酸化壓裂方法在碳酸鹽巖熱儲(chǔ)中的應(yīng)用

1、酸化壓裂方法在碳酸鹽巖熱儲(chǔ)中的應(yīng)用2010-11-10 13:42:50  閱讀數(shù)：283  網(wǎng)友評(píng)論:0 條王連成天津地?zé)峥辈殚_(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)院 天津市河?xùn)|區(qū)衛(wèi)國(guó)道189號(hào) 24567652 geothermal01 摘要   本文對(duì)酸化壓裂方法在碳酸鹽巖熱儲(chǔ)中的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，并結(jié)合工程實(shí)例從技術(shù)原理、適用前提、增產(chǎn)及回灌效果等幾個(gè)方面進(jìn)行介紹。提出針對(duì)適合的裂隙熱儲(chǔ)層，選用合理的工藝進(jìn)行酸化處理可以有效增加地?zé)峋a(chǎn)能和回灌能力。 關(guān)鍵詞 基巖熱儲(chǔ)，酸化壓

2、裂，孔隙度，滲透率1. 引言酸化壓裂是靠酸液的化學(xué)溶蝕作用以及向地層擠酸時(shí)的水力作用來(lái)提高熱層滲透性能的工藝措施，注酸壓力高于熱儲(chǔ)層破裂壓力，酸液同時(shí)發(fā)揮化學(xué)作用和水力作用來(lái)擴(kuò)大、延伸、壓裂和溝通裂縫，形成延伸遠(yuǎn)、流通能力高的滲流通道。該方法近年來(lái)應(yīng)用于碳酸鹽巖熱儲(chǔ)地?zé)峋脑霎a(chǎn)和地?zé)峄毓嗑奶幚碇?。天津市碳酸鹽巖熱儲(chǔ)層地?zé)峋闹饕康膶訛楣派鐘W陶系（O）和中元古界薊縣系霧迷山組（Jxw）熱儲(chǔ)層，傳統(tǒng)的地?zé)峋阢@探揭露該類(lèi)型巖層時(shí)，往往因地層巖溶裂隙發(fā)育，泥漿只進(jìn)不出，巖屑連同泥漿全部漏失進(jìn)入地層，堵塞了含水裂隙，影響成井質(zhì)量。尤其是對(duì)地?zé)峄毓嗑?，回灌過(guò)程中由于回灌流體進(jìn)入熱儲(chǔ)層的壓

3、力使巖屑對(duì)裂隙越壓越密，導(dǎo)致流體需克服的阻力也越來(lái)越大，回灌量逐漸衰減。在熱儲(chǔ)層裂隙發(fā)育程度滿(mǎn)足的情況下，利用酸化壓裂的方法可以有效提高地?zé)峋漠a(chǎn)能，尤其在回灌井的施工和處理中，對(duì)提高回灌效果極為重要。對(duì)于提高地?zé)峋氖褂脡勖途S持地?zé)豳Y源的可持續(xù)發(fā)展效果顯著。2. 酸化壓裂技術(shù)增產(chǎn)原理碳酸鹽巖熱儲(chǔ)層的主要礦物成分是方解石和白云石，進(jìn)行酸壓處理，就是要清除孔隙、裂隙中的堵塞物質(zhì)，擴(kuò)大溝通地層裂隙通道，提高熱儲(chǔ)層的滲透性能。 2.1 酸巖化學(xué)反應(yīng)    酸壓處理中，主要工作介質(zhì)是鹽酸，其進(jìn)入熱儲(chǔ)層縫隙后，將與巖石壁面發(fā)生化學(xué)反

4、應(yīng)。以其主要成分方解石（CaCO3）、白玉石(CaMg(CO3)2)為例說(shuō)明酸液注入后的主要化學(xué)反應(yīng)，其化學(xué)反應(yīng)方程式為：CaCO3+2HCl=CaCl2+CO2+H2O CaMg(CO3)2+4HCl=MgCl2+CaCl2+2CO2+2H2O計(jì)算可得，1m3體積28%濃度的鹽酸可溶解438kg碳酸鈣，生成486kg氯化鈣、79kg水和193kg二氧化碳，而被溶解的碳酸鈣，體積相當(dāng)于0.162m3，由此可見(jiàn)，與1m3 28%的鹽酸反應(yīng)后的熱儲(chǔ)層能增加0.162m3空間，這是很可觀(guān)的。由此可知，酸壓處理后，熱儲(chǔ)層中大量的碳酸鹽巖被溶解，增加了裂縫的空間體積；反應(yīng)后的殘酸水是

5、溶有少量CO2的水溶液，同時(shí)留有部分CO2呈小氣泡狀分布于其中。2.2 反應(yīng)物生成狀態(tài)地層的滲透性能否得到改善，不僅取決于所溶解的酸酸鹽巖，還受反應(yīng)生成物的態(tài)度影響：如果生成物沉淀在裂縫里或粘度過(guò)大導(dǎo)致排不出來(lái)，仍無(wú)法改善地層的滲透性。反應(yīng)后生成的氯化鈣全部溶解于殘酸中，其密度和粘度都比水高。這種粘度較高的溶液，對(duì)滲流有兩方面的影響：一方面攜帶固體微粒能力較強(qiáng)，能把酸處理時(shí)從熱儲(chǔ)層中脫落的微粒帶走防止堵塞；另一方面由于流動(dòng)阻力增大，對(duì)地層滲流非常不利。2.3 酸巖反應(yīng)速度酸溶解酸酸鹽巖的過(guò)程，就是鹽酸被中和或被消耗的過(guò)程。酸巖反應(yīng)速度與處理效果有密切關(guān)系：如果反應(yīng)速度過(guò)快，

6、那么酸只能對(duì)井壁附近的地層起溶蝕作用，效果不理想。影響酸巖反應(yīng)速度的因素主要有：面容比，酸液的流速，酸液的類(lèi)型、酸濃度及溫度等其他因素。在其他條件不變時(shí)，裂縫越窄，面容比越大，反應(yīng)速度越快；酸液流速越快，酸液反應(yīng)速度越快；采用強(qiáng)酸比弱酸的反應(yīng)速度快；濃酸的反應(yīng)時(shí)間比稀酸的反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)。3. 酸化壓裂施工工藝及技術(shù)要點(diǎn)3.1 酸壓施工工藝酸壓項(xiàng)目的流程一般是：選擇需酸壓熱儲(chǔ)段下入油管及封隔器加平衡壓力前置液增壓形成裂縫（克服熱儲(chǔ)層地應(yīng)力和巖石張力）破裂形成裂縫高壓泵入酸液使裂縫酸蝕成溝槽（填塞壓酸）排酸（汽化水排酸）進(jìn)行酸化壓裂洗井時(shí)，先下入封隔器，從油管向井內(nèi)注入清水（前置液

7、），較高的注入速度使井筒內(nèi)壓力增高，達(dá)到克服熱儲(chǔ)層地應(yīng)力和巖石張力的強(qiáng)度，使酸化段出現(xiàn)破裂形成裂縫，然后再高壓泵入酸液使裂縫酸蝕成溝槽，酸化壓裂后這些溝槽仍保持張開(kāi)，具有足夠的導(dǎo)流能力，減小了熱儲(chǔ)層流體釋放阻力，使地?zé)崃黧w運(yùn)移的通路通暢（見(jiàn)圖1）。3.2 酸壓施工技術(shù)要點(diǎn)酸化壓裂效果與許多因素有關(guān)，諸如選擇處理層段，選用的酸液、前置液等工藝參數(shù)及施工質(zhì)量等。下面主要介紹選擇井層的一般原則、酸液選用以及酸化后的排液。3.2.1選擇酸化壓裂熱儲(chǔ)段根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)和研究成果，為取得較好的處理效果，酸壓中應(yīng)優(yōu)先選擇物探測(cè)井顯示儲(chǔ)層含水量好，而試水效果差的層段。酸壓對(duì)于熱儲(chǔ)層中原有裂隙能起到很好的

8、效果，特別是一類(lèi)和二類(lèi)裂隙層，而對(duì)于裂隙度較差裂隙效果則稍差。以天津市復(fù)興門(mén)WR-95地?zé)峋疄槔?，依?jù)地球物理測(cè)井資料分析其熱儲(chǔ)層孔隙度4.6811.23%，滲透率(0.4213.85)×103 MD（取水段詳細(xì)熱儲(chǔ)參數(shù)見(jiàn)表1）。孔隙度及滲透率等參數(shù)較好，但出水量和出水溫度均較差，分析原因是鉆井過(guò)程中導(dǎo)水通道受阻，需疏通熱儲(chǔ)層裂隙通道，增加熱儲(chǔ)層的滲透能力。表1復(fù)興門(mén)WR-95井取水段地層基本數(shù)據(jù)表層號(hào)井段（m）厚度（m）電阻率（·m）聲波時(shí)差（s·m-1）孔隙度（%）滲透率(×10-3m2）泥質(zhì)含量（%）解釋結(jié)果11776.9-1781.04

9、.1842.5178.616.734.691.59二類(lèi)裂隙層21804.9-1808.83.91010.3202.4611.2313.853.99一類(lèi)裂隙層31821.4-1824.83.41147.7173.104.680.423.04三類(lèi)裂隙層41835.3-1842.26.9532.08194.346.141.0116.60三類(lèi)裂隙層51861.5-1894.332.81025.4171.135.892.206.06三類(lèi)裂隙層61957.2-1976.719.5899.08175.857.668.7012.18二類(lèi)裂隙層經(jīng)分析決定對(duì)1776.91976.7m段井孔進(jìn)行酸壓處理，油管下入深

10、度1654.21m，封隔器座封深度1642.70m(見(jiàn)圖1)，井口裝置采油樹(shù)正確安裝完，打入平衡壓力3MPa；地面管線(xiàn)試驗(yàn)壓力28.6MPa；打入前置液15m3；然后采用雙泵車(chē)打入120m3 HCl（20%），最高泵壓21.51MPa,排量為1.36m3/min1。在打酸過(guò)程中，泵壓表顯示由平均20MPa瞬間降為9.53MPa，說(shuō)明碳酸鹽巖裂隙經(jīng)過(guò)壓裂和酸化溶蝕后，與周?chē)严兜臏贤黠@加強(qiáng)。3.2.2室內(nèi)溶蝕試驗(yàn) 在進(jìn)行酸化壓裂作業(yè)之前，應(yīng)對(duì)處理巖層進(jìn)行一系列室內(nèi)物理化學(xué)性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)分析，通過(guò)錄井巖屑了解地層內(nèi)部的巖石及流體的物理化學(xué)性質(zhì)，來(lái)正確選用酸化壓裂措施材料，確定注酸

11、量等施工參數(shù)，同時(shí)盡可能真實(shí)地模擬井下壓力、溫度條件來(lái)選擇與之相容性較好的酸化液體，對(duì)目的熱儲(chǔ)層進(jìn)行有效的酸化，從而達(dá)到對(duì)熱儲(chǔ)層傷害最小的前提下最大限度地疏通巖溶裂隙通道，減小回灌流體進(jìn)入熱儲(chǔ)層的阻力，增加熱儲(chǔ)層的回灌能力。針對(duì)WR-95地?zé)峋貙訁?shù)，進(jìn)行模擬試驗(yàn)，結(jié)果如圖2、3所示。圖3可看出：泵入酸量達(dá)到110m3后，隨著酸量增大，裂隙總表皮溶蝕趨于0。因此，該井選用了120m3的HCl（濃度20%）作為酸化壓裂作業(yè)的基礎(chǔ)液。試驗(yàn)后的結(jié)果如表2如示。表2巖石溶蝕試驗(yàn)結(jié)果（實(shí)驗(yàn)溫度70）序號(hào)井段（m）處理液反應(yīng)前質(zhì)量（g）反應(yīng)后質(zhì)量（g）溶蝕率（%）11778178015%HCl5.000

12、.234295.322180618085.000.495690.093182218245.000.276394.474183418365.000.609687.815187818805.000.621287.586197219745.000.465290.7071778178020%HCl5.000.302193.458180618085.000.526089.489182218245.000.327793.4510193418365.000.635387.2911187818805.000.563688.7312197219745.000.381292.383.2.3前置液酸壓設(shè)計(jì)前置液酸壓

13、是用高粘液體作為前置壓裂液先把地層壓出裂縫，然后再向縫中注入酸液。由于前置液粘度高、濾失量小，比直接用酸液形成較寬、較長(zhǎng)的裂縫，所以極大地減少裂縫的面容比，從而降低酸液的反應(yīng)速度，增大酸的有效作用距離。前置液酸壓后再順序泵入粘度較低的酸液，當(dāng)酸液進(jìn)入充填高粘度液體的裂縫時(shí)，由于兩種液體的粘度相差很懸殊，粘度很小的酸液不會(huì)均勻地把高粘前置液頂替走，而是在高粘液體中形成指進(jìn)現(xiàn)象，如圖4所示3。這種方法也稱(chēng)“填塞酸壓”。這樣，進(jìn)入裂縫的酸液大約只有30-60%的裂縫表面接觸，由于減少了接觸表面積，一方面降低了漏失量，另一方面又減緩了酸液反應(yīng)速度，用較少的酸量造成較長(zhǎng)的有效裂縫。3.2.4酸液種類(lèi)選擇

14、酸液及添加劑的合理使用，對(duì)酸壓處理效果起著重要作用。主要是選擇酸液種類(lèi)、濃度等參數(shù)。酸壓各較常用的是多組分酸，是一種或幾種有機(jī)弱酸與鹽酸的混合物。其中：鹽酸是強(qiáng)酸，對(duì)碳酸鹽巖的溶蝕能力強(qiáng)，反應(yīng)生成的氯化鈣、氯化鎂類(lèi)能全部溶解于殘酸水，不會(huì)產(chǎn)生沉淀；酸壓時(shí)對(duì)裂縫壁面的不均勻溶蝕程度高，裂縫導(dǎo)流能力大，成本較低；缺點(diǎn)是與石灰?guī)r反應(yīng)速度快，特別是高深深井，處理不到地層深部，而且腐蝕性嚴(yán)重。酸液濃度的選擇可參照?qǐng)D5選擇，圖中實(shí)線(xiàn)表示各種濃度鮮酸的初始反應(yīng)速度，當(dāng)濃度小于24-25%時(shí)，濃度增加則初始反應(yīng)速度增加，濃度超過(guò)24-25%時(shí)，濃度增初始反應(yīng)速度反而下降，一般利用中選擇約20%的鹽酸。有機(jī)弱酸

15、一般用甲酸和乙酸，它們?cè)谒兄挥幸恍〔糠蛛x解為氫離子和酸根離子，因此反應(yīng)速度比同濃度的鹽酸要慢幾倍到十幾倍，有效作用距離長(zhǎng)；缺點(diǎn)是溶蝕力小，與碳酸鹽作用生成的鹽類(lèi)，在水中的溶解度較小，因此不采用的濃度不能太高，一般甲酸濃度不超過(guò)10%，乙酸液的濃度不超過(guò)15%。當(dāng)鹽酸中摻有離解常數(shù)小的有機(jī)酸時(shí)，溶液中的氫離子數(shù)主要由鹽酸的氫離子數(shù)決定。當(dāng)鹽酸活性耗完前，甲酸或乙酸幾乎不離解。鹽酸在井壁附近溶蝕，有機(jī)酸在較遠(yuǎn)處起作用。反應(yīng)時(shí)間近似為兩者之和，增加有效距離。3.2.5排（液）酸酸壓施工結(jié)束后，停留在地層中的殘酸由于其活性已基本消失，不能繼續(xù)溶蝕巖石，而且隨著其PH值增高，原來(lái)不會(huì)沉淀的金屬會(huì)相繼產(chǎn)

16、生金屬氧化物沉淀。為防止堵塞地層孔隙，影響酸壓效果，應(yīng)縮短反應(yīng)時(shí)間，限定殘酸在某值以上，盡可能將殘酸快速排出。常用的排液方法有放噴、抽汲、氣舉法和增注液態(tài)CO2及氮?dú)庵鷩娕乓悍ā?#160;4. 酸化壓裂技術(shù)的實(shí)施效果從酸壓處理的階段、所處理井的不同使用情況選取3個(gè)工程實(shí)例，對(duì)酸壓的效果進(jìn)行說(shuō)明：4.1 東麗開(kāi)發(fā)區(qū)DL-24地?zé)峋瓺L-24地?zé)峋挥跂|麗開(kāi)發(fā)區(qū)，熱儲(chǔ)目的層為薊縣系霧迷山組，巖性為灰褐色白云巖、硅質(zhì)白云巖，于2000年成井，成井時(shí)最大試水量140 m3/h，對(duì)應(yīng)出水溫度90；2006-2007年度采暖期，DL-24井作為回灌井進(jìn)行回灌一個(gè)采暖期，運(yùn)行過(guò)程中，出

17、現(xiàn)了回灌量衰減的情況。經(jīng)試驗(yàn)確定DL-24井最大出水量只有100m3/h，對(duì)應(yīng)出水溫度81.4，熱流體溫度出現(xiàn)了較大幅度的降低，與成井初期相比其產(chǎn)能?chē)?yán)重衰減。依據(jù)地球物理測(cè)井資料（見(jiàn)表3）分析，井內(nèi)有兩段主裂隙發(fā)育較好，其孔隙度和滲透率都非常高，其余則普遍較低，因此DL-24井的兩條主裂隙一旦發(fā)生堵塞，將直接影響該井產(chǎn)能。表3 DL-24地?zé)峋疁y(cè)井解釋成果表深度（m）厚度（m）孔隙度（%）滲透率（×103MD）解釋結(jié)論1931.8-1944.012.25.20.5二類(lèi)裂隙1951.0-1974.023.04.80.6二類(lèi)裂隙1980.0-2019.039.03.80.3二類(lèi)

18、裂隙2022.0-2070.048.04.80.4二類(lèi)裂隙2074.8-2102.427.64.018.3一類(lèi)裂隙2155.2-2161.05.84.90.4二類(lèi)裂隙2259.4-2271.011.614.919.8一類(lèi)裂隙2358.0-2363.65.62.20.4二類(lèi)裂隙DL-24井熱儲(chǔ)層孔隙度2.214.9%，滲透率0.3×10319.8×103 MD；對(duì)DL-24井抽水試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析計(jì)算，其含水層的滲透系數(shù)為為0.39 m/d，導(dǎo)水系數(shù)T為85.76m2/d，而成井時(shí)試驗(yàn)所得滲透系數(shù)K為0.62 m/d，導(dǎo)水系數(shù)T為132.93

19、60;m2/d?？梢源_定DL-24井含水層的孔隙度、滲透率及滲透系數(shù)衰減，是影響該井產(chǎn)能的主要原因。針對(duì)其熱儲(chǔ)層的特征，進(jìn)行酸化壓裂疏通含水層，勾通裂隙通道，經(jīng)處理后，該井最大出水量激增加至157m3/h，溫度上升至89。4.2復(fù)興門(mén)WR-95地?zé)峋旖蚴袕?fù)興門(mén)WR-95于2006年成井，目的層為古生界奧陶系。成井后測(cè)井資料顯示井底熱儲(chǔ)層實(shí)際溫度為77，而實(shí)際井口流體溫度為53，單井出水量只有10.38m3/h，地?zé)峋漠a(chǎn)量、流體溫度均不達(dá)標(biāo)。依據(jù)地球物理測(cè)井資料（見(jiàn)表1）分析，熱儲(chǔ)層孔隙度4.6811.23%，滲透率(0.4213.85)×103 MD，均較好，但出水量和出水溫度均較差，分析原因是鉆井過(guò)程中導(dǎo)水通道受阻。采用酸化壓裂的措施：采用鹽酸酸壓工藝，正擠法方式擠注，擠注壓力20MPa，排酸方式為汽化水排酸。酸壓處理后出水量由原來(lái)的10.38 m3/h激增到95.67m3/h，井口流體溫度由53上升到78，增產(chǎn)效果明顯。4.3 河?xùn)|區(qū)HD-02回灌井HD-02回灌井于1994年1月25日成井，于2002