酸化壓裂技術在低滲透油田開發中的應用效果分析

王 勤，溫建強，楊振策

（延長油田股份有限公司吳起采油廠，陜西延安 717600）

進入21世紀以來，隨著國內能源消耗的不斷增加，我國對于西部以及東北部的石油資源勘探程度不斷加深。伴隨著現有石油資源的開采，可用于工業開采的油氣資源呈現出愈加匱乏的態勢。在此背景下，如何在低滲透油田中開展相關增產技術的應用是油田開發人員的主要研究方向。酸化壓裂技術的主要途徑是對油層進行酸處理改造，從而實現油水井的增產或增注。早在20世紀90年代就有科學家提出酸化解堵油層改造工藝，最初使用的酸溶液為煙酸，伴隨著技術的進步，酸溶液逐漸變成鹽酸、土酸等，具體需要根據油層的深度及其他實際情況來選擇，目前，酸化壓裂技術已基本發展成熟。當前，從實際情況出發，研究酸化壓裂技術在低滲透油田開發中的應用，對于我國的經濟發展和能源供應穩定具有十分重要的意義[1]。

1 酸化壓裂技術的原理

酸化壓裂技術的實施手段是將酸液注入預先測定的油層中，所選擇的酸液對油層巖石應具有較強的化學溶蝕作用，溶蝕作用能改變油層內部裂縫壁面的構造，酸液與油層巖石中的黏土礦物、碳酸鹽巖類等成分發生化學反應，使裂縫不能完全閉合，從而提高油層巖石裂縫的導流能力，使相關注采設備能在對應油水井中實現更高的生產效率，增加油井產量或注水井注入量，避免開采油層因滲透率過低而供液不足。酸化壓裂作業的目的是改造低滲透油層的裂縫表面形狀，疏通油層孔隙堵塞，打開油氣流入井筒的通道，進而為油田的增產提供先決條件。

2 提升低滲透油層滲透性的方法

2.1 水力壓裂技術

水力壓裂首先要在地面進行高壓泵組的組建工作，在編制施工設計時，需要根據目標油層的深度初步確定壓力值。正式施工時，通過高壓泵組將壓裂液以遠高于地層吸收能力的排量注入油井中，利用液體傳遞壓力的能力，使油井井筒內憋起一定壓力，當壓力超過油層破裂壓力后，就會形成一定數量的裂縫，它們可能是平面上的，也可能是豎向上的。但此時形成的裂縫形態穩定狀況得不到保證，需要使用支撐劑來避免目標油層出現塌陷、裂縫閉合的情況，使用高壓泵組可以將帶有一定規格支撐劑（石英砂、陶粒）的壓裂液注入裂縫，使裂縫能繼續向前延伸，并填滿這些裂縫的內部空間，極大增加裂縫的穩定性。停泵后，由于支撐劑的作用，裂縫不會再次閉合。通過壓裂作業產生的人工裂縫可以很大程度上增加油氣流向井筒的活動空間，目標油層的滲透性將會得到極大提升，從而起到良好的增產效果，該項技術又被稱為油層水力壓裂技術。由于該項技術在應用過程中需要用到高壓泵組、支撐劑以及壓裂液等，因此實際壓裂作業的成本較高。

2.2 酸化解堵技術

在進行酸化解堵技術應用的過程中，并不需要使用到高壓泵組，使用普通的柱塞泵將配方酸液注入目標油層或井筒內即可，這就減少了高壓泵組組裝的時間以及設備、物料使用的成本。注入目標油層的配方酸液能對油層中存在的堵塞物以及巖石產生溶蝕作用，從而有效改善油層的滲透性。在低滲透油層中應用酸化解堵技術能有效提升油井的產量，是我國現階段提高油層巖石滲透性最主要的技術之一。在應用酸化解堵技術的過程中，酸液的種類有鹽酸體系、土酸體系以及氟硼酸體系等，需要根據油層巖石種類的不同來選擇酸液，才能達到預期的解堵效果。常用的酸化解堵工藝主要有土酸酸化工藝、氫氟酸酸化工藝、氫氟酸順序處理工藝和氟硼酸酸化等工藝，不同工藝或工藝相同但配方酸液濃度不同，在酸化解堵效果方面都存在著不同的表現。一般而言，常規土酸酸化工藝能夠解決絕大多數的砂巖油氣層堵塞滲透率低的情況，但在作業深度方面不如氟硼酸酸化工藝，總之需要根據目標油層的實際情況來優選某一類酸化工藝。

低滲透油層在實際的生產過程中普遍存在著產量過低的情況，通過各種手段提高滲透率是非常必要的，是國內油田未來一段時間實現增量增產的主要手段，能對我國能源市場的發展起到一定的促進作用。特別是酸化解堵技術，相較于傳統的壓裂技術而言其操作更為簡單，只需向地層中注入酸液，使之與地層巖石發生化學反應，達到增大油層巖石的孔隙度，提高油層的滲透率的目的，并不需要使用支撐劑，極大地降低了油層的改造成本。此外，通過酸液總量、濃度及配方的不同設計能夠實現對改造油層溶蝕程度的精準控制，避免過量的酸液對目標油層整體構造的影響，對提高油井的產量很有幫助。

3 酸化壓裂技術分析

3.1 酸化壓裂井層的選擇

在應用酸化壓裂技術前，需要對不同類型儲層剩余油的定量分布進行勘察，從而達到根據改造油層的地質條件、注采情況進行選擇的目的。酸化壓裂技術井層選擇的大致方法，主要包含以下三點。

（1）酸化壓裂井應當具有完善的注采系統以及較高的地層壓力，能實現對酸液的傳輸，并且使其能精準到達改造目標區域，避免因為傳輸精度所導致的酸化溶蝕目標的誤差，這是酸化壓裂技術應用取得良好效果的基礎。

（2）投產初期產量較高，但在投入生產一段時間之后，產量出現明顯下降的井為酸化壓裂改造的優選井，這主要是因為此類油井可能由于鉆井液污染近井地帶油層或其他原因所導致的油層堵塞，導致表皮系數較高，從而出現產量驟降的情況，因此將酸化壓裂技術應用到這類油井中能取得較好的效果。

（3）縱向上選擇低含水或未見水油層，平面上選擇砂體變差部位進行酸化壓裂，這類油層通常都具有低滲透的特點，需要通過酸化壓裂技術的應用來提升產量。地層條件好，但出油狀況差的動靜態不相符的油層通常是因為地質狀況而導致產油量較低，也可通過酸化壓裂技術來改變目標油層的地質狀況，達到提高油井產量的目的。

3.2 解除地層污染方法研究

在油田生產過程中，一是油氣層的黏土礦物溶于液體后會產生多種離子，如鐵離子與鈣離子是油氣層中存在總量最多的離子種類，這些離子會對油田開發產生較大影響，主要是導致開發油層被污染，從而導致油井產量下降的情況，且伴隨油氣層開發的深入進行和時間的推移，這類離子對油層所產生的污染情況會越來越嚴重；二是油層中由于細菌的存在，它們產生的代謝物附著在油層巖石裂縫或孔喉表面，隨著時間的推移，就會堵塞流體滲流通道，這兩點是造成油井生產過程中產量下降的主要原因。針對這類情況，一般會使用常規酸化處理的方法來對油氣層中形成的離子沉淀或細菌代謝物進行清除。但常規酸化技術并不能完全消除離子沉淀的影響，因為離子會從酸化處理的衍生物泛酸中再度沉淀出來，使得油田的產量再次出現下降的情況。在酸化壓裂的過程中通常會使用黏土穩定劑，黏土穩定劑雖然能夠降低黏土礦物溶解產生離子的速度，但并不能完全消除離子所產生的影響。針對這種情況，在常規酸化處理技術的基礎上進行綜合酸化處理工藝技術的研究，并且通過對酸化壓裂施工的預處理可有效消除因為黏土膨脹、運輸以及沉淀所產生的污染情況。綜合酸化反應所產生的衍生物還能防止離子在地層中再次出現，有效降低酸化殘余液在裂縫中對巖石的二次傷害。綜合酸化處理工藝技術的應用流程如下。

（1）應用離子螯合劑，使離子螯合劑能與前置酸溶液進行充分地混合。

（2）在壓力泵中應用隔離液。

（3）在壓力泵中應用黏土穩定劑，并且與后置酸溶液進行充分地融合。

（4）在壓力泵中注入頂替液。

4 實際應用效果分析

4.1 研究對象

此次研究選擇了鄂爾多斯盆地西北部三疊系和侏羅系致密砂巖油層作為酸化壓裂技術的研究對象，在下文的論述中簡稱為W油田目的層段，該層段具有相對獨特的地質學特征。在進行酸化壓裂技術應用之前，通過查閱W油田兩套油層的地質資料，發現該研究區域的油層巖石骨架顆粒中不穩定組分含量較高，如油層中含有長石巖屑，并且還有外來流體的作用效果，這就使得該油層巖石與流體存在發生物理、化學反應的條件，從而在一定程度上降低了穩定性，儲層的結構也呈現出不規則的特性。除此之外，在整個油層區域內顆粒的磨圓度較低，分選差，這就導致了油層巖石的低滲透特點。如果在實際的油田生產過程中所使用的酸化壓裂技術對儲層造成破壞，那么滲透率將會進一步降低，油田的產能將會呈現出不穩定的狀態。通過更為細致的地質研究發現，該地區砂巖的主體部分為骨架顆粒，并且砂巖的大小、成分、形狀都對油氣流動產生直接影響。碎屑巖骨架顆粒主要為石英、細沙、粗砂、長石和巖屑，整體的強度較高但是結構不穩定，主要以石英為結構強度材料。砂巖中石英是物理化學性質最穩定的組分，這是酸巖反應最主要的處理目標，需要根據勘查工作中石英的種類來進行酸化材料的確認。在實際的油田勘探開發過程中，除了氫氟酸以及pH＞10的強堿性環境外，石英都呈現出較穩定的物理化學性質，一般的酸性材料對于石英的溶蝕反應較弱。長石在性狀表現上為架狀硅酸鹽礦物，與碎屑巖骨架中含量較大的石英相比，長石在物理、化學方面的性狀表現不穩定，因此，常規的酸化反應材料就能實現對長石的溶蝕作用。長石類礦物與酸液接觸時，化學反應的效果較為強烈，但需要注意的是，長石與酸液的反應物為含鈣沉淀物或非晶質的二氧化硅凝膠體，這種沉淀物與膠體所形成的混合衍生物具有較強的密閉性，如果不應用針對性措施，就有可能造成孔隙堵塞情況的加重，從而造成儲層污染加重，進一步降低油井的產量。因此在目標油層酸化處理的過程中所使用到的酸化材料有兩種，分別為常規的土酸和氟硼酸。土酸中氫氟酸主要是與鈣長石發生反應，溶蝕掉存在于碎屑巖骨架顆粒中的鈣長石，但容易形成CaF2及非晶質的SiO2沉淀物，沉淀物會堆積在油層巖石的表面，造成滲透性的下降，而HCl的主要作用是與沉淀物進行化學反應，使沉淀物分解，從而實現較為理想的酸壓效果。但需要注意的是，如果目標油層處于強堿性環境下，鈉長石、鉀長石、斜長石等礦物將產生新的硅膠體凝聚和硅酸鹽沉淀，常規的土酸無法與其沉淀物以及凝聚物產生化學反應。

4.2 常規土酸酸化應用及效果分析

首先，使用常規土酸酸化技術對目標油層進行酸化壓裂效果的試驗，試驗油井分別為41-144井、41-128井、29-2-6井、ZT8井以及47-76井，所選擇的目標試驗油井均滿足酸化壓裂作用井層的選擇標準。土酸酸化體系液主要是由10%的鹽酸和3%的氫氟酸溶液混合而成，使用無機聚合物類化合物氧氯化鋯作為黏土穩定劑，并且在溶液混合的過程中加入乙酸，來對目標油層中大量存在的鐵離子進行中和作用，實現對酸化效果的控制。在這些試驗油井中，29-2-6井和ZT8井取得明顯的酸化效果，41-144井、41-128井取得一定的酸化效果，但47-76井基本無酸化效果，證明常規的土酸酸化工藝并不適用于所有的油井。

4.3 氟硼酸酸化應用及效果分析

常規的土酸酸化工藝在實際的應用過程中，酸液在近井地帶就與巖石和黏土反應完畢，并沒能在目標油層進行反應，如果盲目增加土酸酸液的用量就會破壞近井地帶的巖石結構，反而降低油層巖石的滲透性，因此需要在常規土酸酸化工藝的基礎上進行優化設計。通過氟硼酸的使用，能在地層中形成多級水解生成氫氟酸，使得酸性溶液能順利進入到目標油層，并與油層深處的黏土和巖石發生化學反應，避免常規土酸酸化反應所帶來的反應深度不足的情況。在實際操作中分別對47-76井、47-78井、41-223井以及41-303井進行氟硼酸酸化解堵作業，試驗井的選擇均滿足酸化選井條件。41-223井的酸化效果最為明顯，所以將其作為此次試驗的分析案例，油井的深度為2 212m，射開油層厚度為21m，油層共分為四個小層，鉆井開發所記錄的資料顯示，油層中的平均孔隙度為9.52%，滲透率為7.36×10-3μm。在該油井投入生產的初期產量能達到10.2m3/d，含水率為19%。但經過不到一年的時間，產量下降到了1.7m3/d，含水率也大幅度上升至64%，在經過氟硼酸酸化處理之后該油井的產量恢復到了6.8m3/d，含水率也下降至36%，此外，在47-76井應用氟硼酸酸化工藝，也取得了明顯的增產效果。

5 結語

1）在油層酸化時，酸液的種類包含有多種體系，需要根據油層巖石種類的不同來選擇酸液，根據目標油層的實際情況來進行酸化工藝的選擇，才能達到預期的施工效果。

2）在進行酸化壓裂前，需要根據油田注采情況、油井投產后產量與含水率變化情況及儲層地質條件選井選層，否則容易造成無效施工、油井產量進一步下降或產出液含水率快速上升。

3）對相同或相鄰油層的不同油井，在進行酸化壓裂或酸化解堵作業時，需要根據各油井的實際情況選擇酸液體系，才能達到預期改造效果。