油氣田酸化壓裂工藝的應用研究

劉聰(中石化中原石油工程有限公司井下特種作業公司，河南 濮陽 457001)

0 引言

隨著石油不斷開采，大多油田進入開采中后期，逐漸出現油層含水量逐漸上升，滲透率下降，地質環境不斷惡化問題，導致油田開采難度越來越大。目前常用壓裂液包括：水基壓裂液、油基壓裂液、酸基壓裂液以及泡沫壓裂液等類型，水基壓裂液優點主要有懸砂能力較強、粘度較高，以及摩阻低等，缺點則是穩定性稍差，比如熱穩定性和機械剪切穩定性較其他壓裂液要差一些；油基壓裂液現在由于已經被其它系列壓裂液慢慢取代，故而在油氣田開發中很少應用；泡沫壓裂液優點主要有對地層傷害較小、易于返排、摩阻較低，并且攜砂能力與造縫能力較強等，其缺點則是壓裂液所需注入壓力較高；而酸基壓裂液因具有優良配伍穩定性，特別是對堵塞物具有較好溶解能力，比如粘土，以及部分漏入儲層而對孔道造成堵塞泥漿等，酸基壓裂液對于儲層解堵和恢復產能具有特別好效果。故而為了提高原油采收效率，滿足石油需求量，現階段國內外油田大部分采用酸化壓裂[1，2]技術實現油氣井增產增注作用。

1 油氣田酸化壓裂的工作原理

油氣田酸化壓裂技術通常采用壓裂液是酸液，而且不需要任何支撐劑，其工作原理為：在不高于地層破裂壓力情況下，酸液注入后并且順著地層徑向充分流動，過程中酸液和地層中礦物、巖石等固相顆粒發生溶蝕的化學反應，反應過程中還伴隨生成一些可溶性氣體、可溶性鹽等，在整個酸化壓裂過程中，地層裂縫壁面在水力和酸液溶蝕共同作用下，呈現凹凸不平表面形態，當酸液停泵卸壓后，裂縫壁面孔隙因無法完全封閉，有助于改善酸液滲流的操作條件，具有強導流的性能；同時，酸液可以溶解原來存在于地層孔道內、裂縫中的堵塞物，并隨著酸液逐漸排出地層，這不僅有助于疏通流道，提高地層滲透性，而且有效改造油層，從而實現了增產增注目的。

2 油氣田酸化壓裂性能要求[3]

在油氣田酸化壓裂技術中，壓裂液起著極為重要作用。如果壓裂液性能達不到要求，在油氣田開發中容易出現各種問題，如壓裂液對施工管柱產生嚴重侵蝕、壓裂液破膠時間短、持膠能力低等，將會降低油氣田開發質量和嚴重影響運用情況。要使壓裂酸化技術充分發揮其功能，一方面對壓裂液性能有嚴格要求，主要有：濾失低、摩阻低、比重大、殘渣少、易于返排、攜沙能力強、熱穩定性和抗剪切穩定性好、與巖石和儲層流體配伍性好，以及貨源廣、價格便宜、便于配置等。同時，還需要注意控制酸化壓裂過程反應度，合理控制過程中酸液流體漏失，所以必須采用稠化酸液，比如乳化劑、泡沫劑、聚合稠化酸、以及活性劑稠化酸等。

3 油氣田酸化壓裂工藝類型[4]

油氣田酸化壓裂按照工藝技術大致分成酸壓、酸洗和基質酸化三種類型，其中酸壓又可以細分成普通酸壓、深度酸壓(前置液酸壓、交替注入酸壓)、特殊酸化工藝(平衡酸壓、閉合酸壓)等多種類型。

(1)普通酸壓工藝：也就是常規酸壓，該工藝通常不會使用前置液、支撐劑，而是使用鹽酸作為酸化壓裂液，不僅當作一種增壓液體使地層受壓開裂，同時也作為酸化劑，過程中酸化壓裂液與地層巖石、膠結物等發生反應，但此類酸化壓裂液濾失比較嚴重，作業用酸量大，酸液濾失量不容易控制，同時因為酸液和地層內目標礦物、巖石的溶蝕反應速度特別快，所以酸化的效果不好。從另一方面看，因為施工過程中泵的注排量和要求的泵送壓力較低，形成的酸蝕裂縫不能達到目標要求，所以大多用作新井、完井、修井作業后，或者氣井投產前的常規處理措施，故又通常被稱作基質酸化。

(2)深度酸壓工藝：在酸化過程中可以形成較長酸蝕裂縫，這是與普通酸壓工藝最大區別。前置液酸壓工藝是首先使用高粘性但不會與巖石反應前置液，一般使用膠凝水將地層壓開裂縫并進入，不僅產生動態裂縫，還可以有效降低裂縫溫度，并在裂縫壁面形成濾餅，然后再往地層注入酸液，主要以無機酸為主，達到溶蝕裂縫目的，一般酸液和巖石在高溫儲層下反應速度比較快，要獲得有效且動態的縫長會比較困難，所以在高溫條件下要求酸液仍然具有高效優良的緩速性能這樣才可有效降低儲層溫度，以及酸液與巖石反應速度，并且增大裂縫穿透度。交替注入酸壓工藝是通過交替注入高粘性前置液和酸液，從而達到酸化壓裂目的，在油氣田開發中，前置液和酸液交替注入過程中，后一次交替注入(即先注入前置液，再注入酸液)，酸液濾失速度會比前一次濾失速度要低很多，所以為了降低注酸過程中酸液的濾失速度，同時也是為了加強酸液的導流性能，一般采用交替注入酸液的方式，使用該工藝還可以實現在前置液中多次酸液指進，以及儲層巖石得到更深、更多的溶蝕溝槽。

(3)特殊酸化工藝：平衡酸壓技術是通過利用擴展地層裂縫的壓力，和地應力的最小值之間產生的壓力差，當地層出現開裂現象之后，通過控制注入酸液的排量，可以實現控制注入酸液的速度，保持與酸液的濾失速度基本相當，從而達到兩種速度間的一種動態平衡效果 ，該方法一方面可以最大限度延長酸液與地層裂縫壁面之間反應時間，有效控制產生裂縫幾何尺寸，這樣產生酸蝕效果和酸蝕深度將會更佳，另一方面可以避免將非目標地層壓開，從而實現高效且準確壓裂目標地層；閉合酸壓是在低于儲層破裂壓力時，向閉合裂縫中注入較低排量酸液，同時應盡可能和井筒之間形成一條開放裂縫，由此才能保證井眼和酸蝕裂縫之間相連通，從而具有較高導流能力高，該技術適用于已存在裂縫碳酸鹽儲層，可以有效改善井眼導流能力。

4 壓裂工作液應用的損害及注意事項

4.1 壓裂工作液對油氣層的損害

酸化壓裂中工作液返排量是決定油氣田開發質量重要因素，當酸液與巖石、膠結物及堵塞物質發生化學溶解反應，應盡可能地將其反應物返排到地面，若工作液不能迅速從地層中完全地返排到地面上，過程中地層將會被產生如酸渣的沉淀所二次損害，造成更嚴重的堵塞，另一方面，毛細管因為具有強吸滲的能力，故而滯留在地層的工作液容易將毛細管堵塞，并且形成水鎖現象，使得地層受到嚴重的二次傷害。

若酸與油氣層巖石和流體不配伍，工作液返排更為困難，這也是對油氣層主要損害方式。下面分別從這兩方面分析損害情況：

(1)首先是當酸液與油氣層中巖石若存在不配伍的情況，在地層巖石酸化的操作過程中，酸液一方面不斷沖刷、溶蝕原地層中存在的堵塞物質、膠結物，一方面也會不同程度地使油氣層礦物、巖石顆粒等逐漸松散，慢慢地脫落而發生運移現象，若不及時排出去，那么酸液溶解巖石后的反應物將會在地層中再次沉淀，從而被逐漸滯留在地層內，造成地層孔道被重新堵塞，反而更加減小地層中的儲、滲空間，這就是酸液與油氣層中巖石不配伍時，造成酸化失敗的同時，并對油氣層造成損害。

(2)當酸液與油氣層流體不配伍造成地層的損害，一種情況是若酸液與原油不配伍，兩者一旦接觸將會發生反應，產生的酸渣將會堵塞地層中的孔道，并且這些反應的酸渣很難被消除，一旦產生對油氣層將造成嚴重損害，并且這種損害是不可逆轉的，所以對地層是永久性的損害；還有一種情況是，若酸液與地層水不配伍，酸液與地層水中Na+、K+、Fe3+、Al3+等離子反應生成有害沉淀。國內外施工實踐也已表明，向工作液中添加一種高效助排劑，不僅可以使其產生極低的表面張力，還能夠降低了毛細管的阻力，這種高效助排劑對于清除地層的堵塞物非常有效，是一種提高返排率既經濟又有效措施之一。

4.2 壓裂工作液應用注意事項

壓裂工作液應用過程中需要注意主要有以下幾個方面：(1)首先對油氣田環境開展壓前診斷分析。在壓裂前深入分析油氣井層實際情況，明確診斷油氣儲層敏感特性，同時對地層孔隙度、滲透性、壓力、溫度以及有效厚度等多個參數進行收集分析，并針對性制定酸化壓裂計劃，為實際油氣田開發過程施工提供科學依據。

(2)其次是要根據前期對油氣田地層環境、壓力、溫度、等相關參數，選擇適宜地層壓裂酸化材料，否則即可能對會地層造成較大損害。所以一般需要選擇具有一定粘度、懸砂性能、配伍性好壓裂液，具有裂縫導流能力支撐劑，具有一定溶蝕能力和濾失特性酸液，這樣才能滿足作業需要，達到地層壓開、裂縫延伸以及輸送支撐劑目的。

(3)在油氣田開發施工過程中，還需要結合地層破裂壓力、延伸壓力、濾失系數等各項參數，根據實際操作情況實時跟蹤分析施工參數，并進行工藝、參數的不斷優化，從而保證酸化壓裂過程施工效果。

(4)壓裂酸化施工過程屬于大型油氣田作業，存在多工種、多工序、高壓狀態等特點。因此使得壓裂酸化過程中存在影響施工人員健康、生命和周圍環境的各種危險因素，如保護系統、控制系統失靈、設備損壞等機械傷害，儲罐泄露或違章操作而發生火災爆炸，壓裂液密度低、液柱高度降低等造成的井噴失控，酸液配置過程操作不當造成酸液及其揮發物對配人員造成的傷害等，故而需要對壓裂酸化作業過程機械傷害、火災、爆炸、中毒、窒息等危險源開展故障樹分析、并制定事故預防對策。

5 結語

隨著目前經濟發展對油氣需求量不斷增加，酸化壓裂技術在油氣田開發中起著十分重要作用，面對地層復雜巖石條件下的油氣田開發，原有的普通酸化壓裂技術已經無法滿足需求，因此，酸化壓裂技術也在不斷根據需要的逐漸發展，已經逐步發展成多功能的復合酸液體系，具有減少濾失、降低阻力、減緩反應速度、助排等特點。不過為了更大程度上滿足我國油氣田發展需要，必須要不斷完善和改進酸化壓裂技術，所以仍需要對酸液與巖石和流體配伍性、工作液添加助排劑等酸化壓裂技術做進 一步探討，從而在提高油氣田開發效率的同時，還能夠減少開發油氣田對人員健康、生命和周圍環境的損害。