奧陶系深層碳酸鹽巖酸壓機理與深度酸壓工藝優(yōu)化

牟春國，鄺 聃，何 平，王歷歷

（中國石油長慶油田分公司油氣工藝研究院，陜西西安 710018）

近年來，鄂爾多斯盆地奧陶系深層碳酸鹽巖已成為長慶油田天然氣勘探的重要領(lǐng)域，并取得了較大進展。馬五6段、馬五7段累積完鉆試氣井165 口，整體上單井產(chǎn)量較低，只有10口井獲得高產(chǎn)；馬三、馬四段地層壓力系數(shù)較高，平均達到32.6 MPa，累積完鉆試氣井41 口，其中18 口井獲得低產(chǎn)氣流。與靖邊氣田風(fēng)化殼碳酸鹽巖儲層相比，奧陶系深層尤其是馬三、馬四段氣層埋藏深、儲層致密、灰質(zhì)含量高，常規(guī)酸壓改造因規(guī)模較小、工藝參數(shù)不合理，改造后酸蝕縫長較短、裂縫導(dǎo)流能力較低，平均單井試氣產(chǎn)量僅為0.52×104～2.63×104m3/d。需在開展酸壓機理研究的基礎(chǔ)上，優(yōu)化酸壓工藝技術(shù)，實現(xiàn)儲層深度酸壓改造，提高單井產(chǎn)量。

中外學(xué)者圍繞提高酸蝕裂縫導(dǎo)流能力開展了大量的研究工作。BARRON 等考慮了縫寬、酸濃度、反應(yīng)時間、縫高等參數(shù)對酸和天然大理石的影響［1］。WALSH 發(fā)現(xiàn)巖心非均質(zhì)性和地層圍壓將影響酸蝕后的裂縫導(dǎo)流能力［2］。MIRZA等研究認為裂縫壁面的不均勻幾何形態(tài)是影響裂縫導(dǎo)流能力的關(guān)鍵因素［3］。POURNIK 等研究了殘酸對裂縫刻蝕形態(tài)的影響，發(fā)現(xiàn)殘酸、鮮酸造成的裂縫刻蝕形態(tài)存在一定的差別［4］。齊寧等實現(xiàn)了裂縫性碳酸鹽巖油藏儲層尺度的酸化數(shù)值模擬，為開展白云巖大尺度酸壓數(shù)值模擬提供了可能［5-6］。目前改善酸蝕裂縫導(dǎo)流能力研究多是基于灰?guī)r而開展的［7］，對于灰質(zhì)白云巖儲層酸壓效果差、非均勻刻蝕程度低、壓后導(dǎo)流能力低等問題，尚未開展深入研究［8-11］。為此，筆者針對奧陶系深層碳酸鹽巖儲層地質(zhì)特征，開展酸壓機理研究與評價，通過酸蝕裂縫導(dǎo)流實驗和數(shù)值模擬研究，揭示奧陶系深層灰質(zhì)白云巖儲層非均勻刻蝕機理，指導(dǎo)酸壓改造工藝技術(shù)與參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計。

1 儲層地質(zhì)特征及改造難點

奧陶系深層碳酸鹽巖馬五6—馬五10段氣藏埋深為3 100～4 200 m，其中馬五7、馬五9段巖性以粉晶白云巖為主，晶間孔、溶孔發(fā)育，平均孔隙度為5.0%，平均滲透率為0.53～0.74 mD；馬五6、馬五8、馬五10段巖性以粉晶白云巖、含膏白云巖為主，晶間孔、溶孔較發(fā)育，平均孔隙度為3.06%，平均滲透率為0.53 mD。馬三段—馬四段氣藏埋深為3 200～4 400 m，發(fā)育白云巖薄夾層，馬三段平均孔隙度為2.5%，平均滲透率為0.33 mD；馬四段晶間孔較發(fā)育，局部發(fā)育微裂縫，平均孔隙度為2.8%，平均滲透率為4.76 mD。

奧陶系深層碳酸鹽巖酸壓改造存在的主要問題為：①灰質(zhì)含量高，尤其盆地中東部馬四段發(fā)育白云巖薄夾層，部分發(fā)育云質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r，酸巖反應(yīng)速度快。②儲層致密，與常規(guī)白云巖儲層相比，酸蝕裂縫表面更均勻，不利于形成非均勻刻蝕溝槽或蚓孔，酸蝕裂縫導(dǎo)流能力低。③氣層埋藏深，閉合應(yīng)力較高，酸蝕裂縫閉合后導(dǎo)流能力下降幅度大，改造效果較差。為此，在開展巖心酸巖反應(yīng)機理實驗、酸蝕表面刻蝕評價的基礎(chǔ)上，優(yōu)化酸壓改造工藝，實現(xiàn)儲層深度改造，提高酸蝕裂縫泄流面積。

2 酸巖反應(yīng)機理

2.1 酸巖反應(yīng)動力學(xué)實驗

影響酸壓改造效果的關(guān)鍵因素是酸蝕裂縫的有效長度和導(dǎo)流能力。對于奧陶系深層碳酸鹽巖儲層，常規(guī)酸壓的酸液與巖石反應(yīng)較快，酸液的有效作用距離變短。要開展深度酸壓改造，從本質(zhì)上改變酸巖反應(yīng)過程，控制反應(yīng)速度，降低酸液濾失，提高酸液作用距離。

為了明確白云巖、灰?guī)r的酸巖反應(yīng)動力學(xué)差異，選取白云石含量分別為7%，56%，75%和90%的4 種巖樣，在酸液質(zhì)量分數(shù)為20%，實驗溫度為90 ℃，轉(zhuǎn)速為500 r/min 的條件下開展酸巖反應(yīng)動力學(xué)實驗研究。實驗結(jié)果（表1）表明：相同條件下，白云巖的酸巖反應(yīng)速度遠小于灰?guī)r，兩者相差1 個數(shù)量級；灰質(zhì)白云巖的反應(yīng)速度介于灰?guī)r、白云巖之間。

表1 不同條件下酸巖反應(yīng)動力學(xué)實驗結(jié)果Table1 Kinetics experiment results of acid-rock reaction under different conditions

在不同溫度、不同酸液質(zhì)量分數(shù)、不同轉(zhuǎn)速條件下開展不同白云石含量的碳酸鹽巖與酸液的反應(yīng)速度評價。從圖1可看出，灰?guī)r、白云巖的酸巖反應(yīng)速度與酸液質(zhì)量分數(shù)、溫度呈正相關(guān)，當溫度達到90 ℃以上時，溫度對白云巖的酸巖反應(yīng)速度的影響趨于穩(wěn)定；酸巖反應(yīng)速度隨轉(zhuǎn)速增加而增大，當轉(zhuǎn)速達到500 r/min 以上時，酸巖反應(yīng)速度變化趨于穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速變化對白云巖的酸巖反應(yīng)速度影響較小。

圖1 不同白云石含量的碳酸鹽巖酸巖反應(yīng)速度與溫度、酸液質(zhì)量分數(shù)、轉(zhuǎn)速的關(guān)系Fig.1 Relations of reaction rate of carbonate rocks with different dolomite contents with temperature，acid concentration，and rotation speed

2.2 酸巖酸蝕表面特征評價

選取奧陶系深層碳酸鹽巖巖心（白云石含量分別為56%和75%）切片17 組進行三維激光掃描，按照不同酸液質(zhì)量分數(shù)（5%，10%，15%，20%）、不同溫度（60，75，90，100 ℃）、不同轉(zhuǎn)速（100，200，350，500和900 r/min）開展酸巖反應(yīng)，再將反應(yīng)后的巖心切片進行激光掃描，得到巖心表面酸蝕下降高度。

不同白云石含量的碳酸鹽巖刻蝕程度評價 選取白云石含量分別為56%和75%的碳酸鹽巖在實驗溫度為90 ℃、轉(zhuǎn)速為500 r/min條件下進行酸巖反應(yīng)，評價酸蝕表面刻蝕程度。結(jié)果表明：不同白云石含量的碳酸鹽巖酸蝕后均能形成非均勻刻蝕，灰?guī)r含量高的巖樣刻蝕程度較高。隨著白云石含量增加，刻蝕越偏向于面溶蝕，而白云石含量較少時傾向于點溶蝕。

不同酸液質(zhì)量分數(shù)、溫度、轉(zhuǎn)速的刻蝕程度評價 選取白云石含量為75%的碳酸鹽巖在不同酸液質(zhì)量分數(shù)、溫度、轉(zhuǎn)速條件下進行反應(yīng)，評價酸蝕表面刻蝕程度。實驗結(jié)果表明：隨著酸液質(zhì)量分數(shù)的升高，酸蝕下降高度分別集中在-0.4，-0.6，-0.8和-1.2 mm，表明隨著酸液質(zhì)量分數(shù)增加，刻蝕程度越大；隨著溫度的升高，酸蝕下降高度分別集中在-0.6，-0.8，-1.2 和-1.3 mm，表明溫度越高，刻蝕程度越大，酸巖反應(yīng)速度越快；隨著轉(zhuǎn)速的升高，酸蝕下降高度分別集中在-0.6，-0.65，-0.9，-1.3 和-1.4 mm，且隨著轉(zhuǎn)速增加，巖石表面越凹凸不平，刻蝕程度越大。

2.3 白云巖酸壓數(shù)值模擬

酸壓作為碳酸鹽巖儲層最常用的改造措施，酸蝕裂縫的有效長度和導(dǎo)流能力決定酸壓改造的效果。研究發(fā)現(xiàn)，灰質(zhì)含量影響巖石礦物組分，巖石礦物組分影響酸巖反應(yīng)速度，不影響巖石孔隙結(jié)構(gòu)［12-14］。白云巖和酸液發(fā)生反應(yīng)后，巖石表面越平坦均勻，酸蝕裂縫導(dǎo)流能力越低。改善白云巖儲層酸壓效果的關(guān)鍵在于提高改造裂縫的長度和導(dǎo)流能力。采用數(shù)值模擬的方式，研究不同巖性和酸液反應(yīng)的裂縫酸蝕形態(tài)，確定表面反應(yīng)速度、儲層白云石含量、酸液注入速度和酸液質(zhì)量分數(shù)對裂縫長度和導(dǎo)流能力的影響。

假設(shè)碳酸鹽巖儲層長度為L，寬度為W，中間由一條寬度為Wf的水力裂縫連接至井筒。酸液自井筒，經(jīng)裂縫垂直流入儲層。裂縫的流動阻力較小，壓降幾乎為0。酸液在裂縫壁面不同位置的流速為U0，在裂縫壁面的濃度隨位置的變化而變化。酸液在地層中的流動符合達西定律，壓力分布滿足不可壓縮流體的連續(xù)性方程；氫離子在流體中的濃度分布滿足對流擴散方程；巖石組分變化滿足白云石和方解石的含量變化方程。

酸巖反應(yīng)速度方程式為：

當反應(yīng)級數(shù)m=1 時，純白云巖和純灰?guī)r在溫度為90 ℃、轉(zhuǎn)速為500 r/min條件下得到酸巖反應(yīng)速度常數(shù)。同等條件下，灰?guī)r的酸巖反應(yīng)速度常數(shù)KCa=55.8×10-3mm/s，處于傳質(zhì)控制模式；白云巖的酸巖反應(yīng)速度常數(shù)KMg=2.4×10-3mm/s，兩者相差23.3倍，白云巖處于表面反應(yīng)控制模式。

酸蝕裂縫長度 如圖2 所示，不同巖性儲層酸蝕后均能形成一定長度酸蝕裂縫，灰質(zhì)含量高的儲層酸巖反應(yīng)速度快，酸蝕裂縫距離短；白云巖酸巖反應(yīng)速度慢，酸蝕裂縫距離較長。

圖2 不同白云石含量碳酸鹽巖酸蝕裂縫長度模擬Fig.2 Simulation of acid-etched fracture length in carbonate rocks with different dolomite contents

非均勻刻蝕程度 不同巖性儲層酸蝕后均能形成非均勻刻蝕，白云石含量越低的儲層酸液刻蝕程度較高。白云石含量大于95%時，裂縫壁面和近裂縫地層溶蝕均勻；白云石含量大于75%時，裂縫壁面溶蝕均勻，近裂縫地層出現(xiàn)高滲透通道；白云石含量小于50%時，裂縫壁面形成不均勻刻蝕溝槽。

不同表面反應(yīng)速度下的酸蝕裂縫形態(tài)模擬結(jié)果（圖3a）表明：表面反應(yīng)速度越高，酸蝕裂縫非均勻刻蝕程度較高，但整體導(dǎo)流能力偏低；表面反應(yīng)速度越低，酸蝕裂縫導(dǎo)流能力越高。不同酸液流速下的酸蝕裂縫形態(tài)模擬結(jié)果（圖3b）表明：提高注入速度，儲層出現(xiàn)均勻溶蝕的趨勢，高滲透通道增多、變細；裂縫壁面溶蝕效果變差，尤其是白云石含量超過95%的地層。較低的流速有利于酸液與白云巖充分反應(yīng)，在裂縫壁面形成具有一定強度的刻蝕槽。不同酸液濃度下的酸蝕裂縫形態(tài)模擬結(jié)果（圖3c）表明：注入相同量的氫離子，酸液濃度對模擬結(jié)果影響不大。這是因為數(shù)值模擬將酸巖反應(yīng)級數(shù)定為1，若白云巖與酸液的反應(yīng)級數(shù)大于1，提高酸液濃度對改善裂縫壁面溶蝕有效，否則效果不大。綜合上述分析，各因素影響程度由大到小為：表面反應(yīng)速度、酸液流速、酸液濃度。

圖3 不同條件下酸蝕裂縫酸蝕程度模擬Fig.3 Simulation of acid etching of fractures under different conditions

天然裂縫對酸蝕裂縫形態(tài)的影響 奧陶系深層碳酸鹽巖儲層天然裂縫較為發(fā)育，天然裂縫對酸蝕裂縫長度、裂縫導(dǎo)流能力影響較大［15］，從而影響酸壓改造效果和試氣產(chǎn)量。天然裂縫的條數(shù)、裂縫傾角、與酸蝕裂縫的距離都對酸壓改造效果有較大的影響。

由圖4a 的模擬結(jié)果可知，在裂縫型白云巖儲層中，酸液能迅速穿過儲層中的天然裂縫，天然裂縫的存在會使酸液更快突破地層，減少酸液用量。隨著儲層中天然裂縫的增加，酸液突破時間減少，酸液用量減少，即天然裂縫越多，酸壓改造效果越好。

裂縫傾角是指裂縫內(nèi)酸液流動方向與垂直方向的夾角，即裂縫與y軸方向的夾角。由圖4b 的模擬結(jié)果可知，裂縫傾角越小，酸液突破時間越短，酸液用量越小，酸壓效果越好。

由圖4c 的模擬結(jié)果可知，在裂縫型白云巖儲層中，對于垂直縫（垂直于人工裂縫，傾角為0°），酸液能迅速穿透，利于酸液突破，其與人工裂縫的距離越短，酸液突破時間越短，酸液用量越小，酸壓效果越好；對于水平縫（平行于人工裂縫，傾角為90°），其主要作用是連通相對較近的酸蝕通道，在一定程度上會增加酸液的消耗，降低酸壓后裂縫壁面的穩(wěn)定性，其與人工裂縫的距離越短，酸蝕通道越易溝通，酸液量越大，酸壓效果越差。

圖4 天然裂縫條件下酸蝕裂縫形態(tài)模擬Fig.4 Simulation of acid-etched fracture shapes under natural fracture conditions

3 酸壓工藝優(yōu)化設(shè)計

以提高酸液作用距離，增大酸蝕裂縫非均勻刻蝕程度和酸蝕裂縫導(dǎo)流能力為目標，按照“先造壓裂縫、后酸蝕”的酸壓改造思路，通過酸液和非反應(yīng)的壓裂液共同作用，形成水力裂縫、酸蝕裂縫與基質(zhì)溶孔連通的裂縫網(wǎng)絡(luò)。主要做法為：①采用非反應(yīng)型流體作為前置液在酸壓前注入地層，形成較長人工壓裂改造裂縫。②采用多種酸液交替注入，降低巖石表面與酸液的反應(yīng)速度，提高酸液的穿透距離。③通過轉(zhuǎn)向酸實現(xiàn)裂縫縫內(nèi)暫堵轉(zhuǎn)向，提高儲層改造程度。④采用較大排量注入，實現(xiàn)酸液快速向儲層深度推進，減少酸液與巖石表面的接觸反應(yīng)時間，降低酸液濾失和酸巖反應(yīng)速度，實現(xiàn)儲層深部酸蝕，提高改造深度。

酸液量優(yōu)化 取奧陶系深層馬四段巖心，進行不同酸液量的酸蝕裂縫導(dǎo)流能力對比，模擬結(jié)果（表2）表明，在不同閉合壓力條件下，隨著酸液量的增加，酸蝕裂縫導(dǎo)流能力增大；儲層埋藏越深，閉合壓力越高，酸蝕裂縫導(dǎo)流能力越小。因此，在滿足入地酸液返排出井筒減少儲層傷害的前提下，可盡量提高酸液量，增大酸壓改造強度。

表2 不同酸液量的酸蝕裂縫導(dǎo)流能力對比Table2 Comparison between conductivity of acid-etched fractures with different acid contents mD·m

并對不同酸液量的酸蝕裂縫長度進行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果表明，增大酸液量，有利于增加酸蝕縫長，提高酸蝕裂縫泄流面積，優(yōu)化單層酸液量為200～300 m3。

注入級數(shù)優(yōu)化 隨著注入級數(shù)的增加，酸蝕距離增加，當注入級數(shù)達到3級以后，酸蝕距離及導(dǎo)流能力增加幅度不大，優(yōu)選注入級數(shù)為3～4級（圖5）。

圖5 不同注入級數(shù)下裂縫延伸與導(dǎo)流能力Fig.5 Fracture extension and conductivity at different injection levels

4 現(xiàn)場應(yīng)用及效果評價

2019—2020年，蘇里格氣田開展多體系復(fù)合酸壓試驗5 口井，平均產(chǎn)氣量為4.62×104m3/d，對比6口鄰井平均產(chǎn)氣量2.93×104m3/d，增產(chǎn)效果較為明顯。其中，陜X1 井試氣獲日產(chǎn)氣量5.62×104m3/d（表3），對比鄰井平均日產(chǎn)氣量1.77×104m3/d，增產(chǎn)效果較為顯著。酸壓模擬結(jié)果表明，陜X1井酸蝕縫長為86.5 m，平均裂縫閉合寬度為8.2 mm，平均裂縫導(dǎo)流能力為175 mD·m；陜B2 井酸蝕縫長為52.6 m，平均裂縫閉合寬度為5.4 mm，平均裂縫導(dǎo)流能力為134 mD·m；陜X1 井通過酸壓工藝和改造參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計，酸蝕縫長和裂縫導(dǎo)流能力對比陜B2 井增大，表明該井改造效果較好。

表3 陜X1井多體系復(fù)合酸壓試氣效果對比Table3 Comparison between gas testing of multi-system compound acid fracturing in Well Shaan X1

5 結(jié)論

奧陶系深層碳酸鹽巖埋藏深、溫度較高、儲層致密、灰質(zhì)含量高，酸巖反應(yīng)速度較白云巖快，且隨著酸液濃度、溫度、轉(zhuǎn)速的增大，酸巖反應(yīng)速度均增大。白云巖儲層中天然裂縫較為發(fā)育，酸液沿著裂縫面進行反應(yīng)，造成酸液濾失增大，酸蝕裂縫長度變短。通過優(yōu)化“前置液造縫、多體系酸液交替注入、縫內(nèi)轉(zhuǎn)向”的酸壓工藝技術(shù)，提高了酸蝕裂縫長度，增大了非均勻刻蝕程度和酸蝕裂縫導(dǎo)流能力，現(xiàn)場應(yīng)用取得明顯的增產(chǎn)效果。下步在持續(xù)優(yōu)化酸液體系緩速性能和酸壓工藝技術(shù)的基礎(chǔ)上，進一步提高酸壓改造效果，提升單井試氣產(chǎn)量。

符號解釋

C0——酸液濃度，mol/L；

J——酸巖反應(yīng)速度，mol/（s·cm2）；

K——酸巖反應(yīng)速度常數(shù)，mm/s；

KCa——方解石酸巖反應(yīng)速度常數(shù)，mm/s；

KMg——白云巖酸巖反應(yīng)速度常數(shù)，mm/s；

KsCaMg——白云巖表面反應(yīng)速度常數(shù)，mm/s；

m——反應(yīng)級數(shù)；

L——儲層長度，cm；

U0——注入速度，cm/min；

W——儲層寬度，cm；

Wf——裂縫寬度，cm，取值為2；

x——酸蝕縫長，m；

y——酸蝕縫寬，m。