碳酸盐岩储层水平井靶向酸化研究及应用

2022-08-15蒋利平曹献平

西南石油大学学报(自然科学版) 2022年4期

薛衡，何冰，蒋利平，曹献平，段策

1.振华石油控股有限公司，北京西城 100031 2.成都北方石油勘探开发技术有限公司，四川成都 610000

引言

水平井酸化是开发油气田的一种有效手段，可以显著提高油气藏开发的综合效益。与直井相比，水平井由于作业井段长，如果加上储层的非均质性，使得酸液的置放与转向面临巨大的挑战，水平段达到均匀解堵或改造的难度极大。因此，水平井酸化关键技术与攻关目标是酸液的置放与转向，以提高整个水平井段的酸液覆盖率。国内围绕这一目标开展了工作液、配套工具与完井方式的研究。在酸化液体体系上，着力深入优化了降滤、增黏、降阻、转向、缓蚀、缓速和降伤害等特性，开发出大量的新型液体体系。酸化工艺上从笼统酸化工艺逐步向改善吸酸剖面的均匀布酸工艺发展。目前，形成的水平井酸化工艺技术主要有：全井段笼统注酸技术[1]、连续油管注酸技术[2]、连续油管喷射酸化技术[3-4]、暂堵酸化技术[5]、机械方法分段注酸技术[6]和局部完井酸化技术[7]等，并结合自转向酸[8-9]、可降解颗粒材料[10]和降解纤维[11-12]等材料改善布酸效果。

虽然外针对碳酸盐岩储层水平井酸化开展了大量的研究及实践工作，但酸化效率仍有很大提升空间，以中东A 油田为例，水平井酸化面临的主要难点有以下几方面：（1）储层层系多，差异大，均匀改造难度大；（2）井段长、非均质性严重，控制布酸难度大；（3）储层伤害类型复杂，伤害预测困难，布酸依据不充分；（4）水平井井身结构复杂，加大了后期增产作业难度；（5）注入能力有限，酸液在储层中的流动速度过慢，不利于蚓孔延伸；（6）水平井吸液剖面大，导致储层每米吸酸量不足，酸化效果不理想。

为了在有限的酸液用量及措施手段情况下，解决以上技术难题，本文通过理论研究与现场实践不断地相互促进完善，形成了针对油田不同开发阶段的水平井靶向酸化工艺技术：（1）油田开发初期，以新井为主，此时地层能量充足，含水矛盾不突出，钻完井伤害明显。因此，水平井酸化主要以解除钻完井伤害，实现产能最大化为目标。（2）油田开发中后期，以老井为主，此时见水问题突出，井段动用程度不均衡。因此，除了酸化解堵，还应重点考虑提高低渗层段储量的动用，最大程度释放单井产能。

1 水平井三维径向酸化数学模型

为了研究布酸对酸化效果的影响，需要开展数模研究。国内外很多学者对碳酸盐岩酸化过程中蚓孔的产生、扩展和不均匀溶蚀做了大量研究，并形成了毛细管模型[13]、分形模型[14]、网络模型[15]、连续介质模型[16]和孔隙介质模型[17]等5 大类模型。由于连续介质模型能够正确反映流动、反应和局部传质等物理化学过程，且能较真实模拟酸和岩石反应溶蚀结构。再考虑到模拟计算量相对较小，适合用于工程计算。因此，本文基于连续介质模型，推导了适用于水平井的三维径向酸化模型。本文后面所开展的靶向酸化研究均基于此模型。

1.1 酸化数学模型

酸液在地层中的径向流动平衡方程

式中：

u--r方向的流速，m/s；

v--θ 方向的流速，m/s；

ξ--z方向的流速，m/s；

K--基质渗透率，mD；

μ--酸液黏度，mPa·s；

p--压力，MPa；

r--柱坐标的半径，m；

θ--柱坐标的角度，（°）；

z--柱坐标的高度，m；

φ--地层孔隙度，无因次；

t--时间，s。

地层条件下盐酸与碳酸盐岩反应的物质平衡方程为

式中：C--f孔隙内部酸液浓度，kmol/m3；

C--s孔隙壁面酸液浓度，kmol/m3；

Der、Deθ及Dez--r、θ 及z方向上酸液有效扩散系数，m2/s；

R(Cs)--单步不可逆反应的溶蚀速度，R(Cs)=ksCs，m·kmol/（s·m3）；

ks--反应速度，m/s；

av--比表面积，m2/m3。

局部孔隙变化物质平衡方程

式中：α--酸液的溶蚀能力，kg/kmol；ρs--岩石密度，kg/m3。

1.2 边界条件

在实际酸化施工时，通常定排量向储层挤入酸液，酸液沿井壁呈径向流态向远井区域流动。在θ等于0 和2π 位置处，酸液能够自由流动，因此，采用周期边界。假设储层区域足够大，酸化时油藏外边界处压力保持不变。三维径向流动反应边界条件示意图如图1 所示。

图1 水平井三维径向酸化模拟的边界条件示意图Fig.1 Boundary condition diagram of 3D radial acidizing simulation for horizontal wells

2 水平（新）井靶向酸化技术研究

2.1 水平（新）井伤害特征研究

研究发现，水平（新）井伤害主要发生在建井阶段，其中，以钻完井液滤失伤害为主，包括固相颗粒运移和聚合物体系的滞留伤害和吸附伤害[18]。因此，引入前期研究成果，定量描述水平井在钻井期间的非均匀伤害特征[19]。以A 油田某井为例，对该井钻井液滤失伤害开展定量评价研究。模拟结果显示，由于水平段跟部浸泡时间更长，因此，伤害形态总体上呈椭圆锥台形状，与常规理论相符。但是，受储层非均质性影响，伤害形态局部存在差异性，如图2 所示。

图2 渗透率和表皮系数沿水平段的分布规律Fig.2 The distribution of permeability and skin factor along horizontal section

2.2 水平（新）井布酸方法研究

常规水平井酸化方法主要有均匀布酸法、锥台布酸法和物性剖面布酸法。由于以上方法不能完全与水平井的伤害特征吻合，使得它们的酸化效果仍有较大提升空间。因此，本文提出了根据地质分段，同时基于表皮系数原则分配酸用量（表皮与酸量成正比）的靶向布酸技术，从而使酸化解堵更具有针对性。以该井为例，根据地质分段将水平井分为10 段，并根据4 种不同布酸方法对每段用酸强度进行优化设计，如图3 所示。与3 种常规布酸方法相比，靶向布酸模式更符合储层伤害特征形态。

图3 4 种布酸方法下各段用酸强度设计对比Fig.3 Comparison of acid strength design for each section under four acid placement methods

2.3 新井布酸方法对酸化效果影响

基于1.1 节推导的水平井三维径向酸化数学模型，针对该井模拟对比了4 种不同布酸方法的酸化效果。其中，每种布酸方法均采用0.4 m3/min 排量下的连续油管回拖酸化，150 m3转向酸，浓度为20%。

模拟结果显示，靶向布酸、均匀布酸、物性布酸和锥台布酸在酸化后的表皮系数分别降至0.76、0.86、0.95 和0.96。对比4 种布酸方法，靶向布酸效果更好。研究表明，同样酸化效果下，靶向布酸至少能够节约10%酸量，如图4 所示。

图4 4 种布酸方法的酸化效果对比Fig.4 Comparison of acidizing effects of four acid placement methods

2.4 新井酸化效果评价

针对同一层位，储层流体物性、完井参数、钻井参数相似的5 口井，采用相同的酸液体系、酸化参数进行投产。

其中，选取了物性及水平段长最小的两口井进行靶向布酸；另外3 口井采用常规的物性布酸方式。对比酸化投产后的产液指数发现，靶向布酸的确能够一定程度提高上水平（新）井酸化投产效果，如表1 所示。

表1 采用不同布酸工艺下的5 口井生产效果对比Tab.1 Comparison of production index for 5 wells with different acidizing technology

3 水平（老）井靶向酸化技术研究

3.1 水平（老）井布酸目的分析

从伤害机理及压恢解释结果分析，A 油田正常生产的油井伤害并不严重，因此，老井酸化重点在于如何提高低供液段的产能贡献。对于未酸化投产的水平（老）井，由于受“跟-趾”效应影响，跟端生产压差普遍大于趾端，一部分钻井滤失的固相会随着生产排出储层，从而使得钻井伤害的解除程度呈现跟端大，趾端小的特征。因此，这类井的布酸应该以提高“趾部动用程度”为目标。对于重复酸化的水平（老）井，由于前期酸化已将钻井污染解除，并且已在高渗层形成酸蚀蚓孔。因此，这类井布酸应该以提高“低渗层段、低吸酸层段动用程度”为目标（图5）。

图5 水平（老）井重复酸化布酸示意图Fig.5 Schematic diagram of acid placement in horizontal(old)wells

由于目前水平井酸化手段十分有限。因此，本文主要以连续油管回拖，并结合局部酸化和定点喷射酸化工艺来实现水平（老）井的靶向布酸。

3.2 老井布酸方法对酸化效果影响

以A 油田某井为例，该井水平段总长800 m。根据测井解释渗透率及钻井轨迹情况，地质上将该水平井段分为3 段，如表2 所示，可以看出，第1 和第3段物性相似，第2 段物性比第1、第3 段差，渗透率级差约3 倍。因此，结合水平（老）井的靶向布酸工艺，第2 段将是重点酸化井段。目前，连续油管布酸方法主要分为笼统酸化、分段酸化和局部酸化，下面重点对比分析这3 种布酸方法对该井酸化效果的影响。

表2 某水平井地质分段情况及各布酸方法下的用酸设计Tab.2 The acid volume design based on geological segmentation of a horizontal well and various acid placement methods

3 种布酸方法中，均采用0.5 m3/min 排量，150 m3转向酸，浓度为15%，其中，各小段用酸情况参考表2。利用第1 节推导的水平井三维径向酸化数学模型，忽略水平井筒中流动产生的摩阻，通过模拟计算得到了3 种布酸方法在定生产压差下的产液剖面的流速分布，如图6 所示。

图6 3 种布酸方法的酸化后产液剖面的流速分布Fig.6 Velocity distribution of production profile after acidizing with 3 acid placement methods

从图6a 和图6b 中发现，采用笼统酸化和分段酸化方法，酸化后第2 段产液量仍较第1 和第3 段低，未达到提高低渗层段产液贡献目的。从图6c 中发现，虽然第2 段改造程度仍然有限，但是由于采用局部酸化工艺，限制了第1 和第3 段的吸酸量，使得整个水平井段产液剖面得到了大幅度均衡。

3.3 局部深穿透靶向酸化工艺研究

由于受局部位置上的非均质性影响，某些井段的酸化改造效果仍然不理想。例如，图6c 中3 480～3 570 m 酸化后的产液量仍然非常低。为了提高局部井段酸化时蚓孔的深部穿透效果，推荐采用定点喷射酸化工艺。研究表明，当喷速在32.6～60.9 m/s，能够在碳酸盐岩中产生深穿透蚓孔（图7）[20]。目前，各油田通常采用1.5 in.以上连续油管，施工排量大于0.3 m3/min，若采用5 孔酸化喷头，喷速达50.7 m/s，能够满足造深穿蚓孔要求。