酸液溶蝕作用對支撐劑性能的影響

楊雪，袁旭，何小東，承寧，陳進，許冬進

（1.長江大學工程技術(shù)學院，湖北 荊州 434023；2.非常規(guī)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心（長江大學），湖北 武漢 430100；3.中國石油新疆油田分公司工程技術(shù)研究院，新疆 克拉瑪依 834000）

0 引言

致密儲層油氣藏為典型的非常規(guī)儲層，須采取大型水力壓裂改造措施才能實現(xiàn)經(jīng)濟產(chǎn)能[1-3]。以長慶油田長7、新疆瑪湖區(qū)塊為例，其油氣藏埋藏深、非均質(zhì)性強、開發(fā)難度較大。實踐過程中，采用前置酸液協(xié)同水力加砂壓裂技術(shù)，提高儲層壓裂效果和動用效率[4-5]。

早在 1989 年，A.R.Jennings[6]就提出將壓裂酸化技術(shù)引入砂巖地層酸化，利用酸液指進現(xiàn)象刻蝕不規(guī)則裂縫壁面，形成一定導流能力。由于部分砂巖儲層膠結(jié)疏松，直接酸壓時會因酸液高度溶解巖石骨架，使其變得松散，且不可溶巖石礦物或反應(yīng)生成的不可溶顆粒會造成堵塞甚至出砂[7-8]；因此，砂巖儲層不適合直接使用酸壓工藝。近年來，砂巖儲層使用前置酸液酸化處理后，降低了破裂壓力，并清潔地層、解除堵塞，防止了黏土膨脹與微粒運移，成為水力壓裂前的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。另外，加砂壓裂后注入酸液，可加速壓裂液破膠，并溶解殘渣；對壓裂過的老井注入酸液解堵，可成功獲得新產(chǎn)能[9-10]。

支撐劑作為水力加砂壓裂的重要組成部分，決定著裂縫尺寸與導流能力，直接影響最終改造效果。酸液注入儲層中不僅與巖石、碎屑雜質(zhì)反應(yīng)，還能與支撐劑的組成礦物質(zhì)發(fā)生化學反應(yīng),各種礦物成分對酸表現(xiàn)出不同的親和性，與酸接觸后產(chǎn)生較大的性能差異，造成支撐劑性能變化[11-13]；因此，支撐劑與酸接觸反應(yīng)后的穩(wěn)定性是決定有效裂縫寬度與裂縫最終導流能力的關(guān)鍵。本文研究了酸液作用對支撐劑的溶解度、對其抗壓強度的損害以及對最終導流能力的影響，分析了酸液配比、支撐劑類型、溫度及酸液與支撐劑接觸反應(yīng)時間等因素對支撐劑性能的影響程度，研究結(jié)果為壓裂現(xiàn)場酸液、支撐劑的優(yōu)選提供了依據(jù)。

1 實驗

1.1 樣品

1）支撐劑。選用新疆油田現(xiàn)場所使用的20/40，30/50目陶粒、石英砂2種支撐劑。

2）酸液。根據(jù)標準SY/T 5108—2014《水力壓裂和礫石充填作業(yè)用支撐劑測試方法》所規(guī)定的支撐劑酸溶解度測試方法，使用質(zhì)量分數(shù)為37%的HCl溶液與質(zhì)量分數(shù)40%的HF溶液，按HCl溶液∶HF溶液（體積比）為6∶1和12∶3，分別配制成酸液A和酸液B。

3）壓裂液。導流能力測試實驗模擬壓裂液流體，為蒸餾水與質(zhì)量分數(shù)4%的KCl配制的溶液。

1.2 方法

1.2.1 支撐劑酸溶解度測試

將支撐劑在105℃干燥箱內(nèi)干燥2 h后，稱取10 g，倒入200 mL已配制好酸液的塑料量杯中，封好杯口，置于設(shè)定溫度的水浴鍋內(nèi)，酸溶解結(jié)束后的樣品真空抽濾后，置于105℃干燥箱內(nèi)干燥2 h。酸溶解度計算公式為

式中：S 為酸溶解度，%；ms為支撐劑樣品質(zhì)量，g；mf為坩堝及濾紙質(zhì)量，g；mfs為坩堝、濾紙以及酸溶解后支撐劑的質(zhì)量之和，g。

1.2.2 支撐劑抗壓強度測試

使用循環(huán)加載液壓機，將酸溶解后的支撐劑樣品篩析掉殘留的雜質(zhì)碎屑，倒入標準破碎室內(nèi)，勻速加壓1 min至設(shè)定壓力，穩(wěn)壓2 min后取出樣品，過篩后稱取質(zhì)量，并計算破碎率：

式中：δ為支撐劑破碎率，%；wc為支撐劑碎屑質(zhì)量，g；wp為支撐劑樣品質(zhì)量，g。

1.2.3 支撐劑導流能力測試

依據(jù)標準NBT 14023—2017《頁巖支撐劑充填層長期導流能力測定推薦方法》，使用長江大學自主研發(fā)的HXDL-2C長期導流能力測試系統(tǒng)，在標準API導流室內(nèi)均勻鋪置支撐劑，在模擬地層溫度、閉合壓力以及流體流動狀態(tài)下，連續(xù)采集裂縫寬度、液體流量以及壓差等變化數(shù)據(jù)，得到裂縫導流能力Kwwf：

式中：Kw為液測滲透率，μm2；wf為支撐劑厚度，cm；Qw為液體流量，mL/min；μL為液體黏度，mPa·s；Δp 為測試兩點間的壓差，kPa。

2 實驗結(jié)果討論

2.1 支撐劑酸溶解度測試

酸液與支撐劑的化學反應(yīng)速率與接觸時間、溫度以及酸液配比密切相關(guān)，因此，實驗考察了三者對陶粒與石英砂2類支撐劑酸溶解度的影響。

2.1.1 溫度對酸溶解度的影響

在65℃與85℃下，將20/40目陶粒、石英砂支撐劑酸溶解0.5 h。測試結(jié)果（見表1）表明，隨著溫度升高，支撐劑的酸溶解度明顯增加，且溫度對酸液B條件下的支撐劑酸溶解度影響更大。所以，在較高溫度條件下，儲層中的支撐劑可能發(fā)生成巖作用，堵塞支撐劑間的滲流通道；化學反應(yīng)會導致支撐劑充填體孔隙率在高溫和高應(yīng)力下迅速降低，從而降低裂縫導流能力。對于溫度較高的儲層，注酸前注入一定量的液體以降低儲層溫度，能夠減緩酸液對支撐劑的溶蝕作用。這樣，酸液則更多作用于地層碎屑雜質(zhì)，清潔地層的同時也降低了對支撐劑性能的傷害。

表1 不同溫度條件下支撐劑的酸溶解度

2.1.2 不同類型的支撐劑酸溶解度

在相同條件下，相同粒徑的陶粒支撐劑酸溶解度明顯高于石英砂。分析認為：陶粒支撐劑主要成分為鋁礬土，由氧化鋁及其他黏土礦物組成；而石英砂主要由化學成分穩(wěn)定的硅酸鹽礦物組成，主要含二氧化硅。酸液中的HCl不與二氧化硅發(fā)生反應(yīng)，而HF與黏土礦物反應(yīng)較快，與二氧化硅反應(yīng)較慢。因此，陶粒支撐劑比石英砂酸溶解度較大，其表面大量黏土礦物會被溶蝕。

2.1.3 支撐劑粒徑對酸溶解度的影響

實驗結(jié)果表明，同種支撐劑小粒徑比大粒徑酸溶解度大。相同質(zhì)量下，由于小粒徑支撐劑顆粒較多，與酸液接觸面積大，且酸液溶蝕支撐劑表面時，所能浸透的深度占粒徑的比例較大，因此，小粒徑支撐劑接觸面積與反應(yīng)體積較大，酸溶解度高。

2.1.4 酸液配比對酸溶解度的影響

實驗結(jié)果表明（見表2），對支撐劑酸溶解度影響最大的因素為酸液配比。酸液B較酸液A對支撐劑的酸溶解度大幅增加，而陶粒支撐劑較石英砂酸溶解程度更為嚴重，初期酸液B下酸溶解度為酸液A下的4倍左右，隨時間的延長，最終維持在3倍以上。支撐劑酸溶解后形態(tài)發(fā)生很大變化（見圖1）：酸液A下，20/40目石英砂由黃色變?yōu)橥该骶w狀；酸液B下，石英砂顆粒表面變得渾濁發(fā)白，酸溶解掉表面的礦物質(zhì)，使表面變得疏松，其性能變差。因此，在施工過程中，應(yīng)嚴格控制酸液配比：地層污染堵塞較嚴重時，可使用酸液A，增加注入體積，并盡快返排出酸液，減少酸液與支撐劑接觸反應(yīng)時間；或注入酸液一段時間后，注水段塞稀釋酸液，降低對支撐劑的溶蝕程度。

表2 不同配比酸液與反應(yīng)時間下支撐劑的質(zhì)量和酸溶解度

圖1 酸溶解前后的支撐劑顯微照片

2.1.5 接觸反應(yīng)時間對酸溶解度的影響

酸液與支撐劑接觸反應(yīng)時間越長，支撐劑的酸溶解度越大（見表2）：接觸反應(yīng)時間1.0 h時的酸溶解度為0.5 h的2倍左右；而接觸反應(yīng)時間延長至2.0 h時，較1.0 h酸溶解度升高，但升高幅度變小。酸溶解度初始增長較快，隨后由于酸液反應(yīng)后質(zhì)量濃度降低，且與酸反應(yīng)的礦物含量減少，酸溶解度接近最大并基本穩(wěn)定。

結(jié)果分析認為，對支撐劑的酸溶解度影響程度從大到小的因素依次為酸液配比、接觸反應(yīng)時間、溫度、粒徑，且陶粒支撐劑的酸溶解度遠大于石英砂。

2.2 酸液對支撐劑抗壓強度的損害

按照酸溶解度測試步驟進行多次實驗，制取足量的支撐劑用以進行支撐劑破碎率測試。陶粒支撐劑測試壓力為52 MPa，石英砂抗壓強度較弱，測試壓力為35 MPa。測試結(jié)果（見表3）表明：陶粒支撐劑抗壓強度優(yōu)于石英砂；支撐劑顆粒破碎時產(chǎn)生的碎屑顆粒會堵塞滲流通道，造成二次污染。針對較深地層，支撐劑所受閉合壓力大，選擇陶粒支撐劑效果較好；淺地層則可選擇較廉價的石英砂支撐劑。

表3 酸溶蝕后支撐劑的抗壓強度變化

酸溶解后的支撐劑破碎率大幅上升，30/50目陶粒被酸液B溶蝕后破碎率由1.1%升至5.2%，增加接近5倍；支撐劑粒徑越小，其酸溶解度越大，但破碎率比大粒徑支撐劑低，其主要原因是大粒徑支撐劑間接觸面積小，顆粒所承受的應(yīng)力較大，易發(fā)生破碎。由于石英砂酸溶解度較小，酸溶蝕作用對其抗壓強度的傷害較小，因此酸溶蝕后破碎率增加幅度較??；但整體上較陶粒破碎率高，無法適用于高閉合應(yīng)力儲層。

2.3 酸液溶解對支撐劑導流能力的傷害

將支撐劑用不同配比的酸液酸化處理后烘干，篩析掉碎屑，以10 kg/m2的鋪砂濃度均勻鋪置于導流室中，進行導流能力測試。實驗結(jié)果（見圖2）顯示：填入用酸液A酸化后的支撐劑的裂縫，其導流能力降低幅度較小，依然能維持較高導流能力；而填入用酸液B酸化后的支撐劑的裂縫，其最終導流能力降低甚至超過50%。陶粒支撐劑導流能力傷害程度高于石英砂：20/40目陶粒降低58%，而30/50目陶粒降低50%，即粒徑越大，酸溶蝕作用對導流能力傷害越嚴重。石英砂支撐劑也存在相同的規(guī)律。大粒徑的支撐劑顆粒間的孔隙體積也較大，因此，能維持較大導流能力，但它易受酸液、閉合應(yīng)力作用發(fā)生破碎，進而產(chǎn)生碎屑顆粒堵塞，失去維持導流能力的作用。相比而言，酸溶蝕對陶粒支撐劑性能的傷害較嚴重，因此，前置酸液加砂壓裂針對壓力較小儲層，可優(yōu)選石英砂支撐劑，以達到降本增效的目的。

圖2 酸蝕作用后支撐劑導流能力變化對比

3 結(jié)論

1）酸液配比與接觸反應(yīng)時間是影響支撐劑酸溶解度的最主要因素。進行前置酸液壓裂作業(yè)時，不宜使用酸液B，并應(yīng)在加入支撐劑前注入一定量壓裂液稀釋酸液，以降低酸液質(zhì)量濃度，或?qū)埶峒皶r返排出來，降低對支撐劑性能的傷害。

2）小粒徑支撐劑與酸液接觸面積大，酸溶解度較大，而抗壓強度優(yōu)于大粒徑支撐劑，其導流能力傷害程度也較小。

3）注入酸液條件下，石英砂支撐劑穩(wěn)定性較好，但其抗壓強度較弱，在閉合壓力小于28 MPa的淺儲層，前置酸液協(xié)同石英砂支撐劑壓裂作業(yè)效果較好。

4）本文主要從宏觀上研究了各因素對支撐劑性能的影響程度，下一步可從酸蝕反應(yīng)產(chǎn)物、支撐劑微觀形態(tài)改變等方面深入研究。