酸液溶蝕作用對支撐劑性能的影響

楊雪，袁旭，何小東，承寧，陳進，許冬進

（1.長江大學工程技術學院，湖北 荊州 434023；2.非常規湖北省協同創新中心（長江大學），湖北 武漢 430100；3.中國石油新疆油田分公司工程技術研究院，新疆 克拉瑪依 834000）

0 引言

致密儲層油氣藏為典型的非常規儲層，須采取大型水力壓裂改造措施才能實現經濟產能[1-3]。以長慶油田長7、新疆瑪湖區塊為例，其油氣藏埋藏深、非均質性強、開發難度較大。實踐過程中，采用前置酸液協同水力加砂壓裂技術，提高儲層壓裂效果和動用效率[4-5]。

早在 1989 年，A.R.Jennings[6]就提出將壓裂酸化技術引入砂巖地層酸化，利用酸液指進現象刻蝕不規則裂縫壁面，形成一定導流能力。由于部分砂巖儲層膠結疏松，直接酸壓時會因酸液高度溶解巖石骨架，使其變得松散，且不可溶巖石礦物或反應生成的不可溶顆粒會造成堵塞甚至出砂[7-8]；因此，砂巖儲層不適合直接使用酸壓工藝。近年來，砂巖儲層使用前置酸液酸化處理后，降低了破裂壓力，并清潔地層、解除堵塞，防止了黏土膨脹與微粒運移，成為水力壓裂前的關鍵環節。另外，加砂壓裂后注入酸液，可加速壓裂液破膠，并溶解殘渣；對壓裂過的老井注入酸液解堵，可成功獲得新產能[9-10]。

支撐劑作為水力加砂壓裂的重要組成部分，決定著裂縫尺寸與導流能力，直接影響最終改造效果。酸液注入儲層中不僅與巖石、碎屑雜質反應，還能與支撐劑的組成礦物質發生化學反應,各種礦物成分對酸表現出不同的親和性，與酸接觸后產生較大的性能差異，造成支撐劑性能變化[11-13]；因此，支撐劑與酸接觸反應后的穩定性是決定有效裂縫寬度與裂縫最終導流能力的關鍵。本文研究了酸液作用對支撐劑的溶解度、對其抗壓強度的損害以及對最終導流能力的影響，分析了酸液配比、支撐劑類型、溫度及酸液與支撐劑接觸反應時間等因素對支撐劑性能的影響程度，研究結果為壓裂現場酸液、支撐劑的優選提供了依據。

1 實驗

1.1 樣品

1）支撐劑。選用新疆油田現場所使用的20/40，30/50目陶粒、石英砂2種支撐劑。

2）酸液。根據標準SY/T 5108—2014《水力壓裂和礫石充填作業用支撐劑測試方法》所規定的支撐劑酸溶解度測試方法，使用質量分數為37%的HCl溶液與質量分數40%的HF溶液，按HCl溶液∶HF溶液（體積比）為6∶1和12∶3，分別配制成酸液A和酸液B。

3）壓裂液。導流能力測試實驗模擬壓裂液流體，為蒸餾水與質量分數4%的KCl配制的溶液。

1.2 方法

1.2.1 支撐劑酸溶解度測試

將支撐劑在105℃干燥箱內干燥2 h后，稱取10 g，倒入200 mL已配制好酸液的塑料量杯中，封好杯口，置于設定溫度的水浴鍋內，酸溶解結束后的樣品真空抽濾后，置于105℃干燥箱內干燥2 h。酸溶解度計算公式為

式中：S 為酸溶解度，%；ms為支撐劑樣品質量，g；mf為坩堝及濾紙質量，g；mfs為坩堝、濾紙以及酸溶解后支撐劑的質量之和，g。

1.2.2 支撐劑抗壓強度測試

使用循環加載液壓機，將酸溶解后的支撐劑樣品篩析掉殘留的雜質碎屑，倒入標準破碎室內，勻速加壓1 min至設定壓力，穩壓2 min后取出樣品，過篩后稱取質量，并計算破碎率：

式中：δ為支撐劑破碎率，%；wc為支撐劑碎屑質量，g；wp為支撐劑樣品質量，g。

1.2.3 支撐劑導流能力測試

依據標準NBT 14023—2017《頁巖支撐劑充填層長期導流能力測定推薦方法》，使用長江大學自主研發的HXDL-2C長期導流能力測試系統，在標準API導流室內均勻鋪置支撐劑，在模擬地層溫度、閉合壓力以及流體流動狀態下，連續采集裂縫寬度、液體流量以及壓差等變化數據，得到裂縫導流能力Kwwf：

式中：Kw為液測滲透率，μm2；wf為支撐劑厚度，cm；Qw為液體流量，mL/min；μL為液體黏度，mPa·s；Δp 為測試兩點間的壓差，kPa。

2 實驗結果討論

2.1 支撐劑酸溶解度測試

酸液與支撐劑的化學反應速率與接觸時間、溫度以及酸液配比密切相關，因此，實驗考察了三者對陶粒與石英砂2類支撐劑酸溶解度的影響。

2.1.1 溫度對酸溶解度的影響

在65℃與85℃下，將20/40目陶粒、石英砂支撐劑酸溶解0.5 h。測試結果（見表1）表明，隨著溫度升高，支撐劑的酸溶解度明顯增加，且溫度對酸液B條件下的支撐劑酸溶解度影響更大。所以，在較高溫度條件下，儲層中的支撐劑可能發生成巖作用，堵塞支撐劑間的滲流通道；化學反應會導致支撐劑充填體孔隙率在高溫和高應力下迅速降低，從而降低裂縫導流能力。對于溫度較高的儲層，注酸前注入一定量的液體以降低儲層溫度，能夠減緩酸液對支撐劑的溶蝕作用。這樣，酸液則更多作用于地層碎屑雜質，清潔地層的同時也降低了對支撐劑性能的傷害。

表1 不同溫度條件下支撐劑的酸溶解度

2.1.2 不同類型的支撐劑酸溶解度

在相同條件下，相同粒徑的陶粒支撐劑酸溶解度明顯高于石英砂。分析認為：陶粒支撐劑主要成分為鋁礬土，由氧化鋁及其他黏土礦物組成；而石英砂主要由化學成分穩定的硅酸鹽礦物組成，主要含二氧化硅。酸液中的HCl不與二氧化硅發生反應，而HF與黏土礦物反應較快，與二氧化硅反應較慢。因此，陶粒支撐劑比石英砂酸溶解度較大，其表面大量黏土礦物會被溶蝕。

2.1.3 支撐劑粒徑對酸溶解度的影響

實驗結果表明，同種支撐劑小粒徑比大粒徑酸溶解度大。相同質量下，由于小粒徑支撐劑顆粒較多，與酸液接觸面積大，且酸液溶蝕支撐劑表面時，所能浸透的深度占粒徑的比例較大，因此，小粒徑支撐劑接觸面積與反應體積較大，酸溶解度高。

2.1.4 酸液配比對酸溶解度的影響

實驗結果表明（見表2），對支撐劑酸溶解度影響最大的因素為酸液配比。酸液B較酸液A對支撐劑的酸溶解度大幅增加，而陶粒支撐劑較石英砂酸溶解程度更為嚴重，初期酸液B下酸溶解度為酸液A下的4倍左右，隨時間的延長，最終維持在3倍以上。支撐劑酸溶解后形態發生很大變化（見圖1）：酸液A下，20/40目石英砂由黃色變為透明晶體狀；酸液B下，石英砂顆粒表面變得渾濁發白，酸溶解掉表面的礦物質，使表面變得疏松，其性能變差。因此，在施工過程中，應嚴格控制酸液配比：地層污染堵塞較嚴重時，可使用酸液A，增加注入體積，并盡快返排出酸液，減少酸液與支撐劑接觸反應時間；或注入酸液一段時間后，注水段塞稀釋酸液，降低對支撐劑的溶蝕程度。

表2 不同配比酸液與反應時間下支撐劑的質量和酸溶解度

圖1 酸溶解前后的支撐劑顯微照片

2.1.5 接觸反應時間對酸溶解度的影響

酸液與支撐劑接觸反應時間越長，支撐劑的酸溶解度越大（見表2）：接觸反應時間1.0 h時的酸溶解度為0.5 h的2倍左右；而接觸反應時間延長至2.0 h時，較1.0 h酸溶解度升高，但升高幅度變小。酸溶解度初始增長較快，隨后由于酸液反應后質量濃度降低，且與酸反應的礦物含量減少，酸溶解度接近最大并基本穩定。

結果分析認為，對支撐劑的酸溶解度影響程度從大到小的因素依次為酸液配比、接觸反應時間、溫度、粒徑，且陶粒支撐劑的酸溶解度遠大于石英砂。

2.2 酸液對支撐劑抗壓強度的損害

按照酸溶解度測試步驟進行多次實驗，制取足量的支撐劑用以進行支撐劑破碎率測試。陶粒支撐劑測試壓力為52 MPa，石英砂抗壓強度較弱，測試壓力為35 MPa。測試結果（見表3）表明：陶粒支撐劑抗壓強度優于石英砂；支撐劑顆粒破碎時產生的碎屑顆粒會堵塞滲流通道，造成二次污染。針對較深地層，支撐劑所受閉合壓力大，選擇陶粒支撐劑效果較好；淺地層則可選擇較廉價的石英砂支撐劑。

表3 酸溶蝕后支撐劑的抗壓強度變化

酸溶解后的支撐劑破碎率大幅上升，30/50目陶粒被酸液B溶蝕后破碎率由1.1%升至5.2%，增加接近5倍；支撐劑粒徑越小，其酸溶解度越大，但破碎率比大粒徑支撐劑低，其主要原因是大粒徑支撐劑間接觸面積小，顆粒所承受的應力較大，易發生破碎。由于石英砂酸溶解度較小，酸溶蝕作用對其抗壓強度的傷害較小，因此酸溶蝕后破碎率增加幅度較小；但整體上較陶粒破碎率高，無法適用于高閉合應力儲層。

2.3 酸液溶解對支撐劑導流能力的傷害

將支撐劑用不同配比的酸液酸化處理后烘干，篩析掉碎屑，以10 kg/m2的鋪砂濃度均勻鋪置于導流室中，進行導流能力測試。實驗結果（見圖2）顯示：填入用酸液A酸化后的支撐劑的裂縫，其導流能力降低幅度較小，依然能維持較高導流能力；而填入用酸液B酸化后的支撐劑的裂縫，其最終導流能力降低甚至超過50%。陶粒支撐劑導流能力傷害程度高于石英砂：20/40目陶粒降低58%，而30/50目陶粒降低50%，即粒徑越大，酸溶蝕作用對導流能力傷害越嚴重。石英砂支撐劑也存在相同的規律。大粒徑的支撐劑顆粒間的孔隙體積也較大，因此，能維持較大導流能力，但它易受酸液、閉合應力作用發生破碎，進而產生碎屑顆粒堵塞，失去維持導流能力的作用。相比而言，酸溶蝕對陶粒支撐劑性能的傷害較嚴重，因此，前置酸液加砂壓裂針對壓力較小儲層，可優選石英砂支撐劑，以達到降本增效的目的。

圖2 酸蝕作用后支撐劑導流能力變化對比

3 結論

1）酸液配比與接觸反應時間是影響支撐劑酸溶解度的最主要因素。進行前置酸液壓裂作業時，不宜使用酸液B，并應在加入支撐劑前注入一定量壓裂液稀釋酸液，以降低酸液質量濃度，或將殘酸及時返排出來，降低對支撐劑性能的傷害。

2）小粒徑支撐劑與酸液接觸面積大，酸溶解度較大，而抗壓強度優于大粒徑支撐劑，其導流能力傷害程度也較小。

3）注入酸液條件下，石英砂支撐劑穩定性較好，但其抗壓強度較弱，在閉合壓力小于28 MPa的淺儲層，前置酸液協同石英砂支撐劑壓裂作業效果較好。

4）本文主要從宏觀上研究了各因素對支撐劑性能的影響程度，下一步可從酸蝕反應產物、支撐劑微觀形態改變等方面深入研究。