酸化压裂工艺在浙江桐乡地热井增产中的应用

2019-09-10何铁柱孙振添

城市地质 2019年4期

何铁柱　孙振添

摘要：本文简要介绍了酸化压裂洗井技术的原理、施工工艺及适用性等，并探讨了其在浙江桐乡某地碳酸盐岩地热储层地热井增产中的应用成效。通过分析地热井测井和编录资料，酸化压裂洗井的实施，成功扩大了地热井周边热储层的裂隙，有效沟通了热储通道，使得地热井的在降深减小的情况下，涌水量由120m3/d增加至205.55m3/d，出水温度由54℃上升至62℃。结果表明，本工艺对于桐乡地区碳酸盐岩储层地热井的增产是具有可行性的，可为今后类似项目提供经验。同时，针对不同区域的地热井进行酸化压裂时，应注意前期相关参数的分析、模拟计算、酸液配比及残留物的排出等，以免影响压裂效果或造成环境污染。

关键词：桐乡;地热井;碳酸盐岩;酸化压裂;洗井

中图分类号：P314 文献标识码：A 文章编号：1007-1903（2019）04-0049-06

Abstract： This paper expounds the theories， technique points and application condition of acid fracturing technology， and discusses the application for increasing the production of geothermal well from carbonate reservoirs in Tongxiang area， Zhejiang Province. By analyzing the logging and geological compiling data， it indicates that the acid fracturing technology can successfully expand the fractures of geothermal well reservoirs， effectively communicate the heat reservoir， increase the water yield from 120m3/d to 205.55m3/d and raise the temperature from 54℃ to 62℃ in the case of reduced drawdown. The results show that acid fracturing technology is feasible to increase the water yield from carbonate strata in Tongxiang area; in addition， it can provide reference for future projects. Meanwhile， for acidizing fracturing of geothermal well in different regions， it should pay more attention to simulation calculation of the related parameters of early stage， rationing the acid and discharged the residue after acidizing fracturing， which can avoid affecting the effect of acidizing fracturing or causing the environmental pollution.

Keywords： Tongxiang; Geothermal well; Carbonate reservoir; Acid fracturing; Well flushing

0 引言

酸化压裂是目前油田和地热井碳酸盐岩储层开发中所广泛采用的一项增产措施和完井手段。用酸液作为压裂液实施不加支撑剂的压裂成为酸化压裂，是一项将酸化洗井和压裂工艺相结合的一种洗井工艺。酸化压裂过程中一方面靠水力作用形成裂隙，另一方面靠酸液的溶蚀作用把裂隙的壁面溶蚀成凹凸不平的表面，停泵卸压后，裂隙壁面不能完全闭合，具有较高的导流能力，可提高地层渗透性，改善地层特性，最终达到增加产量的目的。

近年来，酸化压裂技术被引用到地热勘查开发领域（马忠平等，2007），并取得了良好的应用效果，在天津、北京等地热资源开发工艺较为先进的地区已有了较多成功案例。本文以浙江桐乡地区某地热井为例，阐述了使用酸化压裂工艺提高井产量、增加出水温度的方法，并对压裂结果加以分析，探讨酸化压裂工艺在区域岩溶裂隙型热储中的适用性。

1 酸化压裂技术原理

酸化压裂技术是在人为作用下，以高于热储层破裂压力的方式向地层内注入酸液，靠酸液的化学溶蚀作用提高热储层渗透性能的一种工艺措施（王连成等，2010）;压酸时的水力作用可以扩大、延伸和沟通地层中的裂隙，形成流通能力较高的渗流通道（王鸿勋，1987;姬永红，2017;刘兴浩，2011）。酸化压裂的效果主要体现在产生裂隙的有效長度和导流能力，一般有效的裂隙长度是受酸液的滤失特性，酸岩反应速度及裂隙内的流速控制的，导流能力取决于酸液对地层岩石矿物的溶解量及不均匀溶蚀程度。由于储层矿物分布的分均质性和裂隙内酸液浓度的变化，导致酸液对裂隙壁面的溶解也是非均质的，因此酸压后能保持较高的裂隙导流能力（陈生辉，2010）。目前，酸化压裂工艺主要应用于碳酸盐岩热储层的地热井增产中，由于碳酸盐岩地层的主要矿物成份是方解石和白云石，在对其加压压酸过程中，进入岩层裂缝中的盐酸与其壁面发生化学反应，溶蚀掉其中的充填物（张荣军等，2004），可有效增加裂缝的空间，提高地层的渗透性。

2 酸化压裂施工工艺

酸化压裂施工工艺的效果与多种因素相关，为了保护地层，提高酸化压裂效果，必须根据不同地区地层的不同特点，选择合适的酸化段、酸液、前置液等施工配料和工艺，使其与地层准确配伍，方可增加其地热水产量（徐云鹏，2015）。

酸化压裂前期准备工作包括资料分析、选择酸化段、模拟分析等步骤。首先应对地热井的测井和编录资料进行全面分析，选取储层含水量最好或裂隙较为发育的层段作为酸化段;其次分析酸化段内岩石及流体的物理化学性质（林天懿等，2018），模拟井下压力和温度等物理化学条件，确定使用的酸液成分和其他施工参数，酸液的配伍应满足通裂隙通道，提高酸化压裂效果的要求。实际应用效果表明，对于一类和二类裂隙层（视电阻率与基岩电阻率的比值在0～0.2之间的为一类裂隙，比值在0.2～0.5之间的为二类裂隙），酸化压裂的效果最好（杨淼等，2018）。

酸化压裂施工包括注入前置液和酸液两个过程。首先应应将封隔器下入相应的深度，从油管或井管内以较高的压力向井内注入前置液（清水），在水力作用下，达到扩大或延伸地层中裂隙的作用。其次，用高压泵入适量的酸液，在高于地层破裂压力的情况下，使酸液沿裂隙行进，逐渐将裂隙溶蚀成沟槽（王连成等，2010），从而增大地层的导流能力。

酸化压裂后，地层中会产生相应的沉淀物充填在地层空隙和裂隙内，为了不影响酸化压裂效果，应尽快使用空压机气举法将残留的酸液和沉淀物排出，以避免阻塞导水通道。

3 应用实例

浙江桐乡位于桐乡凹陷中的次隆部位（图1），属中生代白垩纪断陷盆地。凹陷南北两侧为断裂所切，其中，北界为乌镇-马金深断裂（F4），南界为球川-平湖深断裂（F14），二者均为斜贯浙江西部地区的元古代深断裂。由于受一系列北东向断裂（F11、F12）切割，凹陷内部呈“两凹一凸”状。凹陷内热储层一般为震旦—寒武系碳酸盐岩地层，热储类型为岩溶裂隙型热储。盖层主要由第四系松散沉积物，白垩系碎屑岩和黄尖组、劳村组火山岩组成，厚度约为1400～2200m。由于该地区热储埋深较大，富水性不均匀，地热井产量不稳定，严重限制了地热资源的开发进程。目前，针对产量较低的地热井，洗井是一种有效的补救措施（柯柏林等，2008;任良治等，2010;姬永红，2017）。常规的洗井工艺有拉活塞洗井、二氧化碳洗井、酸化洗井和空压机压风洗井等（朱一函，1990;程志忠，2008）。针对不同的水文地质条件，选择合适的洗井方法，可以取得较好的增产效果。

在浙江桐乡地区碳酸盐岩地热井的施工过程中，最常用洗井方法是酸化洗井。其主要原理是利用酸液与地层中的碳酸盐岩发生化学反应，溶蚀掉岩溶裂隙中的充填物，从而改善裂隙通道的联通性，增强岩石的渗透性（张道清等，2006;姬永红，2017），同时，解除泥浆对含水层的污染堵塞，提高井产量（李砚智等，2009）。本文所选地热井开孔孔径为445mm，终孔孔径为216mm，井深2500.26m，其在1460m处穿透了第四系和白垩系进入寒武系碳酸盐岩地层（图2），该地层的主要岩性为白云质灰岩和白云岩。施工过程中，经过两次常规酸化洗井和一次汽水混合洗井后，其抽水试验结果显示，该井在降深473.9m时，出水温度为54℃，涌水量120m3/d。经分析可能是用于地层裂隙不发育、含水层段较少以及酸化洗井时酸盐反应产生的沉淀物堵塞裂隙所致。为了提高该井产量，决定采用酸化压裂洗井工艺对该井进行处理。

3.1 酸化压裂施工设计

（1）目的层段选择

基于岩屑编录和测井解译资料的分析，该井在1435～1491m和2390～2500m段中裂隙发育较为充分，层段岩性为灰岩和白云岩，据此选择此段为洗井目的层段。

（2）酸液配伍选择

选取待酸化的地层岩屑与配比好的酸液，然后进行室内溶蚀实验，实验结果显示，选用浓度20%的盐酸对该地层有较好的溶蚀作用，且反应物可溶于水并产生二氧化碳气体，利于反应残液反排。化学反应式如下：

CaCO3+2HCl=CaCl2+CO2↑+H2O

CaMg（CO3）+4HCl=CaCl2+MgCl2+2C02↑+2H2O

同时，盐酸也可以溶解地热井井管、钻杆等金属，化学反应式如下：

Fe2O3+6HCl=2FeCl3+3H2O

FeS+2HCl=FeCl2+H2S↑

为了缓解盐酸对井管和钻具的腐蚀，减缓溶蚀后沉淀物的沉积，降低盐酸对碳酸盐岩的溶蚀速度，在泵入盐酸前可向井内先泵入一定量的柠檬酸。

（3）施工设备及用料

本次酸化压裂作业深度为1435～1491m和2390～2500m两段，投入的施工设计及用料见表1。

3.2 酸化压裂施工

（1）第一次压裂

首先将封隔器下入孔内1400m处（图3），并接好地面施工管线。首先进行高压管汇清水试压，压力应不大于20Mpa;然后以正挤方式高压泵入清水30m3、柠檬酸200kg，疏通裂隙通道后，再向井内加压泵入浓度20%的盐酸100m3，憋压待盐酸与井内地层充分反应4小时后，再向井内泵入清水200m3，在此过程中观察井口压力值变化（图4），待4小时后释放压力。

释放压力达到排液标准后，采用大型压风机风管下到1000m气举负压洗井，排出井内酸岩反应的残留物。在压风机洗井过程中应记录上水情況、压力变化情况，以及温度值和上水浑浊度等参数，直至井内残留物排净后结束洗井工作。

（2）第二次压裂

待第一次酸化压裂结束48小时后，按照上述工序对2390～2500m井段进行第二次压裂施工，使用盐酸50m3。首先将封隔器下入孔内2390m处，并接好地面施工管线，进行高压管汇清水试压，压力应不大于20Mpa;。然后以正挤方式高压泵入清水16m3、柠檬酸200kg，疏通裂隙通道后，再向井内加压泵入浓度20%的盐酸50m3，憋压待盐酸与井内地层充分反应4小时后，再向井内泵入清水300m3，在此过程中观察井口压力值变化（图5），待4小时后释放压力。

释放压力达到排液标准后，采用大型压风机风管下到2300m气举负压洗井，排出井内酸岩反应的残留物。在压风机洗井过程中应记录上水情况、压力变化情况，以及温度值和、上水浑浊度等参数，直至井内残留物排净后结束洗井工作。

3.3 酸化压裂增产效果对比分析

本次酸化压裂严格按照设计执行。在进行第二次压裂时，其最高泵压20MPa，排量为0.8m3/min，在泵酸过程中，泵压下降至16MPa，这说明地层内的碳酸盐岩与经酸液溶蚀后，与周围裂隙的沟通明显加强。压裂结束后，抽水试验结果显示，在降深418.30m时，涌水量为205.55m3/d，较压裂前的120m3/d，增加了71%，温度由压裂前的54℃升高至62℃，实现了地热井产能的大幅度提升，酸化压裂效果明显（表2）。

对酸化压裂前地热井涌水量较小的情况进行分析，其主要原因包括：其一，随着储层深度的增加，地层内部压力越来越大，常压状态下的酸化洗井，酸液大部分停留在井筒内，无法深入到地层裂隙，洗井半径扩展阻力大，造成洗井效果有限;其二，酸液与碳酸盐岩发生化学反应后产生的沉淀物粘度较高，堆积在裂隙内，导致岩层孔洞、裂隙封尘，渗透性降低;最后，由于该地区储层裂隙发育不充分，酸液无法导流至含水层与地层进行有效作用。

4 结论和建议

酸化压裂工艺在绝大多数情况下可以有效的扩展碳酸盐岩地层的裂隙通道，增大裂隙率，提高热储导流能力和地热井产能。本次针桐乡地区某地热井酸化压裂洗井的成功实施，使得该井涌水量由120m3/d增加至205.55m3/d，出水温度由54℃上升至62℃，实现了地热井产能的大幅度提升，表明了该工艺用于桐乡地区碳酸盐岩地层增产的可行性，可为以后类似项目提供借鉴。

由于研究区内断裂规模较小，断裂附近的裂隙发育较差，连通性不好，造成了该井的降深较大，出水量有限。在开发利用过程中，可满足温泉疗养及保健健身等领域的需要，该井开发利用的成果，已带动相关产业，成为促进当地经济发展新的增长点。

对不同区域的地热井，在施工过程中应注意以下几点：1）选择合适的酸液配比和施工方案对提高酸化压裂增产效果尤为重要，尤其是前期相关参数的分析、模拟计算需准备充分。2）在酸化压裂施工过程中，酸液与地层反应的残留物应及时排除，否则残留物的沉淀可能再次堵塞裂隙通道，影响施工效果。3）施工时应随时观察记录压力值变化，判断施工效果，并及时调整施工方案。4）施工结束后排出的废液应及时收集处理，以免造成环境污染。

参考文献

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