王明貴 王 萍 李 暉 陳飛宇 馮 郭

(中國(guó)石化集團(tuán)西南石油局井下作業(yè)公司)

深井高破裂深層低腐蝕性加重酸應(yīng)用研究
——以元壩區(qū)塊為例

王明貴 王 萍 李 暉 陳飛宇 馮 郭

(中國(guó)石化集團(tuán)西南石油局井下作業(yè)公司)

針對(duì)元壩區(qū)塊部分異常高破裂壓力深層采用現(xiàn)有的裝備和常規(guī)工藝難以實(shí)施改造作業(yè)的現(xiàn)狀，通過酸液類型優(yōu)選、酸濃度優(yōu)化，緩蝕機(jī)理分析和加重劑、緩蝕劑等優(yōu)選和配方優(yōu)化，研究出了適合于該區(qū)塊砂巖和碳酸鹽巖高破裂深層低腐蝕性加重酸液體系，酸液密度達(dá)1.8g/cm3以上，160℃高溫下動(dòng)態(tài)腐蝕速率小于30g/(m2.h)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用取得了明顯效果。圖2表7參7

深井 高破裂壓力 預(yù)處理措施 加重酸化 低腐蝕

0 引言

深井油氣藏開發(fā)一直是世界級(jí)難題，而地層破裂壓力超高又是深層油氣藏實(shí)施加砂壓裂或酸壓改造最大的瓶頸性難題之一。深井高破裂壓力層施工往往致使井口壓力超過地面泵注設(shè)備的承壓能力，增大儲(chǔ)層改造施工作業(yè)難度和風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)這類埋深大、破裂壓力高的油氣深井實(shí)施加砂壓裂或酸壓改造前，一般都需要采用適當(dāng)?shù)墓に嚰夹g(shù)措施來盡可能釋放井壁的應(yīng)力集中而降低地層的破裂壓力，為后續(xù)的儲(chǔ)層改造作業(yè)創(chuàng)造條件。目前常采用的優(yōu)化射孔、水力噴砂射孔、氣體推進(jìn)成縫、超正壓射孔及小型酸化等常規(guī)預(yù)處理措施，在深井應(yīng)用效果都不好。為此，國(guó)內(nèi)外還采用了液體火藥燃爆作為預(yù)處理措施，并取得了較好的預(yù)處理效果，但該工藝對(duì)套管破壞大、易誘導(dǎo)井下作業(yè)事故。加重酸化是國(guó)內(nèi)外針對(duì)深井、超深井高破裂儲(chǔ)層改造一種有效預(yù)處理措施，具有操作簡(jiǎn)單、安全和加重能力強(qiáng)的特點(diǎn)，但酸液腐蝕強(qiáng)、尤其是高溫條件下加重酸液腐蝕性極強(qiáng)，遠(yuǎn)超過使用安全的要求，致使其在高溫深井應(yīng)用受限。

1 元壩區(qū)塊深層工程地質(zhì)特征

元壩區(qū)塊是中國(guó)石化天然氣重點(diǎn)勘探區(qū)塊，其天然氣資源量達(dá)1.77×1012m3，占川東北地區(qū)4個(gè)勘探區(qū)塊的40%以上，并在多口井獲得了中高產(chǎn)工業(yè)氣流，展示了很好的勘探開發(fā)前景。區(qū)塊主要顯示層為陸相須家河組、自流井組及海相長(zhǎng)興組和飛仙關(guān)組氣藏，儲(chǔ)層具有高溫(90℃ ～156℃)、高壓(70MPa～120MPa)、埋藏深(4160m～7200m)及巖性致密(孔隙度2% ～7%、滲透率0.014mD～3.019mD等特點(diǎn)，儲(chǔ)層破裂壓力高(＞2.55MPa/100m)、閉合壓力高(＞2.48MPa/100m)，酸化施工壓力高(通常大于90MPa)、排量低(2m3/min±)，施工難度非常大，部分井在現(xiàn)有作業(yè)裝備條件下不能壓開地層，如YB3井和YB11井棲霞組在井口限壓95MPa、井底壓力大于172MPa條件下都沒壓開地層;YB3井雷口坡組在井口泵壓95 MPa、井底壓力大于149MPa條件也沒有壓開地層;此外，YB1井長(zhǎng)興組進(jìn)采用密度達(dá)1.8g/cm3加重壓裂液 +膠凝酸進(jìn)行施工，在井口泵壓達(dá)93.5MPa，井底壓力超過212MPa情況下也未壓開地層。深井高施工泵壓?jiǎn)栴}極大地影響了元壩區(qū)塊深井、超深井的勘探開發(fā)進(jìn)程。

2 加重酸液國(guó)內(nèi)外研究應(yīng)用現(xiàn)狀

針對(duì)深井超深井高破裂儲(chǔ)層的改造，國(guó)內(nèi)外都不僅采用過加重酸化技術(shù)進(jìn)行預(yù)處理，還采用了加重壓裂液進(jìn)行過試破作業(yè)，但由于加重壓裂液對(duì)近井泥漿污染帶沒有溶蝕能力而應(yīng)用效果不理想。加重酸化技術(shù)通過提高酸液密度增加井筒液柱壓力降低井口施工泵壓，同時(shí)通過酸液對(duì)近井地帶鉆完井污染物的溶蝕作用實(shí)現(xiàn)酸化解堵，恢復(fù)近井地帶的孔滲性，進(jìn)一步降低井口施工壓力，從而達(dá)到解決深井超深井異常高破裂壓力儲(chǔ)層利用目前的技術(shù)與裝備施工無(wú)法進(jìn)行儲(chǔ)層酸化增產(chǎn)措施作業(yè)面臨的難題。

目前，國(guó)外主要在室內(nèi)開展加重酸進(jìn)行研究，分析了酸液濃度、鋼片類型、緩蝕劑等對(duì)加重酸腐蝕性的影響，并分別研制出加重能力較好和耐溫能力較好的2種加重酸液:①密度為1.74g/cm3，按國(guó)外酸化腐蝕指標(biāo)要求，只能在93℃以下進(jìn)行短時(shí)間(約50min)施工;②密度為1.29g/cm3，可在110℃以內(nèi)進(jìn)行短時(shí)間(約40min)施工［1］。

表1 國(guó)外兩類主要加重酸腐蝕性性能指標(biāo)

國(guó)內(nèi)塔里木油田和中國(guó)石化西南油氣田公司都研制出密度達(dá)1.4 g/cm3加重酸，其中，塔里木油田在柯深101井、柯深102井、羊屋2井等6口井的碳酸鹽巖層進(jìn)行了加重酸化(配方1、配方2)作業(yè)，其中4口井獲得高產(chǎn)油氣［2］;中國(guó)石化西南油氣田公司在川高561井T3x2(4921m～4943.9m)砂巖氣藏進(jìn)行了加重酸化(配方3)試破作業(yè)，但在井口壓力達(dá)92MPa(限壓)、井底壓力達(dá)160MPa左右仍未能壓開地層［3］(表2)。

可見，國(guó)內(nèi)外對(duì)加重酸研究存在密度、腐蝕性與使用溫度難以兼顧的問題:當(dāng)增大酸液密度后，不僅酸濃度偏低，更大的問題是酸液腐蝕性難以控制;而如果想提高加重酸的使用溫度，又必須降低加重酸的密度，損失加重效果，兩種情況均難達(dá)到有效對(duì)高破裂儲(chǔ)層進(jìn)行預(yù)處理的目的。

表2 國(guó)內(nèi)加重酸液主要性能評(píng)價(jià)結(jié)果

3 深井低腐蝕性加重酸液優(yōu)化研究

3.1 加重酸酸液配方優(yōu)化方法

根據(jù)加重酸液作為預(yù)處理措施主要作用，加重酸液優(yōu)化一需要優(yōu)選合適的酸液，以有效溶蝕近井地帶堵塞物;二應(yīng)優(yōu)選合適的加重劑、緩蝕劑，降低酸液的腐蝕性。

3.2 加重酸酸液類型和濃度的確定

根據(jù)酸液濃度對(duì)腐蝕性影響研究(圖1)，及儲(chǔ)層巖性、滲透率、粘土含量和溫度壓力等地質(zhì)特征、工藝要求，并合國(guó)內(nèi)外砂巖、碳酸鹽巖基質(zhì)酸化推薦方案［5］，選擇12%HCl+3%HF的常規(guī)土酸作砂巖加重酸酸液，選用15% ～20%的鹽酸體系作為加重酸酸液。

3.3 添加劑優(yōu)選

(1)加重劑的優(yōu)選

加重劑是加重酸液?jiǎn)蝿﹥?yōu)選最重要內(nèi)容之一。根據(jù)室內(nèi)評(píng)價(jià)結(jié)果，常溫條件下當(dāng)鹽酸濃度為15%-20%時(shí)，采用氯化鈉、氯化鈣加重，加重后密度在1.11 g/cm3～1.31 g/cm3之間。

以加重劑溶解性和加重能力，優(yōu)選出了M、N兩種加重劑和M/N混合加重劑，當(dāng)鹽酸濃度為10% ～20%時(shí)，加重酸密度達(dá)1.42 g/cm3～2.18 g/cm3之間，加重劑加重能力強(qiáng)，并且酸液密度連續(xù)可調(diào)(表3)。

根據(jù)表4腐蝕性評(píng)價(jià)結(jié)果，3種加重法加重后的酸液腐蝕性都較弱，但N和M/N加重后酸液在相同條件腐蝕性更低，優(yōu)選N及M/N混合物作為加重劑。

(2)緩蝕劑的優(yōu)選

根據(jù)酸液緩蝕機(jī)理，凡是影響覆蓋面積大小、吸附難易程度的因素都會(huì)對(duì)緩蝕效果產(chǎn)生影響，緩蝕劑是否在保持期、用量是否充足都會(huì)影響酸液腐蝕性。此外，為降低其它添加劑對(duì)緩蝕劑性能的影響，盡可能少使用添加劑種類和用量。

圖1 鹽酸濃度對(duì)酸液腐蝕性影響評(píng)價(jià)曲線(靜態(tài)、90℃、N80 鋼片)

表3 不同加重劑的加重酸密度與鹽酸濃度關(guān)系實(shí)測(cè)結(jié)果表

表4 加重劑(靜態(tài)、90℃，N80鋼片)腐蝕性評(píng)價(jià)結(jié)果

對(duì)川東北常用的幾種緩蝕劑、緩蝕增效劑組合進(jìn)行了評(píng)價(jià)，其中，BA1-11緩蝕劑沒相應(yīng)的增效劑，難以抑制酸液對(duì)鋼材的腐蝕性，緩蝕劑WD-11與增效劑WDZ-2組合，緩蝕效果最好，而緩蝕劑WID31A與增效劑WLD31B組合緩蝕效果其次(表5)。

表5 幾種常用緩蝕劑及其增效劑高溫動(dòng)態(tài)緩蝕性能

(3)鐵離子穩(wěn)定劑的優(yōu)選

鐵離子穩(wěn)定劑可防止氫氧化鐵沉淀的產(chǎn)生，對(duì)幾種常用鐵離子穩(wěn)定劑進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果表明WLD28穩(wěn)定鐵離子能力最好，WD-8穩(wěn)定鐵離子能力其次，分別達(dá)112.5 mg/ml和93.75 mg/ml。

(4)助排劑的優(yōu)選

加快酸液返排是降低酸液對(duì)井下管柱腐蝕的重要舉措，根據(jù)對(duì)幾種常用的助排劑測(cè)試結(jié)果表明，WLD27和WD-12的降低毛細(xì)管力能力最好，1.0%加量的值分別只有25.6和28.2。

3.4 酸液配方確定

根據(jù)以上分析和室內(nèi)評(píng)價(jià)結(jié)果初步確定酸液配方如下，其中加重劑為M、N或其混合物:

酸液配方1(砂巖加重酸液):12%HCl+3%HF+4%WD-11+1%WDZ-2+1.5%WD-8+1.0%WD-12+加重劑。

酸液配方2(碳酸鹽巖加重酸):鹽酸+3.5%WLD31A+2%WLD31B+1.5%WLD-28A+(0.5～1.0)%WLD-27+加重劑;

酸液配方3(碳酸鹽巖加重酸):鹽酸+4%WD-11+1%WDZ-2+1.5%WD-8+(0.5～1.0)%WD-12+加重劑。

其中，助排劑加量對(duì)酸液腐蝕性有較大的影響，根據(jù)地層壓力系數(shù)盡量降低用量。

3.5 酸液整體性能評(píng)價(jià)

(1)酸液放置穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

從放置穩(wěn)定性來看，3個(gè)加重酸配方在室內(nèi)放置8天都沒有明顯分層或沉淀現(xiàn)象，但采用M加重的酸液表面會(huì)出現(xiàn)油狀物和泡沫，推薦采用N或M/N的混合物加重。

(2)酸液腐蝕性評(píng)價(jià)

模擬元壩深層地層溫度條件，在130℃、160℃下評(píng)價(jià)了配方的腐蝕性。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果(表6)，3個(gè)加重酸液酸方在130℃ ～160℃時(shí)的腐蝕性小于30 g/(m2h)，加重酸腐蝕性較弱。

(3)酸液溶蝕能力評(píng)價(jià)

對(duì)3個(gè)配方加重酸的溶蝕能力進(jìn)行了評(píng)價(jià)，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看(表7)，采用加重劑N加重的配方，對(duì)砂巖的溶蝕率較低，而采用M/N混合加重配方對(duì)砂巖的溶蝕率與常規(guī)土酸相當(dāng)。對(duì)于碳酸鹽巖加重酸，不論是采用M/N混合加重還是采用N加重，其溶蝕率都在86.5%以上，溶蝕能力基本不受影響。

泥漿溶蝕實(shí)驗(yàn)表明，3個(gè)配方對(duì)泥漿的溶蝕率在10%左右，溶蝕能力較強(qiáng)。

表6 加重(酸)液腐蝕性評(píng)價(jià)

表7 加重酸液體系的溶蝕性評(píng)價(jià)

以上評(píng)價(jià)結(jié)果表明，優(yōu)選出的酸液配方加重酸加重能力強(qiáng)、腐蝕性低并對(duì)巖心和泥漿有較好的溶蝕能力，綜合性能好。其中，針對(duì)砂巖的加重酸液配方，應(yīng)采用M/N混合加重劑加重;針對(duì)碳酸鹽巖加重酸可以采用N或M/N加重。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

4.1 施工情況

YB2-X井為一口預(yù)探井，2010年1月至3月先后對(duì)該井須家河組二段4600m-4640m實(shí)施了4次試擠施工(最高施工壓力達(dá)98MPa)，一次連續(xù)油管沖砂、一次替酸解堵和一次加砂壓裂施工。2010年4月19日在1.98g/cm3密度泥漿下連續(xù)兩次試擠至80MPa未能取得明顯的效果。根據(jù)試擠情況，該層破裂壓力梯度達(dá)3.71MPa/100m，延伸壓力梯度達(dá)3.0MPa/100m，為順利壓開儲(chǔ)層，設(shè)計(jì)加重酸液密度為1.85g/cm3。

加重酸施工工藝:加重酸(40m3)→膠凝酸(60m3)→土酸(100m3)。酸化施工壓力80 MPa～93MPa，施工排量1.0 m3/min ～2.4m3/min，伴注液氮25m3。

4.2 施工效果

根據(jù)酸化施工數(shù)據(jù)分析，地層破裂壓力163.2MPa，破裂壓力梯度0.0360MPa/m，后期施工排量達(dá)2.4m3/min，酸化吸酸指數(shù)最大達(dá)19.38L/min，說明加重酸化后壓開了地層，，吸酸指數(shù)見圖2，在酸化后期可能是由于氟化硅沉淀等原因，吸酸指數(shù)有所下降。

圖2 YB2-X井酸化吸酸指數(shù)圖

5 結(jié)論

(1)根據(jù)儲(chǔ)層工程地質(zhì)特征和降低酸液腐蝕機(jī)理分析，在酸液類型優(yōu)選、酸液濃度優(yōu)化及加重劑優(yōu)選的基礎(chǔ)上，分別優(yōu)選了針對(duì)砂巖、碳酸鹽巖儲(chǔ)層具有加重能力強(qiáng)(密度可達(dá)1.80g/cm3～2.18g/cm3以上)、高溫條件下腐蝕性低(160℃條件下動(dòng)態(tài)腐蝕速率＜30g/m2h)、放置穩(wěn)定性好(室溫放置8天不分層、不沉淀)、溶蝕能力好的加重酸體系。

(2)國(guó)內(nèi)塔里木油田和川東北元壩YB2-X井應(yīng)用表明，采用加重酸化技術(shù)可有效對(duì)深井超高破裂壓力儲(chǔ)層進(jìn)行預(yù)處理，可取得較好的增產(chǎn)效果。高密度低腐蝕性加重酸室內(nèi)研究和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用成功對(duì)于國(guó)內(nèi)外深層尤其是異常高破裂層開發(fā)開采具有重要意義。

1 Mke J Boles，k E lant，Understanding Corrosivity of Weighted Acids.SPE 93271.SPE International Symposium on Oilfield Chemistry，2-4 February 2005，The Woodlands，Texas.

2 Donald G Hill，Henk Romijn.Reduction of Risk to the Marine Environment From Oilfield Chemicals ? Environmentally Improved Acid Corrosion Inhibition for Well Stimulation.Paper Number 00342 CORROSION 2000，March?26-31，2000，Orlando，F(xiàn)l.

3 Nantelle P Kemp Mutual Solubility of Salts in Drilling and Completion Fluids.［J］.SPE 16688，Journal SPE Drilling Engineering:1990，(5)1:21-26.

4 張福樣，范永洪，彰建新，等，塔里木異常高壓深井酸化壓裂液體加重技術(shù)研究與應(yīng)用［A］.2004油氣藏改造技術(shù)新進(jìn)展［M］.北京:石油工業(yè)出版社，2004.

5 李剛，郭新江，陳海龍，等.高密度酸加重酸化技術(shù)在川西深井異常高壓氣層增產(chǎn)中的應(yīng)用［J］.礦物巖石，2006，26(4):P105-110.

6 王新純主編.井下作業(yè)施工工藝技術(shù)［M］.北京:石油工業(yè)出版社，2005.

7 丁云宏主編.難動(dòng)用儲(chǔ)量開發(fā)壓裂酸化技術(shù)［M］，北京:石油工業(yè)出版社，2005.

APPLICATION OF WEIGHTED ACID WITH LOW CORROSIVITY IN DEEP ZONE WITH HIGH FRACTURING PRESSURE:TO YUANBA BLOCK

WANG Minggui，WANG Ping，LI Hui，CHEN Feiyu and FENG Guo(Downhole Service Company ，Sinopec Southwest Petroleum Bureau).

With existing equipments and conventional technologies，it is difficult to accomplish a reconstruction in deep zone with abnormally high fracturing pressure in Yuanba block.Therefore，through optimization of acid fluid type and acid concentration，corrosion mechanism analysis，optimization of weighting agent and corrosion inhibitor，this paper develops a weighted-acid fluid system with low corrosivity for deep zone with high fracturing pressure of sandstones and carbonates in the block.Acid density is above 1.8g/m3，dynamic corrosion rate at 160℃ is below 30g/(m2.h).An obvious effect has been achieved in field application.

deep well，high fracturing pressure，pretreatment，weighted acidizing，low corrosivity

王明貴，男，1976年出生，廣西全州人，工程師;主要從事儲(chǔ)層改造工藝技術(shù)研究。地址:(618000)四川省德陽(yáng)市金沙江西路699號(hào)西南石油局井下作業(yè)公司。電話:(0838)2607007。E-mail:cszx_lab@163.com

NATURALGAS EXPLORATION＆DEVELOPMENT.v.34，no.3，pp.62-65，7/25/2011

(修改回稿日期 2011-09-28 編輯 景岷雪)