丁云宏，盧擁軍，才 博 （中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院，河北 廊坊065007）

張以明，史原鵬，趙安軍，孫 豪 （中石油華北油田分公司，河北任丘062550）

新型酸壓與加砂復(fù)合改造技術(shù)研究

丁云宏，盧擁軍，才 博 （中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院，河北 廊坊065007）

張以明，史原鵬，趙安軍，孫 豪 （中石油華北油田分公司，河北任丘062550）

長(zhǎng)期以來對(duì)于低滲透砂巖儲(chǔ)層加砂壓裂是改造的主體技術(shù)，但這種方式是否最大限度地提高了改造效果，是否有進(jìn)一步完善的技術(shù)來提高壓后產(chǎn)量？針對(duì)上述疑問，改變以往的儲(chǔ)層改造思路，對(duì)砂巖儲(chǔ)層中鈣質(zhì)和硅質(zhì)膠結(jié)的儲(chǔ)層，進(jìn)行儲(chǔ)層酸壓與加砂壓裂復(fù)合改造的適應(yīng)性研究，進(jìn)行新型液體和酸巖反應(yīng)試驗(yàn)及巖石力學(xué)試驗(yàn)分析，提出一種新型提高措施效果的酸壓與加砂壓裂復(fù)合改造技術(shù)，5井次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，在單井用液量減少20%、加砂量降低10%的情況下，產(chǎn)量反而增加了10倍，表明該工藝對(duì)于提高改造效果、降低成本具有重要作用，展示出良好應(yīng)用前景。為低滲透碎屑巖儲(chǔ)層措施改造提供新的可用改造手段。

碎屑巖儲(chǔ)層；酸壓＋壓裂復(fù)合技術(shù)；反應(yīng)速率；導(dǎo)流能力；溶蝕率

我國是一個(gè)以陸相沉積為主的國家，低滲透碎屑巖儲(chǔ)層占我國整個(gè)原油儲(chǔ)量的33.6%～42.8%［1］，如在大慶、長(zhǎng)慶、吉林、遼河、華北、新疆、四川、浙江等地廣泛分布。長(zhǎng)期以來，這類儲(chǔ)層主要以水力加砂壓裂改造方式為主。近年來，Leonard［2］和趙立強(qiáng)等［3］對(duì)這類儲(chǔ)層采用酸壓改造的可行性進(jìn)行了大量深入研究，并且在部分油田進(jìn)行嘗試，獲得了一定效果。目前酸壓改造仍主要用于儲(chǔ)層基質(zhì)酸化或酸洗解堵，主要原因在于采用最低降低二次傷害的酸液進(jìn)行酸壓，砂巖酸壓形成的裂縫導(dǎo)流能力畢竟有限，很難滿足儲(chǔ)層長(zhǎng)期效果；但酸壓技術(shù)本身是具有一定優(yōu)勢(shì)的。因此，筆者通過酸液試驗(yàn)與反應(yīng)機(jī)理研究，對(duì)改造工藝進(jìn)行新的探索，通過力學(xué)分析、酸巖反應(yīng)、工藝優(yōu)化將酸壓與加砂壓裂有機(jī)結(jié)合起來，形成了針對(duì)鈣質(zhì)和硅質(zhì)膠結(jié)碎屑巖儲(chǔ)層的新型酸壓＋加砂壓裂的復(fù)合改造技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用獲得良好效果，為碎屑巖儲(chǔ)層最大限度提高措施改造效果提供了新的技術(shù)手段。

1 復(fù)合改造可行性論證

碎屑巖的礦物成分以石英和長(zhǎng)石為主，碎屑巖膠結(jié)物的成分是多種多樣的，有泥質(zhì)、鈣質(zhì)、硅質(zhì)、鐵質(zhì)等，需改造的儲(chǔ)層一般來說主要以鈣質(zhì)和硅質(zhì)膠結(jié)為主，酸化中一般采用土酸或包含氫氟酸的酸液體系對(duì)其處理。當(dāng)鹽酸可溶物含量大于20%時(shí)，不推薦使用氫氟酸［4］，其原因在于巖石大量溶蝕致使骨架較為松散，引起微粒運(yùn)移，可能堵塞孔喉，酸壓后大部分裂縫閉合，不能形成較高的導(dǎo)流能力［5］。但對(duì)儲(chǔ)層本身而言，如果能夠通過合理優(yōu)化酸液配方降低對(duì)儲(chǔ)層的二次傷害，通過酸壓形成一定的刻蝕裂縫，只要酸液作用后能夠保證巖石骨架完整，再通過加砂壓裂則可以進(jìn)一步提高裂縫導(dǎo)流能力來提高改造效果。因此，只要液體和工藝設(shè)計(jì)合理，則可大幅提高產(chǎn)能，是合理可行的。

2 酸液體系優(yōu)選及評(píng)價(jià)

國內(nèi)外學(xué)者通過大量研究［6～8］認(rèn)為，砂巖酸壓需具備的條件總體原則為：①酸液必須盡量減少二次沉淀物生成、防止沉淀物堵塞酸蝕通道；②地層有足夠的溶解力以便在形成酸蝕通道的同時(shí)，盡量減少對(duì)儲(chǔ)層骨架的破壞、穩(wěn)定微粒運(yùn)移。筆者在以上研究基礎(chǔ)上，探索出清潔自轉(zhuǎn)向酸與氟硼酸結(jié)合的新型液體體系。該體系具有低殘?jiān)⒌蛡ν瑫r(shí)具有較高的粘度，滿足緩速和造長(zhǎng)縫的要求，既能保證低傷害又能有效提高酸蝕效果。

圖1 新型酸液體系酸巖反應(yīng)試驗(yàn)

一般來說氫氟酸在低濃度下為弱酸，而在高濃度溶液中，酸性類似于硫酸這樣的強(qiáng)酸，因此對(duì)其應(yīng)控制酸巖反應(yīng)速度。筆者將清潔稠化酸［9］與氟硼酸結(jié)合形成新酸液體系，其緩速機(jī)理體現(xiàn)在兩個(gè)方面：①酸與巖石反應(yīng)，隨著酸的消耗，粘度不斷增加，在酸蝕的孔、縫、洞表面形成高粘凝膠，束縛H＋的運(yùn)移速度，減緩了酸液中的H＋向已反應(yīng)的巖石表面擴(kuò)散。②粘彈性表面活性劑 （VES）在巖石表面吸附成膜，故減少了H＋與巖石表面的接觸機(jī)率。既具有以往的優(yōu)點(diǎn)又滿足儲(chǔ)層的需要。利用下式［10］對(duì)該酸液體系進(jìn)行酸巖反應(yīng)分析，結(jié)果見圖1；與膠凝酸相比，該酸液體系具有更好的緩速效果。

式中，Jacid為酸巖表面反應(yīng)速率，mol/（s·cm2）；K 為酸巖表面反應(yīng)速率常數(shù)；Cacid為酸巖表面濃度，mol/L；m為反應(yīng)級(jí)數(shù)，無因次。

考查HCl和HF混合使用時(shí)對(duì)二連油田同一區(qū)塊砂巖巖心溶蝕率大小的影響，結(jié)果表明HCl濃度的變化對(duì)巖心的溶蝕率影響較小 （圖2（a）），HF濃度的變化對(duì)巖心的溶蝕率影響較大 （圖2（b））。隨著HF濃度的增加溶蝕率增加，溶蝕率呈線性增長(zhǎng)，因此，選用土酸中HF的濃度需要考慮溶蝕后對(duì)巖石骨架的破壞。

圖2 不同HCl和HF濃度酸液對(duì)巖心溶蝕率的影響

3 酸與巖石反應(yīng)的巖石力學(xué)特征研究

砂巖由于巖石骨架較軟，因此砂巖用酸壓必須保證巖石骨架的完整。為研究巖石受酸蝕后壓裂過程對(duì)巖石的影響情況，制定的試驗(yàn)方案將不同濃度的酸與巖石反應(yīng)，再進(jìn)行壓裂過程中巖石力學(xué)參數(shù)測(cè)定，以研究巖石在壓裂過程中的完整情況，結(jié)果見圖3。結(jié)果表明，不同砂巖溶蝕后巖石的楊氏模量變化很大，當(dāng)采用10%HCl＋3%HF時(shí) （a）圖中的巖心已經(jīng)垮塌 （圖3（a）），而同樣的濃度 （b）圖中的巖心沒有垮塌 （圖3（b））。因此要根據(jù)不同巖心的試驗(yàn)結(jié)果設(shè)計(jì)不同的酸液配方。

圖3 不同巖心、不同酸液配方對(duì)巖石力學(xué)性能的影響

4 復(fù)合改造工藝技術(shù)研究

4.1 泵入方式優(yōu)化

液體的泵入方式對(duì)措施改造的成功及裂縫導(dǎo)流能力有重要影響。酸液在初始階段注入可以提高溶蝕效果，降低對(duì)儲(chǔ)層的傷害。這種注入方式不同于以往對(duì)碳酸鹽巖儲(chǔ)層改造的思路，原因在于，首先，砂巖要求的溶蝕率不高，酸液初始泵入可以提高酸液與裂縫壁面的接觸，很好地溶蝕人工裂縫縫壁的鈣質(zhì)和硅質(zhì)，形成十分不均勻的刻蝕裂縫，這樣有利于提高酸液的導(dǎo)流能力。其次，壓裂液再泵入后可以將殘酸推向更遠(yuǎn)的距離，有利于酸液與裂縫的二次反應(yīng)，從而進(jìn)一步提高裂縫的導(dǎo)流能力。由于酸濃度不同形成不均勻刻蝕裂縫，加砂后更能形成錯(cuò)開的裂縫以提高導(dǎo)流能力 （圖4）。第三，有利于對(duì)濾餅等傷害的處理。Gdanski等［11］模擬了裂縫表皮傷害，得到的結(jié)論是裂縫表面滲透率傷害可以達(dá)到90%而使產(chǎn)氣、產(chǎn)油大幅度下降。表1表明，濾餅可以使導(dǎo)流能力降低40%。Ayoub［12］和 Wang等［13］分析出裂縫閉合后凝膠中的聚合物濃度大約在36～120kg/L范圍內(nèi)。如果聚合物濃度極高，破膠劑將不能完全降解這些聚合物 （圖5）。采用此種泵注方式殘酸在返排中可有效溶蝕人工裂縫的濾餅和殘膠，起到清洗裂縫表皮的作用，通過對(duì)常規(guī)措施和該技術(shù)后返排液及濾餅試驗(yàn)表明，該方法可以使傷害程度降低30%～60%。利用該新型酸液體系進(jìn)行裂縫導(dǎo)流能力試驗(yàn)，采用砂巖巖板先用鮮酸進(jìn)行酸與巖石的溶蝕試驗(yàn)，再用溶蝕后的巖板進(jìn)行導(dǎo)流能力測(cè)試，結(jié)果表明，在不同閉合應(yīng)力下通過采用復(fù)合改造技術(shù)比常規(guī)的導(dǎo)流能力提高0.5～1.35倍 （圖6）。

圖4 酸壓和加砂形成的裂縫示意圖

表1 濾餅對(duì)導(dǎo)流能力的影響

4.2 壓裂參數(shù)的優(yōu)化

對(duì)壓裂施工參數(shù)的優(yōu)化主要從油藏和裂縫兩個(gè)角度來優(yōu)化，設(shè)計(jì)以優(yōu)化縫長(zhǎng)和導(dǎo)流能力為目標(biāo)函數(shù)，通過三維壓裂分析與設(shè)計(jì)軟件，優(yōu)化壓裂施工參數(shù)包括規(guī)模、排量、前置液量等。利用FRACPROPT三維壓裂分析軟件模擬優(yōu)化表明，排量對(duì)復(fù)合改造裂縫的作用至關(guān)重要。如排量過小，酸液很難壓開地層，無法與地層反應(yīng)，將影響整個(gè)施工效果。因此，在酸液泵注中要保證排量在3m3/min以上。

圖5 裂縫表面形成的濾餅

圖6 復(fù)合壓裂與常規(guī)壓裂對(duì)導(dǎo)流能力影響

5 礦場(chǎng)應(yīng)用實(shí)例

以某油田儲(chǔ)層為例，該儲(chǔ)層孔隙度一般為5%～13%，滲透率多低于1×10－3μm2，最低小于0.1×10－3μm2，粘土含量在10%～20%，弱酸敏，巖心溶蝕率10%～60%，儲(chǔ)層低孔、低滲特征明顯。以往大部分井以加砂壓裂為主，但并未達(dá)到最佳效果。通過研究，利用復(fù)合壓裂技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用5井次 （表2），采用該技術(shù)后產(chǎn)液量增加10倍以上，而用液量減少20%，加砂量可以降低10%，既經(jīng)濟(jì)又提高了產(chǎn)量。

表2 復(fù)合壓裂技術(shù)效果表

6 結(jié) 論

1）分析認(rèn)為通過合理優(yōu)化酸液配方降低對(duì)儲(chǔ)層的二次傷害，通過酸壓形成一定刻蝕裂縫，只要酸液作用后能夠保證巖石骨架完整，再通過加砂壓裂則可以進(jìn)一步提高裂縫導(dǎo)流能力提高效果，兩者相互作用可以最大限度提高產(chǎn)量，因此復(fù)合改造技術(shù)是合理可行的。

2）清潔自轉(zhuǎn)向酸與氟硼酸結(jié)合的新酸液體系具有低殘?jiān)⒌蛡?，同時(shí)具有較高的粘度，既能保證低傷害又能有效提高酸蝕效果。建立了酸液的優(yōu)選方法，需要通過不同巖心、不同酸液配方的溶蝕效果及對(duì)巖石力學(xué)參數(shù)的影響試驗(yàn)來得出合理的優(yōu)選范圍。

3）提出不同于以往儲(chǔ)層改造思路的酸液和壓裂液泵注方式，對(duì)于中低溫砂巖儲(chǔ)層酸液初始泵入可以提高酸液與裂縫壁面的接觸，很好溶蝕人工裂縫縫壁的鈣質(zhì)和硅質(zhì)，形成十分不均勻的刻蝕裂縫；其次壓裂液在泵注后可將殘酸推向更遠(yuǎn)的距離，有利于酸液與裂縫的二次反應(yīng)，從而進(jìn)一步提高裂縫的導(dǎo)流能力。試驗(yàn)表明殘酸有利于溶蝕人工裂縫的濾餅和殘膠，起到清洗裂縫作用，復(fù)合改造技術(shù)比常規(guī)技術(shù)的導(dǎo)流能力提高0.5～1.35倍，傷害程度可以降低30%～60%。

4）新型工藝技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)獲得了理想效果，為最大限度提高低滲透砂巖單井產(chǎn)量提出了新手段，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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Composite Treatment Technique of A Novel Acidizing and Fracturing in Low Permeability Sandstone Reservoirs

DING Yun-hong，LU Yong－jun，CAI Bo，ZHANG Yi-ming，SHI Yuan-peng，ZHAO An-jun，SUN Hao （First Author’s Address：Langfang Branch of Research Institute of Petroleum Exploration and Development，CNPC，Langfang065007，Hebei，China）

For low permeability sandstone reservoirs，sand fracturing was the main technique，but whether or not the technique could maximize the efficiency and further improve the technique and enhance the oil production after fracturing？In allusion to the problems above，the past ideas for reservoir reconstruction were changed，for the existence of calcareous and siliceous cements in sandstone reservoirs，the composite fracturing with acidizing and sand fracturing was studied.A fluid and acid-rock reaction experiments were performed，a new technique of composite fracturing with acidizing and sand fracturing was proposed.The results of tests on 5wells show that by using the composite treatment technique，20%the fluid usage is reduced and also more than 10%sand usage is reduced and 10times of oil production is raised，it shows that the technique can be used for improving the operation efficiency and reducing the cost of low permeability sandstone reservoirs，it has good prospects of application.

clastic reservoir；composite technique of acidizing and fracturing；reaction rate；flow conductivity；dissolution rate

TE343

A

1000-9752（2012）02-0139-05

2011-08-10

國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目 （2006BA03B03）。

丁云宏 （1962-），男，1983年大學(xué)畢業(yè)，博士，教授，現(xiàn)主要從事油氣井增產(chǎn)技術(shù)方面的研究工作。

［編輯］ 蕭 雨