酸化壓裂技術在碳酸鹽巖熱儲中的應用

劉慶 柯柏林 林天懿 楊淼

摘 要：碳酸鹽巖熱儲中儲層傷害可能會導致產能下降、回灌難、生產周期短等問題。為提高地熱井產能，解除熱儲傷害，以北京通州區A井為例，建立了綜合壓前評估、工藝方法優選、酸液體系建立、施工參數優化、壓力曲線診斷、壓后效果評價的酸化壓裂關鍵技術體系。形成了基于水位恢復數據、測井數據的綜合儲層傷害指標、儲層物性指標的多指標壓前評估方法。在室內實驗和數值模擬的基礎上，優化施工參數，并對施工過程中的壓力曲線進行了診斷。最后對A井改造效果進行評價：改造后單位出水量提高了65.51%，水溫提高2℃，產能系數提高了59.51%，近井傷害得到完全解除，滲透率得到明顯改善。該工藝有助于解除碳酸鹽巖熱儲近井污染、改善儲層物性、溝通天然裂縫。

關鍵詞：碳酸鹽巖;酸化壓裂;近井傷害;產能;滲透率

Abstract： Reservoir damage in carbonate geothermal reservoirs may cause such problems as production reduction， recharging difficult， and short production cycles. A technology system of acid-fracturing has been established by taking Well A in Beijing City Sub-Center as an example， in order to increase the productivity of geothermal wells and remove near well damage. It includes comprehensive pre-press assessment， process optimization， acid-fluid system optimization， construction parameter optimization， pressure curve diagnosis， and post-frac effect evaluation. A multi-target pre-frac evaluation method index has been formed， including comprehensive reservoir damage index and reservoir physical property index by calculating water level recovery data and well logging data. The construction parameters were optimized based on laboratory experiments and numerical simulations. During the acid-fracturing， the pressure curve was diagnosed. Finally， the stimulation effect of Well A has been evaluated： After the stimulation， the unit water inflow increased by 65.51%， the water temperature increased by 2， and the productivity coefficient increased by 59.51%. The near-well damage has been eliminated completely， and the permeability has been improved significantly. This technology is helpful for decontaminating near-well wells in carbonate geothermal reservoir， improving reservoir physical properties， and communicating natural fractures.

Keywords： Carbonate; Acid-Fracturing; Near-well damage; Productivity; Permeability

0 緒論

霧迷山組熱儲是北京乃至整個京津冀地區的主要熱儲層。該熱儲天然裂隙、節理發育，以往開發案例報道同樣發現（馬忠平等，2007;呂殿臣，2013;王連成等，2010），該組地層鉆井多漏失，部分層段泥漿漏失量大。泥漿浸入地層，產生儲層傷害，對地熱井成井質量影響較大，如果后期未能對地熱井進行有效改造，則會顯著降低生產能力和回灌能力。

酸化壓裂技術是碳酸鹽巖油氣藏改造的一種有效方法手段，馬忠平等（2007）對天津WR-95井酸化壓裂施工案例進行介紹，水溫水量都得到提升，認為酸化壓裂技術在碳酸鹽巖裂隙地熱井增產中值得推廣;呂殿臣（2013）介紹了天津JHR-160D井的酸化壓裂增產案例，同樣取得了較好的改造效果;王連成等（2010）對酸化壓裂方法進行了簡單介紹，且該技術在天津DL-24井、WR-95井、HD-02井增產增灌中都取得了較好的效果;Bartko等（2003）討論了不同酸液類型對碳酸鹽巖氣藏中裂縫長度和裂縫寬度的影響規律;Li等（1993）回顧綜述了緩蝕酸壓的應用案例;Portier等（2007）對比討論了油氣層和地熱儲層的酸化改造技術;Schindler等（2010）討論了水力壓裂技術在萊茵盆地碳酸鹽巖熱田中的成功應用，改造工藝包括體積壓裂、低排量注入、段塞式注入、酸化等方式，改造后熱儲回灌能力和生產能力都得到顯著提升。

以往的案例報道已經證明，酸化壓裂技術有助于提高地熱儲層生產能力和回灌能力，但是目前的報道多局限于對施工案例的應用報道，鮮有針對碳酸鹽巖熱儲開展的酸化壓裂技術體系研究（林天懿等，2018;楊淼等，2018）。本文在總結梳理現有酸化壓裂技術方法相關資料的基礎上，以北京城市副中心某地熱井為例，開展碳酸鹽熱儲水熱型地熱系統酸化壓裂技術研究，試圖建立一種適用于地熱井改造的酸化壓裂關鍵技術體系。

1 酸化壓裂增產原理

儲層改造的主要作用在于增大地層流體流動通道，改變地層流體滲流特征。對于碳酸鹽巖熱儲，酸化壓裂一方面通過酸鹽反應，溶解由于后期施工引入的固體顆粒，解除近井傷害;另一方面，酸液可顯著增大原生孔縫洞尺寸，并在基質面形成大量蚓孔，提升孔喉之間的連通性，改善儲層滲流能力（埃克諾米德斯等，2002）。

1.1 酸鹽反應基本方程

碳酸鹽巖儲層酸化改造主要介質為鹽酸，其生成物在水中以Ca2+、Mg2+、Cl-形式存在，不會產生沉淀;另外，北京城市副中心霧迷山組水質以HCO3·Cl / Ca·Mg·Na為主，鹽酸酸液體系不會引入其他礦物離子。其基本反應方程式見表1。

1.2 酸蝕蚓孔

選取天津薊縣霧迷山組剖面巖樣為實驗巖樣，分別對紫紅色泥質白云巖、泥晶白云巖、以及微裂縫發育的粗晶白云巖進行室內酸化實驗，實驗溫度25℃，酸液濃度為15%，酸液用量均為40mL。待反應停止后，觀察對比反應前后巖樣形貌變化（表2）：裂縫越發育，改造效果越好;泥晶較粗晶白云巖反應迅速;碳酸鹽巖含量越多，反應越迅速。

為了進一步確定酸化作用的改造效果，借助掃描電鏡（SEM）分別對改造前后微觀孔隙進行觀測。不同巖性酸化后，孔隙結構均得到改善（圖1）：紫紅色泥質白云巖基質內蚓孔發育;泥晶白云巖粒/晶間孔周圍蚓孔特征明顯，形成了大量酸蝕微裂縫（10μm）;粗晶白云巖，微裂縫發育，且原生裂隙尺寸顯著增大。表明酸化作用有助于改善巖石微觀孔隙結構，增大原生裂縫尺寸。

2 酸化壓裂技術應用

酸化壓裂基本流程為：壓前評估→工藝方法優選→壓裂液體系優選→酸壓關鍵參數設計及方案確定→壓力曲線診斷→壓后效果評價（Ben-Naceur，et al.，1989）。本文以北京通州區A井為例，對各關鍵技術進行研究與應用。

2.1 基本情況介紹

A井位于北京市通州區張家灣鎮，坐落在張家灣背斜的西南翼，在北東向姚辛莊斷裂和北西向牛堡屯斷裂交叉部位西北側。兩條斷裂相互交叉，構成了該區地熱資源主要導熱導水通道。該井成井深度2501.80m，三開裸眼完井，目標層段為薊縣系霧迷山組，巖性以灰—灰黑色白云巖（2030～2501.80m）為主（圖2）。

2.2 壓前評估

壓前評估主要是對目標井的可改造潛力進行評估，通常是在大量搜集區域地質資料、鉆完井資料、鄰井資料等的基礎上，對包括儲層生產指標、傷害指標、儲層物性指標等進行評估，進而綜合判斷目標井是否具有改造潛力。

（1）儲層產能指標

3次降深抽水試驗結果顯示，A井井口最高出水溫度46℃，最大單位出水量為53.12m3 /d·m（表3）。根據滲透系數、產能系數計算公式（1）、公式（2），A井初始平均地層滲透系數為0.038m/d，滲透率為0.61 mD，產能系數為287.798mD·m。

式中：K為滲透系數，m/d;k為滲透率，103mD;J為產能系數，mD·m;Q為出水量，m3/d;M為目標層厚度，m;ρ為地層流體密度，g/cm3;g為重力加速度，m/s2;μ為地層水黏度，純凈水黏度為1.0，mPa·s;R為影響半徑，m;rw為井徑，m;Sw為降深，m。

（2）儲層傷害指標

儲層傷害程度通常以表皮系數表征：原始地層條件下，地層無傷害，表皮系數為0;鉆完井及井下作業等產生儲層傷害時，表皮系數為正值;改造后，儲層物性好于原始地層條件，表皮系數為負值。表皮系數的計算方法包括Horner曲線法和Gringarten典型曲線圖版擬合法。本文以Horner法為例，表皮系數計算公式為（陳元千，1988）：

式中：Pwf為水位恢復試驗前關井時刻的井底流動壓力，MPa;P1h為試井1h后對應的地層壓力，可通過壓力恢復曲線得到，MPa;m為霍納曲線斜率;φ為地層孔隙度，可通過測井曲線解釋得到;Ct為總壓縮系數，為地層水壓縮系數與地層巖石壓縮系數之和，Ct=Cw+Cr，MPa-1;t為關井前Horner折算生產時間，t=關井前累計產量/關井前穩定排量，h。

為了獲取相關計算參數，需要首先根據壓力恢復數據繪制霍納曲線，A井霍納曲線可以分為4段（圖3），采用壓力穩定段斜率為基本參數，計算得到A井壓前表皮系數18.27，說明目標層段儲層傷害較大。

（3）儲層物性指標

通過測井解釋可將A井目標層段劃分為3類裂縫層（圖4）。I類裂縫層1層，共10.4m，占2.20%，儲能系數2.15，產能系數5.02;II類裂縫層1層，共10.3m，占2.18%，儲能系數1.34，產能系數1.49;III類裂縫層8層，共35.7m，占7.57%，儲能系數0.32，產能系數0.19。整體顯示目標層段平均滲透率3.56mD，孔隙度3.69%，具有改造潛力，其中優勢改造層段為測井解釋I、II類地層。

2.3 工藝方法確定

碳酸鹽巖地層非均質性強，針對不同類型的熱儲層，制定相應的改造工藝，能極大地提高儲層改造效果。對于漏失量大、縫洞發育的地層，普通酸化壓裂技術便能達到目標;天然裂縫較發育的地層，應采取大排量酸化或振蕩酸壓;縫洞不發育地層，應采用深度酸壓（趙永平，2012）。

鉆井過程顯示A井目的層段存在多層漏失（表4），

平均單層漏失量0.5m3/h;單層漏失量差異較大（0.375～0.625m3/h），結合井底巖心觀測，該井熱儲存在天然裂縫，判斷主要目的層天然裂縫發育程度較好，在綜合考慮經濟效益及安全施工的基礎上，確定本井改造原則以解除近井傷害，形成深穿透酸蝕通道為主，盡量溝通天然縫洞，壓裂工藝選擇大排量酸化壓裂技術。

2.4 酸液體系優化

酸液體系的選擇包括酸液類型、酸液濃度、酸液用量等，決定著酸化過程中酸液作用效率以及酸蝕裂縫長度，與有效改造范圍關系密切。鹽酸壓裂液體系具有成本低、溶蝕力強、反應生成物可溶、不會引入其他離子等特點，在碳酸鹽巖酸化壓裂中應用廣泛。但由于鹽酸反應速度快，改造深度不夠，通常也會加入甲酸、乙酸等有機酸，形成多組分酸延緩反應速度。

3 結論與建議

（1）建立了酸化壓裂增產關鍵技術體系，給出了各個環節的具體計算和設計流程：酸化壓裂設計需要充分考慮室內試驗和數值模擬結果，按照技術規范及工藝流程，針對目標井特點進行設計，以實現最大增產效益。

（2）試驗驗證了酸化壓裂技術對碳酸鹽巖熱儲的改造作用，微觀方面有助于提高孔隙結構和裂隙尺寸，增大孔隙之間的連通性;宏觀方面可解除近井傷害，溝通天然裂縫，形成新的流動通道，改善儲層物性，對提高地熱井產能、回灌能力、開發利用周期具有積極效果。

（3）表皮系數和產能系數可作為儲層改造潛力評價指標，區域原始儲能系數越大，試井解釋產能系數越小，表皮系數越大的儲層，儲層可改造潛力越大。

（4）以北京城市副中心A井為例進行酸化壓裂技術應用，改造后地熱井單位出水量提高了65.51%，產量系數較改造前提高了59.51%，近井傷害完全解除。

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