酸化在酸敏性砂巖儲層中的可行性分析

楊軍偉，孫林，熊培祺, 楊淼

（中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452）

國內外研究認為，在井底有70%的能量消耗在以井筒為中心的3 m圓周內，改造近井地帶的導流能力, 對提高油井產能至關重要[1]。酸化是通過井眼向地層注入一種或幾種酸液體系，使酸與地層中礦物發生化學反應，溶蝕儲層中的孔隙或裂縫壁面，以及井筒附近地層內的堵塞物。酸化的處理半徑通常在1～3 m范圍內，在地層能量消耗最嚴重的區域，增加孔隙、裂縫的滲流能力，從而實現油水井增產、增注的目的。

近年來，國內外進行了多項研究，針對不同儲層、不同堵塞類型，采用相應的酸化解堵體系，取得了較大進展[2-7]。但在現場應用上，也出現了部分油水井酸化后，產量或注水量不增反降的情況，尤其是部分具有酸敏性砂巖儲層的區塊。因此，對于酸敏性砂巖儲層的酸化增產，有以下問題值得我們思考：能否進行酸化；如果可以實施，需要注意什么問題；需要采用什么類型的酸液體系。所以開展酸敏性砂巖儲層酸化技術研究，具有重大現實意義。

1 酸敏性儲層傷害原因

酸敏感性是指酸液與儲層礦物接觸發生反應，產生沉淀或釋放出顆粒，導致儲層巖石滲透率發生變化的現象[8]。其損害機理有注入酸與地層流體不配伍；酸與地層礦物反應直接生成沉淀以及反應產物的二次沉淀；酸與地層礦物反應后膠結物溶解引起的顆粒運移等。常見的酸敏成因，有下述兩種。

1.1 化學成因傷害

酸巖反應不是簡單的溶解作用，在反應過程中會釋放出大量的離子，在一定條件下這些離子生成二次沉淀，從而堵塞孔隙吼道，對儲層造成嚴重傷害。

鹽酸處理地層時，最易產生的是氫氧化物沉淀，在進行酸化處理時，隨著酸液的消耗，孔隙流體的pH值將會逐漸升高，地層中含鐵、鋁礦物釋放出的Fe3+、Al3+，在pH值達到3.2和4.5時便產生Fe(OH)3和Al(OH)3沉淀。

砂巖儲層采用土酸酸化時，主要的酸敏性礦物為蒙脫石、綠泥石、高嶺石、含鐵礦物及長石等。由于HF的存在，有可能引起比鹽酸更嚴重、更復雜的二次沉淀，反應中的一次沉淀有CaF2和MgF2，二次沉淀主要是被酸溶解釋放出的金屬離子與氟硅酸或氟鋁酸結合生成的氟硅酸鹽或氟鋁酸鹽沉淀，其次為氫氧化物沉淀及其他無機垢[9-11]。

1.2 物理成因傷害

砂巖地層中的黏土礦物蒙脫石、高嶺石、伊利石，在酸化過程中有可能導致儲層傷害。蒙脫石易吸水膨脹，高嶺石易分散運移，伊利石易脫落，造成微粒分散運移。以上礦物在酸巖反應過程中，同時會伴隨有不溶于酸的顆粒和反應殘渣釋放。儲層中固有的黏土礦物及酸巖反應產生的顆粒及殘渣，在地層中分散運移，堵塞孔隙喉道，從而使滲透率降低。

2 酸敏評價標準的局限性

但現有的酸敏性評價標準中判斷方法存在局限性[13]：

1）首先酸液中沒有加入添加劑，可能導致相關傷害。如酸液中不加入黏土穩定劑，可能導致黏土膨脹分散運移；酸液中不加入鐵離子穩定劑，可形成Fe(OH)3沉淀。

2）酸液類型和酸液質量分數選擇不合理：只規定15%HCl和土酸(12%HCl+3%HF)兩種酸液類型，并不能代表其余酸型或其他濃度的酸液會造成儲層傷害。

3）模擬關井時間不合理：標準中砂巖反應時間1 h，但酸巖反應時間需要根據儲集層巖石學特征、地層溫度、酸液類型等因素綜合確定。

4）注酸量不合理：標準中明確規定注入0.5～1.0倍孔隙體積酸液，但現場對地層進行酸化時需要根據儲集層特征、酸液類型、地層傷害情況等因素綜合確定注酸量。因此，在實驗設計過程中，也需要設計不同孔隙體積倍數酸液的預案，在無儲層參數作為參考的狀況下，才使用標準推薦的酸液體積。

如果在酸化改造時，注意控制可能給儲層帶來的傷害因素，則酸敏效應可以得到不同程度的避免，酸敏性儲層也可能收到較好的改造效果。

3 酸敏傷害控制方法

3.1 化學成因傷害控制方法

3.1.1 鹽酸體系傷害控制方法

采用鹽酸體系處理地層時，隨著酸巖反應的進行，酸液被逐漸消耗，pH值升高至一定水平后，最易產生的是氫氧化物沉淀。當儲層中含有較多綠泥石、菱鐵礦、輝鐵礦等含鐵礦物時，鐵離子會產生不溶性的氫氧化物沉淀，酸巖反應過程中易形成鐵的氫氧化物沉淀[14]，堵塞孔隙喉道。此外在酸化作業過程中，井筒和施工管柱會發生一定程度的腐蝕反應，產生鐵離子，隨酸液進入地層。因此在酸液中加入鐵離子絡合劑或還原劑，降低Fe3+和Fe2+傷害，防止Fe(OH)3的生成。常用的鐵離子穩定劑包括及其適用范圍如表1。

2.3 本次研究中，12例屬于低度危險性腫瘤，13例屬于中度危險性，15例屬于高度危險性，沒有極低度危險性患者。13例患者進行復查，1例患者半年后轉移到腹腔，2例患者出現肝臟轉移，5年內沒有發生其他變化。

表1 鐵離子穩定劑適用溫度

3.1.2 土酸體系傷害控制方法

采用土酸體系對儲層進行酸化時，其一次反應產物的沉淀，主要為土酸中的F-與Ca2+、Mg2+反應生成不溶性的CaF2、MgF2。土酸與儲層礦物的一次反應產物，可繼續反應生成二次沉淀[15]，如氟硅酸鹽、氟鋁酸鹽和水化硅凝膠等，二次沉淀堵塞孔隙喉道，導致滲透率下降，帶來嚴重的地層傷害。因此在對地層進行酸化處理時，使用5%～15%鹽酸作為前置液，溶解地層巖石中的鈣質，避免采用土酸直接處理地層。另一方面通過加入有機膦酸類螯合劑[16]，與金屬離子發生螯合反應，起到抑制沉淀的作用。

目前，在以鹽酸和土酸為主要成分的酸液體系中，通常加入有機酸，如甲酸、乙酸、磷酸等，使有機酸與其酸巖反應產物形成緩沖溶液，酸液可保持在較低的pH值范圍內，有效防止Fe(OH)3、Al(OH)3等沉淀的產生。

3.2 物理成因傷害控制方法

針對酸敏損害中的物理成因，在進行酸化設計時，一方面應對主體酸濃度進行優化。若酸液對地層溶蝕率過高將造成儲層孔隙坍塌，破壞巖石骨架，從而降低儲層滲透率，因此酸液對巖屑的溶蝕率通常在15%～25%為宜，防止酸液對地層造成過度溶蝕，破壞巖石骨架。另一方面還應注意酸巖反應過程中釋放出的黏土顆粒，為了穩定黏土微粒，避免其發生膨脹、運移，在酸液體系中加入黏土穩定劑，常見的黏土穩定劑為季銨鹽類表面活性劑。

此外為了實現快速將酸液從地層排出，減少殘酸對地層的損害，在酸液中加入破乳助排劑，促進酸液的破乳，降低表界面張力，促進殘酸的返排。

4 酸敏性儲層酸化案例及認識

針對酸敏性儲層的酸化措施，國內一些油田開展了相關的研究，并在現場進行了應用，取得了顯著的效果。

長慶安塞油田屬典型的低滲、低壓致密砂巖油藏，該儲層的敏感性礦物質量分數為10.0%以上，主要有綠泥石、方解石、濁沸石等[17]。通過油層污染因素攻關，證實其主要潛在的傷害因素為酸敏，并伴有弱速敏、弱水敏及強水鎖效應。針對安塞油田的特點，研制出由有機弱酸，低表面張力的助排劑等組成的復合型酸液體系。該酸液體系在與地層礦物反應過程中能保持較低的pH值，并且其中含有乙酸成分，對反應產生的鐵離子有穩定作用。采用弱酸性物質并輔以其他助劑組成的酸液體系，在安塞油田成功進行了酸化作業，并提高近井地帶的滲流能力，達到增產的目的[18]。

勝利油田濱南采油廠，主要敏感礦物有綠泥石、濁沸石等，使用鹽酸和氫氟酸酸化后生成氫氧化鐵、偏硅酸膠等沉淀，為中等-弱酸敏儲層。因此在常規的酸液體系中加入甲酸等有機酸控制pH值的升高，通過室內試驗形成了由三種酸組成的復合酸液體系，并進行現場應用，增注效果明顯[19]。

中海油南堡油田也曾進行過針對酸敏性儲層酸液體系的優選工作。該油田黏土礦物主要為高嶺石、蒙脫石，其次為伊利石，伊蒙混層、綠泥石，通過巖心敏感性實驗，證實它屬于中等-強酸敏儲層，常規的土酸體系（12%HCl+3%HF）會對儲層造成影響，但使用低濃度土酸進行實驗(12%HCl+1%HF)[20]，發現影響幾乎為零。劉長松等人在文南油田酸液體系的研究中，也發現酸敏損害程度也與氫氟酸使用濃度有關[21]。分析認為高濃度的酸液體系會造成地層中黏土礦物的脫落、運移，對巖心產生新的堵塞，而低濃度的酸液體系可以顯著降低該現象。

5 結束語

1）儲層的酸敏性評價通常參照行業標準，只是對鹽酸和土酸進行考察，研究表明，對鹽酸和土酸具有酸敏性的地層，酸化也能取得好的效果。

2）酸敏性儲層并非不能酸化，關鍵在于酸液體系的選擇，不同酸液體系，酸敏程度存在差異，部分體系并不會產生酸敏傷害。

3）不同的儲層，導致酸敏的礦物及其含量不同，根據儲層的特點，可以通過調整主體酸配方、優化主體酸濃度，向體系中加入有機弱酸、鐵離子穩定劑、破乳助排劑、黏土穩定劑等措施進行解除。

4）酸液必須具有下述性能：與巖石配伍性好、與流體配伍好、溶蝕率適度、鐵穩能力強、防膨能力強等。