水平井分段酸压工艺在大牛地气田的研究与应用

2013-03-06张永春狄伟何青王德安中石化华北分公司工程技术研究院河南郑州450006

石油天然气学报 2013年9期

张永春，狄伟，何青，王德安（中石化华北分公司工程技术研究院，河南郑州450006）

梁护战（中石化华北石油局井下作业公司，河南郑州450006）

大牛地气田位于陕西省榆林市与内蒙古自治区鄂尔多斯交界地区，构造位置处于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡北部东段。气田上古生界发育有大面积连片的致密砂岩气藏，经过近10年来的勘探开发取得了良好的效果。近年来，在下古生界奥陶系风化壳中发现了碳酸盐岩气藏，该气田属低孔、低渗气藏，且储层非均质性较强、微裂缝发育，前期采用直井酸压改造未取得理想的效果。随着勘探开发的深入，调整了开发方式，采用了水平井进行开发试验。通过采用裸眼完井、管外封隔分段压裂工具实施分段酸压改造方式，扩大了改造体积，提高了酸蚀裂缝导流能力，分段酸压增产效果良好，对其他低渗、致密碳酸盐岩气藏的开发具有重要的指导意义。

1 储层地质特征及酸压难点分析

1．1 储层地质特征

大牛地气田下古生界奥陶系马五段（Om5）发育有孔隙－裂缝性碳酸盐岩，其中风化壳－（上标表示亚段）储层以岩性较纯的白云岩发育为主，通过镜下薄片观察，岩石类型以微－粉晶白云岩和细晶白云岩为主要的储集岩相类型，Om55储层则以潮下灰岩白云化形成的云质灰岩或灰质白云岩为主体。孔隙类型以晶间孔及晶间溶孔、粒间溶孔、粒内溶孔、膏模孔为主，发育破裂缝、溶蚀缝等微裂缝（图1）。

图1 储层孔隙微观结构

下古生界碳酸盐岩Om5为低孔（孔隙度4%～8%）、低渗（渗透率0．01～1mD）致密，低压（压力因数0．8左右）气藏；地温梯度3．08℃／100m；水平最小主应力方向为NE45°左右、应力梯度大于1．8MPa／100m［1］。

1．2 酸压难点分析

2011年以前，在大牛地气田针对下古生界碳酸盐岩储层开展了90多井次直井酸压工艺施工，主要采用了普通酸压、前置酸压、多级交替注入酸压、闭合酸压、多级注入闭合酸压等酸压工艺，无阻流量最高达到5．15×104m3／d，但达到工业气流的井数较少，直井改造获取工业气流14层，占总井数15．6%。总结分析存在以下问题：

1）酸液滤失严重，实现深度酸压困难储层非均质性较强，存在不同程度的裂缝发育，酸压施工过程中酸液滤失较为严重。对Om5进行扫描电镜分析，Om5为裂缝－孔隙性储层，基质渗透性差，裂缝发育，含有充填、半充填、未充填等各种类型裂缝。

2）直井酸压难以建产，需要水平井分段酸压提高单井产量需通过水平井提高储层裂缝钻遇率；通过分段数和长距离的酸蚀缝长，扩大改造体积，提高单井产量。

随着勘探开发的深入，调整了开发方式，采用水平井进行开发。水平井相对直井具有泄气面积大、储量动用程度高、改造体积大、单井产量高、开发占地少、日常管理方便等优点。

2 水平井分段酸压工艺

水平井多级管外封隔分段酸压工艺是通过裸眼封隔器和滑套开关实现多段压裂，工具和完井管柱一体下入，通过投入大小不同的球，控制各级滑套打开，实现一次改造多段。分段压裂（图2）①郑锋辉．大牛地气田水平井分段压裂技术研究与应用．中国石化华北分公司工程技术研究院，2010．完成后，开井返排后即可投产。该工艺工具质量可靠，耐酸腐蚀，适应不同的井身结构，滑套打开可靠；采用低密度树脂球，有利于压后返排，强度和密封性能合格，承压形变小；可大排量泵注，提高储层的改造强度。采用3in（1in＝2．54cm）油管进行泵注施工，具有15段的分级能力［2］。

图2 多级管外封隔分段压裂工艺示意图

3 酸液体系

转向酸具有暂堵、转向、增加酸蚀距离以及降滤的特点，在酸压过程中随着酸液与岩石反应的不断进行，酸液质量分数降低，而黏度增加，抑制酸液的滤失。当酸继续与岩石反应后，反应后的Ca2＋、Mg2＋质量分数增加，溶液表现为黏度降低，有利于残酸的返排［3］。

3．1 转向酸作用原理

转向酸是一种黏弹性表面活性剂类的酸液体系。高质量分数的转向酸由于氢离子的屏蔽，该表面活性剂表现为游离的胶束，酸液表现为低黏度状态；随着酸岩反应的进行，酸液中氢离子质量分数的降低，对溶液中表面活性剂胶束之间的屏蔽作用减弱，胶束之间可以聚集，形成更高级的层状胶束，同时酸液中反应产生的Ca2＋、Mg2＋质量分数增加，这些金属离子可以与表面活性剂中的O、N形成配位键，进一步使胶束的聚集体增大，从而使酸液表现为黏度逐渐增加；当酸继续与岩石反应后，溶液中的Ca2＋、Mg2＋质量分数进一步增加，这些离子嵌入到表面活性剂形成的胶束结构之间，将胶束分离开来，导致溶液中又充满了游离的胶束，溶液表现为黏度降低（图3）。

图3 转向酸原理示意图

图4 转向酸黏度与质量分数变化曲线

另外，酸液黏度随质量分数的变化而变化，且存在一个临界酸质量分数（10%左右），当酸液中酸质量分数趋近于此临界值时，酸液的黏度升高，当背离于该临界值时，酸液黏度降低（图4）。转向酸这样的特性，使酸液在能到达的区域起到暂堵转向以及降滤的作用，而到残酸阶段，酸液黏度降低到10mPa·s以下，有利于残酸返排［4］。

图5 转向酸流变性能测试

3．2 转向酸室内试验评价

1）转向酸流变性能残酸在90℃下，黏度迅速增加，最高达到150mPa·s，后期黏度基本保持稳定，剪切90min后酸液黏度依然保持在60mPa·s左右，这样与鲜酸形成黏度差，因此，具有很好的降滤及分流转向性能（图5）。

2）转向酸缓速性能在室内对比了质量分数为20%盐酸溶液与转向酸的反应速度，测定了其缓速率。按酸液配方配制好转向酸液，将配制好的酸液与质量分数为20%盐酸（无转向剂），在常压、90℃、静态条件下分别与过量的大理石反应，间隔一定时间取样，用NaOH标准溶液滴定液体中盐酸的质量分数。未加转向剂的盐酸在反应30min时已近乏酸，而转向酸至120min时还有近5%的酸质量分数（图6），说明转向酸液具有很好的缓速效果。

图6 转向酸液的酸质量分数与反应时间的关系

图７转向酸体系注酸过程中的压力响应曲线

3）转向酸转向性能和降阻性能初期注入压力较为平缓，注入转向剂时，注入压力持续上升，表明酸液的黏度在酸化过程中增加形成一种暂堵段塞，是体系分流能力的体现（图7）。试验岩心的入口面没有任何残留物，表明转向过程发生在岩心内部。

转向酸在4m3／min排量下，在外径88．9mm油管流动摩阻系数为7MPa／km，折合计算酸液的降阻率为50%左右。

4）储层适应性评价随着酸液质量分数的降低以及Ca2＋、Mg2＋等反粒子的存在，酸液黏度逐渐增加，酸液有效传质系数减小，酸岩反应速率减小。溶蚀率试验结果表面，转向酸针对Om5灰岩储层的溶蚀率较高，达到85．35%～92．1455%。通过观察转向酸刻蚀岩板后的岩板表面没有见到蚓孔，表明转向酸能有效改变酸液的流动方向，阻止蚓孔产生。

残酸表面张力为26mN／m，残酸界面张力为2．5mN／m，残酸具有较低的表面张力及界面张力，对于低压储层有利于残酸的快速返排。同时酸液稳定性测试（90℃、72h）无分层、无沉淀，说明酸液在地层温度下具有很好的稳定性。

4 水平井分段酸压参数优化

根据储层的地质参数和储层特征，结合前期直井酸压改造经验，单段酸蚀裂缝长度在150～200m就可以获得较理想的产能，此时需要的转向酸液量为200m3左右，考虑裸眼段储层的表面酸岩反应和滤失影响，针对不同水平井段的滤失和物性，略有变化。

对于施工排量为了延缓酸岩反应速率，遵循在施工压力不超过施工限压的情况下，尽可能提高施工排量，最低要求排量大于5．0m3／min。

5 现场试验

PG2井是华北分公司在大牛地气田下古生界碳酸盐岩储层中的第一口水平井，完钻层位为Om5，水平段长1000m，根据地质显示情况，采用多级管外封隔分段工艺优选9段进行酸压改造。酸压设计的总体思路为 “高排量、降阻、缓速、降滤、大规模、深穿透”。根据各段储层的差异，单段设计转向酸最小规模为180m3，最大规模270m3。

PG2井现场成功进行了9级酸压，入地总液量2236．4m3，施工最高压力74．7MPa，最高排量7．2m3／min，施工顺利，滑套全部打开。施工过程中，裂缝转向特征明显，转向酸进入地层后，排量降低，施工压力升高，裂缝转向特征明显。压后12h自喷见气；试气平均产量5．2×104m3／d，返排率达56．5%。与周围相同层位直井相比，增产倍比达到10以上。