注入氣體提高砂巖儲層酸化效果

劉義剛， 張璐， 張麗平， 鄒劍， 張云鵬， 高尚

（1.中海石油（中國）有限公司天津分公司渤海石油研究院，天津300459；2.中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津300452）

注入氣體提高砂巖儲層酸化效果

劉義剛1， 張璐1， 張麗平1， 鄒劍1， 張云鵬2， 高尚1

（1.中海石油（中國）有限公司天津分公司渤海石油研究院，天津300459；2.中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津300452）

針對常規酸化作業逐漸暴露出酸化效果差、有效期短、解堵范圍有限等問題，充分考慮砂巖儲層氣井酸化效果普遍好于油井的現場經驗，提出了油井酸化過程中通過注入氣體以提高酸化效果的設計思路。研究過程中分析了氣液交替注入酸化解堵工藝的作用機理及優勢，通過室內實驗進一步探索3種不同注氣模式下，對未傷害及受鉆完井液傷害巖心的酸化改善效果，并對比分析了注入不同氣體對酸化效果的影響。研究認為，酸化過程中注入氣體能明顯提高被污染巖心的酸化效果，尤其采用前置氣+氣液交替注入的酸化模式，而對未受污染巖心注入氣體改善酸化效果不明顯，且總體上注CO2氣體酸化效果要好于注N2。氣液交替注入酸化工藝現場實驗解堵效果顯著，能夠有效地提高常規酸化效果。

酸化；注入前置氣；氣液交替注入；污染巖心；未污染巖心

現場經驗表明，對油氣井砂巖儲層開展基質酸化表現出不同的效果：油井酸化后隨注酸量的增加滲透率逐步增大，達到一定注酸量后滲透率會出現隨注酸量增加而滲透率降低的現象；對氣井而言，滲透率的改善效果和注酸量大致成比例；總體上，砂巖儲層氣井酸化效果要好于油井[1-4]。現場油井進行酸化作業時是否可以考慮注入一定量氣體，以達到提高酸化效果的目的呢？1986年Victor L.Ward等人提出酸化作業時應用N2和CO2氣體能夠達到一定增產的效果[5]；1989年在阿曼北部的幾口油井采用氮氣泡沫酸化，取得了良好的增產效果，增產倍比基本在2倍以上[6]；2000年M. A.Aggour等人通過室內實驗證明，對砂巖儲層巖心酸化前采用N2/CO2氣體預處理，效果明顯好于常規酸化，且總體上表現出CO2預處理比N2效果更佳[4]。中國開展酸化作業過程中借鑒國外的成功經驗，多采用CO2/N2基形成的泡沫酸開展酸化作業，具有緩速、分流、助排等作用。為此，考慮氣體自身性質及酸化現場經驗，筆者通過研究提出氣液交替注入深部酸化解堵工藝，充分發揮氣體與液體之間的相互作用，以提高酸化效果。

1 氣液交替注入酸化工藝的優勢

隨著注聚作業的開展及多輪次解堵酸化作業后，油井堵塞物越來越復雜化，污染范圍逐步加深，常規酸化解堵效果差且范圍有限。對多層系砂巖儲層進行常規酸化，酸液會按照自然規律優先進入高滲層，高滲透層過度酸化可能發生損害及坍塌，低滲透層進液量少，達不到預計效果，存在部分儲層地層壓力較低，酸化后返排困難或返排不徹底。

由于氣體具有低密度、低黏度、低表面張力、高壓縮性、流動性及分散性等特征，因此液氣交替注入解堵酸化工藝具有緩速作用、分流作用及深部解堵作用，且有利于高效返排、隔離地層流體等優點，能顯著提高酸化效果[7-9]。氣液交替注入酸化解堵工藝的優勢及作用機理如下：1）氮氣泡沫與酸液存在相互競爭，會爭先與地層接觸，這就會使酸液與儲層巖石的接觸面積大大降低，從而降低酸液與儲層巖石的反應速率，因而具有緩速性；2）氣體具有良好的膨脹性及分散性，1 m3液氮相當于幾立方米的氮氣，氣液交替注入過程中氣體能夠攜帶液體進入儲層更遠距離，擴大酸液與地層巖石之間的作用范圍，提高了酸液的作用效率；3）多層系長井段厚儲層，不僅具有層間非均質性，也具有層內非均質性，常規酸化容易造成高滲層過度進酸，低滲層無法有效啟動，氣液交替注入過程中，具有增能作用的氣體優先占據大孔道，增大高滲儲層喉道內的壓力，具有一定的分流作用，有利于酸液的按需分配；4）油井中首先注入氣體段塞，能夠在酸液和地層流體間形成有效屏障，避免和減緩酸液與地層流體不配伍而形成酸渣和乳化物傷害；5）氣體較強的攜帶性及分散性，能夠凈化近井地帶儲層，酸巖反應過程中產生的二次沉淀等物質能夠被氣體攜帶至儲層深部，避免敏感性強的近井地帶受到影響；6）對于儲層能量較低的地層，氣體的高效增能、攜帶能力有利于殘酸返排，降低殘酸滯留對儲層產生的傷害。

2 氣液交替注入實驗研究

2.1 實驗步驟及方法

室內選用未受污染巖心及受鉆完井液污染巖心，采用注入前置氣及氣體與處理液交替注入多種方式開展實驗研究，進一步研究氣體預處理及處理過程中交替注入不同方式對改善油井酸化增產效果的情況。實驗選用現場應用的PRD鉆完井液體系，應用JHDS高溫高壓動失水儀模擬鉆完井過程中儲層受污染的過程。

2組巖心分別開展4個不同注入方式的實驗：

A（常規酸化）：首先注入模擬地層水4%NH4Cl溶液，此后分別注入前置液、處理液、后置液、模擬地層水；B（注前置氣酸化）：分別注入模擬地層水、前置氣（氮氣）、前置液、處理液、后置液、模擬地層水；C（處理液與氣體交替注入）：分別注入模擬地層水、前置液、處理液、氮氣、后置液、模擬地層水；D（多次注氣酸化）：分別注入模擬地層水、前置氣、前置液、處理液、氮氣、后置液、模擬地層水。

2.2 結果與討論

1）未受污染巖心實驗。對未受污染人造巖心采用不同注入方式，實驗研究結果見圖1～圖4。結果表明，無論采用常規酸化注入方式，還是采用注入前置氣或氣液交替注入方式，儲層巖心滲透率均略有升高，酸化前后滲透率比值為1.1～1.2，滲透率增加幅度較小，氣體的注入并沒有明顯提高酸化作用效果。一般注入基液后注入前置液，巖心的滲透率有小幅度波動，前置液中鹽酸與巖心中碳酸鹽巖礦物反應，使巖心的滲透率比值略有上升；注入處理液后，處理液溶解巖心中儲層礦物，處理液注入過程中由于產生二次沉淀傷害、微粒運移或因反應中產生氣體造成賈敏現象等原因,也使滲透率略有下降，但最終表現出溶蝕儲層礦物，溝通、擴大孔隙結構，提高巖心滲透率；氣體注入后并未出現明顯滲透率降低或升高的特征，從實驗過程及結果分析認為，對未污染巖心，氣體注入對酸化作業影響較小。

圖1 常規酸化注入方式下未受污染巖心的滲透率恢復情況

圖2 注前置氣酸化注入方式下未受污染巖心的滲透率恢復情況

圖3 處理液與氮氣交替注入酸化注入方式下未受污染巖心的滲透率恢復情況

2）受鉆井液污染巖心實驗。應用JHDS高溫高壓動失水儀模擬鉆完井過程中儲層巖心受污染情況，對受鉆完井液污染人造巖心采用不同酸化注入方式開展實驗，研究結果見圖5～圖8。

圖4 多次注氣酸化注入方式下未受污染巖心的滲透率恢復情況

圖5 常規酸化注入方式下受鉆井液污染巖心的滲透率恢復情況

圖6 注前置氣酸化注入方式下受鉆井液污染巖心的滲透率恢復情況

圖7 處理液與氮氣交替注入酸化注入方式下受鉆井液污染巖心的滲透率恢復情況

實驗結果表明，與常規酸化相比，酸化前注入前置氣或采用氣液交替注入方式，均能提高酸化作業的效果，使得巖心滲透率大幅提高。常規酸化后受鉆完井液污染巖心在處理液注入過程中出現滲透率明顯降低的情況，一方面由于注酸過程中導致污染物或儲層微粒的運移，造成巖心孔隙喉道堵塞，排出殘酸有少量砂粒，因此判斷發生了微粒運移傷害，另一方面可能由于反應過程中形成二次沉淀等新的傷害造成滲透率降低，但最終滲透率逐漸升高恢復值達1.333倍。其他3組實驗均未明顯觀察到出砂現象，通過與常規酸化實驗相比，注入氣體能夠提高酸化效果，滲透率恢復值均達到2倍以上，處理液與氣體的交替注入酸化效果略好于前置氣注入方式，而采用注入前置氣及處理液與氮氣交替注入的綜合注入方式效果最佳，最終導致滲透率恢復值達到3倍以上，氣體能夠明顯改善巖心酸化效果。

圖8 多次注氣酸化注入方式下受鉆井液污染巖心的滲透率恢復情況

將未受污染巖心與受污染巖心的酸化實驗結果對比分析認為，注入氣體對未污染巖心酸化基本不產生影響，而對污染巖心采用注入氣體的方式能夠明顯提高酸化效果，尤其初始注入前置氣注酸過程中采用氣液交替注入方式，能夠大幅度提高巖心滲透率明顯改善酸化效果。注入氣體具有良好攜帶能力，對巖心具有清潔作用，同時可提高酸液的作用范圍，氣體與酸液協同增效，更有利于對污染嚴重儲層的有效解堵。

3 不同氣體對酸化效果的影響

選用鉆井液污染過的巖心，同時為更真實模擬儲層條件，巖心用煤油進行飽和處理，選用CO2氣體和N2采用前置注氣的酸化方式，得到不同酸化方式下的滲透率恢復結果見表1。注入等量酸液時，注入氣體的酸化效果明顯好于常規酸化處理的效果，總體上注入CO2前置氣酸化處理效果好于注入前置N2的酸化效果。對于油井或飽和煤油的巖石，直接注入酸化液容易造成酸液與原油的不配伍，相互反應形成酸渣或乳化油，注入前置氣體能起到有效隔絕的作用，降低產生的傷害，同時能夠凈化儲層，擴大酸液作用范圍，整體表現好于常規酸化作業。而由于CO2具有更好的溶解性，頂替原油效果更佳，同時CO2氣體屬于酸性氣體。能夠提供儲層酸性環境，有利于后期酸化的開展，因此注入CO2前置氣處理效果好于注入N2處理效果。但由于CO2具有酸性，會對管柱產生腐蝕作用，且相對成本較高，因此在現場作業過程中多選擇N2。

表1 注入不同前置氣體酸化實驗效果

4 現場應用

注入氣體改善酸化效果在國外多個油田開展過現場應用，以路易斯安娜州主力區塊C-20B油井為例，有3口油井儲層受污染嚴重，表皮系數均在160以上，迫切需要解堵作業來釋放儲層產能，因此考慮進行酸化解堵處理，對3口油井采用不同的處理方式，前2口注水井采用常規酸化作業，最后1口井采用注CO2預處理的方式開展酸化處理，首先注入CO2氣體再注入酸液[7]。不同酸化工藝處理效果如表2所示。

表2 路易斯安那州主力區塊油井常規酸化與注CO2酸化工藝的參數比較

酸化前3口油井儲層污染嚴重，表皮系數均在165～170之間，常規酸化作業后表皮系數降低為50、114，產油量增加倍數分別為1.93倍、2.28倍，常規酸化能夠解除一定的堵塞傷害。油井C酸化前表皮系數為165，CO2預處理后酸化作業表皮系數大幅度降低到5，油井產量增加達6.18倍，解堵效果明顯高于常規酸化。前期注CO2預處理具有明顯改善酸化效果的作用。

根據筆者的研究思路，在渤海油田進行了4口井的現場試驗。生產井D為注聚受效井，儲層原油膠質、瀝青質含量較高，黏度較大，屬于稠油范疇，由于受注聚影響及其他儲層污染造成儲層傷害嚴重，在近井地帶、篩管附近有大量含聚油泥，嘗試幾次酸化作業，效果均不理想。酸化前日產液量為78 m3/d，產油量為30 m3/d，含水率在61.5%左右。考慮堵塞物類型后，選擇有針對性的解堵劑體系。為提高酸化效果，采用氣液交替注入方式，提高酸液作用范圍。氣體注入起到一定分流效果，氣液交替注入深部酸化作業后日產液量達187 m3/d，日產油量為90 m3/d，含水率為51.8%，有效期超過3個月，目前仍在有效期范圍內，日產量保持在180 m3/d以上，酸化效果顯著（見圖9）。

圖9 生產井D酸化前后日產液量/產油量變化曲線

5 結論及認識

1.對未污染巖心酸化過程中注入前置氣或氣液交替注入不能明顯提高酸化效果，對受污染巖心酸化過程中注入前置氣或氣液交替注入能夠顯著提高酸化效果，尤其采用2種注氣方式相組合的注入模式，能夠大幅度提高巖心滲透率，改善酸化效果。

2.由于CO2具有更好的溶解性，頂替原油效果更佳，同時能夠提供儲層酸性環境有利于后期酸化的開展，總體上CO2前置注入處理效果好于N2處理效果。但由于CO2具有酸性會對管柱產生腐蝕作用，且相對成本較高，因此目前現場作業過程中更多人選擇N2。

3.現場試驗結果表明，注入前置氣或氣液交替注入酸化工藝均能有效提高酸化效果，酸化過程中注入氣體具有良好攜帶能力，對巖心具有清潔作用，同時可提高酸液的作用范圍，氣體與酸液協同增效，更有利于污染嚴重儲層的有效解堵。

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Injected Gas Improves Acidification Job Quality of Sandstone Reservoirs

LIU Yigang1, ZHANG Lu1, ZHANG Liping1, ZOU Jian1, ZHANG Yunpeng2, GAO Shang1
(1. Bohai Research Institute of Petroleum, Tianjin Branch of CNOOC, Tianjin 300459;2. CNOOC EnerTech-Drilling & Production Co., Tianjin 300452)

It has been noticed in well acidification operation that the acidification job quality is not satisfactory, the effective period of the acidification job is short, and the acidified area is limited. In well acidification operations, it has been found that the results of acidifying a gas well penetrating sandstone reservoirs are much better than the results of acidifying an oil well penetrating sandstone reservoirs. This observation has been used in designing oil well acidification program to improve the acidification job quality, that is, a gas can be injected with acid into the well in oil well acidification. The mechanisms and advantages of alternated injection of gas and acid are extensively studied in this paper. In laboratory experiment, the acidification results of undamaged cores and cores damaged by completion fluid under 3 gas injection models were studied, and the effects of different injected gases on the acidification results were analyzed. It is considered that gas injected in well acidification clearly improved the acidification job quality of damaged cores,especially when an acidification mode in which prepad gas plus alternated gas and acid injections was used during well acidification.For undamaged cores, the effectiveness of gas injection with acid in well acidification was not satisfactory. It was also found that the effectiveness of injecting CO2was better than that of injecting N2. Alternated gas injection with acid in well acidification greatly improves the permeability of the reservoir rocks, and is able to enhance the effectiveness of conventional well acidification job. This technology has a broad development prospect.

Acidification; Injected prepad gas; Alternated gas and acid injection; Damaged core; Undamaged core

劉義剛，張璐，張麗平，等.注入氣體提高砂巖儲層酸化效果[J].鉆井液與完井液，2017，34（4）：117-121.

LIU Yigang，ZHANG Lu，ZHANG Liping，et al.Injected gas improves acidification job quality of sandstone reservoirs[J].Drilling Fluid & Completion Fluid，2017，34（4）：117-121.

TE357.2

A

1001-5620（2017）04-0117-05

10.3969/j.issn.1001-5620.2017.04.022

國家重大專項課題“渤海油田高效采油工程及配套技術示范”(2016ZX05058003)。

劉義剛，1969年生，博士，高級工程師，現主要從事于海上油田采油工程相關技術研究。E-mail：liuyg@cnooc.com.cn。

2017-4-5；HGF=1704F4；編輯 付玥穎）