張 倩，李年銀，李長(zhǎng)燕，王永清，趙立強(qiáng)

(1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610500；2.西南石油大學(xué)，四川 成都 610500；3.中國石油西南油氣田分公司，四川 成都 610213；4.中國石油青海油田分公司，青海 茫崖 816400)

0 引 言

隨著工業(yè)化與城市化的快速推進(jìn)，能源供需矛盾日益突出，國家適時(shí)對(duì)油氣資源戰(zhàn)略方針進(jìn)行調(diào)整，將勘探開發(fā)的重心由東部油氣區(qū)逐漸向西部油氣區(qū)轉(zhuǎn)移，碳酸鹽巖油氣藏的勘探開發(fā)逐步得到重視。經(jīng)過多年的勘探開發(fā)，深層海相油氣勘探獲得了一系列具有戰(zhàn)略意義的重大突破：在塔里木盆地相繼發(fā)現(xiàn)了塔河、塔中、哈拉哈塘、輪古、英買力等多個(gè)大型海相碳酸鹽巖油氣田；在四川盆地川中、川南等地區(qū)二疊系、寒武系、震旦系發(fā)現(xiàn)多個(gè)碳酸鹽巖油氣田；在鄂爾多斯盆地發(fā)現(xiàn)了奧陶系縫洞型碳酸鹽巖氣田。中國海相碳酸鹽巖分布廣、時(shí)代老、儲(chǔ)層埋藏深、溫度高，巖石致密化程度高，部分地區(qū)高含硫。儲(chǔ)集空間受多期成藏、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、巖溶疊加改造等作用的綜合影響，一般為由溶洞、裂縫和溶孔組成的復(fù)合型儲(chǔ)集空間，且儲(chǔ)集體的空間分布不均勻[1-4]。酸化壓裂是海相碳酸鹽巖儲(chǔ)層增儲(chǔ)、建產(chǎn)、上產(chǎn)的主要工程技術(shù)手段，但由于中國海相碳酸鹽巖油氣藏的上述儲(chǔ)層特點(diǎn)，其酸化壓裂增產(chǎn)改造面臨一系列技術(shù)難題。近年來，針對(duì)開發(fā)中面臨的技術(shù)難點(diǎn)開展技術(shù)攻關(guān)，為了獲得更長(zhǎng)的酸蝕裂縫和更高的裂縫導(dǎo)流能力，在延緩酸巖反應(yīng)速度、降低酸液濾失、實(shí)現(xiàn)非均勻刻蝕和均勻布酸的關(guān)鍵材料和技術(shù)方面取得了顯著進(jìn)展。

1 中國海相碳酸鹽巖儲(chǔ)層特征及酸化壓裂技術(shù)難點(diǎn)

中國典型海相碳酸鹽巖儲(chǔ)層主要參數(shù)[5-12]如表1所示。

表1 中國典型海相碳酸鹽巖儲(chǔ)層特征

1.1 儲(chǔ)層埋藏深，大多呈現(xiàn)高溫高壓等特征

海相碳酸鹽巖儲(chǔ)層埋深一般超過3 000 m，溫度為120～140 ℃，壓力普遍偏高。近年來新發(fā)現(xiàn)的部分儲(chǔ)層埋深甚至超過8 000 m(如塔深1井井深達(dá)8 408 m)，地層溫度超過170 ℃，地層壓力高于80 MPa，溶蝕孔洞縫異常發(fā)育。對(duì)該類儲(chǔ)層進(jìn)行酸化壓裂時(shí)，施工摩阻大，地面施工壓力高，注酸排量受限；地層溫度高加劇了酸液對(duì)管材的腐蝕，并可加快酸巖反應(yīng)速度進(jìn)而縮短酸液的有效作用距離。

1.2 天然氣中H2S和CO2含量高，腐蝕嚴(yán)重

四川盆地海相碳酸鹽巖氣藏中H2S、CO2含量高，如龍崗地區(qū)飛仙關(guān)組龍崗3、龍崗6井中的H2S含量為354.0～493.0、44.8～55.2 g/m3；川東北海相碳酸鹽巖氣藏飛仙關(guān)組H2S體積分?jǐn)?shù)為12.6%，CO2體積分?jǐn)?shù)為9.1%。酸性氣體的存在加劇了對(duì)管柱的腐蝕，易形成硫及其化合物(硫化亞鐵、硫化鐵)的沉淀。因此，要求酸液體系具有更好的緩蝕性能和穩(wěn)鐵能力。

1.3 基質(zhì)孔隙度和滲透率低，儲(chǔ)集空間具有顯著的非均質(zhì)性

中國海相油氣藏地質(zhì)時(shí)代偏老，多以元古代和古生代為主，儲(chǔ)層成巖后經(jīng)歷了多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，加上長(zhǎng)期風(fēng)化剝蝕淋濾作用，形成了多組斷層和裂縫，部分地區(qū)甚至形成了復(fù)雜的縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)，孔洞縫非常發(fā)育，且以不連續(xù)的發(fā)育帶形式分布，非均質(zhì)性嚴(yán)重。基質(zhì)孔隙度和滲透率低，天然微裂縫和溶蝕孔洞對(duì)產(chǎn)量貢獻(xiàn)大。海相碳酸鹽巖儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間一般為復(fù)合型儲(chǔ)集空間，由溶洞、裂縫和溶孔組成，且儲(chǔ)集體的空間分布具有很大的隨機(jī)性。此類儲(chǔ)層特征對(duì)酸化壓裂的影響主要為：裂縫發(fā)育規(guī)律及滲流機(jī)理復(fù)雜，表征困難；受裂縫及蚓孔效應(yīng)影響，酸化壓裂液濾失量大，難以有效造縫；濾失定量表征及預(yù)測(cè)復(fù)雜且困難；酸巖反應(yīng)速度快，反應(yīng)特征復(fù)雜，無有效的物理模擬手段。

1.4 油氣成藏規(guī)律和儲(chǔ)層巖性復(fù)雜

中國海相油氣藏多經(jīng)歷了多旋回發(fā)育和多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)(國外相對(duì)簡(jiǎn)單)，油氣成藏規(guī)律更加難以認(rèn)識(shí)和把握，不同成因的孔洞縫的連通性差異大?？v向上，儲(chǔ)層巖性分布復(fù)雜且變化大，天然裂縫與孔隙結(jié)構(gòu)的匹配關(guān)系不盡相同。因此，酸化壓裂改造工藝和酸液體系與各改造層段之間應(yīng)具有良好的匹配性和針對(duì)性，如對(duì)于白云化程度較高的儲(chǔ)層，需重點(diǎn)采用提高酸蝕裂縫導(dǎo)流能力的酸液體系和工藝技術(shù)。

1.5 水平井/大斜度井儲(chǔ)層改造難度大

為了提高開發(fā)效果，大量海相碳酸鹽巖儲(chǔ)層采用水平井/大斜度井進(jìn)行開發(fā)。致密碳酸鹽巖儲(chǔ)層有效滲流距離短，單條酸蝕裂縫控制儲(chǔ)層體積有限，最大程度地動(dòng)用整個(gè)儲(chǔ)層，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)井段致密儲(chǔ)層的體積酸化壓裂改造是目前面臨的挑戰(zhàn)。水平井分段改造工具是決定酸化壓裂施工成功率及酸化壓裂增產(chǎn)效果的關(guān)鍵，中國目前各種工具的性能難以很好地滿足復(fù)雜地層條件下大排量、大液量、高泵壓、多段改造的要求。

2 酸化壓裂改造關(guān)鍵技術(shù)

碳酸鹽巖儲(chǔ)層一般采用酸化壓裂技術(shù)進(jìn)行改造，提高酸化壓裂效果的關(guān)鍵在于獲得更長(zhǎng)的酸蝕裂縫和更高的裂縫導(dǎo)流能力。其主要技術(shù)思路為：采用高效緩速酸及配套材料延緩酸巖反應(yīng)速度，降低酸液濾失，增大酸液有效作用距離；優(yōu)化酸化壓裂工藝，實(shí)現(xiàn)酸液的均勻分布以及對(duì)地層的非均勻刻蝕，提高酸蝕裂縫導(dǎo)流能力；采用清潔、低傷害環(huán)保材料降低酸化壓裂對(duì)地層的傷害。

2.1 高溫深井提高酸液有效作用距離的酸液體系

對(duì)于高溫地層，利用緩速酸降低高溫對(duì)酸巖反應(yīng)速度的影響，增大有效作用距離是關(guān)鍵。目前多采用以鹽酸為主的緩速酸達(dá)到增加酸蝕縫長(zhǎng)的目的，其緩速機(jī)理主要包括：①控制酸巖反應(yīng)平衡實(shí)現(xiàn)緩速——如鋁鹽緩速酸體系；②控制H+的傳質(zhì)系數(shù)實(shí)現(xiàn)緩速——如向酸液中加入性能優(yōu)良的稠化劑或膠凝劑形成膠凝酸、交聯(lián)酸；③控制H+的離解速度實(shí)現(xiàn)緩速——如高溫延遲酸；④在巖石表面與酸液之間制造阻擋層實(shí)現(xiàn)緩速——如表面活性劑酸；⑤應(yīng)用酸包裹技術(shù)實(shí)現(xiàn)緩速——如泡沫酸、乳化酸、膠束酸、固體酸等。除此之外，近些年來清潔、綠色、友好型酸液體系也成為高溫碳酸鹽巖儲(chǔ)層酸液體系發(fā)展的新動(dòng)向。

2.1.1 清潔自轉(zhuǎn)向酸體系

清潔自轉(zhuǎn)向酸是近些年發(fā)展起來的一種非均質(zhì)地層酸化處理液體系，該體系采用特殊的黏彈性表面活性劑，利用酸巖反應(yīng)產(chǎn)物的物理化學(xué)作用達(dá)到控制酸液體系黏度的目的。酸液黏度變化主要依賴于表面活性劑形態(tài)的變化，初始為單體形式，鮮酸黏度較低；隨著酸巖反應(yīng)的進(jìn)行，pH值升高并生成Ca2+、Mg2+等陽離子，酸液中黏彈性表面活性劑從單體形式轉(zhuǎn)變?yōu)闂U狀膠束形式，形成黏彈體，增加液體的黏度，有效地將未反應(yīng)酸液轉(zhuǎn)向分流到其他縫洞和地層中；酸化后，產(chǎn)出的油氣與桿狀膠束形式的黏彈性表面活性劑接觸，使得桿狀膠束轉(zhuǎn)變成球形膠束，從而使得酸液的黏度明顯下降，殘酸能夠順利徹底返排。

2.1.2 友好酸體系

該體系的關(guān)鍵組分是從天然氨基酸-L-谷氨酸中提取制備而成的，具備優(yōu)異的螯合、吸附及自降解能力，對(duì)于碳酸鹽巖儲(chǔ)層酸化具有顯著特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：①能在碳酸鹽巖中有效地產(chǎn)生酸蝕蚓孔；②在不同pH值下均能有效螯合鈣鹽和鎂鹽，降低高價(jià)金屬離子沉淀風(fēng)險(xiǎn)；③熱穩(wěn)定性好，在175 ℃溫度下仍具有較好的穩(wěn)定性；④表現(xiàn)出比其他螯合劑更強(qiáng)的提高巖心滲透率的能力；⑤酸巖反應(yīng)具有定向性，且有效作用距離遠(yuǎn)；⑥腐蝕性低，相較其他螯合劑和有機(jī)酸有著更低的腐蝕速率，僅需加入極少量緩蝕劑便能滿足現(xiàn)場(chǎng)緩蝕要求；⑦友好酸是一種環(huán)境友好型酸液體系，具有很好的生物降解性且沒有毒性，對(duì)環(huán)境更友善。

2.2 高閉合應(yīng)力儲(chǔ)層提高酸蝕裂縫導(dǎo)流能力措施

為了確保高閉合應(yīng)力條件下仍能保持較高的酸蝕裂縫導(dǎo)流能力，國內(nèi)外專家學(xué)者提出了前置液酸化壓裂及多級(jí)交替注入酸化壓裂工藝[13-14]。前置液酸化壓裂時(shí)，前置液與酸液具有黏度差異，利用注液過程中的黏性指進(jìn)現(xiàn)象可實(shí)現(xiàn)非均勻刻蝕。此外，采用具有不同黏度和反應(yīng)性的酸液體系交替注入也可實(shí)現(xiàn)非均勻刻蝕，既可減少由于前置液的引入對(duì)地層造成的傷害，也可避免由于前置液與酸液的不配伍造成酸液體系的浪費(fèi)。

2.3 縫洞型儲(chǔ)層酸化降濾失措施

由于天然縫洞的存在及酸蝕蚓孔的形成，酸液濾失量加大，限制了酸蝕縫長(zhǎng)。優(yōu)選降濾失措施是提高酸化壓裂效果的關(guān)鍵。目前常用的酸化壓裂降濾失措施包括以下幾種。

2.3.1 液體稠化降濾失技術(shù)

主要采用高黏酸(如膠凝酸、交聯(lián)酸、轉(zhuǎn)向酸等)降低濾失。一方面，酸液黏度較高，阻礙酸液在天然裂縫及溶蝕孔道中的流動(dòng)，從而降低酸液的濾失；另一方面，增加酸液黏度有助于降低酸巖反應(yīng)速度，延緩酸蝕蚓孔的生長(zhǎng)發(fā)育，進(jìn)而降低酸液通過酸蝕蚓孔的濾失。

2.3.2 固相顆粒降濾失技術(shù)

固相顆粒降濾失技術(shù)即采用酸化工作液攜帶固相顆粒(粉陶、可解除化學(xué)微粒及固體酸)封堵和填充縫洞，從而阻止酸液進(jìn)入縫洞中，同時(shí)利用固相顆粒與裂縫壁面的不均勻接觸，實(shí)現(xiàn)對(duì)裂縫壁面的差異化刻蝕，提高酸蝕裂縫的導(dǎo)流能力。注酸結(jié)束后，大部分固相顆粒被解除或隨工作液返排出地層。

2.3.3 可降解纖維與轉(zhuǎn)向酸協(xié)同降濾失技術(shù)

固體降濾失劑廣泛應(yīng)用于碳酸鹽巖儲(chǔ)層的酸化壓裂降濾失施工中。Schlumberge和Aramco公司提出了針對(duì)天然裂縫儲(chǔ)層酸化壓裂降濾失及轉(zhuǎn)向的纖維增強(qiáng)體系[15]。纖維作為一種特殊的材料，具有封堵能力強(qiáng)、受溫度控制、降解后呈弱酸性、對(duì)地層傷害小等特點(diǎn)，對(duì)深層高溫高壓縫洞型碳酸鹽巖油氣層的增產(chǎn)改造是一種十分理想的材料?？山到饫w維與轉(zhuǎn)向酸協(xié)同降濾技術(shù)即由轉(zhuǎn)向酸攜帶可降解纖維注入地層，可降解纖維的架橋作用可實(shí)現(xiàn)物理暫堵降濾失，轉(zhuǎn)向酸的黏度變化可實(shí)現(xiàn)化學(xué)暫堵降濾失，從而實(shí)現(xiàn)協(xié)同降濾失效果。該降濾失技術(shù)在龍王廟氣藏和塔里木縫洞型碳酸鹽巖儲(chǔ)層酸化壓裂改造中進(jìn)行了先導(dǎo)性試驗(yàn)，并獲得了較好的改造效果。

2.3.4 泡沫酸/泡沫段塞降濾失技術(shù)

液體稠化及固相顆粒均有較好的降濾失效果，但也不可避免會(huì)對(duì)地層造成一定的傷害。泡沫酸作為一種特殊的流體，具有很好的降濾失作用，根據(jù)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，泡沫酸在低滲透油層的濾失系數(shù)比常規(guī)酸液低2個(gè)數(shù)量級(jí)[16]。與常規(guī)酸液相比，泡沫酸具有黏度高、濾失低、摩阻低、緩速好、造縫能力強(qiáng)、易返排、傷害小等特點(diǎn)，對(duì)低壓低滲碳酸鹽巖油氣層的增產(chǎn)改造是一種十分理想的酸液體系。

2.4 復(fù)雜地層流體應(yīng)對(duì)技術(shù)

2.4.1 高含H2S、CO2酸性氣體儲(chǔ)層

高含H2S、CO2的海相碳酸鹽巖油氣藏面臨的主要問題是酸性氣體對(duì)管柱的腐蝕以及鐵和硫的沉淀問題。通過控制游離鐵離子濃度，打破鐵離子的溶解平衡降低鐵沉積傷害；采用H2S吸收劑來弱化H2S的反應(yīng)活性，達(dá)到控制硫沉淀的目的。對(duì)該類油氣藏實(shí)施酸化處理時(shí)，還需在酸液中加入高性能緩蝕劑來減小腐蝕。

2.4.2 凝析氣藏

凝析氣藏與一般常規(guī)氣藏相比，具有異常高溫高壓的特點(diǎn)，在凝析氣藏碳組分中，90%以上的是輕質(zhì)組分Cl—C3，且具有一定數(shù)量的液態(tài)烴。對(duì)該類氣藏實(shí)施酸化作業(yè)，面臨的一個(gè)重要問題是酸化過程中可能產(chǎn)生水鎖和反凝析傷害。通過在酸液中加入易揮發(fā)的極性物質(zhì)——無水乙醇和互溶劑(乙二醇單丁醚)，可降低酸液的表面張力，從而解除水鎖和促進(jìn)返排。

2.4.3 稠油油藏

稠油油藏酸化時(shí)，稠油中的膠質(zhì)、瀝青質(zhì)等重質(zhì)組分遇酸易形成酸渣，導(dǎo)致注酸困難。對(duì)于該類油藏可實(shí)施自生熱酸化技術(shù)，酸液和生熱劑體系在地層中混合后會(huì)產(chǎn)生熱量和氣體(在地面和井筒中兩者不接觸，不會(huì)產(chǎn)生熱量和氣體)，在酸、熱量及氣體協(xié)同作用下，解除有機(jī)質(zhì)傷害，有利于酸液與地層巖石反應(yīng)形成酸蝕蚓孔，提高酸化效果。

2.5 水平井分段改造措施

水平井酸化壓裂往往沿用直井改造技術(shù)進(jìn)行籠統(tǒng)酸化壓裂、水平井連續(xù)油管定點(diǎn)酸化或局部酸化壓裂。對(duì)于碳酸鹽巖油氣藏，由于天然裂縫或溶蝕孔洞的存在，可能造成酸液的大量漏失，上述技術(shù)難以獲得令人滿意的增產(chǎn)效果。近年來，隨著分段完井工具和噴射工具研制的突破，水平井分段改造技術(shù)得到了迅速的發(fā)展[17-20]，總體來說可分為限流改造、機(jī)械封隔、連續(xù)油管、水力噴射以及化學(xué)隔離等5類分段改造技術(shù)(表2)?？傮w來講，水平井限流改造分段段數(shù)少，可靠性差，近年來較少使用；機(jī)械封隔分段酸化壓裂為目前水平井分段酸化壓裂的主流技術(shù)，但中國在分段工具性能、分段級(jí)數(shù)及施工穩(wěn)定性方面與國外仍存在差距；連續(xù)油管酸化技術(shù)受排量及深度影響，一般主要用于水平井的基質(zhì)酸化；水力噴射分段酸化壓裂技術(shù)無需射孔，可對(duì)任意井段實(shí)施作業(yè)，同時(shí)對(duì)裂縫條數(shù)沒有限制，不需下機(jī)械隔離工具，但施工規(guī)模受到一定限制，噴嘴節(jié)流作用明顯，使得深井壓裂受限；化學(xué)隔離酸化壓裂主要工藝為液體膠塞分段壓裂，其作用周期長(zhǎng)，沖膠塞施工過程中易造成地層傷害，不適用于低滲致密氣藏。

表2 水平井分段酸化壓裂改造技術(shù)

3 理論研究及工藝技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

近年來，中國海相碳酸鹽巖儲(chǔ)層改造工藝技術(shù)得到了迅速發(fā)展，以塔里木盆地、四川盆地、鄂爾多斯盆地和渤海灣潛山為代表的海相碳酸鹽巖油氣田在儲(chǔ)層識(shí)別與預(yù)測(cè)、壓裂酸化增產(chǎn)機(jī)理、工作液體系、井下作業(yè)工具、酸化壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)、壓裂后效果評(píng)估與診斷等方面均形成了較為完備的技術(shù)體系。但由于中國海相碳酸鹽巖儲(chǔ)層的復(fù)雜性和特殊性，隨著海相油氣勘探開發(fā)的不斷深入，高溫/超高溫儲(chǔ)層、深層/超深層儲(chǔ)層、復(fù)雜流體儲(chǔ)層、異常高破裂壓力儲(chǔ)層，水平井/大位移井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井壓裂酸化改造技術(shù)難度越來越大，也提出了更多需要攻克的理論和技術(shù)難題：①碳酸鹽巖儲(chǔ)層天然縫洞系統(tǒng)的識(shí)別技術(shù)方面，需要利用錄井、試井、成像測(cè)井、壓降分析等多種技術(shù)手段，將靜態(tài)資料與動(dòng)態(tài)資料結(jié)合、宏觀分析與微觀解釋相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)天然縫洞的精確描述；②隨著勘探開發(fā)向更深層儲(chǔ)層發(fā)展，超高溫地層酸化壓裂對(duì)酸液體系提出更大挑戰(zhàn)，目前耐高溫體系難以滿足180℃以上地層溫度條件，需研制新型抗特高溫、高剪切、低腐蝕酸液體系；③對(duì)于超深井(深度大于8 000 m)、異常高破裂壓力儲(chǔ)層，目前的酸液體系在加重、降阻和緩蝕等方面難以同時(shí)滿足施工要求，需要研制新型的高密度、低腐蝕、低摩阻酸液體系；④對(duì)裂縫、溶洞型儲(chǔ)層酸化壓裂裂縫起裂機(jī)理及延伸規(guī)律的研究，目前的理論難以實(shí)現(xiàn)天然縫洞與人工裂縫的動(dòng)態(tài)耦合，可引入分形理論反演模擬天然裂縫網(wǎng)絡(luò)，考慮線彈性、彈性裂縫變形和地應(yīng)力場(chǎng)，構(gòu)建節(jié)理、斷層條件下的裂縫剪切擴(kuò)展理論；⑤高溫、高壓、高腐蝕性介質(zhì)中的滿足大排量、大液量、高泵注壓力施工的相關(guān)設(shè)備和井下作業(yè)工具受到國外技術(shù)的限制，今后需要在耐高溫高壓分段壓裂井下封隔工具、特大型壓裂輸砂設(shè)備、井底壓力及溫度的無線實(shí)時(shí)傳輸設(shè)備、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)或?qū)崟r(shí)視頻遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)、海上壓裂船等方面加大研究力度。上述幾點(diǎn)是目前海相碳酸鹽巖儲(chǔ)層改造亟待解決的重大技術(shù)難題，需要廣大壓裂酸化工作者付出更多的努力來實(shí)現(xiàn)理論創(chuàng)新與技術(shù)突破。

4 結(jié) 論

(1) 中國海相碳酸鹽巖儲(chǔ)層具有埋藏深、溫度高、高含硫、孔縫洞發(fā)育不均勻等特點(diǎn)，酸化壓裂是該類油藏增產(chǎn)的主要技術(shù)手段，但面臨一系列技術(shù)難題。

(2) 延緩酸巖反應(yīng)速度、降低酸液濾失、增強(qiáng)非均勻刻蝕、針對(duì)性定點(diǎn)布酸、降低作業(yè)過程中儲(chǔ)層傷害是提高酸化壓裂改造效果的關(guān)鍵。

(3) 海相碳酸鹽巖儲(chǔ)層的酸化壓裂改造將集中在天然縫洞系統(tǒng)的識(shí)別，超高溫地層新型抗高溫、高剪切、低腐蝕酸液體系的研制，考慮天然縫洞干擾的酸化壓裂裂縫起裂機(jī)理及延伸規(guī)律研究，水平井分段改造裂縫參數(shù)優(yōu)化，滿足復(fù)雜地層條件和工藝要求的井下作用工具等方面。