油气井酸化技术综述

油气井酸化技术综述

曾业名1,刘俊邦2

(1.大庆油田采油七厂地质大队,大庆　163517;2.长庆局采油二处特修公司,庆城　74100)

摘　要　酸化是油井增产的一项重要措施,在油田得到了广泛的应用。本文综述了酸化的发展、历史、酸的处理方法、酸的类型及其化学反应,并结合油田目前常用的酸处理方法,详细介绍了压裂酸化原理及影响压裂酸化效果的主要因素。

关键词　油气井;酸化;增产措施;压裂酸化

1　酸化的发展历史

油气井的增产处理工艺中,酸化很早就开始使用了。诸如水力压裂等其他技术只有几十年的历史,而酸化作为一种油气井增产措施始于上世纪。

1.1　第一次酸化作业

第一次酸处理作业始于1895年,赫曼.佛拉施(Herm an Fr asch),当时俄亥俄州利马市标准石油公司太阳炼油厂的总化学师,采用盐酸进行了酸化作业处理,并获得了这项技术的发明专利。佛拉施的专利采用盐酸与石灰岩反应产生可溶性生成物——二氧化碳及氯化钙,它们可随井中油气排出地层。佛拉施的酸化工艺含有许多现代技术要素。当时一些实验井酸处理后,井泵抽达40天左右。油产量增加了300%,气产量增加了400%。继续采油期间,增产幅度一直保持稳定。此后两三年内,这项新技术得到多次应用,但由于某种原因,后来的三十年中其应用逐渐减少,这方面的历史记载亦无据可考。

1.2　早期的除垢处理

盐酸在油井处理中的另一重要应用是由海湾石油公司的一家分公司——吉普西石油公司在俄克拉荷马州进行的。当时吉普西公司面临的问题是,一些砂岩层油井的油管及设备发生钙质积垢。为了寻求除垢的有效方法,吉普西公司采用盐酸作除垢剂并获得了成功。

1.3　酸化新时代的开端

所谓酸化新时代是以1932年普尔石油公司与道化学公司之间的磋商为起点的。当时普尔公司在密执安拥有石油产权,并制定了该地区的有效开发方案。道公司物理研究实验室的负责人约翰.葛利伯(John Grebe)提出并赞同道公司用酸处理本公司一口井。实验井选定后,1932年2月,在该井中了进行酸化处理,这大概是缓蚀酸在石灰岩层的首次应用。处理前不出油的这口井后来产量达16桶/日。随后对其他井亦做了酸处理。

1.4　酸化作业公司的形成

酸化的技术经济影响迅速扩大,提供酸化服务的公司纷纷成立。道公司于1932年11月19日新成立一个专门经营这项业务的分公司,命名为道威尔公司。随后出现了一批专业公司。

1.5　早期砂岩酸化历史

盐酸与氢氟酸混合液的首次工业性应用是由道威尔公司于1940年着手进行的。当时所研制的这类产品称为土酸,其用途是溶解旋转钻井过程中以滤饼形式出现的钻井泥浆沉积物。第一次现场应用是在海湾沿岸进行的,这次成功使这项技术收到了更广泛的注意及应用。这种处理方法后经改进一直沿用至今。2　酸处理方法

由于酸能够溶解地层矿物及钻井或修井作业时漏入地层的泥浆等外来物质,所以被用于油气井增产措施。溶解上述物质所获得的增产程度取决于许多因素,其中包括选用的酸处理工艺。常用的酸化工艺可粗分为三大类:酸洗、基质酸化及压裂酸化。

2.1　酸洗

酸洗是一种清除井筒中的酸溶性结垢或疏通射孔孔眼的工艺。它是将少量酸定点注入预定井段,在无外力搅拌的情况下与结垢物或地层起作用。另外,也可通过正反循环使酸不断沿井眼或地层壁面流动。以此增大活性酸到井壁面的传递速度,加速溶解过程。

2.2　基质酸化

基质酸化是在低于岩石破裂压力下将酸注入地层孔隙(晶间,孔穴或裂缝)。基质酸化的目的是使酸大体沿径向渗入地层。一般是通过扩大孔隙空间,溶解空间内的颗粒堵塞物,以消除井筒附近地层渗透率降低的不良影响(污染),从而获得增产效果。由于页岩的易碎,或者为了保持天然液流边界以减少或防止水、气采出,而不能冒险进行压裂酸化时,一般最有效的增产措施就是基质酸化。成功的基质酸化作业往往能够在不增大水、气采出量的情况下提高产油量。2.3　压裂酸化

压裂酸化是用酸液作为压裂液实施不加支撑剂的一种工艺。如果处理后高导流的通道仍旧张开,则可达增产目的。通道是由酸对裂缝酸溶性壁面的酸蚀作用而形成的。施工后压力消失、裂缝闭合时,裂缝的溶蚀壁面若不粘合,裂缝便具有很高的导流能力。压裂酸化形成的传导性人工裂缝长度取决于酸反映速度与酸从裂缝到地层滤失速度的综合效果。传导性裂缝的长度是决定增产效果的一个要素。

2.4　其他应用

除上述应用外,酸还具有下列用途:

(1)用作压裂前置液,溶解射孔过程中形成的细粉粒,使压裂液能进入所有射孔孔眼。

(2)当乳化液对pH值下降很敏感,或因酸溶性细粉粒促使乳化稳定时,可用作破乳剂。

(3)压裂处理用的酸敏性胶质在施工后尚不破胶时,可用来破胶。

(4)用作水泥挤注前的预洗液。

3　酸的类型及其化学反应

目前常用的酸可分为无机酸,稀释有机酸,粉状有机酸,多组分(或混合)酸或缓速酸等类型。每类酸的常用品种如下:

(1)无机酸:盐酸,盐酸-氢氟酸(即土酸)

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(2)有机酸:甲酸,乙酸

(3)粉状酸:氨基磺酸,氯醋酸

(4)多组分酸:乙酸-盐酸混合酸,甲酸-盐酸混合酸,甲酸-氢氟酸

(5)缓速酸:稠化酸,化学缓速酸,乳化酸

4　压裂酸化原理

压裂酸化是石灰岩或白云岩层增产措施中应用最广的酸处理工艺。压裂酸化施工中,先以高于油藏基质允许限度的速度将前置液注入地层。这种快速挤注使井筒压力提高,直至克服地层压缩应力及岩石的抗张强度为止。在此压力下,岩石达到屈服点,开始形成裂缝。继续挤注使裂缝延伸和张开。然后将酸注入裂缝与岩石作用,在地层中形成纵深通道,油井恢复生产后裂缝仍能保持一定的开度。

无论是在近井污染带内形成通道,或改变储层中的流型都可获得增产效果。小酸量处理可消除井筒污染,排除井筒周围低渗透区的流阻,使油井恢复原来产量。压裂酸化处理获得的增产率受酸蚀造缝的两个参数控制:裂缝的长度以及裂缝的导流能力与地层渗透率之比。

4.1　裂缝的形状

在压裂酸化处理中,酸或酸的前置液以高于储层所能承受的排量从套管或油管中注入。使之在井筒中迅速建立压力,直至超过地层的压缩应力及岩石的抗张强度为止。在该压力下地层被屈服,开始形成裂缝。连续注液则使裂缝延伸。

裂缝沿造缝做功量最小的方向延伸。由于上覆地层的重力及构造运动产生的作用力影响,地下岩石承受多种压缩应力,故裂缝的延伸方向与最小主应力的轴向垂直。一般情况下,垂向应力一般大于水平应力,所以裂缝沿垂向延伸。但在浅井中,有时水平应力会大于垂直应力,裂缝也可能沿水平方向延伸。

4.2　酸的穿透距离

酸化时酸沿裂缝的穿入距离(即酸的穿透距离)是决定处理成败的变量之一。这个距离受酸的滤失特性,酸与地层岩石反应速度,酸沿裂缝的流速等因素控制。大多数碳酸盐岩的总反应速度主要受酸至裂缝壁面的传递速度控制。酸至裂缝壁面的传递速度又受控于算到达壁面所需移动的距离(即裂缝宽度),因地层滤失作用引起的酸向壁面的流速及裂缝中可能发生的混流现象等因素。

(1)酸滤失速度的影响

酸进入裂缝时与裂缝面反应,并破坏前置液中降滤失剂形成的滤饼。一旦出现这种情况,裂缝形状便主要受控于滤失特性。酸注入由粘性前置液形成的裂缝后所引起的裂缝形状变化难以精确预计出。但可以肯定,如果酸中不加入有效的降滤失剂,开始注酸后的滤失速度将超过单独挤注前置液的滤失速度,最后由于滤失速度的增加,裂缝可能开始闭合。

(2)裂缝宽度的影响

裂缝变宽往往会加大活酸沿裂缝的穿入距离(酸的穿透距离)。

(3)注酸速度的影响

改变注酸的速度将会影响压裂酸化的处理效果。酸的穿透距离往往随酸在裂缝中的流速加快而增长。

(4)温度的影响

由于酸与裂缝壁面上灰岩的反应速度很快,所以反应受到传质速度的限制,酸穿透距离基本上与温度无关。如果地层与酸的作用缓慢,酸液的穿透距离受温度的影响就较大。

(5)地层类型的影响

a.酸与白云岩比与石灰岩反应更为缓慢。

b.地层很少为纯石灰岩或纯白云岩。如果两种成分混合存在,则酸穿透距离计算值将介于两者之间。

c.如果碳酸盐岩层中含有砂质或与盐酸不起作用的其他成分时,应做岩芯实验,测出其有效表面动力参数。

d.盐酸对砂岩、燧石或其他硅质矿物基本没有什么作用。除非与碳酸盐岩成交互层,否则对这些地层进行压裂酸化一般收效甚微。

4.3　裂缝的导流能力

为了获得更好的效果,酸与裂缝壁面反应后必须形成施工后仍能张开的通道。由于酸与岩石表面反应不均匀,或与地层中分布不均匀的矿物发生选择性反应,结果便形成流道。裂缝的导流能力受岩石溶蚀量、岩石强度及闭合压力等因素的影响。

5　结论及认识

酸化技术是油气井增产的一项重要技术,对高效开采油田起到了积极的作用。压裂酸化技术近年来有了很大的发展,无论是理论研究还是现场应用,都逐步走向成熟,在国内油田的应用也越来越广泛。

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第一作者:曾业名,助理工程师,现在大庆油田工作,大庆采油七厂地质大队。地址:黑龙江省大庆市,邮编:163517

收稿日期:2005年4月12日

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　2005年第6期 曾业名等　油气井酸化技术综述