深層碳酸鹽巖儲層有機酸深穿透酸壓工藝

李子甲， 吳 霞， 黃文強

(1.中國石油化工股份有限公司西北油田分公司, 烏魯木齊 830011；2.成都理工大學能源學院, 成都 610059)

深穿透酸壓改造工藝是深層碳酸鹽巖油氣藏實現增產和穩產的主導技術之一[1]。酸蝕裂縫有效長度以及酸蝕裂縫導流能力的大小是評價酸壓改造效果的重要指標[2-3]。但目前深層碳酸鹽巖儲層一般存在高溫、天然裂縫發育等特征,酸巖反應速率快,酸液濾失嚴重,使得酸液有效作用距離短,同時,儲層的高閉合應力使得酸蝕裂縫長期導流能力保持率低[4-5]。深穿透酸壓工藝旨在增大酸液有效作用距離及提高酸蝕裂縫導流能力,從而提高增產效果。該工藝與酸液體系密切相關,常規HCl在高溫條件下與碳酸鹽巖迅速反應,形成的酸蝕裂縫長度有限,難以滿足這類儲層的施工要求[6]。

中外學者相繼研發出多種緩速酸液體系來增加酸液有效作用距離,如膠凝酸通過增加酸液黏度,降低H+向巖面的擴散速度,延緩酸巖反應速率及減少酸液濾失[7]；乳化酸通過油包酸型乳狀液形態,阻隔酸液與巖石表面接觸,延緩酸巖反應速率[8]；自生酸借助高溫下逐漸生酸特性,減緩酸巖反應速率[9]。但是在現場應用中發現,此類酸液體系改造效果有限,特別是對于超深超高溫儲層深穿透距離有限,難以達到改造目標。因此有必要尋求新的酸液體系,提高深層碳酸鹽巖的改造效果。

由酸巖反應機理可知,酸巖反應速率與H+的濃度及傳質速度密切相關,因此,有機酸由于解離特性,可以減緩酸巖反應速率,增加酸液有效作用距離。中外已將有機酸用于酸化解堵的成功經驗[10],但鮮有關于將有機酸用于深層碳酸鹽巖酸壓的相關研究。因此,對有機酸液體體系性能進行實驗室評價,并對比不同的酸液體系的長期酸蝕裂縫導流能力及酸液有效作用距離,提出了將“有機酸+膠凝酸”的深穿透酸壓工藝思路,為深層高溫碳酸鹽巖儲層的高效增產提供技術思路及理論支持。

1 機酸解離機理

有機酸是一種由碳和至少包含一個能釋放質子的官能團的碳鍵結構組成的分子,根據有機酸的整體化學性質,這個官能團通常在pH為3～10的水中釋放一個質子,溶解的有機分子則以質子酸和去質子陰離子的形式大量存在[11]。

有機酸屬于弱酸,與HCl體系不一樣,在反應前需要進行解離。即在水溶液中產生自由離子的過程。電解質的電離能力往往決定了其酸性的強弱,一般電離平衡常數越大,酸液中H+濃度便越大。一定條件下,電離出的H+和其他各離子的濃度的乘積與相應酸濃度的比值即電離平衡常數,其值越大表明酸給出質子的能力越強[12-13]。對大多數有機酸而言在水溶液中是不能夠完全電離的,因此相同濃度的有機酸跟鹽酸這類強電解質相比酸性要弱得多。表1[14]所示為在室溫下(25 ℃)甲酸和乙酸的電離平衡常數及強度。

表1 甲酸、乙酸的電離平衡常數及強度[14]Table 1 Ionization equilibrium constant and strength of formic acid and acetic acid[14]

由于電離平衡,有機酸不會100%消耗,當反應界面處有H+被消耗時,有機酸會立即電離出H+,因此在有機酸溶液中擴散的是未解離的酸分子,巖石表面的H+并不是像HCl一樣通過擴散傳遞到巖石表面,而是通過有機酸的電離平衡直接在界面處就地產生[14]。有機酸酸巖反應的整個過程如圖1所示。

圖1 有機酸酸巖反應過程Fig.1 Organic acid-rock reaction process

2 酸液體系性能評價

針對有機酸與鹽酸,通過酸液的消耗量和巖石的溶蝕量[15-17],計算酸巖反應速率及不考慮濾失作用下的酸蝕裂縫有效作用距離。

2.1 酸巖反應動力學

酸巖反應速率用單位時間內酸液濃度的降低值表示。通過酸巖反應實驗測得不同濃度C下的反應速率J,繪制關系曲線,得到酸巖反應速度:

lgJ+lgK=mlgC

(1)

式(1)中:J為反應速度,mol/(s·cm2)；K為反應速度常數,(mol/L)-m·[mol/(s·cm2)]；C為酸液濃度,mol/L；m為反應級數。

在一定條件下,假設酸巖反應速率常數K和反應級數m不變,對lgJ與lgC進行線性擬合,求得K和m,確定酸巖反應動力學方程。

通過酸巖反應實驗,得到170 ℃下膠凝酸、交聯酸、有機酸(甲酸、乙酸)不同酸液濃度下的反應速率,如圖2所示,再進行線性擬合,得到反應動力學方程。

由圖2、表2可知,在相同的條件下,酸巖反應速率:膠凝酸>交聯酸>有機酸(甲酸>乙酸)。有機酸酸液體系酸巖反應速率遠小于HCl體系,膠凝酸的反應速率是交聯酸的2倍,甲酸的3倍,乙酸的11倍。因此,有機酸能顯著地降低酸巖反應速率,增加酸液有效作用距離,利用有機酸可以實現刻蝕遠端裂縫的目的。

圖2 不同酸液體系酸巖反應速率Fig.2 Acid-rock reaction rate of different acid system

表2 不同酸液類型反應動力學方程Table 2 Reaction kinetic equations for different acid types

2.2 酸蝕有效作用距離對比

為了定量表征不同酸液體系可以達到的酸液有效作用距離,選取酸液濃度為10%時的酸巖反應速率(圖3)進行計算,分別得到不同排量下的酸液有效作用距離(圖4)。

圖3 酸液濃度10%時不同酸液反應速率Fig.3 Acid-rock reaction rates of different acid type (acid concentration:10%)

由圖4可知,在相同的排量下,不考慮酸液的濾失情況下,乙酸的有效作用距離最大,排量為2 m3/min時,膠凝酸的作用距離為10 m左右,而乙酸的有效作用距離可達到120 m左右,約為膠凝酸有效作用距離的12倍,提高酸液的施工排量能大幅度增加乙酸的有效作用距離,當排量為8 m3/min時,膠凝酸的作用距離40 m,乙酸的作用距離可達500 m左右。而相同條件下甲酸的酸液有效作用距離與常規酸液體系相比并增加幅度并不大,這是因為乙酸中的甲基對電子有排斥作用,使得羧基上電子云密度增大,氫離子難以電離,所以乙酸的酸性弱于甲酸且隨著碳鏈的延長,這種作用增強,酸性減弱。

圖4 不同類型酸液有效作用距離Fig.4 Effective distance of different acid types

3 酸液長期導流能力實驗

對于深層碳酸鹽巖儲層,往往具有高閉合應力的特點,在高閉合應力下酸壓裂縫趨于閉合,表現為酸蝕裂縫長期導流能力保持率較低,導流能力衰減幅度較大,產量遞減較快。因此,需要對不同的酸壓改造液體體系下獲得的酸蝕裂縫長期導流能力進行對比。

3.1 實驗準備

巖樣加工成巖板,尺寸為140 mm×37 mm×38 mm。

配制實驗所需酸液:酸液濃度為20%的膠凝酸、交聯酸；考慮到有機酸溶液與碳酸鹽巖反應產生沉淀,選擇較低濃度酸液,配制酸液濃度10%的甲酸、乙酸。

3.2 實驗方案

實驗設計了膠凝酸、交聯酸、甲酸、乙酸、乙酸的酸蝕裂縫長期導流能力實驗。分別測定了低閉合應力10 MPa和高閉合應力60 MPa下的酸蝕裂縫長期導流能力。實驗前期導流能力下降較快,前20 h,1 h測量一次,后30 h,每2 h測量一次,測試時間共50 h。

3.3 實驗結果

3.3.1 不同酸液類型

對比單一液體體系在低閉合應力(10 MPa)及高閉合應力(60 MPa)下的酸蝕裂縫長期導流能力,如圖5所示。

圖5 長期導流能力Fig.5 Long-term conductivity

在低閉合應力(10 MPa)時[圖5(a)],膠凝酸初始導流能力接近700 μm2·cm,加載50 h后,導流能力下降到580 μm2·cm；乙酸初始導流能力接近200 μm2·cm,加載50 h后,導流能力下降到120 μm2·cm。在高閉合應力(60 MPa)時[圖5(b)],導流能力遠小于低閉合應力下的導流能力,膠凝酸初始導流能力接近14 μm2·cm,加載50 h后,導流能力下降到7 μm2·cm；乙酸初始導流能力6 μm2·cm，加載50 h后,導流能力下降到3 μm2·cm。在低閉合應力下,有機酸體系酸蝕裂縫導流能力遠小于HCl體系導流能力,在高閉合應力作用下,有機酸體系與HCl體系導流能力差異較低閉合應力作用下相對減小。有機酸(甲酸、乙酸)刻蝕后酸蝕裂縫導流能力低于常規酸液體系(膠凝酸,交聯酸)的原因在于有機酸在溶液中不完全電離,產生的H+對巖板的溶蝕低于常規酸體系,刻蝕的可流動空間小于常規酸體系。

3.3.2 不同組合酸液體系

對于碳酸鹽巖儲層的深穿透改造,為了同時滿足提高酸液有效作用距離及酸蝕裂縫導流能力的需求,往往在改造中會交替注入不同的酸液體系,控制注入酸液的性能及順序,可以最大限度地實現對儲層的深部刻蝕,同時能提高酸蝕裂縫的導流能力。將不同酸液體系進行組合實驗獲得在低閉合應力(10 MPa)條件下及高閉合應力(60 MPa)條件下的酸蝕裂縫長期導流能力,如圖6所示。

對比圖6可知,乙酸/膠凝酸體系在低閉合應力作用下的導流能力相對于單一的膠凝酸略有下降,但是對于單一的乙酸溶液,導流能力有了極大的提升；在高閉合應力作用下乙酸/膠凝酸體系的酸蝕裂縫導流能力接近單一的膠凝酸導流能力。說明乙酸/膠凝酸體系能夠在提高酸蝕縫長的同時增加酸蝕裂縫的導流能力。

圖6 不同組合酸液體系長期導流能力Fig.6 Long-term conductivity of different combined acid dystems

4 深穿透酸壓工藝優化

4.1 “有機酸+膠凝酸”深穿透工藝思路

通過對不同酸液的酸蝕裂縫長期導流能力實驗結果分析可知,乙酸/膠凝酸組合能夠獲得更好的導流能力,因此提出“有機酸+膠凝酸”深穿透酸壓工藝思路,首先向地層中泵入高黏度前置液,壓開動態裂縫,再注入乙酸,對遠端的裂縫進行深部刻蝕,同時乙酸與前置液之間的界面不穩定性會導致指進現象的發生,從而增強乙酸對儲層的非均勻刻蝕。再注入膠凝酸會加劇縫口部分的局部深度刻蝕,提高近井地帶的酸蝕裂縫導流能力,同時滿足增加酸蝕裂縫有效長度及提高酸蝕裂縫導流能力的目的。

4.2 深穿透工藝適應性及優化

選取中國某超深裂縫型儲層的典型井進行深穿透施工工藝模擬優化。

4.2.1 施工排量優化

根據井筒儲集效應,施工排量增大時有利于井筒內迅速憋壓,從而提高凈壓力,有助于裂縫的三維擴展。另外,增加裂縫寬度、降低濾失、提高壓裂液效率等需用大排量,排量存在一個最優化界限。

由圖7可知,隨著排量的增加縫長不斷地變長,且慢慢趨于平緩,導流能力隨著排量的增加逐漸減小,所以取縫長增長較平緩且導流能力較大的排量8～10 m3/min為最優的排量。

圖7 酸蝕縫長及導流能力與排量關系Fig.7 Relationship between acid etching length, conductivity and displacement

4.2.2 施工液量優化

在同等條件下,壓裂規模越大,形成的裂縫在各個方向上的尺寸也越大,但考慮成本因素,并不是規模越大越好,因為當壓裂規模增大到一定程度后,裂縫的擴展逐漸放緩,即存在一個最優化的壓裂規模。

由圖8可知,隨液量增加,導流能力逐漸增加,而縫長隨液量增加的不明顯,甚至在液量1 000 m3時,縫長有減小趨勢,因此液量為850～950 m3,能獲得最佳施工效果。

圖8 酸蝕縫長及導流能力與液量關系Fig.8 Relationship between acid etching length, conductivity and flow

4.2.3 段塞數優化

由圖9可知,隨著泵注段數增加,酸蝕縫長增加,在2段泵注段塞后,縫長增長不明顯,所以泵注段數在2～3段,能取得較好的酸壓施工效果。

圖9 酸蝕縫長及導流能力與段塞數關系Fig.9 Relationship between acid etching length, conductivity and slug numbers

5 實際應用

X1井完鉆井深7 932.74 m,酸壓改造儲層段為奧陶系的鷹山組,井段7 349～7 932.74 m。采用 “有機酸+膠凝酸”深穿透改造工藝,首先擠入高黏度前置壓裂液400 m3,壓裂造縫,乙酸450 m3對壓裂縫進行刻蝕,膠凝酸50 m3進行近井地帶裂縫酸蝕。施工最大排量為8 m3/min,施工最高泵壓為98.7 MPa,在泵入乙酸的過程中,施工壓力下降35 MPa,明顯溝通儲層,酸液刻蝕效果較好。酸壓施工后進行壓后分析,得到酸壓裂縫的有效縫長達到132.4 m,到達了極好的效果,酸壓施工后,初始日產氣量6.3×104m3/d,比相鄰井區使用常規酸壓改造井,產量提高了近50%。

6 結論

(1)有機酸酸液體系酸巖反應速率低于HCl體系,能極好地延緩酸巖反應,酸蝕有效作用距離遠大于HCl體系,其中乙酸的有效作用距離是膠凝酸的10倍。

(2)“有機酸+膠凝酸”注入方式,通過有機酸刻蝕遠端裂縫,膠凝酸提高近井導流能力,能更好地提高酸壓改造效果。

(3)有機酸酸液體系的酸蝕裂縫導流能力低于HCl體系,需要增到有機酸的用量,通過對酸壓施工優化,得到最優的施工排量8～10 m3/min,最優的施工液量850～950 m3,最佳注入段塞數為2～3段。