深層碳酸鹽巖儲層有機酸深穿透酸壓工藝

李子甲， 吳 霞， 黃文強

(1.中國石油化工股份有限公司西北油田分公司, 烏魯木齊 830011；2.成都理工大學(xué)能源學(xué)院, 成都 610059)

深穿透酸壓改造工藝是深層碳酸鹽巖油氣藏實現(xiàn)增產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)的主導(dǎo)技術(shù)之一[1]。酸蝕裂縫有效長度以及酸蝕裂縫導(dǎo)流能力的大小是評價酸壓改造效果的重要指標(biāo)[2-3]。但目前深層碳酸鹽巖儲層一般存在高溫、天然裂縫發(fā)育等特征,酸巖反應(yīng)速率快,酸液濾失嚴(yán)重,使得酸液有效作用距離短,同時,儲層的高閉合應(yīng)力使得酸蝕裂縫長期導(dǎo)流能力保持率低[4-5]。深穿透酸壓工藝旨在增大酸液有效作用距離及提高酸蝕裂縫導(dǎo)流能力,從而提高增產(chǎn)效果。該工藝與酸液體系密切相關(guān),常規(guī)HCl在高溫條件下與碳酸鹽巖迅速反應(yīng),形成的酸蝕裂縫長度有限,難以滿足這類儲層的施工要求[6]。

中外學(xué)者相繼研發(fā)出多種緩速酸液體系來增加酸液有效作用距離,如膠凝酸通過增加酸液黏度,降低H+向巖面的擴散速度,延緩酸巖反應(yīng)速率及減少酸液濾失[7]；乳化酸通過油包酸型乳狀液形態(tài),阻隔酸液與巖石表面接觸,延緩酸巖反應(yīng)速率[8]；自生酸借助高溫下逐漸生酸特性,減緩酸巖反應(yīng)速率[9]。但是在現(xiàn)場應(yīng)用中發(fā)現(xiàn),此類酸液體系改造效果有限,特別是對于超深超高溫儲層深穿透距離有限,難以達(dá)到改造目標(biāo)。因此有必要尋求新的酸液體系,提高深層碳酸鹽巖的改造效果。

由酸巖反應(yīng)機理可知,酸巖反應(yīng)速率與H+的濃度及傳質(zhì)速度密切相關(guān),因此,有機酸由于解離特性,可以減緩酸巖反應(yīng)速率,增加酸液有效作用距離。中外已將有機酸用于酸化解堵的成功經(jīng)驗[10],但鮮有關(guān)于將有機酸用于深層碳酸鹽巖酸壓的相關(guān)研究。因此,對有機酸液體體系性能進行實驗室評價,并對比不同的酸液體系的長期酸蝕裂縫導(dǎo)流能力及酸液有效作用距離,提出了將“有機酸+膠凝酸”的深穿透酸壓工藝思路,為深層高溫碳酸鹽巖儲層的高效增產(chǎn)提供技術(shù)思路及理論支持。

1 機酸解離機理

有機酸是一種由碳和至少包含一個能釋放質(zhì)子的官能團的碳鍵結(jié)構(gòu)組成的分子,根據(jù)有機酸的整體化學(xué)性質(zhì),這個官能團通常在pH為3～10的水中釋放一個質(zhì)子,溶解的有機分子則以質(zhì)子酸和去質(zhì)子陰離子的形式大量存在[11]。

有機酸屬于弱酸,與HCl體系不一樣,在反應(yīng)前需要進行解離。即在水溶液中產(chǎn)生自由離子的過程。電解質(zhì)的電離能力往往決定了其酸性的強弱,一般電離平衡常數(shù)越大,酸液中H+濃度便越大。一定條件下,電離出的H+和其他各離子的濃度的乘積與相應(yīng)酸濃度的比值即電離平衡常數(shù),其值越大表明酸給出質(zhì)子的能力越強[12-13]。對大多數(shù)有機酸而言在水溶液中是不能夠完全電離的,因此相同濃度的有機酸跟鹽酸這類強電解質(zhì)相比酸性要弱得多。表1[14]所示為在室溫下(25 ℃)甲酸和乙酸的電離平衡常數(shù)及強度。

表1 甲酸、乙酸的電離平衡常數(shù)及強度[14]Table 1 Ionization equilibrium constant and strength of formic acid and acetic acid[14]

由于電離平衡,有機酸不會100%消耗,當(dāng)反應(yīng)界面處有H+被消耗時,有機酸會立即電離出H+,因此在有機酸溶液中擴散的是未解離的酸分子,巖石表面的H+并不是像HCl一樣通過擴散傳遞到巖石表面,而是通過有機酸的電離平衡直接在界面處就地產(chǎn)生[14]。有機酸酸巖反應(yīng)的整個過程如圖1所示。

圖1 有機酸酸巖反應(yīng)過程Fig.1 Organic acid-rock reaction process

2 酸液體系性能評價

針對有機酸與鹽酸,通過酸液的消耗量和巖石的溶蝕量[15-17],計算酸巖反應(yīng)速率及不考慮濾失作用下的酸蝕裂縫有效作用距離。

2.1 酸巖反應(yīng)動力學(xué)

酸巖反應(yīng)速率用單位時間內(nèi)酸液濃度的降低值表示。通過酸巖反應(yīng)實驗測得不同濃度C下的反應(yīng)速率J,繪制關(guān)系曲線,得到酸巖反應(yīng)速度:

lgJ+lgK=mlgC

(1)

式(1)中:J為反應(yīng)速度,mol/(s·cm2)；K為反應(yīng)速度常數(shù),(mol/L)-m·[mol/(s·cm2)]；C為酸液濃度,mol/L；m為反應(yīng)級數(shù)。

在一定條件下,假設(shè)酸巖反應(yīng)速率常數(shù)K和反應(yīng)級數(shù)m不變,對lgJ與lgC進行線性擬合,求得K和m,確定酸巖反應(yīng)動力學(xué)方程。

通過酸巖反應(yīng)實驗,得到170 ℃下膠凝酸、交聯(lián)酸、有機酸(甲酸、乙酸)不同酸液濃度下的反應(yīng)速率,如圖2所示,再進行線性擬合,得到反應(yīng)動力學(xué)方程。

由圖2、表2可知,在相同的條件下,酸巖反應(yīng)速率:膠凝酸>交聯(lián)酸>有機酸(甲酸>乙酸)。有機酸酸液體系酸巖反應(yīng)速率遠(yuǎn)小于HCl體系,膠凝酸的反應(yīng)速率是交聯(lián)酸的2倍,甲酸的3倍,乙酸的11倍。因此,有機酸能顯著地降低酸巖反應(yīng)速率,增加酸液有效作用距離,利用有機酸可以實現(xiàn)刻蝕遠(yuǎn)端裂縫的目的。

圖2 不同酸液體系酸巖反應(yīng)速率Fig.2 Acid-rock reaction rate of different acid system

表2 不同酸液類型反應(yīng)動力學(xué)方程Table 2 Reaction kinetic equations for different acid types

2.2 酸蝕有效作用距離對比

為了定量表征不同酸液體系可以達(dá)到的酸液有效作用距離,選取酸液濃度為10%時的酸巖反應(yīng)速率(圖3)進行計算,分別得到不同排量下的酸液有效作用距離(圖4)。

圖3 酸液濃度10%時不同酸液反應(yīng)速率Fig.3 Acid-rock reaction rates of different acid type (acid concentration:10%)

由圖4可知,在相同的排量下,不考慮酸液的濾失情況下,乙酸的有效作用距離最大,排量為2 m3/min時,膠凝酸的作用距離為10 m左右,而乙酸的有效作用距離可達(dá)到120 m左右,約為膠凝酸有效作用距離的12倍,提高酸液的施工排量能大幅度增加乙酸的有效作用距離,當(dāng)排量為8 m3/min時,膠凝酸的作用距離40 m,乙酸的作用距離可達(dá)500 m左右。而相同條件下甲酸的酸液有效作用距離與常規(guī)酸液體系相比并增加幅度并不大,這是因為乙酸中的甲基對電子有排斥作用,使得羧基上電子云密度增大,氫離子難以電離,所以乙酸的酸性弱于甲酸且隨著碳鏈的延長,這種作用增強,酸性減弱。

圖4 不同類型酸液有效作用距離Fig.4 Effective distance of different acid types

3 酸液長期導(dǎo)流能力實驗

對于深層碳酸鹽巖儲層,往往具有高閉合應(yīng)力的特點,在高閉合應(yīng)力下酸壓裂縫趨于閉合,表現(xiàn)為酸蝕裂縫長期導(dǎo)流能力保持率較低,導(dǎo)流能力衰減幅度較大,產(chǎn)量遞減較快。因此,需要對不同的酸壓改造液體體系下獲得的酸蝕裂縫長期導(dǎo)流能力進行對比。

3.1 實驗準(zhǔn)備

巖樣加工成巖板,尺寸為140 mm×37 mm×38 mm。

配制實驗所需酸液:酸液濃度為20%的膠凝酸、交聯(lián)酸；考慮到有機酸溶液與碳酸鹽巖反應(yīng)產(chǎn)生沉淀,選擇較低濃度酸液,配制酸液濃度10%的甲酸、乙酸。

3.2 實驗方案

實驗設(shè)計了膠凝酸、交聯(lián)酸、甲酸、乙酸、乙酸的酸蝕裂縫長期導(dǎo)流能力實驗。分別測定了低閉合應(yīng)力10 MPa和高閉合應(yīng)力60 MPa下的酸蝕裂縫長期導(dǎo)流能力。實驗前期導(dǎo)流能力下降較快,前20 h,1 h測量一次,后30 h,每2 h測量一次,測試時間共50 h。

3.3 實驗結(jié)果

3.3.1 不同酸液類型

對比單一液體體系在低閉合應(yīng)力(10 MPa)及高閉合應(yīng)力(60 MPa)下的酸蝕裂縫長期導(dǎo)流能力,如圖5所示。

圖5 長期導(dǎo)流能力Fig.5 Long-term conductivity

在低閉合應(yīng)力(10 MPa)時[圖5(a)],膠凝酸初始導(dǎo)流能力接近700 μm2·cm,加載50 h后,導(dǎo)流能力下降到580 μm2·cm；乙酸初始導(dǎo)流能力接近200 μm2·cm,加載50 h后,導(dǎo)流能力下降到120 μm2·cm。在高閉合應(yīng)力(60 MPa)時[圖5(b)],導(dǎo)流能力遠(yuǎn)小于低閉合應(yīng)力下的導(dǎo)流能力,膠凝酸初始導(dǎo)流能力接近14 μm2·cm,加載50 h后,導(dǎo)流能力下降到7 μm2·cm；乙酸初始導(dǎo)流能力6 μm2·cm，加載50 h后,導(dǎo)流能力下降到3 μm2·cm。在低閉合應(yīng)力下,有機酸體系酸蝕裂縫導(dǎo)流能力遠(yuǎn)小于HCl體系導(dǎo)流能力,在高閉合應(yīng)力作用下,有機酸體系與HCl體系導(dǎo)流能力差異較低閉合應(yīng)力作用下相對減小。有機酸(甲酸、乙酸)刻蝕后酸蝕裂縫導(dǎo)流能力低于常規(guī)酸液體系(膠凝酸,交聯(lián)酸)的原因在于有機酸在溶液中不完全電離,產(chǎn)生的H+對巖板的溶蝕低于常規(guī)酸體系,刻蝕的可流動空間小于常規(guī)酸體系。

3.3.2 不同組合酸液體系

對于碳酸鹽巖儲層的深穿透改造,為了同時滿足提高酸液有效作用距離及酸蝕裂縫導(dǎo)流能力的需求,往往在改造中會交替注入不同的酸液體系,控制注入酸液的性能及順序,可以最大限度地實現(xiàn)對儲層的深部刻蝕,同時能提高酸蝕裂縫的導(dǎo)流能力。將不同酸液體系進行組合實驗獲得在低閉合應(yīng)力(10 MPa)條件下及高閉合應(yīng)力(60 MPa)條件下的酸蝕裂縫長期導(dǎo)流能力,如圖6所示。

對比圖6可知,乙酸/膠凝酸體系在低閉合應(yīng)力作用下的導(dǎo)流能力相對于單一的膠凝酸略有下降,但是對于單一的乙酸溶液,導(dǎo)流能力有了極大的提升；在高閉合應(yīng)力作用下乙酸/膠凝酸體系的酸蝕裂縫導(dǎo)流能力接近單一的膠凝酸導(dǎo)流能力。說明乙酸/膠凝酸體系能夠在提高酸蝕縫長的同時增加酸蝕裂縫的導(dǎo)流能力。

圖6 不同組合酸液體系長期導(dǎo)流能力Fig.6 Long-term conductivity of different combined acid dystems

4 深穿透酸壓工藝優(yōu)化

4.1 “有機酸+膠凝酸”深穿透工藝思路

通過對不同酸液的酸蝕裂縫長期導(dǎo)流能力實驗結(jié)果分析可知,乙酸/膠凝酸組合能夠獲得更好的導(dǎo)流能力,因此提出“有機酸+膠凝酸”深穿透酸壓工藝思路,首先向地層中泵入高黏度前置液,壓開動態(tài)裂縫,再注入乙酸,對遠(yuǎn)端的裂縫進行深部刻蝕,同時乙酸與前置液之間的界面不穩(wěn)定性會導(dǎo)致指進現(xiàn)象的發(fā)生,從而增強乙酸對儲層的非均勻刻蝕。再注入膠凝酸會加劇縫口部分的局部深度刻蝕,提高近井地帶的酸蝕裂縫導(dǎo)流能力,同時滿足增加酸蝕裂縫有效長度及提高酸蝕裂縫導(dǎo)流能力的目的。

4.2 深穿透工藝適應(yīng)性及優(yōu)化

選取中國某超深裂縫型儲層的典型井進行深穿透施工工藝模擬優(yōu)化。

4.2.1 施工排量優(yōu)化

根據(jù)井筒儲集效應(yīng),施工排量增大時有利于井筒內(nèi)迅速憋壓,從而提高凈壓力,有助于裂縫的三維擴展。另外,增加裂縫寬度、降低濾失、提高壓裂液效率等需用大排量,排量存在一個最優(yōu)化界限。

由圖7可知,隨著排量的增加縫長不斷地變長,且慢慢趨于平緩,導(dǎo)流能力隨著排量的增加逐漸減小,所以取縫長增長較平緩且導(dǎo)流能力較大的排量8～10 m3/min為最優(yōu)的排量。

圖7 酸蝕縫長及導(dǎo)流能力與排量關(guān)系Fig.7 Relationship between acid etching length, conductivity and displacement

4.2.2 施工液量優(yōu)化

在同等條件下,壓裂規(guī)模越大,形成的裂縫在各個方向上的尺寸也越大,但考慮成本因素,并不是規(guī)模越大越好,因為當(dāng)壓裂規(guī)模增大到一定程度后,裂縫的擴展逐漸放緩,即存在一個最優(yōu)化的壓裂規(guī)模。

由圖8可知,隨液量增加,導(dǎo)流能力逐漸增加,而縫長隨液量增加的不明顯,甚至在液量1 000 m3時,縫長有減小趨勢,因此液量為850～950 m3,能獲得最佳施工效果。

圖8 酸蝕縫長及導(dǎo)流能力與液量關(guān)系Fig.8 Relationship between acid etching length, conductivity and flow

4.2.3 段塞數(shù)優(yōu)化

由圖9可知,隨著泵注段數(shù)增加,酸蝕縫長增加,在2段泵注段塞后,縫長增長不明顯,所以泵注段數(shù)在2～3段,能取得較好的酸壓施工效果。

圖9 酸蝕縫長及導(dǎo)流能力與段塞數(shù)關(guān)系Fig.9 Relationship between acid etching length, conductivity and slug numbers

5 實際應(yīng)用

X1井完鉆井深7 932.74 m,酸壓改造儲層段為奧陶系的鷹山組,井段7 349～7 932.74 m。采用 “有機酸+膠凝酸”深穿透改造工藝,首先擠入高黏度前置壓裂液400 m3,壓裂造縫,乙酸450 m3對壓裂縫進行刻蝕,膠凝酸50 m3進行近井地帶裂縫酸蝕。施工最大排量為8 m3/min,施工最高泵壓為98.7 MPa,在泵入乙酸的過程中,施工壓力下降35 MPa,明顯溝通儲層,酸液刻蝕效果較好。酸壓施工后進行壓后分析,得到酸壓裂縫的有效縫長達(dá)到132.4 m,到達(dá)了極好的效果,酸壓施工后,初始日產(chǎn)氣量6.3×104m3/d,比相鄰井區(qū)使用常規(guī)酸壓改造井,產(chǎn)量提高了近50%。

6 結(jié)論

(1)有機酸酸液體系酸巖反應(yīng)速率低于HCl體系,能極好地延緩酸巖反應(yīng),酸蝕有效作用距離遠(yuǎn)大于HCl體系,其中乙酸的有效作用距離是膠凝酸的10倍。

(2)“有機酸+膠凝酸”注入方式,通過有機酸刻蝕遠(yuǎn)端裂縫,膠凝酸提高近井導(dǎo)流能力,能更好地提高酸壓改造效果。

(3)有機酸酸液體系的酸蝕裂縫導(dǎo)流能力低于HCl體系,需要增到有機酸的用量,通過對酸壓施工優(yōu)化,得到最優(yōu)的施工排量8～10 m3/min,最優(yōu)的施工液量850～950 m3,最佳注入段塞數(shù)為2～3段。