碳酸盐岩油气层酸化技术研究进展

孙瑞娜，孙晓瑞

(1.长江大学地球科学学院，湖北 武汉 430100；2.中国石油新疆油田公司采油二厂，新疆 克拉玛依 834000)

碳酸盐岩油气层酸化技术研究进展

孙瑞娜1，孙晓瑞2

(1.长江大学地球科学学院，湖北 武汉 430100；2.中国石油新疆油田公司采油二厂，新疆 克拉玛依 834000)

介绍了碳酸盐岩储层的特点及其酸压改造的技术难点，综述了国内外酸化压裂技术的发展现状并报道了国内油田相关应用，指出了酸化技术未来的发展方向。

碳酸盐岩；酸压；裂缝

酸压改造工艺技术不仅是碳酸盐岩油气藏开发井增产和稳产的主导技术之一，而且已经成为勘探井发现油气或探明储量的必不可少的重要手段[1]。最近几年，我国西部发现并陆续投入开发了一批深层和超深层碳酸盐岩油气藏，该类油气藏的特点是储层埋藏深，地层温度高，产层厚度大，储层的非均质严重，基质中碳酸盐纯度高，自然投产率很低[2]。酸压改造技术已经成为该类油气藏油井投的重要方式。

1 碳酸盐岩储层酸压改造的技术难点

影响常规酸压改造效果的关键因素是酸蚀裂缝的有效长度和酸压后酸蚀裂缝的导流能力，而酸蚀裂缝的有效长度是低渗透碳酸盐岩储集层酸压改造的关键。如何有效获得较长的酸蚀裂缝一直是酸压技术要解决的难题[3]。尤其是对于深井碳酸盐岩储层，裂缝的有效延伸更加困难，其技术难点主要有：

(1)储层温度较高，基质中碳酸盐纯度高，酸岩反应速度较快，酸液的深穿透能力有限；

(2)微裂缝和小溶洞的发育造成酸液滤失严重，要实现酸液的深穿透必须有效降低酸液的滤失；

(3)储层埋藏深，注酸管长，施工中管线摩阻大，造成井口泵压高，排量难提高，井底施工压力难以达到地层的破裂压力；

(4)由于储层厚，缝高难控制；

(5)深井酸压液柱压力高，残酸返排困难，容易对储层造成二次污染。

2 国内外酸化压裂技术的发展现状

对于深井碳酸盐岩储层的酸压改造，国内外已经形成和发展了一系列基本能满足同储层条件和不同施工要求的酸压技术。以酸蚀裂缝规模为划分标准，酸压技术可分为普通酸压和深度酸压两大类。另外，为提高深层酸蚀裂缝的导流能力又发展了闭合酸化裂缝技术和平衡酸压技术。

2.1 普通酸压

普通酸压包括常规酸化和常规酸压两种，是指直接以普通酸液(盐酸 )作为压裂液或酸岩反应液对地层进行酸压处理的工艺技术。目的在于实现近井地带的污染解堵或形成小规模的酸蚀裂缝，主要是改善近带地层的导流能力。

2.1.1 常规酸化

常规酸化是指在井底施工压力小于储层岩石破裂压力的条件下，将酸液注入近井地带的地层，溶解堵塞物和部分岩石，形成分维型的酸蚀孔洞，从而提高储层渗流能力的酸化技术。其有效作用距离较短，一般小于1m。酸液为普通盐酸，酸液质量分数一般小15%。其增产机理是在井底附近周围地层中形成多条酸蚀蚓孔，从而增加径向的泻流面积和导流能力，而不改变流体的流动方向。该方法适用于有裂缝发育的低孔高渗层，主要用于油井的污染解堵和注水井的增注。

2.1.2 常规酸压

常规酸压是指以普通盐酸液作为压裂液，在井底施工压力大于地层岩石破裂压力或大于天然裂缝闭合压的条件下，在裂缝张开时将酸液注入裂缝，酸液溶蚀裂缝壁面，形成一条或多条壁面不规则的酸蚀裂缝，以提高储层渗流能力。

常规酸压的特点是酸液滤失严重，酸岩反应速度快，有效酸蚀作用距离较短，一般为15～30m，适用于孔隙型和裂缝孔隙型低渗酸盐岩储层，以及污染严重的天然裂缝较发育的储层。其增产机理是在地层中形成高导流能力的酸蚀裂缝，使流体的流动方向由径向流改为两个线性流，从而减小流体流动阻力。

常规酸化和常规酸压对地层的改造程度比较有限，只能解决近井地带的储层污染 或形成不足30m的小规模裂缝[4]。

2.2 深度酸压[5-6]

2.2.1 深度酸压工艺

2.2.1.1 前置酸压工艺

前置液酸压工艺是指用高粘非反应性置液压开地层，形成动态裂缝，然后注入酸液溶蚀裂缝的工艺技术。

前置液酸压的作用机理是：前置液压开并进入裂缝，降低裂缝壁面的温度，并在裂缝壁面形成滤饼，降低后续酸液的滤失量；后续酸液的粘度远小于前置液的粘度，流动过程形成粘性指进，从而延缓与裂缝壁面的反应速度和滤失速度，达到酸液深穿透的目的。为实现粘性指进酸压，要求前置液和酸液的粘度比至少要达到 150∶1，现场使用的高粘前置液一般有胶凝水(香豆胶或改性胍胶)、水外相乳状液和油外相乳状液等，普通酸液以无机酸(盐酸)为主，酸液质量分数15%～28%。前置液与酸液的用量比一般在1∶1～1∶3之间。有效酸蚀缝长一般为17～50m。

2.2.1.2 多级交替注入酸压技术

多级交替注入酸压工艺是指将数段前置液和酸液交替注入地层进行酸压施工。该技术在20世纪90年代成为深度酸压改造的主流技术。多级注入酸压机理与前置液酸压相似，其差别在于前置液与酸液多次交替注入，造成对地层的多次降温和多次形成滤饼，使后一次注入的酸液比前一次滤失速度明显降低；同时酸液在前置液中多次形成粘性指进，形成更大规模和更高导流能力的裂缝。

2.2.2 特性酸的深度酸压

由于普通盐酸酸液在酸压过程中滤失严重，难以形成深穿透酸蚀裂缝，因此为满足地层特性和施工需要，以普通盐酸为反应酸，发展了具有不同特性的酸液体系，包括稠化酸、胶凝酸、乳化酸、活性酸和变粘酸。另外，国内最近发展了混氮酸压技术。

2.2.2.1 稠化酸酸压

稠化酸是指在酸液中加入非交联的酸用稠化剂以提高酸液粘度的酸液体系。稠化酸的最佳入地粘度为30～40mPa·s。稠化酸摩阻较小，一般为清水的60%。在稠化酸中若加入降阻剂，摩阻可降到清水的30%～40%。其作用机理是降滤失和缓速，属于后期滤失控制。酸蚀缝长20～50m。稠化酸一般适用于中高渗储层，在低渗及返排困难的储层使用稠化酸要慎重。国内主要在四川、长庆和塔河进行了现场试验和应用，取得了较好的增产效果。

2.2.2.2 凝胶酸酸压

胶凝酸是指在酸液中加入交联胶凝剂等添加剂配制而成的酸液体系。其酸压作用机理与稠化酸相似。但胶凝酸对剪切很敏感，高温稳定性差，在残酸中破胶困难，易对储层造成二次污染。在较为致密的浅层碳酸盐岩储层中具有一定优势，在四川盆地获得较成功的应用。但在深井碳酸盐岩储层中应慎用。

2.2.2.3 乳化酸酸压

乳化酸通常是指油和酸液两种不相溶的液体按适当比例(通常为30∶70)混合，在乳化剂的作用下混配而成的油包酸乳化液。其作用机理是利用乳化酸的高粘度和外相油的阻碍作用延迟酸液与裂缝壁面的接触，延迟酸岩反应速度，使酸液的滤失时间推后，从而使整个施工过程中的液体平均滤失量降低。其优点是滤失量小，缓速性能好，能进入地层深部；缺点是施工摩阻较高，较普通酸高20%，造成酸压施工压力高，排量低。国外在大型重复酸压中使用乳化酸较多。国内塔河油田发展了低摩阻乳化酸，实现了乳化酸大排量(达到4m3·min-1)、高泵压、深穿透酸压目的，有效酸蚀缝长可达到150m，在现场获得了较成功应用。乳化酸酸压适用于深层低渗碳酸盐岩储层 。

2.2.2.4 活性酸酸压

活性酸又称为化学缓速酸，是指在酸液中加入表面活性剂或加入使酸岩反应生成的CO2形成稳定泡沫的表面活性剂而构成的酸液体系。其作用机理为表面活性剂吸附在地层裂缝壁面，延缓酸岩反应速度；或者是表面活性剂使酸岩反应生成的CO2形成稳定泡沫，在裂缝壁面上产生隔离层，延缓壁面与酸的反应。其缺点是控制滤失较差，主要适合酸岩反应速度受表面控制的低温白云岩地层，与多级交替注入技术相结合可应用于中温白云岩储层。未见该技术现场应用的报道 。

2.2.2.5 变粘酸酸压

变粘酸又称为滤失控制酸，国内也称高效酸，是指在酸液中加入一种合成聚合物，能在地层中形成交联胶凝剂增加粘度，在酸液消耗为残量后能自动破胶降粘的酸液体系。其作用机理为：随酸液在地层中的反应，pH值升高，液体交联，酸由线性流体变为粘弹性冻胶，粘度瞬间升至1000mPa·s左右，有效阻止酸液向孔洞和天然缝内滤失，从而增加酸蚀裂缝的长度；随pH值的持续升高，酸液破胶降解，液体又恢复到线性流体，粘度下降，有利于残酸返排。变粘酸具有良好的降滤性能，粘温性能稳定且残酸粘度较低，但对H2S敏感。变粘酸适用储层包括高渗层、低压层、渗透率不高但滤失严重地层或长裸眼段井。在美国的现场试验效果表明，变粘酸对温度较高地层更具有滤失控制作用，对实施型重复酸压改造效果更为明显。20世纪90年代末，国内四川石油管理局引进了该技术，成功解决长期以来严重影响酸压效果的酸液滤失问题。

2.2.2.6 混氮酸压

混氮酸压技术是为满足深层碳酸盐岩储层改造的需要而发展起来的酸压新技术，是指首先用前置液压开地层，在注酸的过程中混入氮气。氮气是以球形气泡分散于酸液中，氮气干度小于52。其作用机理与泡沫酸酸压相似，气泡具有良好的降滤失性能，并可阻止H向壁面的传递，具有缓速的性能，从而获得较长的酸液有效作用距离；混有气泡的残酸具有很强的微颗粒携带能力和返排能力。混氮酸适合于深层低压碳酸盐岩储层，在塔河油田和胜利车西油田的应用比较成功。

2.3 高导流裂缝酸压[7]

2.3.1 闭合裂缝酸压

闭合裂缝酸化是指在裂缝闭合的状态下，低排量注入酸液，酸液流过裂缝并在裂缝壁面发生溶蚀。其作用机理为酸液流过闭合的裂缝，产生不均匀溶蚀并形成沟槽，从而使酸蚀通道具有较好的导流能力。该技术通常和多级交替注入酸压工艺联合使用，因为多级交替注入酸压多次溶蚀，形成的裂缝壁面比较均匀，裂缝闭合后导流能力较低，闭合裂缝酸化可以大幅度地提高裂缝的导流能力。国外室内导流能力试验表明，闭合酸化与裂缝张开条件下的酸蚀相比，导流能力可提高几倍甚至上百倍。闭合裂缝酸化适用于较软储层(如白垩岩)以及均质程度较高的储层。在油井生产过程中天然裂缝闭合，可采用该技术来提高裂缝的导流能力。

2.3.2 平衡酸压

平衡酸压，是指压开地层裂缝形成规模后，使酸液注入量与滤失量达到平衡，酸液进一步溶蚀裂缝壁面而提高裂缝导流能力的酸压技术。该技术的优点是最大限度延长酸液与裂缝面的接触时间，提高裂缝导流能力，控制动态裂缝几何尺寸，避免压开上下非产层或水层。该技术现场施工可操作性较差，目前现场很少单独采用该技术。

2.4 复合酸压

我国深层碳酸盐岩储层的特点与国外具有很大差异，主要表现在埋藏深、储层非均质性严重和基质含油性差。靠单一的酸压工艺或酸液体系难以获得理想的效果，所以我国逐步把多种单一酸压技术集成为复合酸压技术，在现场应用中取得了很好的效果。2.4.1 胜利车西北带古潜山油田[8]

车西北带古潜山以寒武、奥陶系油气藏为主，储层埋深3900～4600m，地层压力42～49MPa，地层温度120～140℃。以白云岩、灰质白云岩为主，碳酸盐含量一般在94以上。基质渗透率为0.1×10-15～0.83×10-15m，裂缝是油气储集和渗流的主要通道，大多数无自然产能，需经酸压改造才能投产。该油田采用“多级交替注入胶凝酸+闭合酸化+混注氮气”组合而成的复合酸压技术对4口井进行了酸压改造，施工泵压42.6～76.4MPa，泵注排量在3.3～4.5m3·min-1，注入酸量212～302m3，入井总液量271～451m3，混注氮气15～18m3。

其工艺流程为：试压—高压交替注入前置液和酸液(2～4级)并混注液氮—停泵闭合裂缝—闭合压力下注入常规盐酸—关井反应—开井油嘴控制放喷。前置液和顶替液中一般不混注氮气。酸液体系配方为“普通盐酸+胶凝剂+降阻剂+缓速剂+缓蚀剂+铁离子稳定剂+助排剂”。

酸压之后4口井增产效果十分显著，产量提高5.7～39.3倍，使部分无产能井变为中高产井。车西油田的酸压实践表明，多级交替注入酸压工艺与闭合酸化工艺技术有效结合可以大大提高酸蚀裂缝的导流能力，适宜于高温深井碳酸盐岩储层增产改造。混注液氮具有明显的降滤和助排作用，可以有效改善酸压效果。

2.4.2 四川盆地碳酸盐岩气田[9]

四川盆地大多数低渗气藏具有深埋、高温高压、高含硫和多产层等特点。在该地区应用“多级交替注入+闭合酸化”组合工艺技术对储层进行增产改造。该技术实现了大液量、大排量施工，入井工作液液量220～360m3，最高达540m3，泵注强度达2.5～4.4m3·min-1，并辅以加入降滤失剂。交替级数为3～4级，有效提高了酸压改造强度，使低渗透、非均质储层得到合理的改造。

20世纪90年代末，四川石油管理局成功引进了DOWELL公司的变粘酸酸液体系及施工技术。采用前置液与变粘酸多级交替注入施工，交替级数一般为3～4级，入井液量200～400m3，施工排量达2.4～4.4m3·min-1，平均达3.5m3·min-1，用酸强度6～9m3·min-1。该技术大大提高了酸蚀裂缝长度及其导流能力，使长井段、非均质储层得到合理的改造，且残液粘度极低(1.5～7.5mPa·s)，返排性能极佳。采用该技术进行了3口井酸压施工，效果较为显著。2.4.3 塔里木盆地塔河油田[10]

塔河油田下奥陶统灰岩储层埋深5400～5600m，地层压力54～60MPa，储层温度120～130℃。储层中碳酸盐总含量平均达94.7，基质致密平均孔隙度0.665%，平均渗透率0.023×10-15m。储层中发育的溶洞和裂缝既是主要储集空间又是油气渗流的主要通道。储层非均质性极强，多数井必须经改造才能获得产能。

塔河油田主要应用了前置液酸压、多级交替注入酸压、胶凝酸酸压、乳化酸+胶凝酸酸压、高质量分数酸酸压等深度酸压技术。胶凝酸酸压、乳化酸酸压、混氮酸压技术既可单独作为酸压技术使用，也可在前置液酸压和多级注入酸压技术中被选择使用。

混氮酸压工艺为：试压—注前置液—注酸液(或多级工作液)并混注氮气—关井反应—返排。该油田14口井进行了混氮酸压，混注液氮量约30m3，残酸自喷返排率均在82%以上，平均酸液滤失系数也明显低于未混氮气井，部分井酸压后获高产。该油田的4区和6区有5口井进行了乳化酸酸压，地面施工压力均在80MPa以上，排量2.5～3.0m3·min-1，用酸强度4.0～6.0m3·m-1，有效酸蚀缝长达150m3，酸压成功率100%，酸压后5口井平均增油102t·d-1。

目前塔河油田主要应用“前置液+胶凝酸”酸压和“前置液+乳化酸+胶凝酸”深穿透酸压工艺技术，注入方式多采用一级和二级注入。

3 对酸压技术发展的展望

(1)为实现深穿透，酸液体系已由单一型向复合型发展，已经逐步成为降滤失、缓速、缓蚀、降阻和助排的多功能酸液体系。高粘度胶凝酸和低摩阻乳化酸的发展实现了大排量、高泵压、深穿透的目标。

(2)酸液的注入工艺已发展为不同酸液体系的交替单级注入或多级交替注入，在深井碳酸盐岩储层能同时实现裂缝的深穿透和高导流能力。

(3)为适应我国深层碳酸盐岩储层酸压的需要，应大力发展不同体系组成的复合酸压技术。

(4)多数碳酸盐岩油藏属于块状底水或带有气顶的油藏，避气顶和避底水是目前酸压亟待解决的问题，因而分层酸压和控缝高酸压技术是未来的发展方向之一。

(5)缝洞性碳酸盐岩储层酸液滤失问题，影响了裂缝的延伸长度，降低了酸压裂缝沟通天然裂缝系统的几率。变粘酸酸压技术的发展和现场应用是深度酸压技术的重大突破，有望发展为深层碳酸盐岩储层酸压的主流技术。

[1]Michael J.Economides;Kenneth G.Nolte, et al.康德泉，等译.油藏增产措施（增订本）.北京：石油工业出版社，1991.

[2]周永昌，王新维，杨国龙.塔里木盆地阿克库勒地区奥陶系碳酸盐岩成藏条件及勘探前景[J].石油天然气地质，2000，21(2)：104-109.

[3]张振华，周志士，邹盛礼.裂缝性碳酸盐岩油气藏保护方法[J].钻井液与完井液，1999，16(5)：30-34.

[4]布雷德利,H B.石油工程手册(上)：采油工程[M].北京：石油工业出版社，1992.

[5]黄君鹏，刘代蛾，顿金婷，等.碳酸盐岩油气层多级注入酸压-闭合酸化技术研究[J].内蒙古石油化工，2001，27(2)：8-11．

[6]吴小川，等.碳酸盐岩储层酸化压裂技术的应用及展望[J].安徽化工，2013，39(2)：16-21.

[7]黄瑛.国内外酸化技术发展近况[J].钻井液与完井液，2000，17(1)：31-34．

[8]王秉海，钱凯.胜利油田地质研究与勘探实践[M].东营：石油大学出版社，1992.

[9]刘同斌，唐永帆.四川油气田压裂酸化液体技术新进展[J].石油与天然气化工，2002，31(s1)：47-53．

[10]周兴熙.初论碳酸盐岩网络状油气藏-以塔里木盆地轮南奥陶系潜山油气藏为例[J].石油勘探与开发，2000，27(3)：5-8.

Technology Advances in Carbonate Reservoir Acidizing

SUN Rui-na1, SUN Xiao-rui2
(1.College of Earth Sciences, Yangtze University, Wuhan 430100, China; 2.PetroChina Xinjiang Oilfield Company, Second oil Production Plant, Kelamayi 834000, China)

The characteristics of carbonate reservoirs and technical difficulties of acid fracturing was introduced. The development status of acid fracturing technology and reports the related applications in domestic oilfield was summarized. The development direction of acidification technology was point out.

carbonate; acid fracturing; crack

TE 344

A

1671-9905(2014)03-0032-04

孙瑞娜（1989-），女，长江大学地球科学学院矿产普查与勘探专业硕士，研究方向为沉积岩沉积相，E-mail：595537851@qq.com，电话：18062795369

2014-01-19