白云巖儲(chǔ)層酸壓過(guò)程中酸液的濾失控制

摘 要

摘要：白云巖儲(chǔ)集層酸壓改造中的酸液濾失是影響施5-效果的關(guān)鍵，常規(guī)室內(nèi)測(cè)試結(jié)果不能反映入地酸液流體的真實(shí)濾失行為。從酸液濾失模式分析入手，結(jié)合酸與白云巖石反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特征
摘要：白云巖儲(chǔ)集層酸壓改造中的酸液濾失是影響施5-效果的關(guān)鍵，常規(guī)室內(nèi)測(cè)試結(jié)果不能反映入地酸液流體的真實(shí)濾失行為。從酸液濾失模式分析入手，結(jié)合酸與白云巖石反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特征，探討了白云巖儲(chǔ)層的點(diǎn)蝕密集型、溶蝕孔洞型、溶蝕穿透型酸液濾失行為，認(rèn)為儲(chǔ)集層天然裂縫、白云巖自身物性特征、H+傳質(zhì)系數(shù)和反應(yīng)速度的影響是主要控制酸液濾失的內(nèi)在因素，并以此為依據(jù)提出了現(xiàn)場(chǎng)酸壓控制酸液濾失的對(duì)策：對(duì)于天然裂縫較發(fā)育的白云巖儲(chǔ)集層，實(shí)際酸液濾失程度不及石灰?guī)r，但總體上建議采用黏滯性前置液誘發(fā)裂縫(必要時(shí)可考慮追加少量粉陶)，盡可能地采用低H+傳質(zhì)系數(shù)和低反應(yīng)速率的高黏酸液體系，交替注酸和附加前置液段塞也能很好地控制地層中酸液的濾失。
關(guān)鍵詞：白云巖；酸化壓裂；濾失；控制；裂縫(巖石)；影響；對(duì)策
    酸化壓裂是白云巖儲(chǔ)層增產(chǎn)改造的一種有效措施[1～3]，已在現(xiàn)場(chǎng)得到了廣泛的應(yīng)用。然而，實(shí)際酸壓過(guò)程中酸液會(huì)發(fā)生不同程度的濾失而影響改造效果，因此，正確認(rèn)識(shí)白云巖儲(chǔ)層酸壓過(guò)程中的酸液濾失行為對(duì)于指導(dǎo)酸壓施工至關(guān)重要。
1 酸壓改造中酸液濾失模式
    傳統(tǒng)理論中的酸壓濾失處理是以酸液在裂縫壁面形成濾餅時(shí)，濾餅區(qū)、侵入?yún)^(qū)和儲(chǔ)層流體的壓縮性、濾液黏度以及壓裂液的造壁性作為控制條件的，其中以Schechter經(jīng)典模型[4]為代表。然而，這樣處理并不能反映酸液真實(shí)的濾失情形[5]。從酸壓措施實(shí)施一開(kāi)始，酸液便不停地穿過(guò)濾餅區(qū)，無(wú)論何時(shí)活性酸進(jìn)入原生孔隙或者裂縫，都會(huì)與巖石直接作用而產(chǎn)生一定數(shù)量的蚓孔[6]，導(dǎo)致大量的酸液濾失。
    從酸壓施工曲線上看，原本施工壓力在整個(gè)施工期間都應(yīng)大于或等于破裂壓力，而實(shí)際上，壓力曲線將由于酸蝕蚓孔的出現(xiàn)而產(chǎn)生大幅度降落，出現(xiàn)壓力曲線異常段，據(jù)此可以分析得到酸液的濾失量和濾失時(shí)間。
    由于蚓孔地層的濾失，降低了酸液實(shí)際有效作用距離，增加的注液量?jī)H對(duì)近井帶的儲(chǔ)層改造，最終導(dǎo)致增產(chǎn)效果不理想。因此，實(shí)際酸壓過(guò)程中酸液的濾失主要包括裂縫壁面向基質(zhì)的濾失和酸蝕蚓孔濾失兩部分[6]，并且細(xì)分為4個(gè)區(qū)域(圖1)。其中，酸液濾失主要受到蚓孔區(qū)(Ⅱ)內(nèi)蚓孔擴(kuò)展速度及侵入?yún)^(qū)(Ⅲ)內(nèi)與流動(dòng)剪切及裂縫溫度有關(guān)的酸液黏度所控制。另外，地層一旦形成蚓孔，酸液濾失則主要在蚓孔內(nèi)發(fā)生，濾失量由蚓孔擴(kuò)展體積和酸液向酸蝕螞孔壁面濾失量共同決定。
 
2 酸液濾失行為及影響因素
2.1 酸液體系濾失行為
    酸壓注液過(guò)程中，酸液體系的濾失行為以酸-巖反應(yīng)后在裂縫壁面上形成的溶蝕孔洞形態(tài)加以表征，可分為以下3種類型。
2.1.1點(diǎn)蝕密集型
    高效酸、乳化酸、泡沫酸等酸液體系濾失形成的溶蝕孔洞通常屬于“點(diǎn)蝕密集型”，即酸液的控濾失效果較好，其濾失行為表征為在裂縫壁面上形成較為密集、深度較淺的網(wǎng)狀點(diǎn)蝕。
2.1.2溶蝕孔洞型
    前置液酸壓和稠化酸酸壓過(guò)程中形成的溶孔屬于“溶蝕孔洞型”，即酸液濾失會(huì)在裂縫壁面上主要形成具有一定深度的溶蝕孔洞。
    研究表明，高黏前置液在裂縫壁面沉積形成的濾餅可以減少酸液的初濾失，繼續(xù)注酸，前置液形成的濾餅在較短時(shí)間內(nèi)將被酸液穿透，并隨之形成溶蝕孔洞，此時(shí)幾乎所有的濾失將在溶孔內(nèi)發(fā)生。
2.1.3溶蝕穿透型
    普通酸、化學(xué)緩速酸等屬于不能實(shí)現(xiàn)濾失控制的液體，一旦酸液在裂縫壁面產(chǎn)生溶蝕孔洞，則會(huì)很快穿透整個(gè)裂縫壁面，使酸液在孔洞內(nèi)不再是濾失，而是流過(guò)，形成“溶蝕穿透型”孔洞。
2.2 酸液濾失的影響因素分析
    目前，關(guān)于影響酸液濾失的因素分析大都基于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，采用單因素法分別考察巖心長(zhǎng)度、酸濃度、溫度、差壓和流量等對(duì)濾失的影響[7～8]，而沒(méi)有考慮儲(chǔ)層、巖性、工作液反應(yīng)動(dòng)力學(xué)行為等內(nèi)在條件。室內(nèi)結(jié)果僅僅是在特定尺寸的巖心及實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)酸液濾失所作出的定量描述，但不能以此判定實(shí)際酸壓及酸化中會(huì)發(fā)生蚓孔的大量濾失。
    實(shí)際上，在高溫、深層微裂縫較為發(fā)育的白云儲(chǔ)層酸壓中并不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的濾失。由于地層高溫下超過(guò)95℃)，酸-巖反應(yīng)主要受H+傳質(zhì)速率控制，大多高效酸具有較低的H+傳質(zhì)系數(shù)和較高的黏度，即使在地層溫度下破膠與巖石發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)強(qiáng)度也不會(huì)太大；同時(shí)，高黏混合物(包括酸巖反應(yīng)生成物)對(duì)已形成的溶蝕孔洞有一定封堵作用，阻礙了酸液在溶蝕孔中的濾失指進(jìn)。經(jīng)研究，白云巖儲(chǔ)層酸液濾失行為主要受到以下3種內(nèi)在因素控制。
2.2.1儲(chǔ)集層天然裂縫的影響
    一般情況下，天然溶蝕孔洞及裂縫是白云巖儲(chǔ)層油氣資源的主要儲(chǔ)滲空間，對(duì)于天然裂縫較為發(fā)育的地層，其天然裂縫縫寬也會(huì)影響到酸液的作用效果及濾失。Chengli Dong和D.Zhu等人[9]給出了這一天然縫寬與酸液作用效果的關(guān)系：天然縫寬小于2×10-3cm，沿裂縫入口到裂縫出口形成酸蝕蚓孔，3×10-3～8×10-3cm，裂縫將變得比原先更寬一些，且裂縫人口比裂縫尾部寬；大于1×10-3cm，酸在裂縫中的作用將與酸壓中酸與裂縫壁面反應(yīng)相似。
    另外，地層裂縫壁面越粗糙，則越容易形成蚓孔；濾失對(duì)沿裂縫壁面的刻蝕形態(tài)影響不大，但會(huì)沿裂縫壁面形成垂直蚓孔。酸壓過(guò)程中，由于酸蝕壓開(kāi)縫寬的限制，沿裂縫壁面的垂直蚓孔濾失效應(yīng)并不十分明顯，天然裂縫越發(fā)育，縫寬越寬，越不容易發(fā)生蚓孔濾失。
2.2.2白云巖自身物性特征的影響
    從白云巖自身物性來(lái)看，據(jù)劉再華、W.Dreybrodt等學(xué)者口叩的研究表明，以H+作為碳酸鹽巖溶解的侵蝕劑，在條件相似的情況下，白云巖的初始溶解速率不僅只有石灰?guī)r的1/3～1/60，而且還呈現(xiàn)出不同的溶解速率控制機(jī)理，即受到生成CO2的分壓區(qū)范圍的影響而不同；其次，白云巖溶解主要受到比石灰?guī)r更為復(fù)雜的表面反應(yīng)所控制，而以均勻溶蝕為主。這樣，某種程度上說(shuō)明在相同酸壓施工條件下，相同酸液體系對(duì)白云巖溶蝕所形成的均勻點(diǎn)蝕孔洞遠(yuǎn)不及石灰?guī)r被酸液溶蝕后的分支蚓孔所引起的濾失。
2.2.3 H+傳質(zhì)系數(shù)和反應(yīng)速度的影響
    針對(duì)普通酸、稠化酸、交聯(lián)酸三種酸液體系分別進(jìn)行了反應(yīng)動(dòng)力學(xué)行為測(cè)試、酸液濾失性測(cè)試及60℃恒溫水浴靜態(tài)酸-巖反應(yīng)測(cè)試，結(jié)果表明(見(jiàn)表1及圖2、3)：氫離子傳質(zhì)系數(shù)越低，反應(yīng)速率越慢，則酸液控濾失效果越好(濾失量越少)，酸-巖反應(yīng)后的殘酸濃度就越高。文中交聯(lián)酸酸液體系顯示了良好的控濾失性能。
表1 不同酸液體系反應(yīng)速度常數(shù)與擴(kuò)散系數(shù)值對(duì)比表
酸液(20%)
60℃下反應(yīng)速度常數(shù)(mol/cm3)(1-m)×(cm/s)
60℃氫離子有效傳質(zhì)系數(shù)(cm2/s)
80℃氫離子有效傳質(zhì)系數(shù)(cm2/s)
普通酸
8.1937×10-6
7.9682×10-6
1.2408×10-5
稠化酸
2.0753×10-6
7.0636×10-6
1.3720×10-5
交聯(lián)酸
1.3744×10-6
3.6822×10-6
7.1096×10-5
3 儲(chǔ)層酸壓改造中酸液濾失控制對(duì)策
    1) 對(duì)于天然溶蝕孔洞及微裂縫較為發(fā)育的白云巖儲(chǔ)層，蚓孔濾失效應(yīng)雖不明顯，但裂縫壁面垂直蚓孔的隨機(jī)性卻容易影響壓開(kāi)縫內(nèi)的均勻布酸。此時(shí)要求酸液流速不能過(guò)低，若流速過(guò)低，溶蝕形式緊密，近井地帶易失去膠結(jié)而發(fā)生地層巖石的扭曲變形，不利于后續(xù)酸液指進(jìn)?？煽紤]高黏前置酸液壓開(kāi)地層后，追加少量粉陶，再均勻提高地面酸液泵速。這樣，天然較大孔縫得到有效屏障，而加大排量可以限制貼近井筒裂縫地層的孔道大小并在裂縫端部實(shí)現(xiàn)比較均勻的酸蝕。
    2) 從白云巖物性來(lái)看，其在H+侵蝕介質(zhì)中的溶解率較低，不及石灰?guī)r。當(dāng)壓開(kāi)裂縫壁面溫度小于50℃時(shí)，酸巖反應(yīng)主要受表面反應(yīng)控制；當(dāng)壁面溫度大于95℃時(shí)，主要受傳質(zhì)控制；在這兩個(gè)溫度之間，同時(shí)受傳質(zhì)速度和表面反應(yīng)速度控制。實(shí)際酸壓中，可考慮先充分降低壓開(kāi)裂縫溫度后，再注入活性酸，將酸巖反應(yīng)控制在表面反應(yīng)動(dòng)力學(xué)范圍，這樣白云巖以均勻點(diǎn)狀溶蝕為主，不易產(chǎn)生蚓孔濾失。此類工藝包括多級(jí)前置液段塞.閉合酸壓等措施。
    3) 酸壓中，由于后續(xù)酸液的不斷突破和地層條件下液體體系的破膠，很難形成有效濾餅；加上白云巖儲(chǔ)層蚓孔濾失效應(yīng)不明顯，酸壓中的濾失則多發(fā)生在侵入帶，且主要受酸液黏度控制。為控制酸液濾失，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選用低H+傳質(zhì)系數(shù)和低反應(yīng)速率的高黏酸液體系，同時(shí)整個(gè)酸液體系應(yīng)具有良好的“變黏”、“控溫”及“緩速”性能。
4 結(jié)論
    1) 白云巖儲(chǔ)層酸壓過(guò)程中的酸液濾失模式受到裂縫壁面向基質(zhì)的濾失及酸蝕蚓孔濾失兩方面控制，避免及減少蚓孔發(fā)生幾率是增強(qiáng)酸液深穿透、提高裂縫導(dǎo)流能力、確保施工效果的關(guān)鍵。
    2) 酸液在裂縫壁面產(chǎn)生的溶蝕孔洞形態(tài)可表征為“點(diǎn)蝕密集型”、“溶蝕孔洞型”、“溶蝕穿透型”3種類型；其行為主要受到儲(chǔ)集層天然裂縫發(fā)育程度、白云巖自身物性條件、酸液H+傳質(zhì)系數(shù)和反應(yīng)速度等內(nèi)在因素控制。
    3) 現(xiàn)場(chǎng)酸壓施工時(shí)可以根據(jù)這些控制酸液濾失的內(nèi)在因素對(duì)工作液體系性能和工藝措施加以優(yōu)化。注酸前使用黏滯性前置液誘發(fā)裂縫(必要時(shí)可考慮追加少量粉陶)，盡可能地采用低H+傳質(zhì)系數(shù)和低反應(yīng)速率的高黏酸液體系，交替注酸和附加前置液段塞都能很好地控制地層中酸液的濾失。
參考文獻(xiàn)
[1] 沈建國(guó)，毛素兵.四川壓裂酸化技術(shù)新發(fā)展[J].天然氣工業(yè)，2001，21(5)：70-73.
[2] 伊向藝，盧淵，宋毅，等.靖邊氣田白云巖儲(chǔ)層交聯(lián)酸酸壓技術(shù)實(shí)踐[J].石油地質(zhì)與采收率，2008，15(6)：92-94.
[3] 邢德剛，呂明久，姚弈明，等.酸壓技術(shù)在河南油田白云巖儲(chǔ)層的應(yīng)用[J].精細(xì)石油化工進(jìn)展，2003，4(8)：39-42.
[4] SETTARI A.A new general model of fluid loss in hydraulie fracturing[J].SPE Journal，1985，25(4)：491-501.
[5] 楊旭，潘瓊.白云巖儲(chǔ)集層酸液濾失機(jī)理研究[J].鉆采工藝，2000，23(2)：17-20.
[6] 米卡爾J?？酥Z米德斯，肯尼斯G諾爾特.油藏增產(chǎn)措施[M].3版.張保平，譯.北京：石油工業(yè)出版社，2002：636-651.
[7] 韓慧芬.酸液濾失的影響因素分析[J].鉆采工藝，2002，25(3)：29-31.
[8] 段國(guó)彬.利用酸液動(dòng)態(tài)濾失實(shí)驗(yàn)研究確定酸壓施工用酸量[J].天然氣工業(yè)，2000，20(5)：50-52.
[9] DONG C，ZHU D，HILL A D. Modeling of the acidizing process in naturally fractured carbonates [J].SPE Journal，2002，7(12)：400-408.
[1O] 劉再華，DREYBRODT W，李華舉.石灰?guī)r和白云巖溶解速率控制機(jī)理的比較EJ].地球科學(xué)：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，31(3)：412-415.
 
(本文作者：王海濤1 李相方1 伊向藝2 盧淵2 1.中國(guó)石油大學(xué)石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.“油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都理工大學(xué))