自生酸前置壓裂液在碳酸鹽巖儲層中的室內實驗評價

劉 威， 章 江， 張超平， 伍 林， 張 浩*， 李 沁

(1.西南油氣田分公司川中油氣礦，遂寧 629018；2.成都理工大學能源學院，成都 610059)

隨著工業發展對石油和天然氣需求的日益增長以及油氣勘探開發水平的不斷提高，越來越多的油氣資源在深層碳酸鹽巖類儲層中被勘探發現，該類油氣藏具有儲層埋藏深、地層溫度高、產層厚度大、儲層非均質性嚴重、自然投產率較低等特點，通常需要對儲層進行酸壓改造以獲得工業油氣流[1]。在現代酸壓理論發展中，酸液體系發展最快，不同酸液體系被應用到酸壓改造中，如稠化酸、膠凝酸、泡沫酸、清潔酸、轉向酸、交聯酸、自生酸等[2]。

劉煒等[3]在涪陵區塊大安寨涪頁HF-1井對膠凝酸進行了應用，具有良好的緩速效果和降摩阻效果，但是不能滿足高溫儲層深度酸化的要求；原勵等[4]對乳化酸進行了室內試驗評價，乳化酸具有濾失量小、酸蝕裂縫較長的特點，但缺點是高溫穩定性差。膠凝酸在碳酸鹽巖中具有良好的造縫效果，但是對井下管柱有一定的腐蝕效果[5]。對于碳酸鹽巖儲層來說，普通酸壓工藝呈現的難點在于酸鹽反應速率過快，有效作用距離較短，壓裂裂縫遠端酸蝕效果不理想，裂縫導流能力低，井下管柱腐蝕嚴重等，不能滿足生產改造需要[6-7]。

酸液體系是酸壓施工的決定因素，決定著酸液酸蝕有效作用距離、酸蝕裂縫形態、酸蝕裂縫導流能力等酸壓施工重要指標[8]。然而實際施工中，主要采用酸液，從酸液反應速率以及酸壓施工成本考慮，都是基于鹽酸與碳酸鹽巖反應的基礎上。隨著酸液體系發生變化，酸液濃度對酸巖反應速率的影響發生變化，因此在酸壓施工前有必要對酸液體系的適應性及酸巖反應參數的相關性進行室內實驗評價。

1 研究背景

以自生酸體系的酸化壓裂工藝為主，結合安岳氣田磨溪22井區的地層特點，進行室內實驗評價。安岳氣田磨溪22井區以碳酸鹽巖儲層為主，該儲層儲層厚度較大，縱向小層多，有效動用難度大；橫向上難以實現酸液均布。地層平均溫度153.55 ℃，屬高溫氣藏，閉合壓力110 MPa左右，為增產改造帶來諸多困難。

碳酸鹽巖儲層具有井深、溫度高、含硫、低孔低滲、非均質性強、儲層類型多等特點。研究的儲層主要劃分為裂縫-孔洞型、孔洞型和孔隙型，儲層類型多樣，且孔、洞、縫發育分散，搭配關系復雜。單一改造工藝難以實現不同儲層的有效改造，需要根據不同儲層類型特征采用針對性改造工藝。

儲層柱塞樣孔隙度平均3.87%，滲透率平均0.51 mD，全直徑孔隙度平均3.97%，水平滲透率平均為2.89 mD。裂縫-孔洞型和孔洞型儲層溶洞發育，孔隙度多大于3%，滲透率多大于0.1 mD，是相對優質儲層；孔隙型儲層孔隙度多為2%～3%，溶洞欠發育且溶洞間連通性差，滲透率多數小于0.01 mD，遠不及孔洞型及裂縫-孔洞型的儲層。在低滲儲層中進行增產改造，要求形成長的井下有效裂縫，需深度酸壓或深穿透酸化工藝，才有可能恢復或提高氣井產量。

推出自生酸體系，以解決磨溪22井區碳酸鹽巖儲層目前存在的問題。自生酸的主要成分有多聚甲醛、氯化銨、黃原膠等[9]，實驗評價的自生酸前置壓裂液配方為0.5%KCl+0.5%稠化劑+1%助排劑+1%黏土穩定劑+10%自生酸+0.1%交聯助劑+0.3%交聯劑。其主要作用機理是將自生酸前置壓裂液注入碳酸鹽巖地層，在前期由于壓裂液的降溫作用，自生酸反應速率較慢，損耗較低；然后自生酸隨著裂縫向遠端流動，溫度逐漸升高；在高溫作用下，自生酸中的多聚甲醛和氯化銨反應生成鹽酸，在裂縫遠端進行酸蝕，從而提高碳酸鹽巖儲層中裂縫遠端的導流能力，達到深穿透改造的目的[10-11]。

2 室內實驗評價

2.1 流變性能測試

通過HAAKE MARSⅢ流變分析儀，測試自生酸體系在持續剪切條件下的黏度變化。實驗條件為測試溫度150 ℃，剪切速率170 s-1，剪切時間120 min。

實驗結果如圖1所示，在150 ℃條件下剪切20 min后，自生酸壓裂液黏度開始趨于穩定，120 min后，其黏度值為300 mPa·s，表明自生酸壓裂液具有抗高溫、抗剪切的特點，在高溫碳酸鹽巖儲層條件下，具有良好的造縫性能，有利于裂縫的形成與延伸[12]。

圖1 流變性能測試

2.2 酸巖反應動力學實驗

酸巖反應動力學實驗分為3個部分：反應常數測定、活化能測定、H+傳質系數測定，以膠凝酸作為對比。實驗所用儀器為自主設計的酸巖反應動力學實驗裝置，在其他條件不變的情況下，設置一個變量，分別測定反應常數、活化能和傳質系數。實驗流程：①將巖心放入夾持器，尾端密封；②設定圍壓2 MPa，將1 L酸液倒入反應釜，連接加熱板加熱；③設置氣瓶出口壓力4 MPa，設定轉速，并開始計時；④第一個30 s取一個酸樣，根據前密后疏原則取樣；⑤取樣完畢后取出巖樣稱重；⑥進行殘酸滴定，測試殘酸濃度，計算酸鹽反應速率。

2.2.1 反應常數測定

將自生酸和膠凝酸設定3個酸液濃度(10%、15%、20%)進行實驗，溫度115 ℃，設定轉速291 r/min，各自進行三組實驗，實驗結果如表1所示。

采用最小二乘法對lgJ和lgC進行線性回歸，可求得膠凝酸反應常數K和反應級數m(表1)[13]，自生酸壓裂液的反應級數大于膠凝酸的反應級數(圖2)，說明酸液濃度對自生酸反應速率的影響程度大于膠凝酸，自生酸壓裂液的反應常數小于膠凝酸的反應常數，表明在相同條件下自生酸壓裂液的反應速率低于膠凝酸。

2.2.2 活化能測定

選擇40、65、90、115 ℃，4種溫度條件下進行膠凝酸與自生酸的活化能測定實驗，酸液濃度20%，轉速291 r/min，實驗結果如表2所示。

表1 反應常數測定

表2 活化能測定

圖2 兩種酸液反應速率與濃度關系對比

結合圖3可知，自生酸壓裂液與膠凝酸反應速率隨溫度的升高而增加，但在相同溫度下，自生酸壓裂液的反應速率相比于膠凝酸較低；通過用lgJ對1/T作圖(圖4)，可看出線性關系，由直線截距和斜率可分別求出頻率因子和活化能(表2)。結果表明，自生酸前置壓裂液的活化能高于膠凝酸的活化能，說明自生酸壓裂液在地層中能夠進入裂縫更深，在裂縫遠端進行刻蝕[14]。

對于對話教學概念的理解，不同學者有不同的界定。筆者所要論述的是：師生在平等的基礎上，以對話為媒介，將教師、學生、文本三者合理協調，相互討論啟發，啟發學生內在的潛能，達到學生人性化的發展。

2.2.3 H+傳質系數測定

自生酸壓裂液和膠凝酸酸巖反應H+傳質系數測定實驗選擇了轉數125、208、291、375 r/min，4種轉速下的雷諾數與酸巖反應速率關系進行求取，實驗結果如表3所示。

根據H+傳質系數與雷諾數關系圖(圖5)可以獲得兩種酸液拋物線方程(表3)，結合圖6可知，膠凝酸反應速率隨著轉速的升高而增加，自生酸壓裂液隨轉速升高先增加后平穩，說明自生酸壓裂液的注酸速度存在一個最值使自生酸的反應速率達到最大。

圖3 酸巖反應速率隨溫度變化關系

圖4 兩種酸液lgJ與1/T關系圖

表3 傳質系數測定

圖5 兩種酸液傳質系數與Re關系

圖6 兩種酸液酸巖反應速率與轉速關系

2.3 酸蝕裂縫導流能力實驗

利用酸蝕裂縫導流儀對自生酸進行裂縫導流能力測試，設置五個不同閉合壓力5、10、20、30、40、50 MPa，在測試溫度115 ℃，過酸時間110 s條件下進行測試。不同閉合壓力條件下，滲透率計算公式如式(1)所示：

(1)

式(1)中：A為巖心端面裂縫的面積，A=縫寬w×巖板(巖心)寬度D，可推得裂縫導流能力公式，如式(2)所示：

(2)

結果表明，巖心用0.6 L自生酸過酸后，過酸時間為110 s，由酸蝕前后照片(圖7)對比可知，酸蝕痕跡不太明顯，酸蝕效果也不明顯，計算溶蝕速率得51.547×10-6g/(cm2·s)。在合應力10～50 MPa條件下(圖8)，酸蝕前后裂縫導流能力增加倍比依次為4、4、10、25、38，表明隨著閉合壓力的增加，自生酸的酸蝕效果越明顯，對巖樣的造縫效果越好。

圖7 自生酸酸蝕前后照片

圖8 自生酸酸蝕前后導流能力對比

2.4 破膠性能測試

將水浴鍋預熱至90 ℃；將需要破膠的酸液放入水浴鍋中，添加適量破膠劑，用玻璃棒攪拌；將每種液體通過離心機分離，選擇5 000 r/min的轉速離心10 min，10 min后排凈液體，獲取剩余固相置于蒸餾杯并蒸干，確定其固相質量。重復3次，求得的固相質量取平均值，得到固相含量。

在90 ℃條件下，加入破膠劑后，自生酸在110 min內完成破膠。破膠后，由之前的黏度375 mPa·s降低為2 mPa·s，結果表明，在壓裂完成后，自生酸的破膠液在低黏度的條件下可以順利返排出井筒，如圖9所示。殘渣含量為434 mg/L，符合壓裂行業標準，說明破膠后殘渣對儲層的損害較小。

圖9 自生酸破膠前、破膠后、離心后

2.5 配伍性實驗評價

觀察地層水酸液配制過程中是否出現不配伍現象，自生酸倒入廣口瓶中，在水浴鍋中加熱至90 ℃，觀察現象2 h。觀察是否出現沉淀等不配伍現象。在未發現不配伍現象后，加入0.4%破膠劑，觀察等破膠徹底后。濾除殘渣，用清液與地層水按1∶1、1∶2、2∶1、1∶3比例均勻混合，總液量為60 mL，觀察是否有沉淀產生。

如圖10所示，混合后無沉淀，無絮凝。以各種比例混合，靜置2 h后，均未出現渾濁現象，表明自生酸破膠液與地層水的配伍性良好，由此可以得出結論，自生酸在儲層流動的過程中，不會與儲層中的液體發生反應，具有良好的配伍性能。

2.6 巖心傷害實驗評價

選取巖心基塊，由于巖心致密，對基塊巖心進行劈裂造縫。然后測試自生酸前置壓裂液破膠液對巖心的損害程度。對比損害前后巖心滲透率(圖11)。

圖11 損害前后巖心

圖12 滲透率比值

如圖12所示，基質巖心經過自生酸損害后，其滲透率降低到原來的78.21%，表明自生酸對碳酸鹽巖儲層的損害率為21.79%，相比于其他酸液來說，損害率較小，能有效降低儲層損害，提升改造效果。

3 結論

(1)根據室內實驗評價，自生酸前置壓裂液在中高溫條件下的流變性能良好，較為穩定，壓裂時改造效果更好，有利于裂縫的形成與延伸。

(2)自生酸前置壓裂液的導流能力相比于酸蝕前有了很大的提升，對于閉合壓力大的地層，有很好的酸蝕效果，提升裂縫通道的流通能力。

(3)自生酸前置壓裂液破膠后，殘渣殘留比較低，與地層水配伍后，無沉淀產生，自生酸前置壓裂液對于儲層的損害較低，滲透率損害率只有21.79%，改造完成后，能有效返排，對地層滲透率影響較小。

(4)相比于膠凝酸，自生酸前置壓裂液在相同條件下反應速率較低，在初期其活化能消耗較小，因此可以進入更深的裂縫，在裂縫遠端進行酸蝕，提高裂縫遠端的滲流能力，達到深層改造的目的。