苏桥储气库酸化解堵工艺研究与应用

2022-04-24李伟杰孔维中丁建东廖清志刘团辉吴世仝

石油天然气学报 2022年1期

关键词：酸液储气库酸化

李伟杰，孔维中，丁建东，潘众，廖清志，刘团辉，吴世仝

1华北油田公司工程技术研究院，河北任丘

2华北油田公司第一采油厂，河北任丘

3华北油田公司勘探开发研究院，河北任丘

1. 引言

苏桥储气库是由枯竭油气藏改建的储气库，是西气东输的配套工程，有效解决了天然气的长距离输送以及城市民用气的峰谷变化所引起的供气的不稳定性与安全平稳供气要求之间的矛盾。苏桥储气库位于河北省廊坊市，由苏1、苏20、苏4、苏49、顾辛庄5 个储气库组成，完井方式多采用裸眼完井，井深平均达到5500 m，井底温度可达157℃，是目前世界上公认的井深最深、施工复杂程度最大的储气库[1]。

苏桥储气库储层具有高温、高压、漏失的特点，储气库建库初期钻完井作业时不得不灌入大量压井液保证井控安全，不可避免的造成储层污染，有的井至今无法完全恢复产能。而苏桥储气库生产中的注采井，由于注采交变、固井质量和完井工具密封失效等因素影响，出现了不同程度的环空带压现象，有的环空带压是封隔器、气密封油管等井下工具失封造成的，只需要重新更换完井管柱就可治理，但在注采平衡期施工时，地层压力较大，必须进行压井作业，才能保障井控安全。完井方式和压井液的性能都造成了注采井近井地带存在污染，使储层渗透率降低，影响了储气库单井的注采能力。

目前华北油田苏桥储气库压井液采用无固相暂堵高分子聚合物压井液，具有低滤失、快速封堵、易降解等特点，但苏桥储气库的地层压力高，温度大等原因，造成暂堵压井液不能及时降解反排，对储气库注采井井筒附近地层造成污染，为了清除压井液污染的近井地带，降低储层损害，提高储层裂缝通道的导流能力和岩心渗透率[2] [3]，本文采用基质酸酸化方法，应用清洁酸 + 转向酸酸化体系对污染储层进行解堵，取得了较好的效果。

2. 地质储层特征

苏桥储气库的储集岩为灰岩和白云岩，储集空间以构造裂缝、晶间孔和溶蚀孔洞为主，大缝大洞不发育，储集类型为微裂缝孔隙型，储层孔隙连通较为复杂。储层原始天然气相对密度平均为0.7175，属于凝析气藏，地面原油密度、粘度和凝固点都较低。地层水Cl-含量4386.9 mg/l，总矿化度为9682.5 mg/l，为NaHCO3型。其中，苏49 潜山原始地层压力为48.92 MPa，压力系数1.06，地层温度为154℃，具有统一的温度和压力系统，属于不带油环的高含凝析油低或特低渗碳酸盐岩块状弱底水凝析气藏。

3. 改造重点及技术措施

苏桥储气库注采井酸化改造难度在国内外储气库中都是一项极大的挑战。主要表现在

1) 储层深度大，平均5500 米，因此施工过程管柱摩阻大，提高排量较困难。2) 温度高，平均温度约140℃，因此造成酸液反应速度快，虫孔距离短。3) 井筒结构复杂，普遍为四开完井，且井下工具管串多，采用裸眼完井，裸眼段距离长，均匀布酸困难[4]。综上，苏桥储层改造的关键是提高排量增加酸反应距离和强度，选择合适酸液体系降低摩阻，提升裂缝和储集空间的沟通。

苏桥储气库碳酸盐岩储层埋藏5000 m 以上，地层温度大于120℃，压力系数低，岩性以灰岩、白云岩为主，储集空间以微细裂缝为主，因此选择采用基质酸化技术进行储层改造，清除近井地带污染，沟通裂缝储集空间。同时，在酸液体系中加入缓速酸，增加酸化有效作用距离。应用清洁酸层内转向 + 转向酸层间转向技术，不仅可增加反排速度，降低储层伤害，而且可以均匀酸化，提高酸化效果。

主要技术措施为：首先应用前置预处理酸，解除近井地带的污染，然后应用清洁自转向酸体系 + 缓蚀剂 + 铁稳剂等添加剂，延长酸液反应时间，增加酸穿透作用距离，随着反应的进行，可在高渗透层段形成凝胶，使酸液引入低渗透层段，使纵向、平面上储层渗透率得到较充分改善，实现均匀布酸，提高储层整体酸化效果，酸液泵注阶段同时伴注液氮，增加残酸返排能量[5]。

4. 组合酸液体系的配置

苏桥储气库储层为碳酸盐岩，一般采用盐酸为主的解堵的工艺技术，酸化解堵机理是：当盐酸到达裸眼储层部位时，首先与钻完井过程中形成的泥饼、堵塞物接触，经浸泡，盐酸溶解其中可溶性成份，使堵塞物疏松，并在井内流体冲刷下脱落，即解除了污染。其次，盐酸液通过疏松的泥饼深入岩石裂缝、孔、洞，与其表面反应，扩大裂缝、孔、洞[6]。主要化学反应式为：

形成的CaC12和MgC12可溶物留在残酸中，与脱落的泥饼等一起在排酸过程中排出地面。原有的裂缝表面解除了堵塞，又受蚀扩大裂缝，提高了渗透率，达到解除污染、提升注采能力的目的。

4.1. 清洁酸

清洁酸是在盐酸中添加粘弹性表面活性剂VES 和适量的添加剂配置成的酸液体系，见图1、图2。VES 低分子粘弹性表面活性剂，具有无残渣，易破胶反排，污染小等特性，可自动改变粘度，将活性酸分流给低渗透储层，实现非均质储层的均匀布酸。该酸液体系具有良好的缓速性能，可形成高粘凝胶，能大幅度增加酸蚀裂缝长度，且水平井和直井都可以应用。摩阻为水的30%～40%，在井深较大时也能够大排量施工。

Figure 1. 20% HCL clean acid and fresh acid图1. 20% HCl 清洁酸鲜酸

Figure 2. 8% HCL clean acid and fresh acid图2. 8% HCl 清洁酸鲜酸

清洁酸中的粘弹性表面活性剂分子在酸液中可产生蠕虫状胶束，形成新型网络结构，可有效提高酸液体系的粘度。在盐酸浓度11%～20%时，初始状态下清洁酸体系粘度较低，随着与地层反应后盐酸浓度降低，反应生成Ca2+，使得残酸粘度升高，形成凝胶，反应结束时，可自动破胶。清洁酸在排量为3 方/分时摩阻只为清水的35%，具有优良的降摩阻性能。液体不分层，不出现沉淀残渣，破胶液对储层岩心的伤害小，见表1。

Table 1. Experimental results of damage caused by gel breaking fluid to reservoir cores表1. 破胶液对储层岩心的伤害实验结果

Continued

清洁酸中的粘弹性表面活性剂分子在地层反应后，可以在岩石较大的孔道表面形成凝胶和岩石表面形成吸附膜，减缓H+的运移速度和与岩石面的接触面积，同时反应生成的二氧化碳还起到物理隔膜的作用。

4.2. 转向酸

转向酸是盐酸 + 表面活性剂构成的酸液体系，在该体系中，表面活性剂分子带正电，鲜酸粘度低，随着酸液不断注入，体系的H+浓度不断降低，pH 值增大，表面活性剂分子带电性为电中性状态。随酸岩反应的进行，体系中的Ca2+、Mg2+浓度不断升高，表面活性剂分子逐渐变成高粘度冻胶，暂堵高渗透层，使酸液在地层内部分流酸化，达到均匀酸化的一种酸液体系[7]。转向酸比常规酸形成的蚓孔分支更少、蚓孔更长，酸液滤失较少[8]，通过投产或返排液的稀释作用可自动破胶，无残渣，易于配制，对地层伤害小，酸化效果明显。

4.3. 配方优选

在90℃条件下，采用5%～25%盐酸对苏50 井5118～5168 m 岩屑浸泡2 小时，10%浓度盐酸能够达到溶蚀率98%，确定清洁酸浓度12%，转向酸浓度20%，见图3。

Figure 3. Core dissolution rate at different depths图3. 不同深度岩心溶蚀率

Table 2. Comparison of reaction speed of different acid systems表2. 不同酸液体系反应速度对比

由表2 可以看出，清洁酸反应速度最低，主体酸以清洁酸为主，辅助转向酸均匀布酸。

通过对酸蚀裂缝导流能力进行实验，可以看出清洁酸和转向酸均可有效提高酸后岩板导流能力，但清洁酸提高幅度更大，见图4。

Figure 4. Comparison chart of conductivity after acidification图4. 酸化后导流能力对比图

4.4. 添加剂的优选

在酸化施工作业中，酸工作液会对金属产生腐蚀，导致井下管串和地面设备损坏，造成作业事故和人员伤亡，而且因腐蚀产生的大量铁离子在一定条件下会形成氨氧化铁沉淀，直接影响酸化作业效果。添加缓蚀剂是目前解决酸化作业腐蚀的最有效方法，可最大限度降低酸对设备的腐蚀，延长管串的使用寿命，保证酸化施工顺利进行[9]。

通过实验看出，150℃，4 小时条件下，缓蚀剂LHH 在20% HCL 中腐蚀速度为14.82 g/m2h，见表3。

Table 3. Corrosion inhibitor selection表3. 缓蚀剂选择

酸化全过程中，酸液难免会在渗流通道中产生水锁反应(在亲水岩石中)和贾敏效应(在亲油岩石中)，导致储层渗透率降低，对储层改造产生不利的影响[10]。在酸化时通常都会加入适当的表面活性剂可有效地降低酸液流体的表面张力，减小渗流阻力，提升酸液对地层的润湿性，防止残酸形成乳化液，提升返排速度，提高酸化施工效果。

通过实验看出，活性剂的优选：PZ-7 表界面张力最低，表面张力为25.1 mN/m，界面张力为0.4 mN/m，见表4。

Table 4. Surfactant selection表4. 表面活性剂选择

在酸化过程中，酸液不可避免的与施工设备、井下管柱和储层含铁的岩石矿物发生化学反应，产生铁离子，并在一定条件下可生成的氢氧化铁沉淀。随着酸化过程的进行，酸液不断与地层矿物作用，随着酸液浓度的降低和pH 值的上升，三价铁离子在pH 升至2.2 时开始大量沉淀，从而导致地层孔隙及油气渗流通道被堵塞，造成储层渗透率下降，对储层造成伤害[9]。因此，酸液中必须加入铁离子稳定剂，防止由于酸液的pH 值上升导致产生氢氧化铁沉淀堵塞地层孔隙。通过表格看出，LHT 对铁离子络合能力最好，每毫升可络合87.5 毫克铁离子，见表5，因此采用LHT 作为苏桥储气库苏49K-P1 井酸化施工的铁离子稳定剂。

Table 5. Selection of iron ion stabilizer表5. 铁离子稳定剂选择

5. 现场应用及评价

苏49K-P1 井构造上位于冀中坳陷文安斜坡苏桥-信安镇潜山带苏49 潜山，生产井段为5126.975 m～5261 米，储层中深地层压力系数为0.62。由于钻完井过程中钻井液固相颗粒堵塞，产层渗透性差异较大，存在污染，影响储气库整体注采比，为了提高渗透性能，提升单井注采能力，采用油管注入笼统酸化方式，应用清结酸 + 转向酸组合体系，见表6，酸化裸眼井段：5126.975 m～5261 m，改善地层渗流能力。

从图5 施工曲线可以看出：在前置预处理阶段，压力有小幅上下波动，表明对井筒附近进行解堵，随着酸岩反应的进行，裂缝沟通明显，降低了表皮伤害。继续交替注入清洁酸和转向酸，压力大幅下降，表明沟通储层的天然裂缝，取得了一定程度的解堵效果。该井施工后，日注气量由作业前8.4 × 104m3上升到23 × 104m3，该井施工取得了成功。通过此次施工，证明了预处理酸 + 12%清洁酸 + 20%转向酸组合酸液体系，对苏桥储气库储层可实现纵向上均匀改造、横向深度改造的效果，达到提高储层渗透率，有利沟通储层裂缝，提升注采能力的目的。