適用于碳酸鹽巖深穿透的潛在酸試驗(yàn)研究

李燕承，劉 志，黃天懌，賀雪紅

(延長(zhǎng)油田 靖邊采油廠，陜西 榆林 719000)

目前，我國(guó)已開發(fā)的低滲透油藏占總生產(chǎn)儲(chǔ)量的1/3以上，未開發(fā)的低滲透油藏占未動(dòng)用地質(zhì)儲(chǔ)量的比例較大。然而，發(fā)達(dá)國(guó)家大多處于低產(chǎn)低效狀態(tài)。如何提高已開發(fā)油藏的效果、快速有效地開發(fā)落后地區(qū)是潛在酸酸化技術(shù)具有不可替代的作用。碳酸鹽巖儲(chǔ)層在我國(guó)分布廣泛，包括四川盆地、塔里木盆地、渤海灣盆地、鄂爾多斯盆地古生界潛山等。與砂巖儲(chǔ)層相比，碳酸鹽巖儲(chǔ)層巖性相對(duì)簡(jiǎn)單，但裂縫、溶洞發(fā)育、碳酸鹽巖儲(chǔ)層潛在酸實(shí)施壓裂時(shí)，這些特征會(huì)使充填砂的裂縫因?yàn)V失而變短變窄，壓裂液滲入儲(chǔ)層會(huì)對(duì)儲(chǔ)層造成傷害，甚至操作不當(dāng)會(huì)造成砂橋，對(duì)增產(chǎn)沒(méi)有影響。然而，碳酸鹽巖儲(chǔ)層潛在酸酸壓具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。

1 潛在酸酸化壓裂的影響因素分析

影響碳酸鹽巖潛在酸酸壓效果的兩個(gè)最重要因素是酸有效距離和酸蝕裂縫導(dǎo)流能力。有效裂縫長(zhǎng)度受酸濾性能、酸巖反應(yīng)速度、裂縫內(nèi)酸液流速以及酸類型的影響。酸蝕裂縫導(dǎo)流能力受閉合應(yīng)力、酸溶能力、酸蝕酸巖反應(yīng)形態(tài)、溶解巖絕對(duì)體積等因素的影響。因此，需要更長(zhǎng)的酸蝕裂縫長(zhǎng)度和更高的電導(dǎo)率來(lái)改善碳酸鹽巖地層的酸壓效果。

2 測(cè)定反應(yīng)酸極限和計(jì)算酸有效距離

潛在酸酸壓過(guò)程中，酸液沿裂縫進(jìn)入深層，濃度逐漸降低。當(dāng)酸濃度降低到某個(gè)無(wú)腐蝕能力的值時(shí)，它會(huì)變成反應(yīng)酸。通常，反應(yīng)酸極限被認(rèn)為是活酸濃度的10%。在活性酸變成反應(yīng)酸之前，活性酸流動(dòng)的距離稱為有效距離。但室內(nèi)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，緩速酸體系的反應(yīng)酸限遠(yuǎn)高于以往對(duì)常規(guī)酸的看法。

因此，需要根據(jù)不同的酸體系設(shè)置相應(yīng)的迭代終止條件，以獲得酸的有效距離，而不是使用10%的活酸濃度作為迭代終止條件。根據(jù)上述研究和高溫動(dòng)力學(xué)反應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果，模擬計(jì)算了不同酸的有效距離，計(jì)算出的酸濃度沿裂縫的分布如圖1所示。根據(jù)之前的反應(yīng)酸標(biāo)準(zhǔn)(新鮮酸濃度的10%)，交聯(lián)酸、膠凝酸和自轉(zhuǎn)向酸的有效距離分別為108、84和90 m；但根據(jù)其自身反應(yīng)酸濃度限值，有效距離的計(jì)算結(jié)果為：交聯(lián)酸最大96 m；膠凝酸次之81 m；自轉(zhuǎn)向酸最小值77 m。顯然，反應(yīng)酸極限對(duì)酸反應(yīng)距離影響很大。

因此，在實(shí)際酸壓過(guò)程中，交聯(lián)酸和自轉(zhuǎn)向酸的酸巖反應(yīng)速率較低；但綜合考慮反應(yīng)酸限和酸蝕引起的裂縫導(dǎo)流能力降低，增大有效距離可能無(wú)助于改善酸化效果。因此，建議對(duì)各種酸體系進(jìn)行組合優(yōu)化，以獲得更長(zhǎng)的有效距離和更高的導(dǎo)電性酸蝕裂紋。

圖1 沿裂縫的酸濃度分布Fig.1 Acid concentration distribution along the fracture

3 酸蝕斷裂能力的影響因素及改進(jìn)方法

3.1 酸蝕斷裂能力的影響因素

酸蝕裂縫導(dǎo)流能力受多種因素影響，利用自行研制的FCD測(cè)試儀DP-1，研究巖石埋置強(qiáng)度、閉合應(yīng)力、酸用量、酸接觸時(shí)間、酸過(guò)濾和酸泵送速率對(duì)裂縫導(dǎo)流能力的影響。

巖石埋置強(qiáng)度對(duì)斷裂承載力的影響

巖石埋置強(qiáng)度是影響巖石斷裂能力的重要因素之一，圖2為巖石埋置強(qiáng)度對(duì)導(dǎo)流能力的影響。

圖2 巖石埋置強(qiáng)度對(duì)導(dǎo)流能力的影響Fig.2 The influence of rock embedding strength on conductivity

由圖2可知，顯示了不同閉合應(yīng)力下裂縫導(dǎo)流能力和巖石嵌入強(qiáng)度之間的關(guān)系。當(dāng)巖石埋置強(qiáng)度值較低時(shí)，裂縫支撐點(diǎn)將坍塌，裂縫導(dǎo)流能力值將很低；反之，當(dāng)巖石埋置強(qiáng)度值較高時(shí)，裂縫支撐點(diǎn)能夠承受足夠的地層壓力，斷裂能力值較高。

酸體系對(duì)壓裂能力的影響

圖3為不同酸體系對(duì)導(dǎo)流率的影響。

圖3 不同酸體系對(duì)導(dǎo)流率的影響Fig.3 The influence of different acid systems on conductivity

由圖3可知，顯示了不同酸體系在不同閉合應(yīng)力下的裂縫導(dǎo)流能力。采用單酸體系時(shí)，隨著封閉應(yīng)力的增加，導(dǎo)流能力迅速降低。然而，當(dāng)采用組合酸體系時(shí)，不同酸之間的黏度差可以實(shí)現(xiàn)非均相刻蝕，并且在高閉合應(yīng)力下，流動(dòng)電導(dǎo)率仍然可以保持較高水平。

隨著封閉應(yīng)力的增加，導(dǎo)流能力降低，這就要求保護(hù)底部壓力不受大幅度波動(dòng)的影響，從而避免在注入酸、返排反應(yīng)酸和后期生產(chǎn)控制時(shí)，由于裂縫凈壓力的變化而導(dǎo)致壓裂能力大幅度降低。

酸用量對(duì)壓裂能力的影響

圖4為酸巖接觸時(shí)間對(duì)導(dǎo)流能力的影響。

圖4 酸巖接觸時(shí)間對(duì)導(dǎo)流能力的影響Fig.4 The influence of acid rock contact time on conductivity

由圖4可知，酸性巖石接觸時(shí)間越長(zhǎng)，巖石腐蝕越嚴(yán)重。如果酸液不足或接觸時(shí)間較短，則腐蝕巖石會(huì)較少，酸蝕斷裂能力會(huì)較低。如果酸太多或接觸時(shí)間太長(zhǎng)，受腐蝕的巖石會(huì)更多，裂縫面酸洗通道會(huì)更大，但支撐面積會(huì)更小，破裂面上的巖石結(jié)構(gòu)會(huì)減弱，這使得巖石對(duì)閉合應(yīng)力更敏感。顯然，存在一個(gè)最佳酸液量或最佳接觸時(shí)間，其原理是腐蝕量最大但仍能保持支護(hù)效果的巖石。

酸濾對(duì)壓裂能力的影響

圖5為酸液損失對(duì)導(dǎo)流能力的影響。

圖5 酸液損失對(duì)導(dǎo)流能力的影響Fig.5 The influence of acid loss on conductivity

由圖5可知，過(guò)濾和非過(guò)濾的導(dǎo)流能力對(duì)比曲線，在考慮過(guò)濾的實(shí)驗(yàn)中，濾失量為酸用量的15%；而在不考慮過(guò)濾的實(shí)驗(yàn)中，過(guò)濾線關(guān)閉，沒(méi)有酸液損失。在低閉合應(yīng)力條件下，2種實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似；但當(dāng)閉合應(yīng)力大于18 MPa時(shí)，有濾失條件下的斷裂能力遠(yuǎn)高于無(wú)濾失條件下的斷裂能力。

3.2 提高酸蝕裂縫導(dǎo)流能力的措施

優(yōu)化酸體系、酸用量和酸濃度

酸蝕裂縫導(dǎo)流能力的大小和分布與酸液體系密切相關(guān)，應(yīng)選擇低濾失、緩凝性能好的酸液體系，以提高整個(gè)有效酸蝕裂縫范圍內(nèi)的導(dǎo)流能力。此外，國(guó)內(nèi)外專家還提出了前置酸壓或多級(jí)交替注入酸壓技術(shù)，以確保在高閉合應(yīng)力條件下，依靠前置液與酸的黏度差異，獲得更高的酸蝕裂縫導(dǎo)流能力，以及液體注入過(guò)程中的粘性指進(jìn)，實(shí)現(xiàn)非均勻刻蝕。此外，作者更傾向于采用交替注入不同黏度和反應(yīng)性的酸來(lái)實(shí)現(xiàn)非均相，這樣可以減少前置液損失造成的地層損害，同時(shí)也可以避免前置液與酸不相容造成的大量廢液。

對(duì)于較高的閉合應(yīng)力層，應(yīng)適當(dāng)增加酸用量和酸濃度，以使裂縫閉合后深度腐蝕，保持較高的裂縫導(dǎo)流能力。理想酸用量和反應(yīng)時(shí)間的原則是腐蝕體積最大但仍能保持支護(hù)效果的巖石；而對(duì)于松散、較低巖石強(qiáng)度層，應(yīng)適當(dāng)減少酸用量和酸接觸時(shí)間，以避免過(guò)度腐蝕，因?yàn)檫^(guò)度腐蝕會(huì)削弱裂縫面中的巖石結(jié)構(gòu)，從而縮短酸蝕裂縫導(dǎo)電性的使用壽命。

優(yōu)化酸壓工藝

(1)多級(jí)交替注入酸壓技術(shù)。多級(jí)交替注入酸壓技術(shù)能有效降低酸液損失。由于黏度差異，粘性指進(jìn)在裂縫表面形成非均勻酸蝕圖案，從而增加裂縫導(dǎo)流能力。此外，利用黏度和反應(yīng)性的差異，采用不同黏度的酸體系也可以實(shí)現(xiàn)較好的非均勻刻蝕；

(2)閉合裂縫酸化技術(shù)。對(duì)存在天然裂縫或經(jīng)歷酸壓的儲(chǔ)層中的閉合或半閉合裂縫注入酸液，繼續(xù)加深先前的溝槽，進(jìn)一步加劇裂縫面的不規(guī)則性。室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，該技術(shù)對(duì)提高近井裂縫導(dǎo)流能力極為有效；

(3)平衡酸壓技術(shù)。平衡酸壓技術(shù)是一種針對(duì)低溫、軟、高非均質(zhì)油藏的技術(shù)。利用壓裂延伸壓力(延伸壓力)與最小地應(yīng)力(裂縫打開或關(guān)閉時(shí)的壓力)之差，控制動(dòng)態(tài)裂縫壓裂后的施工泵送速度，使注入速度等于酸濾速度。當(dāng)二者達(dá)到平衡時(shí)，裂縫內(nèi)壓力將低于壓裂延伸壓力，裂縫將保持開放而不延伸，酸巖反應(yīng)時(shí)間將更長(zhǎng)，從而產(chǎn)生最佳裂縫導(dǎo)流能力；

(4)砂支撐酸壓技術(shù)。水力壓裂和酸壓相結(jié)合，深入裂縫，提高產(chǎn)能，延長(zhǎng)有效時(shí)間，刺激并保持穩(wěn)定生產(chǎn)。因此，砂巖支撐酸壓技術(shù)適用于孔隙性儲(chǔ)層或需要深穿透的儲(chǔ)層，而不是大型縫洞型儲(chǔ)層。

優(yōu)化施工參數(shù)，選擇最佳酸泵排量

在低閉合應(yīng)力下，酸蝕裂縫電導(dǎo)率隨泵送速率的增加而增加；相反，在高閉合應(yīng)力下，它略有下降，但當(dāng)泵送速率進(jìn)一步增加時(shí)，它也會(huì)增加。因此，在施工過(guò)程中，在泵壓安全范圍內(nèi)適當(dāng)提高泵速有利于提高酸蝕裂縫導(dǎo)流能力。

4 裂縫性儲(chǔ)層潛在酸酸壓濾失控制技術(shù)

一般來(lái)說(shuō)，根據(jù)3種降失機(jī)理，壓裂液的全過(guò)程分為濾餅區(qū)、濾液侵入?yún)^(qū)和壓縮區(qū)。對(duì)于壓裂液而言，過(guò)濾主要受造壁性能的影響，其次受黏度的影響；壓裂液黏度越高，過(guò)濾效果越差。酸是一種反應(yīng)性液體，與壓裂液濾失僅在裂縫面上形成有效濾餅不同，壓裂液濾失從流動(dòng)開始，形成更多的濾失面積。

通常碳酸鹽巖比砂巖有更多的天然裂縫，酸不斷地腐蝕裂縫面，不僅選擇性地?cái)U(kuò)展孔隙，而且還擴(kuò)展裂縫，形成垂直于裂縫面的“蟲洞”和通道，形成新的過(guò)濾區(qū)域。一旦形成這些“蟲洞”，大量酸將沿著過(guò)濾通道流失，從而縮短有效距離，增加產(chǎn)量限制和有效期。目前，酸壓過(guò)程中的濾失控制技術(shù)主要有：增稠液濾失控制技術(shù)、固體顆粒濾失控制技術(shù)、泡沫酸濾失控制技術(shù)。

4.1 增稠液濾失控制技術(shù)

使用高黏度酸(膠凝酸、交聯(lián)酸、自轉(zhuǎn)向酸等)，一方面可以防止酸在酸蝕通道中流動(dòng)；另一方面，有助于降低酸巖反應(yīng)速率，減緩酸蝕澆注生長(zhǎng)。膠凝酸和自轉(zhuǎn)向酸的濾失曲線分別如圖6和圖7所示。這2種酸由于黏度高，增加了裂縫的滲流阻力，減少了從巖心支架出口流出的流量，表現(xiàn)出明顯的降濾失。通過(guò)對(duì)比注酸前后的基液流量，發(fā)現(xiàn)用膠凝酸代替自轉(zhuǎn)向酸時(shí)，滲透率恢復(fù)幅度大得多，說(shuō)明自轉(zhuǎn)向酸具有較好的降濾失控制和緩凝性能。

圖6 膠凝酸的濾失曲線Fig.6 Fluid loss curve of gelling acid

圖7 自轉(zhuǎn)向酸的濾失曲線Fig.7 Filtration curve of self-turning acid

4.2 固體顆粒濾失控制技術(shù)

顆粒尺寸與裂紋有效寬度的匹配試驗(yàn)(一)

圖8為與累計(jì)注入量的關(guān)系曲線(1/4匹配關(guān)系)。

圖8 K/Ko與累計(jì)注入量的關(guān)系曲線(1/4匹配關(guān)系)Fig.8 Relationship curve between K/Ko and cumulative injection volume (1/4 matching relationship)

由圖8可知，注入攜載流體后，裂縫滲透率下降至其初始值的近40%。這表明，無(wú)論裂紋初始滲透率值()是多少，當(dāng)橋連顆粒尺寸為裂紋有效流動(dòng)寬度的1/4時(shí)，都會(huì)形成橋塞。隨著注入量的增加，o逐漸減?。划?dāng)累計(jì)注入量達(dá)到一定值時(shí)，明顯反彈，試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)有固體從芯座出口流出，表明固體顆粒在裂紋中遷移。所以1/4匹配關(guān)系不能穩(wěn)定橋。

顆粒尺寸與裂紋有效寬度匹配試驗(yàn)(二)

圖9為與累計(jì)注入量的關(guān)系曲線(1/3匹配關(guān)系)。

圖9 K/Ko與累計(jì)注入量的關(guān)系曲線(1/3匹配關(guān)系)Fig.9 Relationship curve between K/Ko and cumulative injection volume (1/3 matching relationship)

由圖9可知 ，橋塞效應(yīng)顯著增強(qiáng)，裂縫滲透率下降了初始值的70%～80%。隨著注入量的增加，裂縫滲透率明顯降低，并伴有輕微波動(dòng)；表明顆粒遷移現(xiàn)象減少，橋塞穩(wěn)定性提高。

與1/4和1/3匹配關(guān)系相比，1/2匹配關(guān)系具有最好的橋塞效應(yīng)，其裂縫滲透率下降了初始值的90%，甚至更高。隨著注入流體體積的增加，巖心滲透率變化極??；表明顆粒運(yùn)移現(xiàn)象消失，橋塞穩(wěn)定性增強(qiáng)。

4.3 泡沫酸濾失控制技術(shù)

增稠的液體和固體顆粒可以有效地減少流體損失，但也不可避免地造成地層傷害。泡沫酸是一種具有良好還原過(guò)濾功能的特種流體。在低滲透油藏室內(nèi)試驗(yàn)中，其過(guò)濾系數(shù)比常規(guī)液體低2個(gè)數(shù)量級(jí)。與常規(guī)酸相比，泡沫酸具有黏度高、濾失低、摩阻小、緩凝效果好、造縫能力強(qiáng)、返排容易、傷害小等優(yōu)點(diǎn)，是低壓低滲碳酸鹽巖油藏理想的酸液體系。

泡沫酸泡沫段塞液的優(yōu)勢(shì)——損失控制酸壓

與其他降濾失控制技術(shù)相比，穩(wěn)定的固體降濾失劑(粉砂等)一旦加入酸液中就很難溶解，油溶或水溶降濾失劑可以很好地控制酸液的降失，但不適用于氣井。高黏度前置液或高黏度酸也可以減少流體損失，但也會(huì)造成地層損害。

泡沫對(duì)油/水層具有選擇性——以堵水代替堵油。遇油時(shí)形態(tài)消失，遇水時(shí)形態(tài)保持穩(wěn)定，使酸能優(yōu)先進(jìn)入油層，提高油層酸化效果，防止因水層酸化過(guò)度導(dǎo)致含水上升。

泡沫具有較高的表觀黏度和良好的承載能力?；亓鲿r(shí)，它會(huì)釋放出顆粒和不溶物。泡沫中的氣體膨脹為反應(yīng)酸回流提供能量，使其更徹底。同時(shí)降低地層傷害，這對(duì)于低壓地層尤為重要。

泡沫(酸)在多孔介質(zhì)中的滲流機(jī)理

(1)泡沫不斷破裂，流動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)生變化。在透明模型中可以清楚地觀察到，泡沫在多孔介質(zhì)中流動(dòng)時(shí)，不是以連續(xù)的形狀向前移動(dòng)，而是隨著不斷的破裂和重新形成而向前移動(dòng)。液體則沿著氣泡液膜網(wǎng)絡(luò)在多孔介質(zhì)中流動(dòng)，液體是連續(xù)相；而氣體不是；

(2)含油多孔介質(zhì)中泡沫穩(wěn)定性變差。在不同含油飽和度的多孔介質(zhì)中，泡沫穩(wěn)定性可以通過(guò)泡沫層的形成、泡沫的移動(dòng)速度和距離、泡沫的破碎和重整以及壓力進(jìn)行比較和分析。隨著含油飽和度的增加，泡沫穩(wěn)定性明顯降低，泡沫移動(dòng)距離相應(yīng)縮短；

(3)孔隙中的泡沫具有較高的表觀黏度，且隨孔隙率的增加而增大。泡沫是假塑性流體，在多孔介質(zhì)中流動(dòng)時(shí)，表觀黏度遠(yuǎn)高于活性水和活性氣的表觀黏度；表觀黏度隨孔隙度(或滲透率)的增加而增加，隨剪切應(yīng)力的增加而降低。這種特性不利于泡沫在大通道中的流動(dòng)，因?yàn)榇笸ǖ罆?huì)導(dǎo)致低流速和低剪切應(yīng)力，從而導(dǎo)致高表觀黏度。

泡沫酸的降濾失機(jī)理

低泡沫過(guò)濾系數(shù)由其自身的特殊成分決定，由于氣相和液相之間存在表面張力，泡沫進(jìn)入儲(chǔ)層后形狀不斷變化。當(dāng)泡沫進(jìn)入微孔時(shí)，需要更多的能量來(lái)克服Jamin作用和泡沫變形。但當(dāng)泡沫進(jìn)入微小孔隙后，成分微小的泡沫會(huì)形成雙層膜，形成高壓差，進(jìn)一步阻止液體進(jìn)入地層。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)酸壓有效距離和酸蝕裂縫導(dǎo)流能力是影響酸壓效果的2個(gè)關(guān)鍵因素；

(2)不同的酸體系具有不同的反應(yīng)酸極限。由其自身反應(yīng)酸限值計(jì)算的有效距離不同于使用先前反應(yīng)酸計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的有效距離；

(3)由于酸巖反應(yīng)的高度隨機(jī)性以及各種影響因素，交替注入不同黏度和反應(yīng)性的酸，可以實(shí)現(xiàn)非均相酸蝕，提高酸蝕裂縫導(dǎo)流能力；

(4)增稠液固相顆粒在酸壓過(guò)程中起著降低濾失的重要作用，但不可避免地會(huì)對(duì)地層造成傷害。泡沫酸是一種黏度高、濾失低、摩阻小、緩凝性能好、造縫能力強(qiáng)、易返排、傷害小的流體，對(duì)低壓低滲透碳酸鹽巖儲(chǔ)層酸壓降濾具有較好的適應(yīng)性。