果。

雖然外針對碳酸鹽巖儲層水平井酸化開展了大量的研究及實踐工作，但酸化效率仍有很大提升空間，以中東A 油田為例，水平井酸化面臨的主要難點有以下幾方面：（1）儲層層系多，差異大，均勻改造難度大；（2）井段長、非均質性嚴重，控制布酸難度大；（3）儲層傷害類型復雜，傷害預測困難，布酸依據(jù)不充分；（4）水平井井身結構復雜，加大了后期增產作業(yè)難度；（5）注入能力有限，酸液在儲層中的流動速度過慢，不利于蚓孔延伸；（6）水平井吸液剖面大，導致儲層每米吸酸量不足，酸化效果不理想。

為了在有限的酸液用量及措施手段情況下，解決以上技術難題，本文通過理論研究與現(xiàn)場實踐不斷地相互促進完善，形成了針對油田不同開發(fā)階段的水平井靶向酸化工藝技術：（1）油田開發(fā)初期，以新井為主，此時地層能量充足，含水矛盾不突出，鉆完井傷害明顯。因此，水平井酸化主要以解除鉆完井傷害，實現(xiàn)產能最大化為目標。（2）油田開發(fā)中后期，以老井為主，此時見水問題突出，井段動用程度不均衡。因此，除了酸化解堵，還應重點考慮提高低滲層段儲量的動用，最大程度釋放單井產能。

1 水平井三維徑向酸化數(shù)學模型

為了研究布酸對酸化效果的影響，需要開展數(shù)模研究。國內外很多學者對碳酸鹽巖酸化過程中蚓孔的產生、擴展和不均勻溶蝕做了大量研究，并形成了毛細管模型[13]、分形模型[14]、網絡模型[15]、連續(xù)介質模型[16]和孔隙介質模型[17]等5 大類模型。由于連續(xù)介質模型能夠正確反映流動、反應和局部傳質等物理化學過程，且能較真實模擬酸和巖石反應溶蝕結構。再考慮到模擬計算量相對較小，適合用于工程計算。因此，本文基于連續(xù)介質模型，推導了適用于水平井的三維徑向酸化模型。本文后面所開展的靶向酸化研究均基于此模型。

1.1 酸化數(shù)學模型

酸液在地層中的徑向流動平衡方程

式中：

u--r方向的流速，m/s；

v--θ 方向的流速，m/s；

ξ--z方向的流速，m/s；

K--基質滲透率，mD；

μ--酸液黏度，mPa·s；

p--壓力，MPa；

r--柱坐標的半徑，m；

θ--柱坐標的角度，（°）；

z--柱坐標的高度，m；

φ--地層孔隙度，無因次；

t--時間，s。

地層條件下鹽酸與碳酸鹽巖反應的物質平衡方程為

式中：C--f孔隙內部酸液濃度，kmol/m3；

C--s孔隙壁面酸液濃度，kmol/m3；

Der、Deθ及Dez--r、θ 及z方向上酸液有效擴散系數(shù)，m2/s；

R(Cs)--單步不可逆反應的溶蝕速度，R(Cs)=ksCs，m·kmol/（s·m3）；

ks--反應速度，m/s；

av--比表面積，m2/m3。

局部孔隙變化物質平衡方程

式中：α--酸液的溶蝕能力，kg/kmol；ρs--巖石密度，kg/m3。

1.2 邊界條件

在實際酸化施工時，通常定排量向儲層擠入酸液，酸液沿井壁呈徑向流態(tài)向遠井區(qū)域流動。在θ等于0 和2π 位置處，酸液能夠自由流動，因此，采用周期邊界。假設儲層區(qū)域足夠大，酸化時油藏外邊界處壓力保持不變。三維徑向流動反應邊界條件示意圖如圖1 所示。

圖1 水平井三維徑向酸化模擬的邊界條件示意圖Fig.1 Boundary condition diagram of 3D radial acidizing simulation for horizontal wells

2 水平（新）井靶向酸化技術研究

2.1 水平（新）井傷害特征研究

研究發(fā)現(xiàn)，水平（新）井傷害主要發(fā)生在建井階段，其中，以鉆完井液濾失傷害為主，包括固相顆粒運移和聚合物體系的滯留傷害和吸附傷害[18]。因此，引入前期研究成果，定量描述水平井在鉆井期間的非均勻傷害特征[19]。以A 油田某井為例，對該井鉆井液濾失傷害開展定量評價研究。模擬結果顯示，由于水平段跟部浸泡時間更長，因此，傷害形態(tài)總體上呈橢圓錐臺形狀，與常規(guī)理論相符。但是，受儲層非均質性影響，傷害形態(tài)局部存在差異性，如圖2 所示。

圖2 滲透率和表皮系數(shù)沿水平段的分布規(guī)律Fig.2 The distribution of permeability and skin factor along horizontal section

2.2 水平（新）井布酸方法研究

常規(guī)水平井酸化方法主要有均勻布酸法、錐臺布酸法和物性剖面布酸法。由于以上方法不能完全與水平井的傷害特征吻合，使得它們的酸化效果仍有較大提升空間。因此，本文提出了根據(jù)地質分段，同時基于表皮系數(shù)原則分配酸用量（表皮與酸量成正比）的靶向布酸技術，從而使酸化解堵更具有針對性。以該井為例，根據(jù)地質分段將水平井分為10 段，并根據(jù)4 種不同布酸方法對每段用酸強度進行優(yōu)化設計，如圖3 所示。與3 種常規(guī)布酸方法相比，靶向布酸模式更符合儲層傷害特征形態(tài)。

圖3 4 種布酸方法下各段用酸強度設計對比Fig.3 Comparison of acid strength design for each section under four acid placement methods

2.3 新井布酸方法對酸化效果影響

基于1.1 節(jié)推導的水平井三維徑向酸化數(shù)學模型，針對該井模擬對比了4 種不同布酸方法的酸化效果。其中，每種布酸方法均采用0.4 m3/min 排量下的連續(xù)油管回拖酸化，150 m3轉向酸，濃度為20%。

模擬結果顯示，靶向布酸、均勻布酸、物性布酸和錐臺布酸在酸化后的表皮系數(shù)分別降至0.76、0.86、0.95 和0.96。對比4 種布酸方法，靶向布酸效果更好。研究表明，同樣酸化效果下，靶向布酸至少能夠節(jié)約10%酸量，如圖4 所示。

圖4 4 種布酸方法的酸化效果對比Fig.4 Comparison of acidizing effects of four acid placement methods

2.4 新井酸化效果評價

針對同一層位，儲層流體物性、完井參數(shù)、鉆井參數(shù)相似的5 口井，采用相同的酸液體系、酸化參數(shù)進行投產。

其中，選取了物性及水平段長最小的兩口井進行靶向布酸；另外3 口井采用常規(guī)的物性布酸方式。對比酸化投產后的產液指數(shù)發(fā)現(xiàn)，靶向布酸的確能夠一定程度提高上水平（新）井酸化投產效果，如表1 所示。

表1 采用不同布酸工藝下的5 口井生產效果對比Tab.1 Comparison of production index for 5 wells with different acidizing technology

3 水平（老）井靶向酸化技術研究

3.1 水平（老）井布酸目的分析

從傷害機理及壓恢解釋結果分析，A 油田正常生產的油井傷害并不嚴重，因此，老井酸化重點在于如何提高低供液段的產能貢獻。對于未酸化投產的水平（老）井，由于受“跟-趾”效應影響，跟端生產壓差普遍大于趾端，一部分鉆井濾失的固相會隨著生產排出儲層，從而使得鉆井傷害的解除程度呈現(xiàn)跟端大，趾端小的特征。因此，這類井的布酸應該以提高“趾部動用程度”為目標。對于重復酸化的水平（老）井，由于前期酸化已將鉆井污染解除，并且已在高滲層形成酸蝕蚓孔。因此，這類井布酸應該以提高“低滲層段、低吸酸層段動用程度”為目標（圖5）。

圖5 水平（老）井重復酸化布酸示意圖Fig.5 Schematic diagram of acid placement in horizontal(old)wells

由于目前水平井酸化手段十分有限。因此，本文主要以連續(xù)油管回拖，并結合局部酸化和定點噴射酸化工藝來實現(xiàn)水平（老）井的靶向布酸。

3.2 老井布酸方法對酸化效果影響

以A 油田某井為例，該井水平段總長800 m。根據(jù)測井解釋滲透率及鉆井軌跡情況，地質上將該水平井段分為3 段，如表2 所示，可以看出，第1 和第3段物性相似，第2 段物性比第1、第3 段差，滲透率級差約3 倍。因此，結合水平（老）井的靶向布酸工藝，第2 段將是重點酸化井段。目前，連續(xù)油管布酸方法主要分為籠統(tǒng)酸化、分段酸化和局部酸化，下面重點對比分析這3 種布酸方法對該井酸化效果的影響。

表2 某水平井地質分段情況及各布酸方法下的用酸設計Tab.2 The acid volume design based on geological segmentation of a horizontal well and various acid placement methods

3 種布酸方法中，均采用0.5 m3/min 排量，150 m3轉向酸，濃度為15%，其中，各小段用酸情況參考表2。利用第1 節(jié)推導的水平井三維徑向酸化數(shù)學模型，忽略水平井筒中流動產生的摩阻，通過模擬計算得到了3 種布酸方法在定生產壓差下的產液剖面的流速分布，如圖6 所示。

圖6 3 種布酸方法的酸化后產液剖面的流速分布Fig.6 Velocity distribution of production profile after acidizing with 3 acid placement methods

從圖6a 和圖6b 中發(fā)現(xiàn)，采用籠統(tǒng)酸化和分段酸化方法，酸化后第2 段產液量仍較第1 和第3 段低，未達到提高低滲層段產液貢獻目的。從圖6c 中發(fā)現(xiàn)，雖然第2 段改造程度仍然有限，但是由于采用局部酸化工藝，限制了第1 和第3 段的吸酸量，使得整個水平井段產液剖面得到了大幅度均衡。

3.3 局部深穿透靶向酸化工藝研究

由于受局部位置上的非均質性影響，某些井段的酸化改造效果仍然不理想。例如，圖6c 中3 480～3 570 m 酸化后的產液量仍然非常低。為了提高局部井段酸化時蚓孔的深部穿透效果，推薦采用定點噴射酸化工藝。研究表明，當噴速在32.6～60.9 m/s，能夠在碳酸鹽巖中產生深穿透蚓孔（圖7）[20]。目前，各油田通常采用1.5 in.以上連續(xù)油管，施工排量大于0.3 m3/min，若采用5 孔酸化噴頭，噴速達50.7 m/s，能夠滿足造深穿蚓孔要求。

圖7 不同噴速下的蚓孔延伸形態(tài)Fig.7 The morphology of wormhole extension at different jet velocities

3.4 老井酸化效果評價

2019 年以來，A 油田陸續(xù)實施重復酸化累計7 口井，其中，1 口井采用籠統(tǒng)布酸，酸化取得了一定效果，但酸化前、后采液指數(shù)僅提高了1.6 倍。6 口井采用靶向布酸，酸化前、后采液指數(shù)提高了3.8～8.4 倍，酸化效果遠好于籠統(tǒng)布酸，如表3 所示。

表3 采用不同布酸工藝下的7 口井復產效果對比Tab.3 Comparison of production index for 7 wells with different acidizing technologies

4 結論

（1）油田不同開發(fā)階段，水平井酸化目的有所不同。開發(fā)初期以解除鉆完井傷害，實現(xiàn)產能最大化為目標重點；開發(fā)中后期，以提高整個水平段的動用程度為目標重點。

（2）針對水平（新）井酸化，模擬對比分析了靶向布酸、均勻布酸、物性布酸和錐臺布酸4 種方法下的酸化效果，靶向布酸效果明顯好于其他3 種?，F(xiàn)場應用表明，靶向布酸能夠一定程度上提高水平（新）井酸化投產效果。

（3）針對水平（老）井酸化，開展了3 種布酸方式的模擬對比分析，局部酸化能夠有效實現(xiàn)均衡水平井產液剖面目的。針對局部改造效果不理想情況，推薦了基于定點噴射的深穿透酸化工藝。現(xiàn)場應用表明，靶向布酸能夠大幅提高水平井重復酸化效果。