酸化壓裂技術(shù)在低滲透油田開發(fā)中的應(yīng)用效果分析

王 勤，溫建強(qiáng)，楊振策

（延長油田股份有限公司吳起采油廠，陜西延安 717600）

進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著國內(nèi)能源消耗的不斷增加，我國對于西部以及東北部的石油資源勘探程度不斷加深。伴隨著現(xiàn)有石油資源的開采，可用于工業(yè)開采的油氣資源呈現(xiàn)出愈加匱乏的態(tài)勢。在此背景下，如何在低滲透油田中開展相關(guān)增產(chǎn)技術(shù)的應(yīng)用是油田開發(fā)人員的主要研究方向。酸化壓裂技術(shù)的主要途徑是對油層進(jìn)行酸處理改造，從而實(shí)現(xiàn)油水井的增產(chǎn)或增注。早在20世紀(jì)90年代就有科學(xué)家提出酸化解堵油層改造工藝，最初使用的酸溶液為煙酸，伴隨著技術(shù)的進(jìn)步，酸溶液逐漸變成鹽酸、土酸等，具體需要根據(jù)油層的深度及其他實(shí)際情況來選擇，目前，酸化壓裂技術(shù)已基本發(fā)展成熟。當(dāng)前，從實(shí)際情況出發(fā)，研究酸化壓裂技術(shù)在低滲透油田開發(fā)中的應(yīng)用，對于我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和能源供應(yīng)穩(wěn)定具有十分重要的意義[1]。

1 酸化壓裂技術(shù)的原理

酸化壓裂技術(shù)的實(shí)施手段是將酸液注入預(yù)先測定的油層中，所選擇的酸液對油層巖石應(yīng)具有較強(qiáng)的化學(xué)溶蝕作用，溶蝕作用能改變油層內(nèi)部裂縫壁面的構(gòu)造，酸液與油層巖石中的黏土礦物、碳酸鹽巖類等成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使裂縫不能完全閉合，從而提高油層巖石裂縫的導(dǎo)流能力，使相關(guān)注采設(shè)備能在對應(yīng)油水井中實(shí)現(xiàn)更高的生產(chǎn)效率，增加油井產(chǎn)量或注水井注入量，避免開采油層因滲透率過低而供液不足。酸化壓裂作業(yè)的目的是改造低滲透油層的裂縫表面形狀，疏通油層孔隙堵塞，打開油氣流入井筒的通道，進(jìn)而為油田的增產(chǎn)提供先決條件。

2 提升低滲透油層滲透性的方法

2.1 水力壓裂技術(shù)

水力壓裂首先要在地面進(jìn)行高壓泵組的組建工作，在編制施工設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)目標(biāo)油層的深度初步確定壓力值。正式施工時(shí)，通過高壓泵組將壓裂液以遠(yuǎn)高于地層吸收能力的排量注入油井中，利用液體傳遞壓力的能力，使油井井筒內(nèi)憋起一定壓力，當(dāng)壓力超過油層破裂壓力后，就會形成一定數(shù)量的裂縫，它們可能是平面上的，也可能是豎向上的。但此時(shí)形成的裂縫形態(tài)穩(wěn)定狀況得不到保證，需要使用支撐劑來避免目標(biāo)油層出現(xiàn)塌陷、裂縫閉合的情況，使用高壓泵組可以將帶有一定規(guī)格支撐劑（石英砂、陶粒）的壓裂液注入裂縫，使裂縫能繼續(xù)向前延伸，并填滿這些裂縫的內(nèi)部空間，極大增加裂縫的穩(wěn)定性。停泵后，由于支撐劑的作用，裂縫不會再次閉合。通過壓裂作業(yè)產(chǎn)生的人工裂縫可以很大程度上增加油氣流向井筒的活動空間，目標(biāo)油層的滲透性將會得到極大提升，從而起到良好的增產(chǎn)效果，該項(xiàng)技術(shù)又被稱為油層水力壓裂技術(shù)。由于該項(xiàng)技術(shù)在應(yīng)用過程中需要用到高壓泵組、支撐劑以及壓裂液等，因此實(shí)際壓裂作業(yè)的成本較高。

2.2 酸化解堵技術(shù)

在進(jìn)行酸化解堵技術(shù)應(yīng)用的過程中，并不需要使用到高壓泵組，使用普通的柱塞泵將配方酸液注入目標(biāo)油層或井筒內(nèi)即可，這就減少了高壓泵組組裝的時(shí)間以及設(shè)備、物料使用的成本。注入目標(biāo)油層的配方酸液能對油層中存在的堵塞物以及巖石產(chǎn)生溶蝕作用，從而有效改善油層的滲透性。在低滲透油層中應(yīng)用酸化解堵技術(shù)能有效提升油井的產(chǎn)量，是我國現(xiàn)階段提高油層巖石滲透性最主要的技術(shù)之一。在應(yīng)用酸化解堵技術(shù)的過程中，酸液的種類有鹽酸體系、土酸體系以及氟硼酸體系等，需要根據(jù)油層巖石種類的不同來選擇酸液，才能達(dá)到預(yù)期的解堵效果。常用的酸化解堵工藝主要有土酸酸化工藝、氫氟酸酸化工藝、氫氟酸順序處理工藝和氟硼酸酸化等工藝，不同工藝或工藝相同但配方酸液濃度不同，在酸化解堵效果方面都存在著不同的表現(xiàn)。一般而言，常規(guī)土酸酸化工藝能夠解決絕大多數(shù)的砂巖油氣層堵塞滲透率低的情況，但在作業(yè)深度方面不如氟硼酸酸化工藝，總之需要根據(jù)目標(biāo)油層的實(shí)際情況來優(yōu)選某一類酸化工藝。

低滲透油層在實(shí)際的生產(chǎn)過程中普遍存在著產(chǎn)量過低的情況，通過各種手段提高滲透率是非常必要的，是國內(nèi)油田未來一段時(shí)間實(shí)現(xiàn)增量增產(chǎn)的主要手段，能對我國能源市場的發(fā)展起到一定的促進(jìn)作用。特別是酸化解堵技術(shù)，相較于傳統(tǒng)的壓裂技術(shù)而言其操作更為簡單，只需向地層中注入酸液，使之與地層巖石發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，達(dá)到增大油層巖石的孔隙度，提高油層的滲透率的目的，并不需要使用支撐劑，極大地降低了油層的改造成本。此外，通過酸液總量、濃度及配方的不同設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)對改造油層溶蝕程度的精準(zhǔn)控制，避免過量的酸液對目標(biāo)油層整體構(gòu)造的影響，對提高油井的產(chǎn)量很有幫助。

3 酸化壓裂技術(shù)分析

3.1 酸化壓裂井層的選擇

在應(yīng)用酸化壓裂技術(shù)前，需要對不同類型儲層剩余油的定量分布進(jìn)行勘察，從而達(dá)到根據(jù)改造油層的地質(zhì)條件、注采情況進(jìn)行選擇的目的。酸化壓裂技術(shù)井層選擇的大致方法，主要包含以下三點(diǎn)。

（1）酸化壓裂井應(yīng)當(dāng)具有完善的注采系統(tǒng)以及較高的地層壓力，能實(shí)現(xiàn)對酸液的傳輸，并且使其能精準(zhǔn)到達(dá)改造目標(biāo)區(qū)域，避免因?yàn)閭鬏斁人鶎?dǎo)致的酸化溶蝕目標(biāo)的誤差，這是酸化壓裂技術(shù)應(yīng)用取得良好效果的基礎(chǔ)。

（2）投產(chǎn)初期產(chǎn)量較高，但在投入生產(chǎn)一段時(shí)間之后，產(chǎn)量出現(xiàn)明顯下降的井為酸化壓裂改造的優(yōu)選井，這主要是因?yàn)榇祟愑途赡苡捎阢@井液污染近井地帶油層或其他原因所導(dǎo)致的油層堵塞，導(dǎo)致表皮系數(shù)較高，從而出現(xiàn)產(chǎn)量驟降的情況，因此將酸化壓裂技術(shù)應(yīng)用到這類油井中能取得較好的效果。

（3）縱向上選擇低含水或未見水油層，平面上選擇砂體變差部位進(jìn)行酸化壓裂，這類油層通常都具有低滲透的特點(diǎn)，需要通過酸化壓裂技術(shù)的應(yīng)用來提升產(chǎn)量。地層條件好，但出油狀況差的動靜態(tài)不相符的油層通常是因?yàn)榈刭|(zhì)狀況而導(dǎo)致產(chǎn)油量較低，也可通過酸化壓裂技術(shù)來改變目標(biāo)油層的地質(zhì)狀況，達(dá)到提高油井產(chǎn)量的目的。

3.2 解除地層污染方法研究

在油田生產(chǎn)過程中，一是油氣層的黏土礦物溶于液體后會產(chǎn)生多種離子，如鐵離子與鈣離子是油氣層中存在總量最多的離子種類，這些離子會對油田開發(fā)產(chǎn)生較大影響，主要是導(dǎo)致開發(fā)油層被污染，從而導(dǎo)致油井產(chǎn)量下降的情況，且伴隨油氣層開發(fā)的深入進(jìn)行和時(shí)間的推移，這類離子對油層所產(chǎn)生的污染情況會越來越嚴(yán)重；二是油層中由于細(xì)菌的存在，它們產(chǎn)生的代謝物附著在油層巖石裂縫或孔喉表面，隨著時(shí)間的推移，就會堵塞流體滲流通道，這兩點(diǎn)是造成油井生產(chǎn)過程中產(chǎn)量下降的主要原因。針對這類情況，一般會使用常規(guī)酸化處理的方法來對油氣層中形成的離子沉淀或細(xì)菌代謝物進(jìn)行清除。但常規(guī)酸化技術(shù)并不能完全消除離子沉淀的影響，因?yàn)殡x子會從酸化處理的衍生物泛酸中再度沉淀出來，使得油田的產(chǎn)量再次出現(xiàn)下降的情況。在酸化壓裂的過程中通常會使用黏土穩(wěn)定劑，黏土穩(wěn)定劑雖然能夠降低黏土礦物溶解產(chǎn)生離子的速度，但并不能完全消除離子所產(chǎn)生的影響。針對這種情況，在常規(guī)酸化處理技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行綜合酸化處理工藝技術(shù)的研究，并且通過對酸化壓裂施工的預(yù)處理可有效消除因?yàn)轲ね僚蛎?、運(yùn)輸以及沉淀所產(chǎn)生的污染情況。綜合酸化反應(yīng)所產(chǎn)生的衍生物還能防止離子在地層中再次出現(xiàn)，有效降低酸化殘余液在裂縫中對巖石的二次傷害。綜合酸化處理工藝技術(shù)的應(yīng)用流程如下。

（1）應(yīng)用離子螯合劑，使離子螯合劑能與前置酸溶液進(jìn)行充分地混合。

（2）在壓力泵中應(yīng)用隔離液。

（3）在壓力泵中應(yīng)用黏土穩(wěn)定劑，并且與后置酸溶液進(jìn)行充分地融合。

（4）在壓力泵中注入頂替液。

4 實(shí)際應(yīng)用效果分析

4.1 研究對象

此次研究選擇了鄂爾多斯盆地西北部三疊系和侏羅系致密砂巖油層作為酸化壓裂技術(shù)的研究對象，在下文的論述中簡稱為W油田目的層段，該層段具有相對獨(dú)特的地質(zhì)學(xué)特征。在進(jìn)行酸化壓裂技術(shù)應(yīng)用之前，通過查閱W油田兩套油層的地質(zhì)資料，發(fā)現(xiàn)該研究區(qū)域的油層巖石骨架顆粒中不穩(wěn)定組分含量較高，如油層中含有長石巖屑，并且還有外來流體的作用效果，這就使得該油層巖石與流體存在發(fā)生物理、化學(xué)反應(yīng)的條件，從而在一定程度上降低了穩(wěn)定性，儲層的結(jié)構(gòu)也呈現(xiàn)出不規(guī)則的特性。除此之外，在整個(gè)油層區(qū)域內(nèi)顆粒的磨圓度較低，分選差，這就導(dǎo)致了油層巖石的低滲透特點(diǎn)。如果在實(shí)際的油田生產(chǎn)過程中所使用的酸化壓裂技術(shù)對儲層造成破壞，那么滲透率將會進(jìn)一步降低，油田的產(chǎn)能將會呈現(xiàn)出不穩(wěn)定的狀態(tài)。通過更為細(xì)致的地質(zhì)研究發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)砂巖的主體部分為骨架顆粒，并且砂巖的大小、成分、形狀都對油氣流動產(chǎn)生直接影響。碎屑巖骨架顆粒主要為石英、細(xì)沙、粗砂、長石和巖屑，整體的強(qiáng)度較高但是結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，主要以石英為結(jié)構(gòu)強(qiáng)度材料。砂巖中石英是物理化學(xué)性質(zhì)最穩(wěn)定的組分，這是酸巖反應(yīng)最主要的處理目標(biāo)，需要根據(jù)勘查工作中石英的種類來進(jìn)行酸化材料的確認(rèn)。在實(shí)際的油田勘探開發(fā)過程中，除了氫氟酸以及pH＞10的強(qiáng)堿性環(huán)境外，石英都呈現(xiàn)出較穩(wěn)定的物理化學(xué)性質(zhì)，一般的酸性材料對于石英的溶蝕反應(yīng)較弱。長石在性狀表現(xiàn)上為架狀硅酸鹽礦物，與碎屑巖骨架中含量較大的石英相比，長石在物理、化學(xué)方面的性狀表現(xiàn)不穩(wěn)定，因此，常規(guī)的酸化反應(yīng)材料就能實(shí)現(xiàn)對長石的溶蝕作用。長石類礦物與酸液接觸時(shí)，化學(xué)反應(yīng)的效果較為強(qiáng)烈，但需要注意的是，長石與酸液的反應(yīng)物為含鈣沉淀物或非晶質(zhì)的二氧化硅凝膠體，這種沉淀物與膠體所形成的混合衍生物具有較強(qiáng)的密閉性，如果不應(yīng)用針對性措施，就有可能造成孔隙堵塞情況的加重，從而造成儲層污染加重，進(jìn)一步降低油井的產(chǎn)量。因此在目標(biāo)油層酸化處理的過程中所使用到的酸化材料有兩種，分別為常規(guī)的土酸和氟硼酸。土酸中氫氟酸主要是與鈣長石發(fā)生反應(yīng)，溶蝕掉存在于碎屑巖骨架顆粒中的鈣長石，但容易形成CaF2及非晶質(zhì)的SiO2沉淀物，沉淀物會堆積在油層巖石的表面，造成滲透性的下降，而HCl的主要作用是與沉淀物進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，使沉淀物分解，從而實(shí)現(xiàn)較為理想的酸壓效果。但需要注意的是，如果目標(biāo)油層處于強(qiáng)堿性環(huán)境下，鈉長石、鉀長石、斜長石等礦物將產(chǎn)生新的硅膠體凝聚和硅酸鹽沉淀，常規(guī)的土酸無法與其沉淀物以及凝聚物產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。

4.2 常規(guī)土酸酸化應(yīng)用及效果分析

首先，使用常規(guī)土酸酸化技術(shù)對目標(biāo)油層進(jìn)行酸化壓裂效果的試驗(yàn)，試驗(yàn)油井分別為41-144井、41-128井、29-2-6井、ZT8井以及47-76井，所選擇的目標(biāo)試驗(yàn)油井均滿足酸化壓裂作用井層的選擇標(biāo)準(zhǔn)。土酸酸化體系液主要是由10%的鹽酸和3%的氫氟酸溶液混合而成，使用無機(jī)聚合物類化合物氧氯化鋯作為黏土穩(wěn)定劑，并且在溶液混合的過程中加入乙酸，來對目標(biāo)油層中大量存在的鐵離子進(jìn)行中和作用，實(shí)現(xiàn)對酸化效果的控制。在這些試驗(yàn)油井中，29-2-6井和ZT8井取得明顯的酸化效果，41-144井、41-128井取得一定的酸化效果，但47-76井基本無酸化效果，證明常規(guī)的土酸酸化工藝并不適用于所有的油井。

4.3 氟硼酸酸化應(yīng)用及效果分析

常規(guī)的土酸酸化工藝在實(shí)際的應(yīng)用過程中，酸液在近井地帶就與巖石和黏土反應(yīng)完畢，并沒能在目標(biāo)油層進(jìn)行反應(yīng)，如果盲目增加土酸酸液的用量就會破壞近井地帶的巖石結(jié)構(gòu)，反而降低油層巖石的滲透性，因此需要在常規(guī)土酸酸化工藝的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過氟硼酸的使用，能在地層中形成多級水解生成氫氟酸，使得酸性溶液能順利進(jìn)入到目標(biāo)油層，并與油層深處的黏土和巖石發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，避免常規(guī)土酸酸化反應(yīng)所帶來的反應(yīng)深度不足的情況。在實(shí)際操作中分別對47-76井、47-78井、41-223井以及41-303井進(jìn)行氟硼酸酸化解堵作業(yè)，試驗(yàn)井的選擇均滿足酸化選井條件。41-223井的酸化效果最為明顯，所以將其作為此次試驗(yàn)的分析案例，油井的深度為2 212m，射開油層厚度為21m，油層共分為四個(gè)小層，鉆井開發(fā)所記錄的資料顯示，油層中的平均孔隙度為9.52%，滲透率為7.36×10-3μm。在該油井投入生產(chǎn)的初期產(chǎn)量能達(dá)到10.2m3/d，含水率為19%。但經(jīng)過不到一年的時(shí)間，產(chǎn)量下降到了1.7m3/d，含水率也大幅度上升至64%，在經(jīng)過氟硼酸酸化處理之后該油井的產(chǎn)量恢復(fù)到了6.8m3/d，含水率也下降至36%，此外，在47-76井應(yīng)用氟硼酸酸化工藝，也取得了明顯的增產(chǎn)效果。

5 結(jié)語

1）在油層酸化時(shí)，酸液的種類包含有多種體系，需要根據(jù)油層巖石種類的不同來選擇酸液，根據(jù)目標(biāo)油層的實(shí)際情況來進(jìn)行酸化工藝的選擇，才能達(dá)到預(yù)期的施工效果。

2）在進(jìn)行酸化壓裂前，需要根據(jù)油田注采情況、油井投產(chǎn)后產(chǎn)量與含水率變化情況及儲層地質(zhì)條件選井選層，否則容易造成無效施工、油井產(chǎn)量進(jìn)一步下降或產(chǎn)出液含水率快速上升。

3）對相同或相鄰油層的不同油井，在進(jìn)行酸化壓裂或酸化解堵作業(yè)時(shí)，需要根據(jù)各油井的實(shí)際情況選擇酸液體系，才能達(dá)到預(yù)期改造效果。