齊先有

(中國(guó)石油遼河油田分公司，遼寧 盤錦 124010)

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高碳酸鹽巖含量砂巖酸化實(shí)驗(yàn)研究

齊先有

(中國(guó)石油遼河油田分公司，遼寧 盤錦 124010)

為改善低滲透砂巖油藏的酸化效果，在施工前需要進(jìn)行合理的評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)。通過流動(dòng)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)了前置酸、主體酸用量對(duì)酸化效果的影響，并在此基礎(chǔ)上采用X衍射、巖石薄片、掃描電鏡等手段對(duì)流動(dòng)物理模擬結(jié)果進(jìn)行了分析，使宏觀現(xiàn)象和微觀機(jī)理得到了有效結(jié)合。研究表明：S3井區(qū)巖樣中含有較高的碳酸鹽礦物，平均含量為13%；前置酸在鈣質(zhì)砂巖酸化過程中具有非常重要的作用，當(dāng)前置酸段塞不足時(shí)，土酸和鈣質(zhì)膠結(jié)物反應(yīng)產(chǎn)生沉淀，影響酸化效果；前置酸足量時(shí)，酸化效果明顯，巖石孔隙得到有效增大。結(jié)合研究結(jié)果精選酸液體系，在S3井區(qū)進(jìn)行了4井次酸化施工，起到了良好的增產(chǎn)效果。精細(xì)酸化設(shè)計(jì)可避免酸化后滲透率不增反降的問題，同時(shí)建議礦場(chǎng)試驗(yàn)中選用適合儲(chǔ)層特點(diǎn)的添加劑以提高酸化效果和成功率。該研究結(jié)果對(duì)類似油藏酸化設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

砂巖酸化；地層傷害；低滲透；土酸；X衍射；巖石薄片；掃描電鏡；高碳酸鹽巖

0 引 言

低滲透砂巖地層注水過程中易受污染而導(dǎo)致注水能力降低[1]。通過酸化施工，可解除污染，提高注水能力，但若酸化設(shè)計(jì)不當(dāng)，會(huì)加劇油層污染，因此，在施工前需要進(jìn)行合理的評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)。常用的酸液體系包括土酸體系、氟硼酸體系、多氫酸體系等。在注主體酸之前，需注稀HCl做前置液。HCl可以溶解儲(chǔ)層中的碳酸鹽巖礦物，避免主體酸中的HF與碳酸鹽巖礦物反應(yīng)生成CaF2、MgF2等[2-6]。S3井區(qū)為低滲透砂巖油藏，儲(chǔ)層巖心空氣滲透率平均為0.401×10-3μm2，孔隙度平均為9.24%。該井區(qū)碳酸鹽巖含量較高，在開發(fā)過程中存在注水壓力高、注入量欠缺等問題，部分井在以往的酸化施工中，存在酸化效果較差甚至酸化后滲透率不增反降等情況。針對(duì)上述問題，重點(diǎn)考慮了前置酸在高碳酸鹽巖儲(chǔ)層酸化施工中的作用，探索了酸液體系設(shè)計(jì)中前置酸的用量對(duì)S3井區(qū)酸化效果的影響。在使用現(xiàn)場(chǎng)巖心進(jìn)行酸化流動(dòng)物理模擬實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過巖石薄片、掃描電鏡等手段對(duì)物理模擬結(jié)果進(jìn)行了分析和印證[7-11]，使宏觀現(xiàn)象和微觀機(jī)理得到了有效結(jié)合。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

實(shí)驗(yàn)用HCl、HF、緩蝕劑、黏土穩(wěn)定劑以及互溶劑等均為工業(yè)品。實(shí)驗(yàn)用油田水樣離子組成見表1。

表1 油田水樣離子成分分析

實(shí)驗(yàn)用儀器主要包括掃描電鏡、顯微鏡、X射線衍射儀(X'pertPROMPD，荷蘭帕納科公司)以及酸化物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

(1) 溶蝕率測(cè)定。

(2)XRD礦物測(cè)試。巖樣全巖組成通過X射線衍射儀進(jìn)行測(cè)定。

(3) 巖心薄片鑒定。不同礦物經(jīng)混合染料處理后的顏色見表2。

表2 不同礦物經(jīng)混合液染色顏色鑒定

(4) 巖心酸化流動(dòng)物理模擬實(shí)驗(yàn)。使用天然低滲透巖心進(jìn)行酸化流動(dòng)物理模擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)步驟：①將巖心樣品用索氏抽提器洗油后烘干、飽和鹽水，測(cè)出巖心孔隙體積；②物理模擬實(shí)驗(yàn)，溫度為90 ℃，首先將巖心放置在巖心夾持器中，保持圍壓為3～4MPa，注4%NH4Cl測(cè)基準(zhǔn)壓力，再注油田水測(cè)滲透率，然后注一定體積的前置酸、主體酸(前置酸和主體酸的注入量根據(jù)酸化效果即時(shí)調(diào)整)，最后用4%NH4Cl溶液頂替，計(jì)算滲透率。為減少酸液對(duì)管線以及巖心的傷害作用，酸液體系中加入2%黏土穩(wěn)定劑、2%緩蝕劑、2%鐵離子穩(wěn)定劑、2%互溶劑。采用3塊巖心進(jìn)行驅(qū)替實(shí)驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 巖心溶蝕率

測(cè)定了90 ℃時(shí)不同酸液體系對(duì)巖心的溶蝕率(表3)。由表3可知，HCl的溶蝕率大于10%，說明巖樣中有較高含量的碳酸鹽巖礦物。HCl和HF復(fù)配后，溶蝕率大幅度提高，其中12.0%HCl+3.0%HF構(gòu)成的常規(guī)土酸溶蝕率高于25%。

表3 巖心溶蝕率

砂巖酸化以選擇溶蝕率為20%～30%的酸液為佳，因此，主體酸選擇低濃度的土酸體系。

2.2 酸化前巖心分析

儲(chǔ)層礦物組成是酸液設(shè)計(jì)的重要依據(jù)[12]。在全直徑巖心的不同部位取巖心粉末做XRD礦物分析(表4)。由表4可知，巖樣中有較高含量的長(zhǎng)石礦物，而黏土礦物含量較低。另外，巖樣中碳酸鹽巖含量較高，其中方解石平均含量約為10%，白云石約為3%。

表4 巖心礦物組成

為了直觀地觀察方解石礦物在巖石中的填充特征，使用偏光顯微鏡對(duì)未經(jīng)酸化處理的空白巖樣進(jìn)行薄片鑒定(圖1)。圖1中2張圖片為同一位置經(jīng)不同偏光處理采集的圖像，a為單偏光，b為正交偏光。單偏光圖片主要反映粒間充填物的特征，特別是鈣質(zhì)膠結(jié)物。而正交偏光下的圖片主要反映孔隙特征、礦物成分和巖石結(jié)構(gòu)[3]。由圖1可知，礦物成分包括石英、長(zhǎng)石以及方解石等，其中長(zhǎng)石以斜長(zhǎng)石為主，方解石化和白云石化嚴(yán)重，填隙物以孔隙式膠結(jié)碎屑。染色后的方解石在偏光顯微鏡下呈紅色，填充于孔隙中，導(dǎo)致巖心孔隙的減小和滲透率的降低。在酸化過程中，如果前置酸的量不能充分溶解這些鈣質(zhì)礦物，則后續(xù)主體酸(特別是土酸體系)中的HF會(huì)和這些礦物反應(yīng)生成CaF2沉淀，造成儲(chǔ)層堵塞。

圖1 空白巖心薄片鑒定

空白巖心的電鏡掃描圖像見圖2。由圖2可知，未經(jīng)酸化的空白巖心的巖屑顆粒較平整，巖性致密，孔隙微小。

2.3 酸化流動(dòng)實(shí)驗(yàn)

巖心長(zhǎng)石含量較高，其反應(yīng)速度低于黏土礦物，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于石英。根據(jù)礦物分析和酸化經(jīng)驗(yàn)[13-18]，選擇7.5%HCl作為前置液，選擇6.0%HCl+1.5%HF作為主體酸。

圖2 空白巖樣端面SEM圖

2.3.1 1倍孔隙體積前置液流動(dòng)實(shí)驗(yàn)

按前置酸1倍孔隙體積、主體酸3倍孔隙體積對(duì)巖心1進(jìn)行酸化流動(dòng)物理模擬實(shí)驗(yàn)，不同液體段塞的注入體積及相應(yīng)的注入壓力梯度見圖3。

圖3 巖心1酸化注入壓力梯度曲線

流動(dòng)實(shí)驗(yàn)分為5個(gè)階段。第1階段注入4%NH4Cl至壓力梯度平衡，并以此計(jì)算出巖心的水相滲透率。第2階段注油田水，模擬實(shí)際注入水對(duì)巖心的傷害?，F(xiàn)場(chǎng)注入水礦化度低，且含有一定量懸浮顆粒，造成注水壓力梯度升高。第3階段注入由7.5%HCl、2%緩蝕劑、2%黏土穩(wěn)定劑、2%鐵離子穩(wěn)定劑、2%互溶劑等添加劑構(gòu)成的前置液，前置液注入量為1倍孔隙體積。前置酸可清除孔隙表面的碳酸鹽巖、沖洗注入水中的金屬離子。注前置酸過程中，HCl和碳酸鹽巖反應(yīng)生成CO2，產(chǎn)生賈敏效應(yīng)，導(dǎo)致注入壓力梯度不斷升高。第4階段注入由6.0%HCl+1.5%HF構(gòu)成的土酸，土酸注入量為3倍孔隙體積。該過程中壓力梯度一直升高，巖心出口端觀察到氣泡。第5階段注4%NH4Cl測(cè)滲透率，注入壓力梯度降低，計(jì)算結(jié)果顯示滲透率降低50%，說明酸化不僅未能提高巖心滲透性，反而對(duì)巖心造成了傷害。

2.3.2 不同倍數(shù)孔隙體積前置液流動(dòng)實(shí)驗(yàn)

前置液和主體酸注入量需根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，在進(jìn)行酸化影響因素研究時(shí)，應(yīng)固定主體酸和前置液中的某一因素，只改變另一因素，但這樣需要進(jìn)行較多組實(shí)驗(yàn)，消耗大量巖心，由于現(xiàn)場(chǎng)巖心缺乏，故只能進(jìn)行調(diào)整，在改變主體酸(或前置液)用量的同時(shí)，對(duì)前置液(或主體酸)用量進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整。

(1) 結(jié)合巖心1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，調(diào)整前置液和主體酸的注入量，將前置液注入量升至2倍孔隙體積、主體酸注入量升至17倍孔隙體積。酸化后巖心2的注入壓力梯度略有降低，說明注酸使地層滲透率稍有提高，但效果不明顯。酸化過程中，考慮到主體酸段塞已非常充足(達(dá)17倍孔隙體積)，因此，推測(cè)可能是前置液注入量不足使酸化效果不明顯。

(2) 為了進(jìn)一步驗(yàn)證前置液的作用，設(shè)計(jì)了前置液注入量為7倍孔隙體積、主體酸注入量為6倍孔隙體積的流動(dòng)實(shí)驗(yàn)。酸化后巖心3的注入壓力梯度大幅度降低。

不同巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)總結(jié)見表5。由表5可知，大幅度提高前置液用量并適當(dāng)降低主體酸用量，巖心的滲透率變化率達(dá)42.91%，說明前置液的用量對(duì)酸化效果有重要影響。實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前置液注入量大于5倍孔隙體積且?guī)r心出液端出現(xiàn)連續(xù)氣泡時(shí)，轉(zhuǎn)注主體酸后酸化效果會(huì)較為明顯。

表5 巖心酸化解堵數(shù)據(jù)匯總

2.4 酸化后巖心分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后3塊巖心的偏光顯微照片見圖4。由圖4可知，酸化后，巖心1有非天然礦物存在，可能為二次反應(yīng)產(chǎn)生的沉淀，且孔隙周圍有紅色方解石礦物殘留。巖心2孔隙中仍存在染為紅色的方解石礦物和染為藍(lán)色的鐵白云石。巖心3中紅色染色部位和藍(lán)色染色部位明顯減少，縫洞率為9%。

圖4 酸化后巖心薄片偏光顯微照片

酸化后3塊巖心的掃描電鏡照片見圖5。由圖5可知，酸化結(jié)束后，巖心1、2孔隙周圍存在沉淀物，這可能是注入的前置液較少，導(dǎo)致孔隙表面的方解石礦物和酸液反應(yīng)產(chǎn)生二次污染，從而影響了酸化效果。巖心3中形成明顯的溶蝕孔洞，這些溶蝕孔洞應(yīng)是酸化效果明顯提高的根本原因。

圖5 巖心酸化后端面SEM圖(由左至右依次為1、2、3號(hào)巖心)

3 礦場(chǎng)應(yīng)用效果

結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，并考慮礦場(chǎng)施工實(shí)際，優(yōu)選酸液體系為：前置酸為7.5%HCl+其他添加劑，主體酸為6.0%HCl+1.5%HF+其他添加劑，在S3井區(qū)進(jìn)行了4井次酸化施工(表6)。由表6可知，油管壓力酸化后比酸化前提高6MPa以上，較好地恢復(fù)了地層滲透性能；日產(chǎn)液酸化后比酸化前提高了8.0m3/d以上，其中S3-318井日產(chǎn)液提高了12.1m3/d，表現(xiàn)出較強(qiáng)的增產(chǎn)能力。而酸化施工后各井的油管壓力和日產(chǎn)液提高幅度略有不同，這主要是由于每個(gè)單井的井史、井況差異較大，導(dǎo)致酸化效果具有一定的差異。可見，優(yōu)選的酸液體系較好地提高了地層滲透率，起到了良好的增產(chǎn)效果，精細(xì)酸化設(shè)計(jì)避免了酸化后滲透率不增反降的問題。在礦場(chǎng)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，選用適合儲(chǔ)層特點(diǎn)的添加劑(如緩蝕劑、鐵離子穩(wěn)定劑、黏土穩(wěn)定劑、互溶劑等)，可減少酸液對(duì)管柱的腐蝕，降低儲(chǔ)層黏土膨脹運(yùn)移對(duì)儲(chǔ)層的傷害以及增強(qiáng)酸液體系的互溶性，這對(duì)提高酸化效果和成功率具有重要作用。

表6 現(xiàn)場(chǎng)施工結(jié)果

4 結(jié)論及建議

(1)XRD巖心礦物分析表明，S3井區(qū)巖樣中含有較高的碳酸鹽礦物，平均含量為13%；巖石薄片直觀地顯示了碳酸鹽礦物對(duì)巖心孔隙的填充作用。這為酸化實(shí)驗(yàn)研究提供了重要的參考。

(2) 對(duì)于方解石礦物含量較高的低滲透儲(chǔ)層，前置液的注入量在酸化設(shè)計(jì)中非常重要。應(yīng)確保前置液HCl使用量充足，才能使低濃度土酸主體酸的酸化效果明顯，巖石孔隙得到有效的增大。否則，由于土酸和方解石礦物易發(fā)生反應(yīng)生成沉淀物，并在巖石孔隙周圍生成二次沉淀物，影響酸化效果。

(3) 采用酸化流動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)、全巖礦物分析、巖心薄片鑒定以及掃描電鏡等是酸化實(shí)驗(yàn)研究和礦場(chǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)的有效手段，實(shí)現(xiàn)了宏觀現(xiàn)象和微觀機(jī)理的有效結(jié)合。

(4) 為提高酸化效果和成功率，建議礦場(chǎng)酸化試驗(yàn)選用適合儲(chǔ)層特點(diǎn)的添加劑。

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編輯 王 昱

20160110；改回日期：20160520

中國(guó)石油天然氣股份有限公司重大科技專項(xiàng)“遼河油田原油千萬噸持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)研究” (2012E-30)

齊先有(1970-)，男，工程師，1991年畢業(yè)于承德石油專科學(xué)校油田化學(xué)專業(yè)，2006年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院石油工程專業(yè)，現(xiàn)從事提高采收率技術(shù)研究。

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.04.031

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