低滲透油藏注水井水力多級脈沖酸化工藝及應用
——以姬塬油田為例

張頂學,孫意,高偉，許譯文，古仁超

1.長江大學石油工程學院，湖北 武漢 430100 2.油氣鉆采工程湖北省重點實驗室(長江大學)，湖北 武漢 430100 3.中國石油長慶油田分公司第一采氣廠，陜西 榆林 750001 4.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 5.中國石油長慶油田分公司第三采油廠，寧夏 銀川 750000

姬塬油田是長慶的一個主力產區，儲層以巖屑砂巖為主，主要為淺變質巖軟碎屑，石英含量在30%～50%，平均孔隙度9.6%，平均滲透率0.39mD，是典型低滲透油藏，儲層物性差，非均質性強。隨著投產年限的增加，高壓欠注、堵塞等問題日益嚴重。酸化是低滲透油藏的一種有效的增產增注措施。土酸、氟硼酸、固體硝酸和多氫酸等多種酸液體系在低滲透油藏中得到了推廣應用并取得了一定的效果[1-6]。由于儲層物性的差異，姬塬油田應用了膠束酸、自轉向酸、土酸、螯合酸、暫堵酸和多氫酸等多種酸液體系，但效果不夠理想，主要是因為地層滲透率過低使得酸液很難進入地層，從而使得酸液作用距離有限，有效期較短。

為了增加酸液的作用距離，延長有效期，提高措施效果，脈沖造縫與酸化技術相結合的聯作技術被提出并得到應用。張榮等[7]在中原油田首次采用多脈沖造縫與酸化聯作技術，其在高能氣體壓裂基礎上利用不同燃速推進劑的組合和分段延時發火燃燒，實現多級脈沖。在多脈沖造縫的同時或之后將酸液通過裂縫注入地層深部，并通過多脈沖造縫與酸化聯作的機械作用、脈沖作用、熱力作用以及化學作用來增加酸液的作用距離，提高酸化效果，現場施工12井次，增油效果顯著。楊乾隆等[8]提出了一種脈沖式注入酸化增注技術，其通過注酸時控制排量交替變化，使酸液在井底產生水力沖擊波，沖擊波經傳播作用在巖石壁面進行交變擾動和振蕩剪切使得巖石產生微裂縫，從而增加酸液的作用距離。

借鑒前人的現場施工經驗，筆者提出了一種水力多級脈沖酸化工藝：首先，優化適應于姬塬油田的緩速酸酸液體系；再在現有酸化工藝的基礎上，用沖壓振蕩器產生多級脈沖壓力對地層進行水力振動，使地層產生不規則的微裂縫；最后，擠入酸液實現水井增注。

1 水力多級脈沖酸化工藝原理

水力多級脈沖酸化是為加強酸化效果而將水力脈沖與酸化相結合的聯作技術。該工藝先通過多級水力脈沖使地層產生微裂縫，再擠入酸液，酸液沿著微裂縫進入地層并溶蝕巖石礦物，改善地層的滲透率。酸液也會溶蝕微裂縫巖石表面而形成凸凹不平的溝槽，在上覆巖層作用下，所產生的微裂縫會閉合不嚴，這樣酸液更加容易進入地層，使得地層的滲透率也得到了改善。

水力多級脈沖主要由下入井筒中的沖壓振蕩器來實現。沖壓振蕩器由多級沖壓爆破片、鋼球、沖壓室和單流閥組成。施工時，由泵車在井口向油管打壓，當井口壓力上升到與油管內液柱所產生的壓力之和大于沖壓爆破片爆破壓力時，沖壓片爆破，此時井筒內高壓液體轉化為高速流體進入沖壓室，再經單流閥流出沖壓室完成對地層的一次水擊振動。由于水擊振動壓力大于地層的破裂壓力，因此在水擊振動地層的瞬間會產生多條不規則裂縫。再依次投入多級鋼球，對地層進行多次水擊振動處理，可以使裂縫加深。水擊振動地層完成后，注入酸液來完成對地層的酸化。因此，多級脈沖酸化效果的好壞，除了通過水力多級脈沖產生微裂縫外，還需要優選出適應于儲層條件的酸液體系。

2 緩速酸體系優化

2.1 主體酸優選

姬塬油田樣品X衍射全巖礦物成份分析結果顯示，黏土礦物主要以綠泥石為主，其次為伊蒙混層，因此在注水或酸化過程中，易造成微粒運移、水化膨脹，并生成各種敏感性堵塞物。由于儲層低孔低滲、堵塞物既有無機物也有有機物、以及水質不配伍性易結垢的特點，酸液必須具備深部穿透性、低腐蝕性和沉淀抑制性。為了提高酸液的深部穿透性，主體酸選擇緩速酸體系，在常規土酸的基礎上加入有機酸延緩其反應速度，經協同酸化作用使酸液的酸化效果達到最佳。氟硼酸(HBF4)通過水解產生的氫氟酸(HF)可以與地層礦物發生化學反應，其與地層黏土的化學反應能夠溶解、膠結黏土顆粒，從而起到穩定黏土層和細小顆粒的位移作用。由于儲層中的黏度礦物含有大量的綠泥石，為防止酸化過程中產生酸敏效應，在酸液中加入一定量的羥基乙叉二磷酸(HEDP)，HEDP能與Fe3+、Cn2+、Zn2+等形成穩定的絡合物，溶解金屬表面的氧化物和吸附在黏土表面，防止分散運移對儲層造成傷害。同時，為增加酸液的有效作用距離，加入了一定量的乙酸(HAc)。HAc是一種有機弱酸，可以減緩酸液的反應速度和腐蝕速度，從而增大酸液在地層中的穿透深度，實現對地層的深部酸化；同時在水溶液中電離出H+，保持了酸巖反應體系環境較低的pH，對防止砂巖儲層酸巖反應生成二次沉淀的傷害具有重要的作用。

酸液的溶蝕性能能夠體現酸液體系的優劣，良好的酸液性能既要保證溶蝕過程中有較好的溶蝕速率，又要求其具有不低最終溶蝕率。通過巖心溶蝕實驗來優選有機酸的濃度并繪制溶蝕曲線，結果見表1和圖1。可以看出，9號酸液體系的溶蝕性能最好，初始有一定的溶蝕性，且在整個溶蝕過程中溶蝕速率保持持續增加，8h溶蝕率33.25%。最終確定主體酸配方：8%HCl+3%HF+2%HBF4+3%HEDP+3%HAc(配方中的百分數為質量分數，下同)。

圖1 不同酸液體系巖心溶蝕曲線

表1 酸液溶蝕實驗數據

2.2 緩蝕劑優選

緩蝕劑能夠有效地抑制酸液對管柱和套管的腐蝕，高效酸化的緩速酸不僅要保證其對地層堵塞物的降解溶蝕程度較高，而且要保證其對設備及井筒的腐蝕率控制在較低的范圍內。參照SY/T 5405—2019《酸化用緩蝕劑性能試驗方法及評價指標》，分別在主體酸中進行緩蝕劑的優選，結果見表2。可以看出，60℃溫度下聚環氧琥珀酸鈉的緩蝕效果最好。這是因為聚環氧琥珀酸鈉分子中的氧原子具有未共用的電子對，可以以此為中心吸附在金屬表面上，形成一層致密的保護膜，從而更好起到緩蝕作用[9-11]。

表2 緩蝕劑優選

參考SY/T 5405—2019《酸化用緩蝕劑性能試驗方法及評價指標》來評價聚環氧琥珀酸鈉的緩蝕性能，將質量分數1%的聚環氧琥珀酸鈉分別加入到3種不同的酸液體系中測定其常壓靜態腐蝕速率，實驗結果如表3所示。3種酸液體系的腐蝕速度均滿足SY/T 5405—2019《酸化用緩蝕劑性能試驗方法及評價指標》(腐蝕速率≤5g/(m2·h))。因此，現場選用質量分數為1%～1.5%的聚環氧琥珀酸鈉作為緩蝕劑。

表3 緩蝕劑的性能評價

2.3 助排劑優選

為提高殘酸的返排效率，最有效的方法是向體系中添加助排劑。助排劑可以產生很低的表面張力，增大接觸角，并清除地層傷害[12]。配制質量分數均為1%的5種助排劑溶液YF-01、OB-2、FC-30、OAE、EAB，并對其進行表面張力的測定，實驗結果見表4。從表4可以看出，在注入水中加入助排劑后體系表面張力會有明顯降低，且加入助排劑OB-2后的降低程度最大。OB-2是由烯醇類單體和乙二醇單體聚合而成的聚合體，其在濁點以上具有很好的吸附特性，一定濃度下能大幅度降低酸液的表面張力[13,14]。因此，選擇OB-2作為助排劑。

表4 助排劑表面張力測定

采用TX-500C型界面張力儀測定不同質量分數OB-2溶液的界面張力，結果如圖2所示。隨著OB-2質量分數的增加界面張力逐漸減小，當質量分數大于0.5%后，界面張力明顯降低，其值為0.0857mN/m，有利于殘酸返排，因此推薦使用OB-2的質量分數為0.5%。

圖2 不同質量分數OB-2的界面張力

3 緩速酸液性能評價

基于儲層物性分析及室內實驗優選復配了一種緩速酸液體系，配方如下:8%HCl+3%HF+2%HBF4+3%HEDP+ 3%乙酸+1.5%聚環氧琥珀酸鈉(緩蝕劑))+0.5%OB-2(助排劑)。

3.1 配伍性

將配制好的酸化液在常溫下放置12h和在60℃恒溫中放置12h，酸液都均勻清澈，無沉淀物和懸浮物出現，也無明顯的分層現象，說明該酸液配伍性良好。

3.2 沉淀抑制性

對新型酸液體系進行沉淀抑制性評價實驗，結果見表5。從表5可以看出，新型酸液體系對Fe3+、Ca2+、Mg2+抑制率超過85%，具有較好的抑制性，能夠滿足現場需要。

表5 新型酸化液抑制性

3.3 增注性能評價

為了評價緩速酸液的增注性能及與地層的適應性，采用姬塬油田的巖心做酸化流動模擬實驗，并與土酸進行對比。實驗先將現場巖心洗鹽、洗油、烘干、抽真空，飽和模擬地層水并測量孔隙體積后裝入巖心夾持器，隨后依次用5PV的模擬地層水、10PV的酸液和模擬地層水驅替，并測量巖心的滲透率K1。用K1與原始滲透率K0的比值(K1/K0)表示滲透率的改善率。實驗得到巖心滲透率的改善曲線如圖3所示，從圖3可以看出，注入土酸初期巖心的滲透率得到快速改善，但是隨著酸液的注入滲透率改善率呈現出下降；而注入緩速酸的巖心滲透率改善率呈現出持續上升，但是在初期上升的幅度明顯小于土酸。分析原因，是因為土酸中H+電離速度大，電離出來的H+快速與巖土礦物發生反應而使得酸液變為殘酸，隨著注入殘酸不能改善巖心的滲透率，從而使得巖心滲透率改善率下降；緩速酸中H+電離速度較小，隨著酸液注入能不斷地電離出H+，從而使得巖心滲透率能持續改善。這也表明緩速酸能夠達到深部酸化的效果。

圖3 巖心驅替實驗結果

4 現場應用

在室內試驗的基礎上，2020年在姬塬油田X井進行了現場試驗。該井于2016年7月14日投注，初期油壓19.0MPa，套壓18.4MPa，配注15m3，實注16m3；2017年9月開始欠注，油壓22.0MPa，套壓21.8MPa，配注23m3，實注5m3；2018年9月措施增注，措施后油壓21.2MPa，配注23m3，實注23m3；2019年1月欠注，2019年8月29日組織洗井擠注，但效果不明顯，油壓22.3MPa，套壓22.2MPa，配注25m3，日注水量4m3，至2020年3月3日累計注水量19531m3。該井油層段為2347.1～2364.8m，厚度17.7m，射孔段10.0m。設計用酸量65m3，酸液配方為8%HCl+3%HF+2%HBF4+3%HEDP+ 3%乙酸+1.5%聚環氧琥珀酸鈉+0.5%OB-2，于2020年3月4日實施三級脈沖酸化措施。施工時先進行三級水力脈沖造縫，3次爆破壓力值依次為60、55、58MPa，再以排量150L/min注入酸液，然后正擠20m3活性水后關井反應4h，最后用活性水循環洗井后開注。該井措施前后的生產動態曲線如圖4所示。可以看出，措施后該井的油壓明顯下降，由措施前的22.3MPa下降到18.9MPa，經過6個月后油壓僅上升至19.1MPa。該井措施后調整配注方案，實施周期注水，上半月配注20m3/d，下半月配注30m3/d，均能滿足配注要求。截至2020年9月30日，已累計增注4804m3，降壓增注效果明顯。

圖4 生產動態曲線

5 結論

1)針對姬塬油田欠注嚴重、酸化效果差等問題，提出緩速酸多級脈沖酸化技術，并通過室內實驗優選得出一種新型緩速酸酸液體系，配方為8%HCl+3%HF+2%HBF4+3%HEDP+3%乙酸+1.5%聚環氧琥珀酸鈉(緩蝕劑)+0.5%OB-2(助排劑)。

2)新型酸的沉淀抑制性優越，Fe3+的抑制性90.24%，Ca2+的抑制性86.89%，Mg2+的抑制性87.35%；巖心驅替實驗表明，新型酸化液能夠有效改善地層滲透率。

3)2020年在姬塬油田X井進行了現場施工試驗，措施后油壓由22.3MPa下降到18.9MPa，經過6個月后油壓僅上升至19.1MPa，截至2020年9月30日，該井累計增注4804m3，降壓增注效果明顯。