特低滲透砂巖儲層敏感性評價與酸化增產液研制

張金發，李 亭，吳警宇，管英柱，徐 摩，但植華，周明秀

(1.長江大學，湖北 武漢 430100；2.油氣鉆采工程湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430100；3.中國石油新疆油田分公司，新疆 克拉瑪依 834000；4.中國石油吐哈油田分公司，新疆 哈密 839000)

0 引 言

近年來，中國已探明石油儲量中，低滲、特低滲油藏儲量所占比例高達65%以上，其中，特低滲透油藏探明儲量占1/2以上[1]，開采潛力巨大。吐哈盆地鄯善油田三間房組砂巖儲層是典型的特低滲油藏[2]，由于儲層物性差、黏土礦物含量高、非均質性嚴重等特點，在酸化過程中極易導致儲層敏感性損害。通過調研大量相關文獻發現，目前的研究大多集中于中、高滲儲層及常規低滲儲層的增產研究[3-11]，對于特低滲透砂巖油藏的增產方面，多在儲層敏感性損害機理、儲層保護措施等方面進行了室內實驗與評價[12-23]，缺少針對性的增產技術措施等方面的研究。為此，以吐哈盆地鄯善油田三間房組砂巖儲層為研究對象，結合儲層特征與儲層敏感性實驗系統分析儲層損害機理，并進行酸液體系的室內研發與現場應用，以期為鄯善油田酸化改造提供技術保障和科學指導，為同類油田增產改造提供借鑒參考。

1 儲層概況

1.1 儲層地質情況

鄯善油田位于吐哈盆地臺北凹陷鄯善弧形構造帶西段中部，油藏類型為巖性-構造油藏。鄯善油田砂巖儲層為多層間互式展布，中侏羅統地層自下而上發育3套含油層系，即西山窯組、三間房組、七克臺組。其中，三間房組是該油藏的主力含油層系，也是此次研究的目的層系。三間房組地層厚度為280～300 m，油層平均有效厚度為37 m。

1.2 儲層巖性特征

鄯善油田儲集層巖性以中細—中粗砂巖為主，顆粒分選為中等—差，磨圓度以次棱角狀為主，其次為次棱角—次圓狀，表明其結構成熟度低。儲層膠結物含量中等，平均值為15.1%，主要為泥質膠結(13.3%)，其次為碳酸鹽膠結(1.8%)，碳酸鹽膠結物分布不均，僅局部見有鈣質富集，最高含量達18.0%。

儲層中敏感性礦物主要為黏土礦物，黏土礦物的類型、含量及產狀決定儲層的敏感性。鄯善油田砂巖儲層XRD衍射結果表明：石英含量為72.66%，方解石含量為2.48%，鈉長石含量為6.52%，高嶺石含量為15.98%，蒙脫石含量為2.36%。油層中黏土礦物成分以高嶺石和蒙脫石為主，其絕對含量高達18.34%，屬于高黏土礦物儲層。

1.3 儲層物性特征

目的層4口取心井89塊巖樣氣測孔隙度、滲透率結果表明：三間房組儲層孔隙度為12.00%～14.00%，平均孔隙度為13.00%；滲透率為5.70～6.20 mD，平均滲透率為5.78 mD，屬于低孔特低滲儲層。

1.4 孔隙結構特征

儲層孔隙結構特征可從微觀反映孔隙與喉道的幾何形態、大小、分布和連通情況。鄯善油田砂巖儲層孔隙類型有原生孔隙、次生孔隙和微型縫，以次生孔隙為主，占儲集空間的60.0%～80.0%，處于晚成巖的A亞期。巖樣整體較致密，粒度較細，長英質微粒包裹鈉長石顆粒，發育少量溶蝕孔隙(圖1)?？紫逗淼李愋鸵孕】缀頌橹鳎∮? μm的孔喉占44.9%～72.4%，平均值為58.2%，而大于3 μm的孔喉只占14.3%。

1.5 儲層流體性質

鄯善油田三間房組原油具備“三低二高”特征，即低密度、低黏度、低含硫、高凝固點、高含蠟，屬輕質原油。油藏無氣頂，無純氣層；原油中含有溶解氣，屬于富氣。地層水以邊底水為主，存在2種水型。具體相關參數見表1～3。

圖1 鄯善油田三間房組砂巖掃描電鏡Fig.1 The scanning electron microscope of sandstone of Sanjianfang Formation in Shanshan Oilfield

表1 原油(地面)分析數據Table 1 The crude oil (surface) analysis data

表2 天然氣分析數據Table 2 The natural gas analysis data

表3 地層水分析數據Table 3 The formation water analysis data

2 儲層敏感性實驗與機理分析

儲層敏感性是指儲層與外來流體發生物理或化學反應而改變儲層原有滲透率的現象。實驗樣品取自鄯善油田西二區L-12井5塊砂巖巖心(采樣深度為2 734～2 739 m，巖樣直徑為2.5 cm、長度為5.0 cm，圓柱狀)，儀器采用多功能巖心驅替模擬系統，實驗流程參照GB/T 29172—2012《巖心分析方法》和SY/T 5358—2010《儲層敏感性流動實驗評價方法》，分別從速敏、水敏、鹽敏、酸敏和堿敏方面開展儲層敏感性評價，實驗裝置見圖2(二分之一地層水是指礦化度為地層水礦化度的1/2的鹽水)，損害程度評價指標見表4。

2.1 速敏評價

實驗流體采用模擬地層水，將完全飽和的巖心放入夾持器中，緩慢將圍壓調至2.0 MPa，并在整個實驗過程中保持圍壓始終大于巖心入口壓力1.5～2.0 MPa。調整流動速度，分別計算不同流速下的滲透率，滲透率比值隨流速變壓曲線見圖3。圖中滲透率比值為實驗測試的滲透率與巖樣初始滲透率的比值。

由圖3可知：隨著驅替流速的增加，巖樣滲透率逐漸降低，速敏損害率為33.14%，敏感性損害程度為中等偏弱，臨界流速為5.009 m3/d。鄯善油田三間房組屬于低孔特低滲、小孔喉儲層，儲層中膨脹性黏土礦物為蒙脫石，非膨脹性黏土礦物為高嶺石，兩者含量均較低，分別為2.36%和15.98%，從而表現出中等偏弱的速敏現象。對于鄯善油田的后續開發，應保持適當的生產壓差，控制注入流體速度不超過臨界流速，以防儲層顆粒運移堵塞孔喉造成速敏傷害。

圖2 儲層敏感性實驗流程示意圖Fig.2 The schematic diagram of reservoir sensitivity experiment flow

表4 敏感性損害程度評價指標Table 4 The evaluation index of sensitivity damage degree

圖3 流速敏感性評價結果Fig.3 The evaluation results of velocity sensitivity

2.2 水敏評價

分別采用模擬地層水、二分之一地層水和蒸餾水驅替巖心，計算巖樣滲透率(表5)。

表5 水敏性評價結果Table 5 The evaluation results of water sensitivity

由表5可知：巖樣滲透率隨實驗流體礦化度的降低而下降，水敏損害率為48.49%，敏感性損害程度為中等偏弱。鄯善油田砂巖儲層主要黏土礦物為蒙脫石和高嶺石，蒙脫石遇水膨脹分散運移，占據部分孔隙空間；高嶺石遇水后部分顆粒脫落，經運移堵塞孔喉。在實施酸化改造時，可在酸液體系中加入適量防膨劑以防止黏土礦物膨脹造成水敏現象。

2.3 鹽敏評價

采用不同礦化度的流體驅替巖心，并計算相應的滲透率(圖4)。

圖4 鹽度敏感性評價結果Fig.4 The evaluation results of salinity sensitivity

由圖4可知：隨實驗流體礦化度的降低，巖樣滲透率逐漸下降，鹽敏損害率為37.30%，臨界礦化度為14 015 mg/L，敏感性損害程度為中等偏弱。為防止儲層受到鹽敏損害，應避免使用礦化度低于該儲層臨界礦化度的工作液。

2.4 酸敏評價

先注入與地層水礦化度相同的氯化鉀溶液，測定巖樣酸處理前的滲透率，然后反向注入15%HCl，停止驅替，待酸巖反應1 h后，正向注入與地層水礦化度相同的氯化鉀溶液，測定巖樣酸處理后的滲透率(圖5)。

由圖5可知：巖樣注入酸液后，滲透率在初始滲透率以下波動，且波動幅度較小，巖樣酸敏損害率為14.05%，敏感性損害程度為弱酸敏。酸敏感性損害程度主要受含鐵礦物、碳酸鹽礦物、間接速敏的影響。鹽酸既可與含鐵礦物發生沉淀反應進而堵塞孔隙，又可與碳酸鹽類礦物發生溶蝕反應從而改善儲層物性。綜合分析認為，采用合適的酸液體系，并結合酸液排量參數優選等措施，鄯善油田低滲透砂巖儲層可進行酸化改造。

圖5 酸敏感性評價結果Fig.5 The evaluation results of acid sensitivity

2.5 堿敏評價

用pH為7～13的堿性流體驅替巖心，計算巖樣滲透率(圖6)。

圖6 堿敏感性評價結果Fig.6 The evaluation results of alkali sensitivity

由圖6可知：隨著注入流體pH值從7提高至13，巖樣滲透率逐漸降低，臨界pH為11，堿敏損害率為33.65%，敏感性損害程度為中等偏弱。鄯善油田砂巖儲層中石英、長石、高嶺石的含量分別為72.66%、6.52%、15.98%，堿液與高嶺石的反應活性較高，與細石英砂和長石的反應活性中等，同時，受成巖環境的影響，使得儲層堿敏整體上呈中等偏弱。對于該儲層的后續開發，應嚴格控制工作液的pH值小于11，以防發生堿敏而降低儲層滲透率。

2.6 儲層敏感性綜合評價

鄯善油田西二區L-12井5塊砂巖巖心的敏感性綜合評價結果見表6。由表6可知：該儲層敏感性損害類型以速敏、堿敏、水敏及鹽敏為主，損害程度為中等偏弱，酸敏損害程度最弱。因此，對于該油藏的后續開發，應結合各類敏感性損害程度進行酸液體系優化。

表6 鄯善油田砂巖儲層敏感性評價結果Table 6 The evaluation results of sandstone reservoir sensitivity in Shanshan Oilfield

3 酸化增產液研制

結合鄯善油田砂巖儲層敏感性評價結果，制訂酸化增產液(簡稱增產液，下同)的技術思路：各種添加劑之間的配伍性好，礦化度高于14 015 mg/L，對黏土膨脹具有較好抑制性，具備緩速、深穿透功能，可解除鉆井、固井等工程引起的地層堵塞，對石英、長石等具有一定溶蝕能力，同時用量適中，以防破壞巖石骨架，并需降低對金屬設備和油管的腐蝕性。按照以上研究思路，研發了一種增產液，該增產液由防膨劑、轉向劑、表面活性劑(降低酸液體系的表面張力)、巖石孔縫降阻劑等按照一定比例復配而成。

3.1 防膨劑篩選

三間房組砂巖儲層屬高黏土礦物儲層，為防止黏土礦物的水化膨脹、分散運移，應加入適量的防膨劑以提高酸化效果。稱取2.00 g巖心粉末置于NP-Ⅱ型頁巖膨脹測定儀內，分別測定巖心粉末在清水、煤油、防膨劑溶液中的膨脹增量，并計算防膨率(表7，表7及后文中各物質的用量百分數均為質量分數)。

表7 防膨劑性能評價結果Table 7 The evaluation results of anti-swelling agent performance

由表7可知：防膨劑BSA-109在用量為1%時，防膨率可達80.24%，明顯高于另外2種防膨劑；此外，將BSA-109與土酸混合后無沉淀出現，具有良好配伍性。因此，選擇BSA-109作為該儲層酸液體系的防膨劑。

3.2 轉向劑篩選

酸液注入地層后，會優先進入阻力較小、滲透率較大的高滲地層，導致滲透率級差進一步加大，酸化增產效果差。為挖潛中、低滲層段的剩余油，應加入轉向劑以實現均勻進酸、均勻解堵的目的。以油溶率及封堵率為性能指標評價3種轉向劑的效果(表8)。

由表8可知：轉向劑-A和轉向劑-C的封堵能力相當，2種轉向劑均可滿足現場施工要求。綜合考慮油溶率及封堵率，推薦使用轉向劑-C。

表8 轉向劑性能評價結果Table 8 The evaluation results of diverting agent performance

3.3 表面活性劑篩選

酸化施工后殘酸及時徹底返排對于提高酸化效果至關重要。通常在酸液體系中添加表面活性劑以降低酸液表面張力，使殘酸易于從儲層返排。在土酸(12.0%HCl+3.0%HF)中分別加入不同類型表面活性劑，利用JZHY-180界面張力儀測定鮮酸及殘酸的表面張力，結果如表9。

表9 表面活性劑性能評價結果Table 9 The evaluation results of surfactant performance

由表9可知，與蒸餾水的表面張力(74.69 mN/m)對比，3種添加表面活性劑的鮮酸及殘酸均具有較低的表面張力，其中，0.5%WD-12降低酸液表面張力效果最優，殘酸表面張力為25.8 mN/m，可滿足該儲層酸液設計要求。

3.4 巖石孔縫降阻劑研制

酸液在管線及地層中的沿程摩阻會降低泵效和液體流動效率，影響酸化增產效果。室內研制了一種巖石孔縫降阻劑SJZ-2，該降阻劑是由烯烴類季銨鹽與丙烯酰胺合成的高分子共聚物，具備較好的化學穩定性和熱穩定性，同時具有較高分子質量。降阻劑SJZ-2具有較好降阻性能，質量分數為2.0%的SJZ-2在酸液流動速度為12 m/s時，降阻率可達51.87%。巖石孔縫降阻劑與酸液配合使用時，可降低注酸過程中管線中的摩阻，流經地層時可擴大孔隙半徑，溝通孔隙，進而降低滲流阻力，提高酸化效果。

按照以上配方混配制備的增產液具有防止黏土礦物膨脹、均勻進液、降低酸液體系表面張力、降低滲流阻力的特性。該增產液可單獨使用，達到增產效果，也可與土酸混配形成組合酸液體系(簡稱組合酸液體系，下同)，協同提高酸化效果。

4 酸液體系性能評價

4.1 溶蝕實驗

組合酸液體系(1.2%增產液+12.0%HCl+4.0%HF)對各類巖石礦物的溶蝕效果見表10。

由表10可知：組合酸液體系不但對黏土、碳酸鹽類礦物的溶蝕能力非常強，而且對于長石類礦物的溶解效果也較好，此外還可溶蝕少量石英。說明增產液和土酸組合使用可提高酸液的綜合溶解能力，增加特低滲砂巖儲層的滲透率，達到較好的酸化效果。

表10 組合酸液體系對礦物的溶蝕實驗結果Table 10 The test results of dissolution of minerals by combined acid fluid system

4.2 驅替實驗

為評價組合酸液體系的酸化性能，使用不同配比的增產液和土酸組合酸液體系對鄯善油田砂巖巖心進行5組驅替實驗，實驗結果見表11。同時，為了對比組合酸液體系與常規土酸的酸化效果，使用不同用量的土酸對巖心也進行了5組驅替實驗，實驗結果見表12。

由表11可知：在使用組合酸液體系時，巖心滲透率可提高至原始滲透率的1.52～2.68倍，其中，1.5%增產液+10.0%HCl+3.0%HF的組合酸液體系對巖心進行驅替后滲透率提高值最大；此外，滲透率提高值較大時對應的巖心初始滲透率普遍較低，說明組合酸液體系對于特低滲透儲層具有更好的適應性。對比表11、12可知：相比單獨使用土酸，組合酸液體系可大幅增加地層滲透性，提高酸化效果更加顯著。

表11 組合酸液體系的巖心驅替結果Table 11 The core flooding results of combined acid fluid system

表12 土酸的巖心驅替實驗結果Table 12 The core flooding experimental results of mud acid

4.3 緩速性能實驗

為評價組合酸液體系的緩速性能，將鄯善油田三間房組砂巖巖樣磨碎成粒徑為100目的粉末，各稱量1.0 g，分別加入組合酸液體系(1.5%增產液+6.0%HCl+1.5%HF)和土酸(6.0%HCl+1.5%HF)中，記錄反應時間和巖石顆粒質量(圖7，巖石顆粒溶蝕率為反應前后巖石顆粒質量差與巖石顆粒初始質量的比值)。由圖7可知：在反應時間為200 min時，土酸的溶解速度不再變化，而組合酸液體系的溶解能力仍不斷增加，說明組合酸液體系具有良好的緩速性能。

圖7 緩速性能評價實驗曲線Fig.7 The experimental curve of retarding performance evaluation

5 現場應用

組合酸液體系在鄯善油田西二區L-12井進行了現場試驗。該井開發層位為S24-2小層，埋藏深度為2 734～2 739 m，孔隙度為12.80%，滲透率為4.60 mD，原始含油飽和度為49%。該井受到多重污染因素的影響：多次修井作業，作業過程中產生的機雜、作業液、油污等污染堵塞近井孔喉；長期生產過程中儲層黏土微粒等膨脹脫落，隨流體運移聚集在近井地帶堵塞儲層孔喉；水泥塞作業過程中水泥漿侵入地層造成污染。因此，決定采用組合酸液體系提高酸化效果。酸液體系配方為1.5%增產液+3.1%HCl+1.2%HF+1.0%緩蝕劑+1.0%鐵離子穩定劑。酸化壓力為28～33 MPa，酸化排量為0.5～1.0 m3/min。酸化前，該井產液量基本維持在1.70 m3/d，日產油量為0.83 t/d。2019年11月進行酸化增產試驗，初期最高日產油量為3.64 t/d。截至2022年5月，該井已穩定生產900余天，平均日產油量為2.12 t/d。與酸化前相比，平均日產油量增加約1.29 t/d，累計增產原油1 074.90 t，增產效果顯著。

6 結 論

(1) 吐哈盆地鄯善油田三間房組砂巖儲層巖石類型以長石巖屑砂巖為主，黏土礦物以高嶺石和蒙脫石為主；目的層平均孔隙度為13.00%，平均滲透率為5.78 mD，屬于低孔特低滲油藏，儲層層內非均質程度嚴重，孔隙喉道以小孔喉為主；原油具有“三低二高”特征，屬于輕質原油，地層水存在NaHCO3和CaCl22種水型。

(2) 儲層敏感性實驗表明，三間房組砂巖儲層具有中等偏弱速敏、堿敏、水敏及鹽敏，弱酸敏，臨界流速為5.009 m3/d，臨界pH值為11，臨界礦化度為14 015 mg/L。敏感性機理分析表明巖樣滲透率損害主要受黏土礦物與孔隙結構的影響。

(3) 針對儲層基本特征與敏感性實驗結果，研制了一種增產液。與土酸相比，該增產液和土酸組合酸液體系可顯著提高地層滲透率。

(4) 現場應用結果表明，使用組合酸液體系后，其增產效果較為顯著，優于常規酸化，說明該增產體系具有能夠溝通孔隙網絡，大幅提高儲層滲透率的技術特點。