高碳酸盐岩含量砂岩酸化实验研究

2016-12-20齐先有

特种油气藏 2016年4期

关键词：酸液碳酸盐岩酸化

齐先有

(中国石油辽河油田分公司，辽宁盘锦 124010)

高碳酸盐岩含量砂岩酸化实验研究

齐先有

(中国石油辽河油田分公司，辽宁盘锦 124010)

为改善低渗透砂岩油藏的酸化效果，在施工前需要进行合理的评价实验。通过流动实验评价了前置酸、主体酸用量对酸化效果的影响，并在此基础上采用X衍射、岩石薄片、扫描电镜等手段对流动物理模拟结果进行了分析，使宏观现象和微观机理得到了有效结合。研究表明：S3井区岩样中含有较高的碳酸盐矿物，平均含量为13%；前置酸在钙质砂岩酸化过程中具有非常重要的作用，当前置酸段塞不足时，土酸和钙质胶结物反应产生沉淀，影响酸化效果；前置酸足量时，酸化效果明显，岩石孔隙得到有效增大。结合研究结果精选酸液体系，在S3井区进行了4井次酸化施工，起到了良好的增产效果。精细酸化设计可避免酸化后渗透率不增反降的问题，同时建议矿场试验中选用适合储层特点的添加剂以提高酸化效果和成功率。该研究结果对类似油藏酸化设计具有指导意义。

砂岩酸化；地层伤害；低渗透；土酸；X衍射；岩石薄片；扫描电镜；高碳酸盐岩

0 引言

低渗透砂岩地层注水过程中易受污染而导致注水能力降低[1]。通过酸化施工，可解除污染，提高注水能力，但若酸化设计不当，会加剧油层污染，因此，在施工前需要进行合理的评价实验。常用的酸液体系包括土酸体系、氟硼酸体系、多氢酸体系等。在注主体酸之前，需注稀HCl做前置液。HCl可以溶解储层中的碳酸盐岩矿物，避免主体酸中的HF与碳酸盐岩矿物反应生成CaF2、MgF2等[2-6]。S3井区为低渗透砂岩油藏，储层岩心空气渗透率平均为0.401×10-3μm2，孔隙度平均为9.24%。该井区碳酸盐岩含量较高，在开发过程中存在注水压力高、注入量欠缺等问题，部分井在以往的酸化施工中，存在酸化效果较差甚至酸化后渗透率不增反降等情况。针对上述问题，重点考虑了前置酸在高碳酸盐岩储层酸化施工中的作用，探索了酸液体系设计中前置酸的用量对S3井区酸化效果的影响。在使用现场岩心进行酸化流动物理模拟实验的基础上，通过岩石薄片、扫描电镜等手段对物理模拟结果进行了分析和印证[7-11]，使宏观现象和微观机理得到了有效结合。

1 实验部分

1.1 实验材料与仪器

实验用HCl、HF、缓蚀剂、黏土稳定剂以及互溶剂等均为工业品。实验用油田水样离子组成见表1。

表1 油田水样离子成分分析

实验用仪器主要包括扫描电镜、显微镜、X射线衍射仪(X'pertPROMPD，荷兰帕纳科公司)以及酸化物理模拟实验系统。

1.2 实验方法

(1) 溶蚀率测定。

(2)XRD矿物测试。岩样全岩组成通过X射线衍射仪进行测定。

(3) 岩心薄片鉴定。不同矿物经混合染料处理后的颜色见表2。

表2 不同矿物经混合液染色颜色鉴定

(4) 岩心酸化流动物理模拟实验。使用天然低渗透岩心进行酸化流动物理模拟实验，实验步骤：①将岩心样品用索氏抽提器洗油后烘干、饱和盐水，测出岩心孔隙体积；②物理模拟实验，温度为90 ℃，首先将岩心放置在岩心夹持器中，保持围压为3～4MPa，注4%NH4Cl测基准压力，再注油田水测渗透率，然后注一定体积的前置酸、主体酸(前置酸和主体酸的注入量根据酸化效果即时调整)，最后用4%NH4Cl溶液顶替，计算渗透率。为减少酸液对管线以及岩心的伤害作用，酸液体系中加入2%黏土稳定剂、2%缓蚀剂、2%铁离子稳定剂、2%互溶剂。采用3块岩心进行驱替实验。

2 实验结果与讨论

2.1 岩心溶蚀率

测定了90 ℃时不同酸液体系对岩心的溶蚀率(表3)。由表3可知，HCl的溶蚀率大于10%，说明岩样中有较高含量的碳酸盐岩矿物。HCl和HF复配后，溶蚀率大幅度提高，其中12.0%HCl+3.0%HF构成的常规土酸溶蚀率高于25%。

表3 岩心溶蚀率

砂岩酸化以选择溶蚀率为20%～30%的酸液为佳，因此，主体酸选择低浓度的土酸体系。

2.2 酸化前岩心分析

储层矿物组成是酸液设计的重要依据[12]。在全直径岩心的不同部位取岩心粉末做XRD矿物分析(表4)。由表4可知，岩样中有较高含量的长石矿物，而黏土矿物含量较低。另外，岩样中碳酸盐岩含量较高，其中方解石平均含量约为10%，白云石约为3%。

表4 岩心矿物组成

为了直观地观察方解石矿物在岩石中的填充特征，使用偏光显微镜对未经酸化处理的空白岩样进行薄片鉴定(图1)。图1中2张图片为同一位置经不同偏光处理采集的图像，a为单偏光，b为正交偏光。单偏光图片主要反映粒间充填物的特征，特别是钙质胶结物。而正交偏光下的图片主要反映孔隙特征、矿物成分和岩石结构[3]。由图1可知，矿物成分包括石英、长石以及方解石等，其中长石以斜长石为主，方解石化和白云石化严重，填隙物以孔隙式胶结碎屑。染色后的方解石在偏光显微镜下呈红色，填充于孔隙中，导致岩心孔隙的减小和渗透率的降低。在酸化过程中，如果前置酸的量不能充分溶解这些钙质矿物，则后续主体酸(特别是土酸体系)中的HF会和这些矿物反应生成CaF2沉淀，造成储层堵塞。

图1 空白岩心薄片鉴定

空白岩心的电镜扫描图像见图2。由图2可知，未经酸化的空白岩心的岩屑颗粒较平整，岩性致密，孔隙微小。

2.3 酸化流动实验

岩心长石含量较高，其反应速度低于黏土矿物，但远远高于石英。根据矿物分析和酸化经验[13-18]，选择7.5%HCl作为前置液，选择6.0%HCl+1.5%HF作为主体酸。

图2 空白岩样端面SEM图

2.3.1 1倍孔隙体积前置液流动实验

按前置酸1倍孔隙体积、主体酸3倍孔隙体积对岩心1进行酸化流动物理模拟实验，不同液体段塞的注入体积及相应的注入压力梯度见图3。

图3 岩心1酸化注入压力梯度曲线

流动实验分为5个阶段。第1阶段注入4%NH4Cl至压力梯度平衡，并以此计算出岩心的水相渗透率。第2阶段注油田水，模拟实际注入水对岩心的伤害。现场注入水矿化度低，且含有一定量悬浮颗粒，造成注水压力梯度升高。第3阶段注入由7.5%HCl、2%缓蚀剂、2%黏土稳定剂、2%铁离子稳定剂、2%互溶剂等添加剂构成的前置液，前置液注入量为1倍孔隙体积。前置酸可清除孔隙表面的碳酸盐岩、冲洗注入水中的金属离子。注前置酸过程中，HCl和碳酸盐岩反应生成CO2，产生贾敏效应，导致注入压力梯度不断升高。第4阶段注入由6.0%HCl+1.5%HF构成的土酸，土酸注入量为3倍孔隙体积。该过程中压力梯度一直升高，岩心出口端观察到气泡。第5阶段注4%NH4Cl测渗透率，注入压力梯度降低，计算结果显示渗透率降低50%，说明酸化不仅未能提高岩心渗透性，反而对岩心造成了伤害。

2.3.2 不同倍数孔隙体积前置液流动实验

前置液和主体酸注入量需根据实验结果进行调整，在进行酸化影响因素研究时，应固定主体酸和前置液中的某一因素，只改变另一因素，但这样需要进行较多组实验，消耗大量岩心，由于现场岩心缺乏，故只能进行调整，在改变主体酸(或前置液)用量的同时，对前置液(或主体酸)用量进行了适当调整。

(1) 结合岩心1的实验结果，调整前置液和主体酸的注入量，将前置液注入量升至2倍孔隙体积、主体酸注入量升至17倍孔隙体积。酸化后岩心2的注入压力梯度略有降低，说明注酸使地层渗透率稍有提高，但效果不明显。酸化过程中，考虑到主体酸段塞已非常充足(达17倍孔隙体积)，因此，推测可能是前置液注入量不足使酸化效果不明显。

(2) 为了进一步验证前置液的作用，设计了前置液注入量为7倍孔隙体积、主体酸注入量为6倍孔隙体积的流动实验。酸化后岩心3的注入压力梯度大幅度降低。

不同岩心流动实验的数据总结见表5。由表5可知，大幅度提高前置液用量并适当降低主体酸用量，岩心的渗透率变化率达42.91%，说明前置液的用量对酸化效果有重要影响。实验过程中发现，当前置液注入量大于5倍孔隙体积且岩心出液端出现连续气泡时，转注主体酸后酸化效果会较为明显。

表5 岩心酸化解堵数据汇总

2.4 酸化后岩心分析

实验结束后3块岩心的偏光显微照片见图4。由图4可知，酸化后，岩心1有非天然矿物存在，可能为二次反应产生的沉淀，且孔隙周围有红色方解石矿物残留。岩心2孔隙中仍存在染为红色的方解石矿物和染为蓝色的铁白云石。岩心3中红色染色部位和蓝色染色部位明显减少，缝洞率为9%。

图4 酸化后岩心薄片偏光显微照片

酸化后3块岩心的扫描电镜照片见图5。由图5可知，酸化结束后，岩心1、2孔隙周围存在沉淀物，这可能是注入的前置液较少，导致孔隙表面的方解石矿物和酸液反应产生二次污染，从而影响了酸化效果。岩心3中形成明显的溶蚀孔洞，这些溶蚀孔洞应是酸化效果明显提高的根本原因。

图5 岩心酸化后端面SEM图(由左至右依次为1、2、3号岩心)

3 矿场应用效果

结合实验研究结果，并考虑矿场施工实际，优选酸液体系为：前置酸为7.5%HCl+其他添加剂，主体酸为6.0%HCl+1.5%HF+其他添加剂，在S3井区进行了4井次酸化施工(表6)。由表6可知，油管压力酸化后比酸化前提高6MPa以上，较好地恢复了地层渗透性能；日产液酸化后比酸化前提高了8.0m3/d以上，其中S3-318井日产液提高了12.1m3/d，表现出较强的增产能力。而酸化施工后各井的油管压力和日产液提高幅度略有不同，这主要是由于每个单井的井史、井况差异较大，导致酸化效果具有一定的差异。可见，优选的酸液体系较好地提高了地层渗透率，起到了良好的增产效果，精细酸化设计避免了酸化后渗透率不增反降的问题。在矿场试验中发现，选用适合储层特点的添加剂(如缓蚀剂、铁离子稳定剂、黏土稳定剂、互溶剂等)，可减少酸液对管柱的腐蚀，降低储层黏土膨胀运移对储层的伤害以及增强酸液体系的互溶性，这对提高酸化效果和成功率具有重要作用。

表6 现场施工结果

4 结论及建议

(1)XRD岩心矿物分析表明，S3井区岩样中含有较高的碳酸盐矿物，平均含量为13%；岩石薄片直观地显示了碳酸盐矿物对岩心孔隙的填充作用。这为酸化实验研究提供了重要的参考。

(2) 对于方解石矿物含量较高的低渗透储层，前置液的注入量在酸化设计中非常重要。应确保前置液HCl使用量充足，才能使低浓度土酸主体酸的酸化效果明显，岩石孔隙得到有效的增大。否则，由于土酸和方解石矿物易发生反应生成沉淀物，并在岩石孔隙周围生成二次沉淀物，影响酸化效果。

(3) 采用酸化流动模拟实验、全岩矿物分析、岩心薄片鉴定以及扫描电镜等是酸化实验研究和矿场应用设计的有效手段，实现了宏观现象和微观机理的有效结合。

(4) 为提高酸化效果和成功率，建议矿场酸化试验选用适合储层特点的添加剂。

[1] 袁长忠.塔河油田缝洞型碳酸盐岩油藏回注水水质指标对渗透率的影响[J].油气地质与采收率，2014，21(3)：108-110.

[2]LABRIDJC.Thermodynamicandkineticaspectsofargillaceoussandstoneacidizing[C].SPE5165，1975：117-128.

[3]KlINEW，FOLGERHS.Dissolutionofsilicatemineralsbyhydrofluoricacid[J].Ind.EngChem.Fundam，1981，20(2)：155-161.

[4]GIDLEYJL，BREZOVECEJ，KINGGE.Animprovedmethodforacidizingoilwellsinsandstoneformations[C].SPE26580，1996：4-10.

[5]CROWECW，MARTINRC，MICHAELISAM.Evaluationofacidgellingagentsforuseinwellstimulation[C].SPE9384，1981：415-424.[6] 赵海洋，张士诚.玉北区块裂缝型碳酸盐岩油藏复合酸压改造技术[J].大庆石油地质与开发，2014，33 (1)：102-105.

[7] 李小波，李新华，荣元帅，等.地震属性在塔河油田碳酸盐岩缝洞型油藏连通性分析及其注水开发中的应用[J].油气地质与采收率，2014，21(6)：65-67.

[8] 韦东晓，沈安江，王莹，等.塔北地区奥陶系碳酸盐岩缝洞充填方解石的阴极发光特征及对成岩环境的指示意义[J].油气地质与采收率，2015，22(4)：54-58.

[9] 王少鹏，杨庆红，郭铁恩，等.渤海海域CF油田古生界碳酸盐岩潜山储层特征[J].大庆石油地质与开发，2014，33(2)：16-21.

[10] 康志江，李红凯.塔河油田奥陶系碳酸盐岩储集体特征[J].大庆石油地质与开发， 2014， 33(1)：21-26.

[11] 葛善良，鲁新便，盛海波，等.塔中顺9井区柯下段致密砂岩储层特征及成岩演化[J].油气地质与采收率，2014，21(4)：42-45.

[12] 吕优良，曹思远，李永臣，等.塔里木盆地轮古地区奥陶系碳酸盐岩储层特征及表征技术[J].大庆石油地质与开发，2015，34 (2)：1-6.

[13] 米尔卡J埃克诺米德斯，肯尼斯G诺尔特.油藏增产措施[M].张保平，蒋阗，刘立云，等，译.第3版.北京：石油工业出版社，1991：561-689.

[14] 郭志远，胡新宇，李新艳.注水井土酸酸化机理的研究与应用[J].内蒙古石油化工，2007，17(6)：103-104.

[15] 徐洪波，高立峰，宋连东.大庆油田提高酸化效果的几项措施[J].海洋石油，2005，25(1)：55-58.

[16] 韦莉，贺克奋.砂岩储层酸化后的沉淀及其预防[J].石油勘探与开发，1994，21(6)：75-79.

[17] 罗少成，成志刚，林伟川，等.基于核磁共振测井的致密砂岩储层孔喉空间有效性定量评价[J].油气地质与采收率，2015，22(3)：16-21.

[18] 凡睿，周林，吴俊，等.川东北地区须家河组致密砂岩储层流体识别方法研究[J].油气地质与采收率，2015，22(3)：67-71，105.