杜84块蒸汽辅助重力泄油井低物性段酸液体系优选及酸化增渗实验研究

2020-05-25曹广胜刘艺佳白玉杰李世宁

科学技术与工程 2020年10期

曹广胜，刘艺佳，白玉杰，潘锦，李世宁

(1.东北石油大学提高油气采收率教育部重点实验室，大庆 163318；2.辽河油田有限责任公司特殊油气田开发公司，盘锦 124000)

超稠油采取蒸汽吞吐方式开发，暴露的主要问题是周期生产时间短、周期产油量低、油汽比低、采收率低，预计采收率25%～28%。杜84区块馆陶油层2005 年开始蒸汽辅助重力泄油(steam assisted gravity drainage，SAGD)先导试验，取得了较好的开发效果，但进入工业化开发以来，部分井组与先导试验开发效果存在较大差距，同时存在蒸汽腔纵向扩展速度慢、注汽汽窜水平井、井组注采关系见效不明显等矛盾，分析原因主要是地质体发育差异影响，即低物性段影响蒸汽腔纵向扩展，前期措施对部分井开发效果无法改善[1]。为解决低物性段区域对蒸汽腔纵向扩展的影响，鄢旭[2]针对辽河油田的现场研究认为采用重力泄油与蒸汽驱联合驱动的开发方式能够降低低物性隔夹层对SAGD开发效果的影响。尹志成等[3]对于受低物性段影响的油层提出射孔改造和氮气辅助SAGD开发，前者有效抑制低物性段对蒸汽腔的影响，后者促进了蒸汽腔横向扩展，提高了热利用率。

由于低物性段厚度大，渗透率低，蒸汽腔难突破，为提高超稠油开发水平，进一步提高采收率，可采用酸化压裂改造低物性段[4]。王贯中等[5]认为针对不同地层进行酸化会出现不同程度的沉淀现象，而低物性段油层孔喉细小，易产生水锁和贾敏现象，要解决水锁和贾敏伤害问题，要求适宜的酸化作用时间及效果。因此，通过开展低物性段改造酸化的酸液配方体系及用量的研究，模拟酸化增渗的实际作用效果，对优化酸化压裂工艺参数具有重要的应用价值。

1 杜84块SAGD基本情况

辽河油田曙一区杜84块超稠油探明含油面积23.6 km2，探明石油地质储量1.830 8亿吨。1997年投入开发建设，主要依靠蒸汽吞吐开发，到2006年12月已建成了275万吨级的原油生产规模。

1.1 馆陶油层原油物性

20 ℃原油密度平均为1.007 g/cm3；50 ℃原油黏度是23.191×104mPa·s；胶质+沥青质含量高，胶质+沥青质为52.9%；凝固点高，为27 ℃；含蜡量为2.44%。按稠油分类标准，属超稠油油藏。

总体来讲研究区内原油黏度较高，属于超稠油油藏，该类型原油在残酸的作用下极易与储层黏土混合形成酸渣，从而堵塞地层[6]。因此若要采取酸压，则需要在酸液体系中加入一定量的酸渣抑制剂以残酸顺利返排。

1.2 低物性段岩石矿物特征分析

杜84区块蒸汽辅助重力驱油井低物性段地层矿物分布如图1所示。

图1 低物性段地层矿物分布

可以看出研究区低物性段地层矿物主要以菱铁矿为主(44%)，说明若氟硼酸或氢氟酸的酸化效果较好，但酸液含量不宜过高，过度酸化有可能导致地层坍塌；储层存在潜在的酸敏特征，有必要开展储层敏感特征的实验研究[7]；考虑到储层中斜长石含量为16.7%，容易形成钙离子沉淀，可考虑在酸液体系中加入1%～2%的钙离子抑制剂；同时目标地层黏土含量为7.4%，在酸液体系中可加入少量的黏土稳定剂。

1.3 储层敏感特征

该地层的速敏性、盐敏性及酸敏性评价结果表明：该地层表现为弱速敏性，渗透率损害值分别为20.85%和13.42%；盐敏指数分别为29.08%和20.57%，为弱盐敏性；酸敏指数分别为55.5%、54.41%、57.12%、56.31%，该地层表现为强酸敏。说明对于酸液体系的优选应尽量避免使用盐酸等容易造成酸敏的酸类，可适当地加入多聚磷酸和乙酸等不容易造成酸敏的酸液体系[8-9]。

2 酸液体系配方的确定

通过查阅文献分析，影响酸化效果有以下几点原因：①原油与有机土酸接触会析出以沥青质和胶质为主要成分的沉淀，堵塞地层，导致酸化施工失败；②较低的pH和较大的HCl、HF配比，增加了CaF2沉淀的生成；③酸化后直接注水，近井地带黏土矿物仍存在膨胀和分散运移问题[10]。为解决常规酸化液易形成酸化於渣的问题，对酸液体系配方进行优化，在酸液体系中加入适量浓度的硝酸，使注入酸液具有强氧化性和强酸性，高强度溶蚀低物性段局部堵塞物，同时对稠油中的胶质、沥青质具有降解作用。

2.1 主体酸液的优选

通过岩心粉末溶蚀实验来观察各种酸液对岩心的溶蚀效果。使用不同溶液浸泡岩心切片，在45 ℃条件下浸泡24 h后，对比浸泡前后岩心切片微观变化，根据现场经验，酸液配方为盐酸+氢氟酸，但为避免上述情况发生，考虑向体系中加入2%硝酸。酸液筛选如表1所示。

表1 筛选酸液种类

实验结束后取出岩心，在显微镜下观察岩心切片在不同酸液体系的溶蚀情况，如图2所示。

图2 偏心显微镜下的岩心

可以看到，图2(d)和图2(e)所示两种酸液溶蚀量最大，切片边缘溶蚀严重，砂粒脱落较多，其他酸液有一部分脱落但不明显。由显微镜观察可知，盐酸、多聚磷酸对该地层岩心溶蚀效果较差，而氢氟酸和氟硼酸虽然对该地层岩心溶蚀效果较好，尤其是氟硼酸，但是溶蚀后孔隙又被细小颗粒堵住，如果能处理好颗粒运移的问题，就能起到很好的增渗效果。

针对岩心溶蚀实验(图3)筛选，可得出氟硼酸对此地层溶蚀效果较好，而盐酸在酸液体系筛选中起到一定的作用。经过对溶蚀残样过滤(图4)进行反复操作，得出最终实验结果见表2。

表2 岩心溶蚀实验

图3 岩心溶蚀实验

图4 残样过滤

由实验数据可看出：第4号溶蚀率最高可达27.14%，溶蚀效果最好，则可得出主体酸液配方为4%盐酸+2%多聚磷酸+5%氟硼酸+2%硝酸体系。

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2.2 溶蚀时间优化

实验方案：①配制酸液，将岩心粉碎并过筛(20目)；②用电光分析天平称取岩心粉末5 g，准确到0.001 g；③用塑料量筒配取50 mL不同质量浓度的酸液，倒入塑料烧杯中；④将样品倒入酸液中，记录时间并用塑料棒搅拌至样品全部润湿，静置；⑤将配好的酸液和样品的混合物放入温度为45 ℃的烘箱中；⑥取滤纸放入烘箱，在100 ℃条件下烘干4 h，称量滤纸质量为m1；⑦反应8、12、16、24 h后，取出烧杯过滤，用蒸馏水冲洗直至滤液为中性；⑧将残样连同滤纸放入干燥箱中，在45 ℃左右干燥至恒重；⑨称重残样和滤纸总质量m2，并计算溶蚀率，记入表3中。

表3 溶蚀率与反应时间的关系

由数据可看出溶蚀率随反应时间的增长而增加，当反应时间为24 h，溶蚀率可达28.82%，当反应时间超过24 h后，溶蚀率基本不变，这就说明岩心与酸液在一段时间内已经完全反应，可得出最佳反应时间为24 h。

2.3 酸液体系配方及性能

考虑到需要投入现场生产，所以有必要加入一些添加剂，经过药剂间配伍稳定性评价发现配伍性良好，同时未有沉淀生成；经过溶蚀性能评价，酸液体系对岩心溶蚀率的影响比主体酸液小，最高才达到37.58%，效果较好；经过缓蚀性能评价，酸液体系对挂片缓蚀率的影响较大，最高可达74.31%；经过黏土稳定性评价，酸液体系对黏土膨胀的影响很明显，最高可达85.41%，符合工业要求。最终得出酸液体系配方为4%盐酸+5%氟硼酸+2%硝酸+2%多聚磷酸+2%乙醇+1%黏土稳定剂+1.5%兰826缓蚀剂+1%钙离子稳定剂(三聚磷酸钠∶氨基三亚甲基膦酸=1∶3)+1.5%乙二醇丁醚。

3 酸化增渗室内模拟实验

由于尚未确定低物性段具体位置，同时地层温度高达200 ℃以上，采用从下至上注酸通过酸蒸汽实现(目标层位在注酸液上部)酸化室内评价。

3.1 实验用品及装置

3.1.1 水测渗透率实验用品

盛液瓶、恒速泵、中间容器、过滤器、六通阀、岩心夹持器、调节阀、压力计、量筒、手动加压泵。

聚四氟中间容器、耐高温岩心夹持器、恒温箱、圆形木块、聚四氟乙烯薄膜、耐高温热熔胶、保鲜膜、酒精灯等。酸蒸汽酸化实验装置见图5。

所做实验均在恒温箱中进行，水测渗透率时控制温度在45 ℃。为验证酸蒸汽对岩心溶孔的腐蚀及穿透情况，特别制作如图5实验装置，保证酸蒸汽只可通过岩心内部向上浮动。

图5 酸蒸汽酸化实验装置

3.2 实验步骤

①将岩样抽真空饱和实验盐水。单相速敏性评价实验用的盐水采用(模拟)地层水或标准盐水，连接好仪器。将驱替泵的流量调节至0.1 mL/min，监测其压力随时间的变化，水测渗透率；②将一块木板用打磨机磨成适合中间容器大小的圆状，在中间位置钻出一个正好可以塞进岩心的洞；③将岩心裹上一层热熔胶后套上聚四氟乙烯薄膜，用酒精灯烤至薄膜完全贴合在岩心上；④将配制好的酸液倒入中间容器内；⑤继续将保鲜膜缠至岩心、木板四周，并用热熔胶固定在聚四氟中间容器中，确保完全密封；⑥将中间容器放入恒温箱保持45 ℃烘干，静置12 h，待热熔胶固定的木块和岩心完全固定在中间容器内；⑦将恒温箱升高至指定温度，静置一段时间，观察其压力示数变化；⑧运用酸蒸汽措施后的岩心再进行水测渗透率，与酸化前进行比较。

3.3 实验结果分析

酸化前后岩心的对比如图6所示。如图7所示，实验过程中随着累积注入时间的增加，压力呈现出逐渐增大的趋势，并达到某一稳定值，而后基本不变。从这个现象可以看出：随着温度升高，酸蒸汽逐渐形成，只能通过岩心柱的下方端面进入，实现憋压的效果，同时酸蒸汽有效溶蚀了岩心中的孔洞，使酸蒸汽顺利通过，从而提高了采收率。

图6 酸化前后岩心宏观对比

图7 酸蒸汽实验压力变化趋势

再次进行水测渗透率实验，观察通过酸蒸汽实验前后的渗透率变化情况。结果见表4和图8。

由此可以看出：对酸化液的适应性评价效果良好，酸化后的渗透率最高达到32.94×10-3μm2，利用酸蒸汽岩心驱替评价实验，增渗范围为72.84%～95.16%，充分验证了酸化液配方对于天然岩心有很好的酸化、增渗效果，满足施工要求。

表4 不同岩心酸化增渗效果

图8 酸化前后渗透率对比

3.4 comsol软件模拟

由comsol软件进行参数设置、网格划分，其中模型选择了稀物质传递和两相达西定律，模拟出酸液进入地层流量变化及分布如图9所示。

图9 流量分布图

从模拟结果可以看出：酸液由于高温及高压的作用，产生酸蒸汽并向上扩散，刚进入岩心底部时流量超过0.2 mL/min，随着深度的加大，流量变小至0.02 mL/min以下。酸蒸汽的扩散速度较快，它不仅能溶蚀上部低物性段区域，由于酸蒸汽波及系数较大，蒸汽腔迅速扩大[11]，还能对其他物性较差区域进行酸化改造。