張 馳

(中國(guó)石化重慶涪陵頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)有限公司，重慶408014)

0 引言

隨著涪陵頁(yè)巖氣田二期區(qū)塊埋深不斷增加，頁(yè)巖氣井壓裂改造難度也隨之增大。目前涪陵頁(yè)巖氣田深層頁(yè)巖氣井借鑒淺井經(jīng)驗(yàn)，采用前置20 m3濃度為15%的鹽酸以2 m3/min的排量處理地層來(lái)降低施工壓力，但效果有限[1]。針對(duì)深層頁(yè)巖氣井酸處理效果不佳的難題，調(diào)研分析了深層酸處理效果變差的原因，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究了影響現(xiàn)場(chǎng)酸處理效果的各項(xiàng)因素，探討了針對(duì)深層頁(yè)巖采用優(yōu)化酸液配方、提高酸液濃度、提高酸處理排量、優(yōu)化用量各項(xiàng)措施提高酸處理效果的可行性，為不斷提升涪陵頁(yè)巖氣田深層氣井前期酸處理效果，改善93 MPa限壓下深層壓裂改造效果明確了后期研究攻關(guān)方向。

1 深層酸處理不利條件分析

涪陵頁(yè)巖氣田深層頁(yè)巖氣井采用淺層頁(yè)巖氣井酸處理工藝出現(xiàn)酸降效果差、難以形成足夠的壓力窗口開(kāi)展各項(xiàng)工藝措施的問(wèn)題。通過(guò)調(diào)研分析認(rèn)為以下幾點(diǎn)不利因素則可能?chē)?yán)重影響了深層酸處理的效果。

1.1 深層溫度升高

由于涪陵頁(yè)巖氣田碳酸鹽巖含量較高，一般采用鹽酸進(jìn)行前置預(yù)處理，降低巖石強(qiáng)度，為后期提供足夠的壓力窗口。但是隨著頁(yè)巖氣井埋深的增加，地層溫度逐漸升高，鹽酸與碳酸鹽的反應(yīng)速率大幅加快[2-4]，酸液難以穿透到更深的地層，處理范圍有限，不利于深層后續(xù)壓裂施工。

1.2 深層壓力升高

埋深的增加還會(huì)造成壓力的升高，有室內(nèi)試驗(yàn)表明，雖然隨著壓力的升高，鹽酸與碳酸鹽巖的反應(yīng)速率會(huì)逐漸減緩，但是在深層高溫高壓共同作用的條件下，酸巖反應(yīng)速率還是主要受到溫度的影響，遠(yuǎn)大于埋深較淺的低溫低壓條件下的反應(yīng)速率[5-6]，酸處理范圍受限。

1.3 礦物組分發(fā)生變化

涪陵頁(yè)巖氣田隨著埋深的增加，部分氣井的巖石礦物組分發(fā)生變化：通過(guò)常規(guī)測(cè)井結(jié)果可以看出，礦物組分中泥質(zhì)含量明顯增多(見(jiàn)表1)；由于鹽酸酸液體系僅能處理碳酸巖鹽，無(wú)法處理泥質(zhì)組分(粘土礦物)，因此，涪陵頁(yè)巖氣田部分深層氣井會(huì)由于泥質(zhì)含量的增多而導(dǎo)致原有的鹽酸酸液體系效果降低。

表1 涪陵頁(yè)巖氣田深淺井泥質(zhì)含量對(duì)比 %

1.4 深層縫寬減小

深層頁(yè)巖氣井地層壓力增大，地層壓實(shí)作用增強(qiáng)，裂縫擴(kuò)展困難，縫寬相比于淺層明顯變窄，室內(nèi)試驗(yàn)表明：裂縫縫寬與反應(yīng)速率成一定的反比關(guān)系[7-8](見(jiàn)圖1)；因此，在深層壓裂過(guò)程中若酸處理排量較低，由于酸液流經(jīng)的裂縫縫寬不足，酸液反應(yīng)速率較快，只能處理較小范圍的地層，不利于酸液處理遠(yuǎn)端裂縫。

圖1 縫寬對(duì)酸巖反應(yīng)速率影響

2 深層酸處理技術(shù)對(duì)策

針對(duì)淺層頁(yè)巖氣井，酸處理的目的主要是清理炮眼及近井污染，在形成快速酸降后可以快速提高施工排量進(jìn)行壓裂施工，較低的裂縫延伸壓力也保證了裂縫在高排量泵壓下的延伸；但對(duì)于深層頁(yè)巖氣井，酸處理的目的不僅僅是清理炮眼及近井污染，更重要的是處理更大范圍的地層，降低深層巖石的破壓，確保在限壓條件下裂縫更好地起裂、延伸。因此，對(duì)于深層頁(yè)巖的酸處理，應(yīng)當(dāng)在保證酸蝕作用的基礎(chǔ)上，延緩酸巖反應(yīng)時(shí)間，盡量擴(kuò)大酸處理范圍。主要考慮從以下幾個(gè)方面進(jìn)行調(diào)整。

2.1 優(yōu)化酸液體系配方

部分深層頁(yè)巖氣井粘土礦物成分增多，使用鹽酸處理效果不佳，而有研究表明采用鹽酸+土酸的酸液體系作用于粘土礦物含量較高的地層時(shí)，鹽酸反應(yīng)速率較快優(yōu)先與碳酸鹽巖反應(yīng)，隨后土酸中的HF處理粘土礦物，可有效降低巖石強(qiáng)度[9]，提高酸蝕效果(見(jiàn)式1、式2)：

16HF+CaAl2Si2O8=CaF2↓+2AlF3+2SiF4↑+8H2O

(1)

6HF+SiO2=H2SiF6+2H2O

(2)

將涪陵頁(yè)巖氣田深層氣井巖心進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：巖心粘土礦物含量增多，采用鹽酸+土酸酸液體系對(duì)巖心的溶蝕效果相比于單純使用鹽酸明顯增強(qiáng)(見(jiàn)表2)。

表2 不同酸液體系溶蝕率試驗(yàn)結(jié)果 %

2.2 提高酸處理排量

提高酸處理排量使地層中酸液流速更快，雖然會(huì)加快酸鹽反應(yīng)速率，但由于在高流速下酸液可以更快達(dá)到較遠(yuǎn)區(qū)域，因此，酸液穿透距離也隨之增加[10-12]，室內(nèi)試驗(yàn)也表現(xiàn)出相同的現(xiàn)象(見(jiàn)圖2)。涪陵頁(yè)巖氣田深層氣井現(xiàn)階段主要采用2 m3/min的排量進(jìn)行酸處理，排量明顯較低，存在繼續(xù)優(yōu)化的空間。

但在現(xiàn)場(chǎng)壓裂施工中，施工排量直接影響到壓裂的施工壓力，在深井壓力窗口有限的前提下，也必須對(duì)施工排量嚴(yán)格限制，避免超過(guò)限壓。因此，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工中，應(yīng)根據(jù)實(shí)時(shí)泵壓調(diào)整酸處理排量。

圖2 酸液注入速率對(duì)穿透距離的影響

2.3 提高酸液濃度

現(xiàn)階段涪陵頁(yè)巖氣田主要采用15%的鹽酸前置處理，室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果顯示在溫度、壓力一定的條件下，15%HCl酸鹽反應(yīng)速率最快(見(jiàn)圖3)，對(duì)于淺層頁(yè)巖氣井使用該濃度鹽酸可以較快反應(yīng)形成壓降便于提高施工排量，但對(duì)于深層頁(yè)巖氣井來(lái)說(shuō)，應(yīng)改變酸液濃度，減緩反應(yīng)速率，考慮到低濃度的鹽酸酸蝕作用減弱[13]，因此，考慮提高酸液濃度至20%。室內(nèi)巖心試驗(yàn)結(jié)果也表明，使用20%濃度的鹽酸相比于15%的鹽酸反應(yīng)速率更慢，穿透深度也隨之增加(見(jiàn)表3)。

圖3 不同酸液濃度酸鹽反應(yīng)速率

酸液濃度/%37℃穿透深度/m71℃穿透深度/m104℃穿透深度/m1536.326.724.22044.241.339.8

2.4 優(yōu)化酸液用量

有室內(nèi)試驗(yàn)顯示，酸液用量的增多可以提高酸液處理后殘酸的濃度，可以增大酸液處理的距離[14]。目前，涪陵頁(yè)巖氣田深層氣井仍然主要采用前置20 m3的鹽酸預(yù)處理的工藝，效果有限，因此，在室內(nèi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上考慮通過(guò)增大酸液用量，提高酸處理效果；但酸液液量也并非越多越好，有研究表明酸液過(guò)多會(huì)導(dǎo)致濾失增加，不利于后期開(kāi)展加砂壓裂[15-17]。因此，結(jié)合前期淺層氣井施工經(jīng)驗(yàn)，在深層增加酸液用量至40 m3，改善酸處理效果。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果

針對(duì)深井開(kāi)展了多井次的酸液現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，進(jìn)一步分析對(duì)比各項(xiàng)調(diào)整措施在提高深層酸處理效果中的適用性。

3.1 “鹽酸+土酸”體系試驗(yàn)

焦石壩區(qū)塊JYA-1HF井第15、17段同穿行于⑥小層，兩段垂深相近(3700～3800 m)，射孔處石英含量45.25%，碳酸鹽巖含量8.42%，粘土總量達(dá)到42.35%。酸處理排量均為2 m3/min，但第15段采用20 m3的15%鹽酸體系，第17段采用20 m3的15%鹽酸+1.5%土酸體系。從壓裂施工來(lái)看，使用鹽酸+土酸的酸液體系的第17段酸降壓力達(dá)到16.8 MPa，明顯高于使用鹽酸體系第15段的9.8 MPa，為后期提高施工排量創(chuàng)造了更好的條件。

焦石壩區(qū)塊JYB-3HF井前8段同穿行于③小層，各段垂深相近(3900～4000 m)，射孔處石英含量53.43%，碳酸鹽巖含量14.48%，粘土總量31.43%。酸處理排量為2 m3/min，第4段、第5段采用前置40 m3的15%鹽酸+1.5%土酸體系，其余段前置30 m3的15%鹽酸體系，從施工結(jié)果來(lái)看，在粘土含量相對(duì)較少的井段采用溶蝕效果更強(qiáng)的鹽酸+土酸體系酸降效果相比于鹽酸處理的壓裂段并未有明顯優(yōu)勢(shì)(見(jiàn)圖4)。

圖4 JYB-3HF井不同酸液體系酸降壓力對(duì)比

3.2 酸處理排量變化試驗(yàn)

對(duì)比分析了涪陵頁(yè)巖氣田平橋區(qū)塊礦物組分含量相近的各井，在穿行相同小層、采用20 m315%鹽酸體系的壓裂段對(duì)比不同排量下的酸降效果，對(duì)比發(fā)現(xiàn)各井最終的酸降壓力與氣井的垂深并無(wú)明顯相關(guān)性，而與酸處理排量呈現(xiàn)出一定的正相關(guān)關(guān)系(見(jiàn)圖5)。從現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，提高酸處理排量將有助于提高酸降壓力。

圖5 平橋區(qū)塊各井相同小層不同酸處理排量酸降壓力對(duì)比

3.3 鹽酸濃度變化試驗(yàn)

在焦石壩區(qū)塊西南區(qū)進(jìn)行15%與20%鹽酸效果對(duì)比試驗(yàn)，在地質(zhì)條件相近、垂深相近的臨井對(duì)比相同穿行小層、相同排量、用量條件下，不同鹽酸濃度取得的酸降效果。對(duì)比結(jié)果顯示采用20%濃度鹽酸的壓裂井段短期內(nèi)酸降壓力明顯低于采用15%鹽酸濃度的壓裂井段，但在泵酸壓力相當(dāng)?shù)那闆r下，使用20%濃度鹽酸后，其破裂壓力相比較與15%濃度的鹽酸明顯更低，分析認(rèn)為提高酸液濃度至20%，短期反應(yīng)速率低于15%的鹽酸，酸降壓力相對(duì)較低，但由于殘酸濃度較高，處理了更大的范圍，提高排量時(shí)地層破裂明顯降低。

表4 不同酸液濃度現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果

3.4 鹽酸用量變化試驗(yàn)

焦石壩區(qū)塊JYC-2HF井埋深達(dá)到3900～4000 m，在施工井段礦物組分差異不大、穿行小層相同的前提下，對(duì)比分析了采用15%鹽酸、2 m3/min排量下，不同酸液用量的酸降效果(見(jiàn)表5)，通過(guò)對(duì)比結(jié)果可以看出，酸液用量的增多并不能帶來(lái)酸降壓力的提高。分析認(rèn)為，深層酸液用量更多受到地層中天然裂縫濾失作用的影響，酸液用量的增多，若濾失嚴(yán)重，并不能增大處理地層的酸液量。而具體單段酸處理前天然裂縫發(fā)育情況目前通過(guò)常用的曲率評(píng)價(jià)方法難以精確評(píng)定，這也是現(xiàn)場(chǎng)合理優(yōu)化酸液用量的一大難點(diǎn)。

表5 不同酸液用量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

(1)針對(duì)涪陵頁(yè)巖氣田深層頁(yè)巖氣井，通過(guò)試驗(yàn)調(diào)研以及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，針對(duì)粘土含量較高的(>40%)井段，采用“鹽酸+土酸”的前置酸液處理酸降效果明顯好于采用鹽酸前置處理的井段；但在粘土含量不高的井段使用“鹽酸+土酸”體系，在成本增加的基礎(chǔ)上，酸降效果并無(wú)明顯優(yōu)勢(shì)。

(2)提高前置階段酸處理排量將有助于提高前期酸降效果，為后期大排量施工打好基礎(chǔ)。但涪陵頁(yè)巖氣田深層頁(yè)巖氣井施工壓力高，在限壓控制在93 MPa的前提下，無(wú)法大幅提高酸處理排量，現(xiàn)場(chǎng)施工應(yīng)根據(jù)實(shí)際壓力窗口，在安全合理的條件下盡可能保證酸處理的排量，增大酸液處理范圍。

(3)在涪陵深層頁(yè)巖氣井使用20%濃度的鹽酸短期內(nèi)酸降效果并不如15%濃度的鹽酸，但從隨后施工來(lái)看，在泵酸壓力相當(dāng)?shù)那闆r下，使用20%濃度鹽酸的破裂壓力明顯低于15%濃度的鹽酸。

(4)從試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果來(lái)看，對(duì)于涪陵深層頁(yè)巖氣井提高酸液用量效果并不明顯，酸液的濾失作用可能是主要的影響因素；如何精確判斷各壓裂段

天然裂縫發(fā)育程度，并針對(duì)性?xún)?yōu)化該段酸液用量將成為后續(xù)工作的難點(diǎn)。

[1] 周德華，焦方正，賈長(zhǎng)貴，等.JY1HF頁(yè)巖氣水平井大型分段壓裂技術(shù)[J].石油鉆探技術(shù)，2014，42(1)：75-80.

[2] 郝志偉，王宇賓，宋有勝，等.高溫深井碳酸鹽巖儲(chǔ)層降濾失酸體系研究與應(yīng)用[J].鉆井液與完井液，2012，29(4)：69-71.

[3] 陳冀嵋，雷鳴，趙立強(qiáng)，等.川東北碳酸鹽巖氣藏酸—巖反應(yīng)特征研究[J].西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009，31(4)：83-86.

[4] 陳賡良，黃瑛.碳酸鹽巖酸化反應(yīng)機(jī)理分析[J].天然氣工業(yè)，2006，26(1)：104-108.

[5] 趙立強(qiáng).碳酸鹽巖和鹽酸反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的試驗(yàn)研究[J].西南石油學(xué)院學(xué)報(bào)，1988，10(1)：34-41.

[6] 李穎川.采油工程[M].北京：石油工業(yè)出版社，1993.214-216.

[7] 李力.用人工模擬裂縫裝置研究鹽酸/白云巖反應(yīng)速率的影響因素[J].鉆采工藝，2000，23(1)：28-31.

[8] 李瑩，盧淵，伊向藝，等.碳酸鹽巖儲(chǔ)層不同酸液體系酸巖反應(yīng)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2012，12(33)：9010-9013.

[9] 曲占慶，于姣姣，溫慶志，等.水平井分段酸化效果影響因素分析及優(yōu)化[J].石油鉆探技術(shù)，2011，39(6)：63-68.

[10] 呂小明，丁里，石華強(qiáng)，等.長(zhǎng)慶油田高橋區(qū)塊碳酸鹽巖儲(chǔ)層酸巖反應(yīng)基礎(chǔ)研究[J].石油天然氣學(xué)報(bào)(江漢石油學(xué)院學(xué)報(bào))，2013，35(6)：106-108.

[11] 劉如紅.酸巖反應(yīng)速率影響因素的多元線性回歸分析研究[J].石油化工應(yīng)用，2013，32(3)：13-15.

[12] 滿(mǎn)江紅，張玉梅.深井碳酸鹽巖儲(chǔ)層深度酸壓工藝技術(shù)探討[J].新疆石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，15(1)：77-80.

[13] 張建利，孫忠杰，張澤蘭.碳酸鹽巖油藏酸巖反應(yīng)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究[J].油田化學(xué)，2003，20(3)：216-219.

[14] 劉飛，趙立強(qiáng)，孟向麗，等.前置緩速酸加砂壓裂中酸巖反應(yīng)模擬研究[J].石油天然氣學(xué)報(bào)(江漢石油學(xué)院學(xué)報(bào))，2014，36(1)：104-108.

[15] 韓慧芬.酸液濾失的影響因素分析[J].鉆采工藝，2002，25(3)：29-31.

[16] 李年銀，趙立強(qiáng)，劉平禮.碳酸鹽巖酸壓過(guò)程中的酸液濾失研究[J].西部探礦工程，2006，18(3)：109-111.

[17] 潘瓊，段國(guó)彬.酸液濾失實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕J].鉆采工藝，2004，27(3)：88-89.