适用于碳酸盐岩深穿透的潜在酸试验研究

李燕承，刘 志，黄天怿，贺雪红

(延长油田 靖边采油厂，陕西 榆林 719000)

目前，我国已开发的低渗透油藏占总生产储量的1/3以上，未开发的低渗透油藏占未动用地质储量的比例较大。然而，发达国家大多处于低产低效状态。如何提高已开发油藏的效果、快速有效地开发落后地区是潜在酸酸化技术具有不可替代的作用。碳酸盐岩储层在我国分布广泛，包括四川盆地、塔里木盆地、渤海湾盆地、鄂尔多斯盆地古生界潜山等。与砂岩储层相比，碳酸盐岩储层岩性相对简单，但裂缝、溶洞发育、碳酸盐岩储层潜在酸实施压裂时，这些特征会使充填砂的裂缝因滤失而变短变窄，压裂液渗入储层会对储层造成伤害，甚至操作不当会造成砂桥，对增产没有影响。然而，碳酸盐岩储层潜在酸酸压具有很强的优势。

1 潜在酸酸化压裂的影响因素分析

影响碳酸盐岩潜在酸酸压效果的两个最重要因素是酸有效距离和酸蚀裂缝导流能力。有效裂缝长度受酸滤性能、酸岩反应速度、裂缝内酸液流速以及酸类型的影响。酸蚀裂缝导流能力受闭合应力、酸溶能力、酸蚀酸岩反应形态、溶解岩绝对体积等因素的影响。因此，需要更长的酸蚀裂缝长度和更高的电导率来改善碳酸盐岩地层的酸压效果。

2 测定反应酸极限和计算酸有效距离

潜在酸酸压过程中，酸液沿裂缝进入深层，浓度逐渐降低。当酸浓度降低到某个无腐蚀能力的值时，它会变成反应酸。通常，反应酸极限被认为是活酸浓度的10%。在活性酸变成反应酸之前，活性酸流动的距离称为有效距离。但室内实验发现，缓速酸体系的反应酸限远高于以往对常规酸的看法。

因此，需要根据不同的酸体系设置相应的迭代终止条件，以获得酸的有效距离，而不是使用10%的活酸浓度作为迭代终止条件。根据上述研究和高温动力学反应的试验结果，模拟计算了不同酸的有效距离，计算出的酸浓度沿裂缝的分布如图1所示。根据之前的反应酸标准(新鲜酸浓度的10%)，交联酸、胶凝酸和自转向酸的有效距离分别为108、84和90 m；但根据其自身反应酸浓度限值，有效距离的计算结果为：交联酸最大96 m；胶凝酸次之81 m；自转向酸最小值77 m。显然，反应酸极限对酸反应距离影响很大。

因此，在实际酸压过程中，交联酸和自转向酸的酸岩反应速率较低；但综合考虑反应酸限和酸蚀引起的裂缝导流能力降低，增大有效距离可能无助于改善酸化效果。因此，建议对各种酸体系进行组合优化，以获得更长的有效距离和更高的导电性酸蚀裂纹。

图1 沿裂缝的酸浓度分布Fig.1 Acid concentration distribution along the fracture

3 酸蚀断裂能力的影响因素及改进方法

3.1 酸蚀断裂能力的影响因素

酸蚀裂缝导流能力受多种因素影响，利用自行研制的FCD测试仪DP-1，研究岩石埋置强度、闭合应力、酸用量、酸接触时间、酸过滤和酸泵送速率对裂缝导流能力的影响。

岩石埋置强度对断裂承载力的影响

岩石埋置强度是影响岩石断裂能力的重要因素之一，图2为岩石埋置强度对导流能力的影响。

图2 岩石埋置强度对导流能力的影响Fig.2 The influence of rock embedding strength on conductivity

由图2可知，显示了不同闭合应力下裂缝导流能力和岩石嵌入强度之间的关系。当岩石埋置强度值较低时，裂缝支撑点将坍塌，裂缝导流能力值将很低；反之，当岩石埋置强度值较高时，裂缝支撑点能够承受足够的地层压力，断裂能力值较高。

酸体系对压裂能力的影响

图3为不同酸体系对导流率的影响。

图3 不同酸体系对导流率的影响Fig.3 The influence of different acid systems on conductivity

由图3可知，显示了不同酸体系在不同闭合应力下的裂缝导流能力。采用单酸体系时，随着封闭应力的增加，导流能力迅速降低。然而，当采用组合酸体系时，不同酸之间的黏度差可以实现非均相刻蚀，并且在高闭合应力下，流动电导率仍然可以保持较高水平。

随着封闭应力的增加，导流能力降低，这就要求保护底部压力不受大幅度波动的影响，从而避免在注入酸、返排反应酸和后期生产控制时，由于裂缝净压力的变化而导致压裂能力大幅度降低。

酸用量对压裂能力的影响

图4为酸岩接触时间对导流能力的影响。

图4 酸岩接触时间对导流能力的影响Fig.4 The influence of acid rock contact time on conductivity

由图4可知，酸性岩石接触时间越长，岩石腐蚀越严重。如果酸液不足或接触时间较短，则腐蚀岩石会较少，酸蚀断裂能力会较低。如果酸太多或接触时间太长，受腐蚀的岩石会更多，裂缝面酸洗通道会更大，但支撑面积会更小，破裂面上的岩石结构会减弱，这使得岩石对闭合应力更敏感。显然，存在一个最佳酸液量或最佳接触时间，其原理是腐蚀量最大但仍能保持支护效果的岩石。

酸滤对压裂能力的影响

图5为酸液损失对导流能力的影响。

图5 酸液损失对导流能力的影响Fig.5 The influence of acid loss on conductivity

由图5可知，过滤和非过滤的导流能力对比曲线，在考虑过滤的实验中，滤失量为酸用量的15%；而在不考虑过滤的实验中，过滤线关闭，没有酸液损失。在低闭合应力条件下，2种实验结果相似；但当闭合应力大于18 MPa时，有滤失条件下的断裂能力远高于无滤失条件下的断裂能力。

3.2 提高酸蚀裂缝导流能力的措施

优化酸体系、酸用量和酸浓度

酸蚀裂缝导流能力的大小和分布与酸液体系密切相关，应选择低滤失、缓凝性能好的酸液体系，以提高整个有效酸蚀裂缝范围内的导流能力。此外，国内外专家还提出了前置酸压或多级交替注入酸压技术，以确保在高闭合应力条件下，依靠前置液与酸的黏度差异，获得更高的酸蚀裂缝导流能力，以及液体注入过程中的粘性指进，实现非均匀刻蚀。此外，作者更倾向于采用交替注入不同黏度和反应性的酸来实现非均相，这样可以减少前置液损失造成的地层损害，同时也可以避免前置液与酸不相容造成的大量废液。

对于较高的闭合应力层，应适当增加酸用量和酸浓度，以使裂缝闭合后深度腐蚀，保持较高的裂缝导流能力。理想酸用量和反应时间的原则是腐蚀体积最大但仍能保持支护效果的岩石；而对于松散、较低岩石强度层，应适当减少酸用量和酸接触时间，以避免过度腐蚀，因为过度腐蚀会削弱裂缝面中的岩石结构，从而缩短酸蚀裂缝导电性的使用寿命。

优化酸压工艺

(1)多级交替注入酸压技术。多级交替注入酸压技术能有效降低酸液损失。由于黏度差异，粘性指进在裂缝表面形成非均匀酸蚀图案，从而增加裂缝导流能力。此外，利用黏度和反应性的差异，采用不同黏度的酸体系也可以实现较好的非均匀刻蚀；

(2)闭合裂缝酸化技术。对存在天然裂缝或经历酸压的储层中的闭合或半闭合裂缝注入酸液，继续加深先前的沟槽，进一步加剧裂缝面的不规则性。室内试验和现场应用表明，该技术对提高近井裂缝导流能力极为有效；

(3)平衡酸压技术。平衡酸压技术是一种针对低温、软、高非均质油藏的技术。利用压裂延伸压力(延伸压力)与最小地应力(裂缝打开或关闭时的压力)之差，控制动态裂缝压裂后的施工泵送速度，使注入速度等于酸滤速度。当二者达到平衡时，裂缝内压力将低于压裂延伸压力，裂缝将保持开放而不延伸，酸岩反应时间将更长，从而产生最佳裂缝导流能力；

(4)砂支撑酸压技术。水力压裂和酸压相结合，深入裂缝，提高产能，延长有效时间，刺激并保持稳定生产。因此，砂岩支撑酸压技术适用于孔隙性储层或需要深穿透的储层，而不是大型缝洞型储层。

优化施工参数，选择最佳酸泵排量

在低闭合应力下，酸蚀裂缝电导率随泵送速率的增加而增加；相反，在高闭合应力下，它略有下降，但当泵送速率进一步增加时，它也会增加。因此，在施工过程中，在泵压安全范围内适当提高泵速有利于提高酸蚀裂缝导流能力。

4 裂缝性储层潜在酸酸压滤失控制技术

一般来说，根据3种降失机理，压裂液的全过程分为滤饼区、滤液侵入区和压缩区。对于压裂液而言，过滤主要受造壁性能的影响，其次受黏度的影响；压裂液黏度越高，过滤效果越差。酸是一种反应性液体，与压裂液滤失仅在裂缝面上形成有效滤饼不同，压裂液滤失从流动开始，形成更多的滤失面积。

通常碳酸盐岩比砂岩有更多的天然裂缝，酸不断地腐蚀裂缝面，不仅选择性地扩展孔隙，而且还扩展裂缝，形成垂直于裂缝面的“虫洞”和通道，形成新的过滤区域。一旦形成这些“虫洞”，大量酸将沿着过滤通道流失，从而缩短有效距离，增加产量限制和有效期。目前，酸压过程中的滤失控制技术主要有：增稠液滤失控制技术、固体颗粒滤失控制技术、泡沫酸滤失控制技术。

4.1 增稠液滤失控制技术

使用高黏度酸(胶凝酸、交联酸、自转向酸等)，一方面可以防止酸在酸蚀通道中流动；另一方面，有助于降低酸岩反应速率，减缓酸蚀浇注生长。胶凝酸和自转向酸的滤失曲线分别如图6和图7所示。这2种酸由于黏度高，增加了裂缝的渗流阻力，减少了从岩心支架出口流出的流量，表现出明显的降滤失。通过对比注酸前后的基液流量，发现用胶凝酸代替自转向酸时，渗透率恢复幅度大得多，说明自转向酸具有较好的降滤失控制和缓凝性能。

图6 胶凝酸的滤失曲线Fig.6 Fluid loss curve of gelling acid

图7 自转向酸的滤失曲线Fig.7 Filtration curve of self-turning acid

4.2 固体颗粒滤失控制技术

颗粒尺寸与裂纹有效宽度的匹配试验(一)

图8为与累计注入量的关系曲线(1/4匹配关系)。

图8 K/Ko与累计注入量的关系曲线(1/4匹配关系)Fig.8 Relationship curve between K/Ko and cumulative injection volume (1/4 matching relationship)

由图8可知，注入携载流体后，裂缝渗透率下降至其初始值的近40%。这表明，无论裂纹初始渗透率值()是多少，当桥连颗粒尺寸为裂纹有效流动宽度的1/4时，都会形成桥塞。随着注入量的增加，o逐渐减小；当累计注入量达到一定值时，明显反弹，试验过程中发现有固体从芯座出口流出，表明固体颗粒在裂纹中迁移。所以1/4匹配关系不能稳定桥。

颗粒尺寸与裂纹有效宽度匹配试验(二)

图9为与累计注入量的关系曲线(1/3匹配关系)。

图9 K/Ko与累计注入量的关系曲线(1/3匹配关系)Fig.9 Relationship curve between K/Ko and cumulative injection volume (1/3 matching relationship)

由图9可知 ，桥塞效应显著增强，裂缝渗透率下降了初始值的70%～80%。随着注入量的增加，裂缝渗透率明显降低，并伴有轻微波动；表明颗粒迁移现象减少，桥塞稳定性提高。

与1/4和1/3匹配关系相比，1/2匹配关系具有最好的桥塞效应，其裂缝渗透率下降了初始值的90%，甚至更高。随着注入流体体积的增加，岩心渗透率变化极小；表明颗粒运移现象消失，桥塞稳定性增强。

4.3 泡沫酸滤失控制技术

增稠的液体和固体颗粒可以有效地减少流体损失，但也不可避免地造成地层伤害。泡沫酸是一种具有良好还原过滤功能的特种流体。在低渗透油藏室内试验中，其过滤系数比常规液体低2个数量级。与常规酸相比，泡沫酸具有黏度高、滤失低、摩阻小、缓凝效果好、造缝能力强、返排容易、伤害小等优点，是低压低渗碳酸盐岩油藏理想的酸液体系。

泡沫酸泡沫段塞液的优势——损失控制酸压

与其他降滤失控制技术相比，稳定的固体降滤失剂(粉砂等)一旦加入酸液中就很难溶解，油溶或水溶降滤失剂可以很好地控制酸液的降失，但不适用于气井。高黏度前置液或高黏度酸也可以减少流体损失，但也会造成地层损害。

泡沫对油/水层具有选择性——以堵水代替堵油。遇油时形态消失，遇水时形态保持稳定，使酸能优先进入油层，提高油层酸化效果，防止因水层酸化过度导致含水上升。

泡沫具有较高的表观黏度和良好的承载能力。回流时，它会释放出颗粒和不溶物。泡沫中的气体膨胀为反应酸回流提供能量，使其更彻底。同时降低地层伤害，这对于低压地层尤为重要。

泡沫(酸)在多孔介质中的渗流机理

(1)泡沫不断破裂，流动时会发生变化。在透明模型中可以清楚地观察到，泡沫在多孔介质中流动时，不是以连续的形状向前移动，而是随着不断的破裂和重新形成而向前移动。液体则沿着气泡液膜网络在多孔介质中流动，液体是连续相；而气体不是；

(2)含油多孔介质中泡沫稳定性变差。在不同含油饱和度的多孔介质中，泡沫稳定性可以通过泡沫层的形成、泡沫的移动速度和距离、泡沫的破碎和重整以及压力进行比较和分析。随着含油饱和度的增加，泡沫稳定性明显降低，泡沫移动距离相应缩短；

(3)孔隙中的泡沫具有较高的表观黏度，且随孔隙率的增加而增大。泡沫是假塑性流体，在多孔介质中流动时，表观黏度远高于活性水和活性气的表观黏度；表观黏度随孔隙度(或渗透率)的增加而增加，随剪切应力的增加而降低。这种特性不利于泡沫在大通道中的流动，因为大通道会导致低流速和低剪切应力，从而导致高表观黏度。

泡沫酸的降滤失机理

低泡沫过滤系数由其自身的特殊成分决定，由于气相和液相之间存在表面张力，泡沫进入储层后形状不断变化。当泡沫进入微孔时，需要更多的能量来克服Jamin作用和泡沫变形。但当泡沫进入微小孔隙后，成分微小的泡沫会形成双层膜，形成高压差，进一步阻止液体进入地层。

5 结语

(1)酸压有效距离和酸蚀裂缝导流能力是影响酸压效果的2个关键因素；

(2)不同的酸体系具有不同的反应酸极限。由其自身反应酸限值计算的有效距离不同于使用先前反应酸计算标准计算的有效距离；

(3)由于酸岩反应的高度随机性以及各种影响因素，交替注入不同黏度和反应性的酸，可以实现非均相酸蚀，提高酸蚀裂缝导流能力；

(4)增稠液固相颗粒在酸压过程中起着降低滤失的重要作用，但不可避免地会对地层造成伤害。泡沫酸是一种黏度高、滤失低、摩阻小、缓凝性能好、造缝能力强、易返排、伤害小的流体，对低压低渗透碳酸盐岩储层酸压降滤具有较好的适应性。