油气田酸化压裂工艺的应用研究

刘聪(中石化中原石油工程有限公司井下特种作业公司，河南 濮阳 457001)

0 引言

随着石油不断开采，大多油田进入开采中后期，逐渐出现油层含水量逐渐上升，渗透率下降，地质环境不断恶化问题，导致油田开采难度越来越大。目前常用压裂液包括：水基压裂液、油基压裂液、酸基压裂液以及泡沫压裂液等类型，水基压裂液优点主要有悬砂能力较强、粘度较高，以及摩阻低等，缺点则是稳定性稍差，比如热稳定性和机械剪切稳定性较其他压裂液要差一些；油基压裂液现在由于已经被其它系列压裂液慢慢取代，故而在油气田开发中很少应用；泡沫压裂液优点主要有对地层伤害较小、易于返排、摩阻较低，并且携砂能力与造缝能力较强等，其缺点则是压裂液所需注入压力较高；而酸基压裂液因具有优良配伍稳定性，特别是对堵塞物具有较好溶解能力，比如粘土，以及部分漏入储层而对孔道造成堵塞泥浆等，酸基压裂液对于储层解堵和恢复产能具有特别好效果。故而为了提高原油采收效率，满足石油需求量，现阶段国内外油田大部分采用酸化压裂[1，2]技术实现油气井增产增注作用。

1 油气田酸化压裂的工作原理

油气田酸化压裂技术通常采用压裂液是酸液，而且不需要任何支撑剂，其工作原理为：在不高于地层破裂压力情况下，酸液注入后并且顺着地层径向充分流动，过程中酸液和地层中矿物、岩石等固相颗粒发生溶蚀的化学反应，反应过程中还伴随生成一些可溶性气体、可溶性盐等，在整个酸化压裂过程中，地层裂缝壁面在水力和酸液溶蚀共同作用下，呈现凹凸不平表面形态，当酸液停泵卸压后，裂缝壁面孔隙因无法完全封闭，有助于改善酸液渗流的操作条件，具有强导流的性能；同时，酸液可以溶解原来存在于地层孔道内、裂缝中的堵塞物，并随着酸液逐渐排出地层，这不仅有助于疏通流道，提高地层渗透性，而且有效改造油层，从而实现了增产增注目的。

2 油气田酸化压裂性能要求[3]

在油气田酸化压裂技术中，压裂液起着极为重要作用。如果压裂液性能达不到要求，在油气田开发中容易出现各种问题，如压裂液对施工管柱产生严重侵蚀、压裂液破胶时间短、持胶能力低等，将会降低油气田开发质量和严重影响运用情况。要使压裂酸化技术充分发挥其功能，一方面对压裂液性能有严格要求，主要有：滤失低、摩阻低、比重大、残渣少、易于返排、携沙能力强、热稳定性和抗剪切稳定性好、与岩石和储层流体配伍性好，以及货源广、价格便宜、便于配置等。同时，还需要注意控制酸化压裂过程反应度，合理控制过程中酸液流体漏失，所以必须采用稠化酸液，比如乳化剂、泡沫剂、聚合稠化酸、以及活性剂稠化酸等。

3 油气田酸化压裂工艺类型[4]

油气田酸化压裂按照工艺技术大致分成酸压、酸洗和基质酸化三种类型，其中酸压又可以细分成普通酸压、深度酸压(前置液酸压、交替注入酸压)、特殊酸化工艺(平衡酸压、闭合酸压)等多种类型。

(1)普通酸压工艺：也就是常规酸压，该工艺通常不会使用前置液、支撑剂，而是使用盐酸作为酸化压裂液，不仅当作一种增压液体使地层受压开裂，同时也作为酸化剂，过程中酸化压裂液与地层岩石、胶结物等发生反应，但此类酸化压裂液滤失比较严重，作业用酸量大，酸液滤失量不容易控制，同时因为酸液和地层内目标矿物、岩石的溶蚀反应速度特别快，所以酸化的效果不好。从另一方面看，因为施工过程中泵的注排量和要求的泵送压力较低，形成的酸蚀裂缝不能达到目标要求，所以大多用作新井、完井、修井作业后，或者气井投产前的常规处理措施，故又通常被称作基质酸化。

(2)深度酸压工艺：在酸化过程中可以形成较长酸蚀裂缝，这是与普通酸压工艺最大区别。前置液酸压工艺是首先使用高粘性但不会与岩石反应前置液，一般使用胶凝水将地层压开裂缝并进入，不仅产生动态裂缝，还可以有效降低裂缝温度，并在裂缝壁面形成滤饼，然后再往地层注入酸液，主要以无机酸为主，达到溶蚀裂缝目的，一般酸液和岩石在高温储层下反应速度比较快，要获得有效且动态的缝长会比较困难，所以在高温条件下要求酸液仍然具有高效优良的缓速性能这样才可有效降低储层温度，以及酸液与岩石反应速度，并且增大裂缝穿透度。交替注入酸压工艺是通过交替注入高粘性前置液和酸液，从而达到酸化压裂目的，在油气田开发中，前置液和酸液交替注入过程中，后一次交替注入(即先注入前置液，再注入酸液)，酸液滤失速度会比前一次滤失速度要低很多，所以为了降低注酸过程中酸液的滤失速度，同时也是为了加强酸液的导流性能，一般采用交替注入酸液的方式，使用该工艺还可以实现在前置液中多次酸液指进，以及储层岩石得到更深、更多的溶蚀沟槽。

(3)特殊酸化工艺：平衡酸压技术是通过利用扩展地层裂缝的压力，和地应力的最小值之间产生的压力差，当地层出现开裂现象之后，通过控制注入酸液的排量，可以实现控制注入酸液的速度，保持与酸液的滤失速度基本相当，从而达到两种速度间的一种动态平衡效果 ，该方法一方面可以最大限度延长酸液与地层裂缝壁面之间反应时间，有效控制产生裂缝几何尺寸，这样产生酸蚀效果和酸蚀深度将会更佳，另一方面可以避免将非目标地层压开，从而实现高效且准确压裂目标地层；闭合酸压是在低于储层破裂压力时，向闭合裂缝中注入较低排量酸液，同时应尽可能和井筒之间形成一条开放裂缝，由此才能保证井眼和酸蚀裂缝之间相连通，从而具有较高导流能力高，该技术适用于已存在裂缝碳酸盐储层，可以有效改善井眼导流能力。

4 压裂工作液应用的损害及注意事项

4.1 压裂工作液对油气层的损害

酸化压裂中工作液返排量是决定油气田开发质量重要因素，当酸液与岩石、胶结物及堵塞物质发生化学溶解反应，应尽可能地将其反应物返排到地面，若工作液不能迅速从地层中完全地返排到地面上，过程中地层将会被产生如酸渣的沉淀所二次损害，造成更严重的堵塞，另一方面，毛细管因为具有强吸渗的能力，故而滞留在地层的工作液容易将毛细管堵塞，并且形成水锁现象，使得地层受到严重的二次伤害。

若酸与油气层岩石和流体不配伍，工作液返排更为困难，这也是对油气层主要损害方式。下面分别从这两方面分析损害情况：

(1)首先是当酸液与油气层中岩石若存在不配伍的情况，在地层岩石酸化的操作过程中，酸液一方面不断冲刷、溶蚀原地层中存在的堵塞物质、胶结物，一方面也会不同程度地使油气层矿物、岩石颗粒等逐渐松散，慢慢地脱落而发生运移现象，若不及时排出去，那么酸液溶解岩石后的反应物将会在地层中再次沉淀，从而被逐渐滞留在地层内，造成地层孔道被重新堵塞，反而更加减小地层中的储、渗空间，这就是酸液与油气层中岩石不配伍时，造成酸化失败的同时，并对油气层造成损害。

(2)当酸液与油气层流体不配伍造成地层的损害，一种情况是若酸液与原油不配伍，两者一旦接触将会发生反应，产生的酸渣将会堵塞地层中的孔道，并且这些反应的酸渣很难被消除，一旦产生对油气层将造成严重损害，并且这种损害是不可逆转的，所以对地层是永久性的损害；还有一种情况是，若酸液与地层水不配伍，酸液与地层水中Na+、K+、Fe3+、Al3+等离子反应生成有害沉淀。国内外施工实践也已表明，向工作液中添加一种高效助排剂，不仅可以使其产生极低的表面张力，还能够降低了毛细管的阻力，这种高效助排剂对于清除地层的堵塞物非常有效，是一种提高返排率既经济又有效措施之一。

4.2 压裂工作液应用注意事项

压裂工作液应用过程中需要注意主要有以下几个方面：(1)首先对油气田环境开展压前诊断分析。在压裂前深入分析油气井层实际情况，明确诊断油气储层敏感特性，同时对地层孔隙度、渗透性、压力、温度以及有效厚度等多个参数进行收集分析，并针对性制定酸化压裂计划，为实际油气田开发过程施工提供科学依据。

(2)其次是要根据前期对油气田地层环境、压力、温度、等相关参数，选择适宜地层压裂酸化材料，否则即可能对会地层造成较大损害。所以一般需要选择具有一定粘度、悬砂性能、配伍性好压裂液，具有裂缝导流能力支撑剂，具有一定溶蚀能力和滤失特性酸液，这样才能满足作业需要，达到地层压开、裂缝延伸以及输送支撑剂目的。

(3)在油气田开发施工过程中，还需要结合地层破裂压力、延伸压力、滤失系数等各项参数，根据实际操作情况实时跟踪分析施工参数，并进行工艺、参数的不断优化，从而保证酸化压裂过程施工效果。

(4)压裂酸化施工过程属于大型油气田作业，存在多工种、多工序、高压状态等特点。因此使得压裂酸化过程中存在影响施工人员健康、生命和周围环境的各种危险因素，如保护系统、控制系统失灵、设备损坏等机械伤害，储罐泄露或违章操作而发生火灾爆炸，压裂液密度低、液柱高度降低等造成的井喷失控，酸液配置过程操作不当造成酸液及其挥发物对配人员造成的伤害等，故而需要对压裂酸化作业过程机械伤害、火灾、爆炸、中毒、窒息等危险源开展故障树分析、并制定事故预防对策。

5 结语

随着目前经济发展对油气需求量不断增加，酸化压裂技术在油气田开发中起着十分重要作用，面对地层复杂岩石条件下的油气田开发，原有的普通酸化压裂技术已经无法满足需求，因此，酸化压裂技术也在不断根据需要的逐渐发展，已经逐步发展成多功能的复合酸液体系，具有减少滤失、降低阻力、减缓反应速度、助排等特点。不过为了更大程度上满足我国油气田发展需要，必须要不断完善和改进酸化压裂技术，所以仍需要对酸液与岩石和流体配伍性、工作液添加助排剂等酸化压裂技术做进 一步探讨，从而在提高油气田开发效率的同时，还能够减少开发油气田对人员健康、生命和周围环境的损害。