元壩氣田深度酸壓工藝技術(shù)探索及應(yīng)用

繆尉杰，王興文，丁 咚

（中國石化西南油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，四川 德陽 618000）

元壩海相長(zhǎng)興組氣藏為“三高”氣田[1]（高溫、高壓、高含硫），儲(chǔ)層為白云巖和白云質(zhì)灰?guī)r，呈中低孔、中滲特征，以Ⅱ、Ⅲ類儲(chǔ)層為主，主要采用分流酸化、轉(zhuǎn)向酸化、閉合酸化等[2-7]工藝進(jìn)行改造后投產(chǎn)，但也面臨儲(chǔ)層溫度達(dá)150 ℃以上，酸巖反應(yīng)速度快，儲(chǔ)層天然裂縫較發(fā)育，酸液濾失大，縱橫向充分動(dòng)用難度大等問題[8-11]。同時(shí)，產(chǎn)能主控因素研究表明，氣井生產(chǎn)能力受氣藏特性、完井和投產(chǎn)措施等多種因素影響[12-15]，井間產(chǎn)量差異大，段間改造不協(xié)調(diào)，后續(xù)開發(fā)調(diào)整井水平段增長(zhǎng)使得均勻酸化、暫堵酸化改造范圍受限，充分改造難度大，深度酸壓改造的需求明顯。

目前，國內(nèi)外碳酸鹽巖深部改造技術(shù)依托工具、暫堵劑和酸液體系等實(shí)現(xiàn)深度酸壓。其中，普光氣田、龍王廟氣田[16-18]選用暫堵材料或者轉(zhuǎn)向酸進(jìn)行分流深度改造；塔中油氣田、高磨燈影組氣田[19-20]則利用封隔器實(shí)現(xiàn)大斜度井/水平井裸眼分段酸壓，充分利用水平井實(shí)現(xiàn)多段改造；河壩氣田、普光大灣、塔河部分區(qū)塊[21]在分段酸壓的基礎(chǔ)上，利用多液體多交替工藝實(shí)現(xiàn)均勻酸化多點(diǎn)溝通；川西雷口坡組[22]則采用“機(jī)械分段+滑套分流”的組合工藝作為川西氣田主體深度改造方案。元壩氣田[23]早期采用纖維暫堵實(shí)現(xiàn)深度改造，但受封堵強(qiáng)度較低、儲(chǔ)層吸液不均等影響，深度改造效果不佳。本文基于元壩氣田儲(chǔ)層物性特征，結(jié)合深度酸壓改造機(jī)理和工藝研究[24-28]，探索出一套以抓機(jī)理、強(qiáng)暫堵和變工藝的深度酸壓改造技術(shù)，為大斜度井/水平井進(jìn)行深度酸壓及施工參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)和理論支撐，促進(jìn)元壩氣田高效、穩(wěn)定開發(fā)。

1 地質(zhì)工程特點(diǎn)

1.1 儲(chǔ)層巖石學(xué)特征

長(zhǎng)興組主要為臺(tái)緣相沉積，縱向具有“多期成灘成礁，早期成灘，晚期成礁”的沉積特征；發(fā)育生物礁相、灘相沉積；但元壩地區(qū)屬緩斜坡臺(tái)地邊緣，水動(dòng)力條件相對(duì)較弱，以側(cè)向加積為特征。儲(chǔ)層縱向上層數(shù)多、單層厚度薄；橫向上交錯(cuò)分布、連通性差、非均質(zhì)性強(qiáng)。其中，晶粒白云巖和殘余生屑白云巖是最好的儲(chǔ)集巖類，其次是殘余生物礁白云巖、灰質(zhì)白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r、生屑（生物）灰?guī)r和生物礁灰?guī)r。X-RD測(cè)試表明儲(chǔ)層礦物成分主要以白云石、方解石為主，含少量石英，石膏及黏土礦物。

1.2 微觀物性特征

巖樣分析表明，礁灘相儲(chǔ)層孔隙度為2.0%～5.0%，平均為4.0%，滲透率為2.8×10-3～1 720.7×10-3μm2，基質(zhì)孔隙度較差，受裂縫影響滲透率級(jí)差大，主體屬中-低孔、中-低滲儲(chǔ)層。同時(shí)，長(zhǎng)興組儲(chǔ)層水平縫、斜縫及垂直縫在儲(chǔ)層中均較發(fā)育，多數(shù)為半充填或張開縫，裂縫密度為51.2～156.0條/m，開啟度為30%～50%，裂縫活性較好，利于后期酸壓連通。

采用電鏡掃描分析系統(tǒng)對(duì)巖樣微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，可見少量微孔，其溶蝕孔洞充填白云石，且見少量白云石晶間微孔（圖1），整體白云化程度較高，屬于優(yōu)質(zhì)碳酸鹽巖儲(chǔ)層。

圖1 電鏡掃描示意圖

1.3 巖石力學(xué)特征

地層整體彈性模量平均為26.44 GPa，泊松比平均為0.26，抗壓強(qiáng)度平均為225.81 MPa，抗張強(qiáng)度平均為5.24 MPa（表1），因孔、洞、縫的相對(duì)發(fā)育，巖石強(qiáng)度相對(duì)差異較大，非均質(zhì)性較強(qiáng)。

表1 元壩長(zhǎng)興組巖石力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)

2 深度酸壓工藝探索

2.1 酸巖反應(yīng)機(jī)理

酸巖反應(yīng)速度直接影響酸壓效果和深度酸壓作用距離，儲(chǔ)層巖性分布復(fù)雜，裂縫發(fā)育，高溫高壓狀態(tài)使得酸巖反應(yīng)速度控制因素繁多，本文采用高溫高壓旋轉(zhuǎn)盤酸巖反應(yīng)測(cè)試儀，測(cè)定質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的常見閉合酸、交聯(lián)酸、膠凝酸在不同地層溫度的反應(yīng)速率（表2）。

由表2可以看出，在90～130 ℃范圍中，不同液體體系白云巖儲(chǔ)層較灰?guī)r儲(chǔ)層酸巖反應(yīng)速率更低，其中，交聯(lián)酸緩速效果最好，更長(zhǎng)的酸蝕裂縫長(zhǎng)度可實(shí)現(xiàn)深度酸壓；當(dāng)溫度大于110 ℃時(shí)，隨著溫度的增加，反應(yīng)速率呈指數(shù)式增長(zhǎng)，溫度是控制反應(yīng)速率的主要因素。

表2 三種酸液在不同溫度的反應(yīng)速率

由圖2可以發(fā)現(xiàn)，不同類型酸液反應(yīng)速率的控制效果有所差別。對(duì)于白云巖而言，反應(yīng)速率閉合酸約是膠凝酸的1.3倍，約是交聯(lián)酸的2.6倍，膠凝酸約是交聯(lián)酸的2.0倍。針對(duì)此特點(diǎn)，閉合酸反應(yīng)速度最大適合刻蝕近井地帶保證縫口高導(dǎo)流能力，膠凝酸、交聯(lián)酸進(jìn)行非均勻刻蝕，利用其緩速性體系實(shí)施遠(yuǎn)端突破，更好地溝通天然裂縫等儲(chǔ)集體。

圖2 130 ℃時(shí)不同酸液體系對(duì)白云巖溶蝕形態(tài)

2.2 酸液濾失特征

在III類儲(chǔ)層的濾失實(shí)驗(yàn)中，由于巖心滲透率較低，酸液并不能沿著巖心進(jìn)行長(zhǎng)距離流動(dòng)，僅在端面對(duì)巖樣產(chǎn)生溶蝕，且溶蝕程度接近。而I、II類儲(chǔ)層裂縫孔隙發(fā)育，其濾失實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，濾失特征受裂縫開度影響明顯，當(dāng)天然裂縫開度大于22.0 μm時(shí)，易形成貫穿流動(dòng)通道，孔隙較發(fā)育儲(chǔ)層產(chǎn)生的酸蝕蚓孔雖不會(huì)貫穿巖心但也會(huì)加劇酸液濾失。

圖3 不同開度條件下酸液濾失量與時(shí)間曲線

通過酸巖反應(yīng)速度進(jìn)行曲面插值，按照公式（1）進(jìn)行計(jì)算每一段濃度差需要的反應(yīng)時(shí)間，再進(jìn)行疊加就可以得到不同縫寬和溫度下，鮮酸消耗到殘酸質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為3%時(shí)所需要的時(shí)間，從而確定臨界反應(yīng)速度。計(jì)算認(rèn)為酸液在裂縫中耗盡的時(shí)間一般都在30 min以下。

式中：C為當(dāng)前酸液質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；Co為原始酸液質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；ρ為當(dāng)前濃度下的酸液密度，g/cm3；oρ為原始濃度下的酸液密度，g/cm3；V為當(dāng)前溫度下的酸巖反應(yīng)速度，mol/（cm2·s）；t為反應(yīng)時(shí)間，s；w為縫寬，cm。

2.3 深度酸壓工藝優(yōu)化

施工注入?yún)?shù)對(duì)裂縫刻蝕形態(tài)及導(dǎo)流能力的影響規(guī)律不同，為實(shí)現(xiàn)深度酸壓，優(yōu)化施工設(shè)計(jì)，開展酸刻蝕實(shí)驗(yàn)和酸蝕裂縫導(dǎo)流能力測(cè)試，共設(shè)計(jì)13組酸刻蝕實(shí)驗(yàn)（表3），主要研究工程參數(shù)（注酸排量）、酸液體系參數(shù)（酸液濃度、酸液規(guī)模）和工藝（注入級(jí)數(shù)）對(duì)酸刻蝕效果的影響。

表3 酸刻蝕實(shí)驗(yàn)方案

模擬交替級(jí)數(shù)對(duì)裂縫刻蝕的影響如圖4所示，經(jīng)多級(jí)交替注入后，裂縫表面存在一條溝壑溝槽狀酸蝕縫，刻蝕非均質(zhì)性較強(qiáng)，而閉合壓力超過20.00 MPa后，四級(jí)交替注入酸壓所形成的酸蝕裂縫導(dǎo)流能力低于二級(jí)和三級(jí)交替注入，表明四級(jí)交替注入酸壓對(duì)裂縫表面刻蝕最為劇烈，但也導(dǎo)致裂縫表面凸起點(diǎn)的承壓能力較差；三級(jí)交替注入酸壓所形成的酸蝕裂縫導(dǎo)流能力最高。因此，最佳注酸工藝為三級(jí)交替注入。

圖4 三級(jí)交替注入后裂縫形態(tài)

模擬施工排量對(duì)深度酸壓形態(tài)的影響如圖5所示，高排量下裂縫形態(tài)多樣性得到顯著提高，溝壑、點(diǎn)刻蝕、臺(tái)柱刻蝕等非均勻形態(tài)均有所體現(xiàn)，而酸蝕裂縫的初始導(dǎo)流能力與注酸排量呈正相關(guān)，高注酸排量下膠凝酸容易發(fā)生指進(jìn)現(xiàn)象，產(chǎn)生非均勻刻蝕形態(tài)。500 mL/min即6.0～7.0 m3/min條件下表面刻蝕出現(xiàn)臺(tái)柱狀的溝槽刻蝕，在高閉合應(yīng)力下保持較好。

圖5 施工注入?yún)?shù)為500 mL/min時(shí)裂縫形態(tài)

從導(dǎo)流能力來看，當(dāng)酸液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，巖板壁面支撐點(diǎn)平均高度最大，相對(duì)高程差最大，非均勻刻蝕程度最大；隨著酸液質(zhì)量分?jǐn)?shù)減小巖板壁面支撐點(diǎn)平均高度減小，非均勻刻蝕程度降低；當(dāng)酸液質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加至24%后由于巖板的過度刻蝕，刻蝕形態(tài)趨于平整，導(dǎo)流能力反而降低（圖6）。

圖6 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)酸液的裂縫導(dǎo)流能力

利用注酸時(shí)間來反應(yīng)注酸量的影響，整體來說，酸液與樣品接觸時(shí)間越長(zhǎng)，刻蝕形態(tài)非均勻程度更高，導(dǎo)流能力與注酸時(shí)間呈正相關(guān)。75 min條件下表面刻蝕非均勻程度最高，但由于非均勻刻蝕集中于巖板前段，在高閉合應(yīng)力條件下導(dǎo)流能力保持較差，綜合來看60 min注酸時(shí)間為最佳（圖7）。

圖7 不同注酸時(shí)間下裂縫導(dǎo)流能力

酸刻蝕非均質(zhì)程度是影響導(dǎo)流能力的重要因素，也是深度酸壓工藝的重要指標(biāo)，從提高深井高閉合應(yīng)力條件下酸蝕裂縫導(dǎo)流能力角度推薦：交替注酸級(jí)數(shù)為三級(jí)，注酸排量為6.0～7.0 m3/min，注酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%，注酸時(shí)間為60 min。

2.4 暫堵轉(zhuǎn)向酸壓設(shè)計(jì)

考慮到施工中暫堵劑隨流體的注入會(huì)對(duì)井筒及裂縫產(chǎn)生降溫作用，導(dǎo)致暫堵劑體系在低溫環(huán)境中無法迅速實(shí)現(xiàn)封堵，因此優(yōu)選水溶性凝膠作為暫堵劑，由酸液進(jìn)行攜帶，設(shè)置暫堵劑突破后滲透率恢復(fù)前后作為損害因子，以封得住、解得開、低傷害為原則進(jìn)行水溶性暫堵劑優(yōu)選，根據(jù)損耗因子與突破壓力之間的對(duì)數(shù)相關(guān)性，損耗因子（G″/G′）越小，暫堵劑體系的封堵強(qiáng)度會(huì)更高，50%～60%凝膠含量的損害因子最低，承壓能力達(dá)到1.00 MPa（圖8）。

圖8 凝膠位級(jí)趨勢(shì)分析

模擬實(shí)驗(yàn)表明通常酸壓裂縫寬度位于中開度0.5～2.0 mm，此時(shí)單一凝膠、單一纖維和纖維+凝膠復(fù)合劑均可進(jìn)行暫堵。單一凝膠暫堵時(shí)，裂縫入口端近1/4被封堵且凝膠被攜帶進(jìn)裂縫壁面處，酸液的整個(gè)流動(dòng)通道呈現(xiàn)出一個(gè)喇叭狀，中部薄弱點(diǎn)被酸液突破后，鹽酸將很快進(jìn)入裂縫內(nèi)部形成酸刻蝕溝槽，中部酸液的流動(dòng)通道進(jìn)一步擴(kuò)大，暫堵效果有限，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明封堵整個(gè)持續(xù)時(shí)間為25 min，約在8 min時(shí)凝膠的封堵壓力達(dá)到最大，之后封堵介質(zhì)被突破，封堵失效。

針對(duì)單一纖維暫堵，實(shí)驗(yàn)證明其端面存在一個(gè)纖維濾餅，由于中間缺失凝膠填充，類似于多孔介質(zhì)阻擋層，對(duì)酸液進(jìn)入裂縫有一定的阻擋作用。巖心壁面的腐蝕情況表明，酸液直接與巖心作用使壁面腐蝕嚴(yán)重，特別是巖心端部腐蝕最為嚴(yán)重。固體纖維在較短時(shí)間內(nèi)將形成濾餅，進(jìn)而對(duì)裂縫形成封堵，封堵壓力大約為0.35 MPa。纖維整個(gè)封堵持續(xù)時(shí)間較短，約為7 min，在4 min時(shí)封堵達(dá)到最佳。

在纖維+凝膠混合暫堵實(shí)驗(yàn)中，巖心入口端受酸液侵蝕的影響較小，縫口形成固體纖維和纖維凝膠混合物的濾餅，入口端前部有較多纖維和凝膠的混合物，越到裂縫后端纖維和凝膠的混合物越少。相比于純纖維，由于凝膠在裂縫中的運(yùn)移阻力較大，纖維侵入裂縫深處的距離會(huì)更短。可將裂縫分為三個(gè)區(qū)域，即縫口壓實(shí)區(qū)、封堵介質(zhì)侵入?yún)^(qū)和后端無液區(qū)。

以纖維+凝膠混合時(shí)間為變量進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖9所示：①10 min時(shí)“纖維+凝膠”和15 min時(shí)“纖維+凝膠”的封堵壓力接近，分別為5.30 MPa和5.00 MPa，此階段封堵介質(zhì)中有較多的固體纖維和適量的纖維凝膠相互配合；②5 min時(shí)“纖維+凝膠”在最大封堵壓力處約維持5 min，這與固體纖維的剛性特征有密切關(guān)系，此時(shí)的最大封堵壓力為3.60 MPa；③各階段的“纖維+凝膠”的封堵效果達(dá)到最佳狀態(tài)都在8 min左右，說明當(dāng)縫寬較大時(shí)，封堵介質(zhì)需要較長(zhǎng)時(shí)間達(dá)到平衡狀態(tài)；④突破最大壓力后，壓力的下降速率緩慢，表明裂縫中封堵介質(zhì)的增多可有效減緩壓力的下降速率。

圖9 各階段纖維+凝膠封堵結(jié)果

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 YB104–1H井深度酸壓

本井目的層漏失泥漿3.6 m3，裸眼段長(zhǎng)678.0 m，采用襯管完井方式，以漏失段、白云巖段、孔滲發(fā)育段、全烴高層段為主要目標(biāo)，兼顧灰?guī)r段對(duì)整個(gè)水平段的控制，根據(jù)“針對(duì)性分段+間距控制”的原則，采用多級(jí)滑套分流深度酸壓提高長(zhǎng)水平段均勻布酸程度，對(duì)地質(zhì)“甜點(diǎn)”進(jìn)行5級(jí)分段及段內(nèi)暫堵。

實(shí)際進(jìn)行三段酸壓改造，采用滑套+暫堵分流深度酸壓工藝，施工壓力0～62.00 MPa，施工排量1.0～6.0 m3/min，入地液量1 211.5 m3（含送球液量57.5 m3，壓裂液202.0 m3，滑溜水52.0 m3，暫堵液20.0 m3，入地酸量880.0 m3），停泵壓力0 MPa。

由圖10可知，該井實(shí)現(xiàn)了3段分流改造的目的，深度改造效果較好，采用“纖維+凝膠”暫堵后壓力普遍上漲4.00～5.00 MPa，暫堵承壓明顯。壓后在穩(wěn)定油壓31.60 MPa條件下，獲日產(chǎn)天然氣61.24×104m3。

圖10 YB104–1H井三段酸化施工曲線

3.2 YB27–4井深度酸壓

本井目的層出現(xiàn)疑似滲透型井漏，后用襯管進(jìn)行完井，采取大規(guī)模大排量“多種酸+非反應(yīng)液”交替注入酸壓工藝，實(shí)現(xiàn)解除近井帶污染和深度改造，并配合暫堵轉(zhuǎn)向充分動(dòng)用儲(chǔ)層，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層段的均勻布酸和深度改造，模擬優(yōu)化施工排量為6.0～8.0 m3/min，酸液量1 000.0 m3（膠凝酸600.0 m3，交聯(lián)酸300.0 m3，閉合酸100.0 m3），壓裂液用量355.0 m3，改造后裂縫有效刻蝕長(zhǎng)度62.7 m，縫口導(dǎo)流能力27.7 μm2·cm。

該井采用油管注入分段進(jìn)行酸壓施工，累計(jì)入地液量1 397.0 m3（酸量1 000.0 m3），高擠暫堵劑32.0 m3，伴注液氮4.0 m3，高擠液氮3.0 m3，施工排量0.5～7.2 m3/min，施工壓力0～64.00 MPa，在穩(wěn)定油壓30.60 MPa條件下，獲日產(chǎn)天然氣81.79×104m3。

深度酸壓在兩口井上的成功應(yīng)用，取得了礁灘疊合區(qū)開發(fā)調(diào)整的重大突破，為元壩氣田延長(zhǎng)穩(wěn)產(chǎn)期奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

（1）依托酸巖反應(yīng)機(jī)理，酸液濾失特征優(yōu)選出以閉合酸、膠凝酸為主的多種類酸液體系可適應(yīng)深部酸壓和近井高導(dǎo)流能力的地質(zhì)需求。

（2）基于酸壓工藝參數(shù)以及暫堵酸壓工藝優(yōu)化，采用三級(jí)交替注入和“纖維+凝膠”混合暫堵能充分動(dòng)用縱橫向儲(chǔ)層，實(shí)現(xiàn)深度酸壓。

（3）深度酸壓工藝技術(shù)在元壩氣田成功應(yīng)用2井次，平均日產(chǎn)天然氣71.52×104m3，深度酸壓改造增產(chǎn)效果顯著。