酸化压裂技术在低渗透油田开发中的应用效果分析

2022-12-31温建强杨振策

化工设计通讯 2022年10期

王勤，温建强，杨振策

（延长油田股份有限公司吴起采油厂，陕西延安 717600）

进入21世纪以来，随着国内能源消耗的不断增加，我国对于西部以及东北部的石油资源勘探程度不断加深。伴随着现有石油资源的开采，可用于工业开采的油气资源呈现出愈加匮乏的态势。在此背景下，如何在低渗透油田中开展相关增产技术的应用是油田开发人员的主要研究方向。酸化压裂技术的主要途径是对油层进行酸处理改造，从而实现油水井的增产或增注。早在20世纪90年代就有科学家提出酸化解堵油层改造工艺，最初使用的酸溶液为烟酸，伴随着技术的进步，酸溶液逐渐变成盐酸、土酸等，具体需要根据油层的深度及其他实际情况来选择，目前，酸化压裂技术已基本发展成熟。当前，从实际情况出发，研究酸化压裂技术在低渗透油田开发中的应用，对于我国的经济发展和能源供应稳定具有十分重要的意义[1]。

1 酸化压裂技术的原理

酸化压裂技术的实施手段是将酸液注入预先测定的油层中，所选择的酸液对油层岩石应具有较强的化学溶蚀作用，溶蚀作用能改变油层内部裂缝壁面的构造，酸液与油层岩石中的黏土矿物、碳酸盐岩类等成分发生化学反应，使裂缝不能完全闭合，从而提高油层岩石裂缝的导流能力，使相关注采设备能在对应油水井中实现更高的生产效率，增加油井产量或注水井注入量，避免开采油层因渗透率过低而供液不足。酸化压裂作业的目的是改造低渗透油层的裂缝表面形状，疏通油层孔隙堵塞，打开油气流入井筒的通道，进而为油田的增产提供先决条件。

2 提升低渗透油层渗透性的方法

2.1 水力压裂技术

水力压裂首先要在地面进行高压泵组的组建工作，在编制施工设计时，需要根据目标油层的深度初步确定压力值。正式施工时，通过高压泵组将压裂液以远高于地层吸收能力的排量注入油井中，利用液体传递压力的能力，使油井井筒内憋起一定压力，当压力超过油层破裂压力后，就会形成一定数量的裂缝，它们可能是平面上的，也可能是竖向上的。但此时形成的裂缝形态稳定状况得不到保证，需要使用支撑剂来避免目标油层出现塌陷、裂缝闭合的情况，使用高压泵组可以将带有一定规格支撑剂（石英砂、陶粒）的压裂液注入裂缝，使裂缝能继续向前延伸，并填满这些裂缝的内部空间，极大增加裂缝的稳定性。停泵后，由于支撑剂的作用，裂缝不会再次闭合。通过压裂作业产生的人工裂缝可以很大程度上增加油气流向井筒的活动空间，目标油层的渗透性将会得到极大提升，从而起到良好的增产效果，该项技术又被称为油层水力压裂技术。由于该项技术在应用过程中需要用到高压泵组、支撑剂以及压裂液等，因此实际压裂作业的成本较高。

2.2 酸化解堵技术

在进行酸化解堵技术应用的过程中，并不需要使用到高压泵组，使用普通的柱塞泵将配方酸液注入目标油层或井筒内即可，这就减少了高压泵组组装的时间以及设备、物料使用的成本。注入目标油层的配方酸液能对油层中存在的堵塞物以及岩石产生溶蚀作用，从而有效改善油层的渗透性。在低渗透油层中应用酸化解堵技术能有效提升油井的产量，是我国现阶段提高油层岩石渗透性最主要的技术之一。在应用酸化解堵技术的过程中，酸液的种类有盐酸体系、土酸体系以及氟硼酸体系等，需要根据油层岩石种类的不同来选择酸液，才能达到预期的解堵效果。常用的酸化解堵工艺主要有土酸酸化工艺、氢氟酸酸化工艺、氢氟酸顺序处理工艺和氟硼酸酸化等工艺，不同工艺或工艺相同但配方酸液浓度不同，在酸化解堵效果方面都存在着不同的表现。一般而言，常规土酸酸化工艺能够解决绝大多数的砂岩油气层堵塞渗透率低的情况，但在作业深度方面不如氟硼酸酸化工艺，总之需要根据目标油层的实际情况来优选某一类酸化工艺。

低渗透油层在实际的生产过程中普遍存在着产量过低的情况，通过各种手段提高渗透率是非常必要的，是国内油田未来一段时间实现增量增产的主要手段，能对我国能源市场的发展起到一定的促进作用。特别是酸化解堵技术，相较于传统的压裂技术而言其操作更为简单，只需向地层中注入酸液，使之与地层岩石发生化学反应，达到增大油层岩石的孔隙度，提高油层的渗透率的目的，并不需要使用支撑剂，极大地降低了油层的改造成本。此外，通过酸液总量、浓度及配方的不同设计能够实现对改造油层溶蚀程度的精准控制，避免过量的酸液对目标油层整体构造的影响，对提高油井的产量很有帮助。

3 酸化压裂技术分析

3.1 酸化压裂井层的选择

在应用酸化压裂技术前，需要对不同类型储层剩余油的定量分布进行勘察，从而达到根据改造油层的地质条件、注采情况进行选择的目的。酸化压裂技术井层选择的大致方法，主要包含以下三点。

（1）酸化压裂井应当具有完善的注采系统以及较高的地层压力，能实现对酸液的传输，并且使其能精准到达改造目标区域，避免因为传输精度所导致的酸化溶蚀目标的误差，这是酸化压裂技术应用取得良好效果的基础。

（2）投产初期产量较高，但在投入生产一段时间之后，产量出现明显下降的井为酸化压裂改造的优选井，这主要是因为此类油井可能由于钻井液污染近井地带油层或其他原因所导致的油层堵塞，导致表皮系数较高，从而出现产量骤降的情况，因此将酸化压裂技术应用到这类油井中能取得较好的效果。

（3）纵向上选择低含水或未见水油层，平面上选择砂体变差部位进行酸化压裂，这类油层通常都具有低渗透的特点，需要通过酸化压裂技术的应用来提升产量。地层条件好，但出油状况差的动静态不相符的油层通常是因为地质状况而导致产油量较低，也可通过酸化压裂技术来改变目标油层的地质状况，达到提高油井产量的目的。

3.2 解除地层污染方法研究

在油田生产过程中，一是油气层的黏土矿物溶于液体后会产生多种离子，如铁离子与钙离子是油气层中存在总量最多的离子种类，这些离子会对油田开发产生较大影响，主要是导致开发油层被污染，从而导致油井产量下降的情况，且伴随油气层开发的深入进行和时间的推移，这类离子对油层所产生的污染情况会越来越严重；二是油层中由于细菌的存在，它们产生的代谢物附着在油层岩石裂缝或孔喉表面，随着时间的推移，就会堵塞流体渗流通道，这两点是造成油井生产过程中产量下降的主要原因。针对这类情况，一般会使用常规酸化处理的方法来对油气层中形成的离子沉淀或细菌代谢物进行清除。但常规酸化技术并不能完全消除离子沉淀的影响，因为离子会从酸化处理的衍生物泛酸中再度沉淀出来，使得油田的产量再次出现下降的情况。在酸化压裂的过程中通常会使用黏土稳定剂，黏土稳定剂虽然能够降低黏土矿物溶解产生离子的速度，但并不能完全消除离子所产生的影响。针对这种情况，在常规酸化处理技术的基础上进行综合酸化处理工艺技术的研究，并且通过对酸化压裂施工的预处理可有效消除因为黏土膨胀、运输以及沉淀所产生的污染情况。综合酸化反应所产生的衍生物还能防止离子在地层中再次出现，有效降低酸化残余液在裂缝中对岩石的二次伤害。综合酸化处理工艺技术的应用流程如下。

（1）应用离子螯合剂，使离子螯合剂能与前置酸溶液进行充分地混合。

（2）在压力泵中应用隔离液。

（3）在压力泵中应用黏土稳定剂，并且与后置酸溶液进行充分地融合。

（4）在压力泵中注入顶替液。

4 实际应用效果分析

4.1 研究对象

此次研究选择了鄂尔多斯盆地西北部三叠系和侏罗系致密砂岩油层作为酸化压裂技术的研究对象，在下文的论述中简称为W油田目的层段，该层段具有相对独特的地质学特征。在进行酸化压裂技术应用之前，通过查阅W油田两套油层的地质资料，发现该研究区域的油层岩石骨架颗粒中不稳定组分含量较高，如油层中含有长石岩屑，并且还有外来流体的作用效果，这就使得该油层岩石与流体存在发生物理、化学反应的条件，从而在一定程度上降低了稳定性，储层的结构也呈现出不规则的特性。除此之外，在整个油层区域内颗粒的磨圆度较低，分选差，这就导致了油层岩石的低渗透特点。如果在实际的油田生产过程中所使用的酸化压裂技术对储层造成破坏，那么渗透率将会进一步降低，油田的产能将会呈现出不稳定的状态。通过更为细致的地质研究发现，该地区砂岩的主体部分为骨架颗粒，并且砂岩的大小、成分、形状都对油气流动产生直接影响。碎屑岩骨架颗粒主要为石英、细沙、粗砂、长石和岩屑，整体的强度较高但是结构不稳定，主要以石英为结构强度材料。砂岩中石英是物理化学性质最稳定的组分，这是酸岩反应最主要的处理目标，需要根据勘查工作中石英的种类来进行酸化材料的确认。在实际的油田勘探开发过程中，除了氢氟酸以及pH＞10的强碱性环境外，石英都呈现出较稳定的物理化学性质，一般的酸性材料对于石英的溶蚀反应较弱。长石在性状表现上为架状硅酸盐矿物，与碎屑岩骨架中含量较大的石英相比，长石在物理、化学方面的性状表现不稳定，因此，常规的酸化反应材料就能实现对长石的溶蚀作用。长石类矿物与酸液接触时，化学反应的效果较为强烈，但需要注意的是，长石与酸液的反应物为含钙沉淀物或非晶质的二氧化硅凝胶体，这种沉淀物与胶体所形成的混合衍生物具有较强的密闭性，如果不应用针对性措施，就有可能造成孔隙堵塞情况的加重，从而造成储层污染加重，进一步降低油井的产量。因此在目标油层酸化处理的过程中所使用到的酸化材料有两种，分别为常规的土酸和氟硼酸。土酸中氢氟酸主要是与钙长石发生反应，溶蚀掉存在于碎屑岩骨架颗粒中的钙长石，但容易形成CaF2及非晶质的SiO2沉淀物，沉淀物会堆积在油层岩石的表面，造成渗透性的下降，而HCl的主要作用是与沉淀物进行化学反应，使沉淀物分解，从而实现较为理想的酸压效果。但需要注意的是，如果目标油层处于强碱性环境下，钠长石、钾长石、斜长石等矿物将产生新的硅胶体凝聚和硅酸盐沉淀，常规的土酸无法与其沉淀物以及凝聚物产生化学反应。

4.2 常规土酸酸化应用及效果分析

首先，使用常规土酸酸化技术对目标油层进行酸化压裂效果的试验，试验油井分别为41-144井、41-128井、29-2-6井、ZT8井以及47-76井，所选择的目标试验油井均满足酸化压裂作用井层的选择标准。土酸酸化体系液主要是由10%的盐酸和3%的氢氟酸溶液混合而成，使用无机聚合物类化合物氧氯化锆作为黏土稳定剂，并且在溶液混合的过程中加入乙酸，来对目标油层中大量存在的铁离子进行中和作用，实现对酸化效果的控制。在这些试验油井中，29-2-6井和ZT8井取得明显的酸化效果，41-144井、41-128井取得一定的酸化效果，但47-76井基本无酸化效果，证明常规的土酸酸化工艺并不适用于所有的油井。

4.3 氟硼酸酸化应用及效果分析

常规的土酸酸化工艺在实际的应用过程中，酸液在近井地带就与岩石和黏土反应完毕，并没能在目标油层进行反应，如果盲目增加土酸酸液的用量就会破坏近井地带的岩石结构，反而降低油层岩石的渗透性，因此需要在常规土酸酸化工艺的基础上进行优化设计。通过氟硼酸的使用，能在地层中形成多级水解生成氢氟酸，使得酸性溶液能顺利进入到目标油层，并与油层深处的黏土和岩石发生化学反应，避免常规土酸酸化反应所带来的反应深度不足的情况。在实际操作中分别对47-76井、47-78井、41-223井以及41-303井进行氟硼酸酸化解堵作业，试验井的选择均满足酸化选井条件。41-223井的酸化效果最为明显，所以将其作为此次试验的分析案例，油井的深度为2 212m，射开油层厚度为21m，油层共分为四个小层，钻井开发所记录的资料显示，油层中的平均孔隙度为9.52%，渗透率为7.36×10-3μm。在该油井投入生产的初期产量能达到10.2m3/d，含水率为19%。但经过不到一年的时间，产量下降到了1.7m3/d，含水率也大幅度上升至64%，在经过氟硼酸酸化处理之后该油井的产量恢复到了6.8m3/d，含水率也下降至36%，此外，在47-76井应用氟硼酸酸化工艺，也取得了明显的增产效果。