油层物理性质与酸化改造工艺的配伍性研究.pdf

收稿日期 2000 12 21 第一作者简介 张守鹏 男 高级工程师 1963年生 1986年毕业于华东石油学院 现在胜利油田有限公司地质科学研究院任地层室主任 中国地质大学 北京 在读博士 通讯地址 山东省东营市胜利地质研究院地层室 邮编 257015 油层物理性质与酸化改造工艺的配伍性研究 张守鹏1 朱庆忠2 董国臣1 孙景民1 王喜臣1 韩会玲2 1 1 中国地质大学 北京 2 1 华北油田采油四厂 摘 要 对油气田进行酸化改造的酸配方是否合理 是决定被改造油层能否增产的关键所在 结合油 层物理性质进行酸配方的研制 打破了油田常规经验型作业模式 大大提高了酸化改造油层的成功率 并在许 多井层的酸化改造实践中得到验证 取得了可观的经济效益 储层骨架结构的维护 酸溶过程中孔隙度与渗 透率的合理匹配 地层压差的控制 储层敏感性的预防以及地层流体矿化度与外来入井液的配伍性是研制科 学酸配方的基本依据 关键词 油层 物理性质 酸化 改造工艺 配伍性 中图分类号 TE35712 文献标识码 A 文章编号 1008 2336 2001 03 0030 05 1 引言 为了提高试采井的原油日产量 单井油气层 酸化改造工艺是油区内提高产能的惯用方法 根 据国内几个大型油田试油资料的统计 约有46 见油气显示的探井和52 的开发井进行过酸化 改造 然而 经过酸化改造的井只有50 施工后 提高了原产能 接近一半的施工井酸化没有获得 任何效果 针对大量的无效酸化作业井 长期以来 以研 制一种高效的 适合于各种油藏类型的酸配方的 工作从未间断 包括国外 主要研制粘土充填型砂 岩的酸化问题 亦是如此 纵观各类资料 到目前 为止 该类酸配方已有近300余种在地下得到了 实质性的应用 大多数以有机复合酸类为主 且往 往兼顾有解决各类问题的作用 有些配方在个别 油井的单层改造中的确取得了一定的应用效果 如80年代曾一度被广为应用的有机聚合物防膨 剂 粘土稳定剂系列和氟硼酸 有机土酸等 同时 传统的油田酸化作业用酸 如土酸 盐酸 氢氟酸 等渐渐被认为具有较低的应用价值 但最终各油 区的统计资料表明 总体酸化成功率并没有实质 性的提高 然而 自1993年以来 一种新的思路在胜利 油区首次尝试 以传统酸配方进行的一系列改造 措施获得了重大突破 酸化成功率达到了100 由此在胜利全区范围内建立了包括地质研究 钻 前设计 采油工艺为一体的油层保护系统工程 这种思路的出发点并不是从研制酸配方入手 而 是从研究油层特性入手 使酸化工艺设计与储层 物理性质达到较好的配伍性 所谓配伍性是指以 提高油层渗透率为目的 使酸化过程与酸化用液 基本与储层物理性质相适宜 由此进行的各类实 验 如浸渍试验 敏感性试验等 称作配伍性实验 本文根据近年油层改造工作经验 对这一技术的 基本原理进行简要阐述 2 储层岩石骨架的维护 对于砂岩类型的储层岩石 其骨架是由性质 不同 形状各异 大小不等的砂粒经胶结而成 颗 粒的大小 形状 排列方式 胶结物的成分 数量 性质以及胶结方式必将影响到储层的性质 1 对于颗粒碳酸盐岩的储层类型而言 其骨架多是 由成因不一 大小不均 有时相互叠置的盆内碎屑 03 海 洋 石 油 总第109期 经后期重结晶亮晶碳酸盐物质胶结而成 组成颗 粒的成分非均质性 颗粒接触关系 胶结物的性质 及分布是影响储层储集性的主要因素 岩石骨架的概念主要强调岩体内部矿物成 分 尤其是颗粒矿物成分以及与填充成分所搭配 的特有结构框架 为岩体内流体提供活动场所的 渗流空间 具体反映在孔隙度 渗透率两个参数 值 主要由岩体结构骨架来维持 骨架颗粒与填 隙物之间有着各种各样的接触关系 而这也是影 响酸化设计方案的关键之所在 按照原石油部颁 发的岩石矿物鉴定行业标准的描述 砂岩骨架颗 粒与填隙物之间存在基底式 接触式 压嵌式等多 种类型的胶结方式 针对每一种胶结方式的酸化 工艺 尤其是酸配方 用酸量及浓度 作用时间等 差异性很大 但最终目的都是试图将储层内的填 充成分溶解 扩大储层内部渗流空间范围 并有效 维护储层岩石中由颗粒组成的框架结构 但获取遵从这一设计思路的有效酸化途径有 时是非常困难的 因为骨架颗粒的成分往往与填 隙物的成分一致 酸溶过程中很难避免酸液只溶 解填隙物而不溶解骨架 致使储层骨架坍塌而形 成严重出砂的事例时有发生 因此 在用酸策略 上应讲求科学性 维护储层框架结构的基本思路 是 在通过试验确认酸化液对储层成分具有溶解 作用的同时 严格控制用酸浓度或作用时间 使酸 液恰好能将填隙物溶解 而不足以溶解骨架 譬 如 胜利桩西油区Z120区块沙二段颗粒碳酸盐 岩储油层 自1992至1993年期间 先后用8 18 浓度调配的盐酸和土酸 浓缩磷酸等酸化 20 余口井只有3口求得少量油流 基本没有解决该 区块的开发生产问题 通过对储层岩石物理性质 的分析 发现上述施工设计方案中的酸配方 包括 用量及浓度 均能造成储层岩石结构的坍塌 从而 阻止了原油的顺利采出 造成坍塌的原因是由于 储层颗粒具有三环结构 即形成颗粒骨架的鲕粒 是由砂质 隐晶纤维状白云石和亮晶马牙状方解 石分别组成其核部 鲕圈及壳壁 由于没有考虑 酸溶程度的问题 酸化的结果造成了三环结构全 部溶蚀彻底 骨架自然坍塌 针对这一问题研制 的2 盐酸快速处理地层 并在候凝30分钟时返 排的作业方案 能够有效溶解亮晶附着成分 阻止 骨架的溶蚀坍塌 1993年10月再一次在桩西 120区块实验后 20余口井相继全部改造成功 最 高单井日产量26t d 最低单井日产量9t d 平 均13t d 同样是盐酸处理地层 且用酸量 浓度 及相应的成本均大大降低 却得到不同的效果 这就是这一研究思路的基本点 由于各种岩类的骨架支撑类型很多 酸化配 方及施工程序设计时应在掌握此基本点的基础上 分门别类 各个击破 目前 就世界范围内的研究 现状分析 酸化工艺中最大的难题是复合粘土充 填型砂岩的酸溶问题 因为有效溶解粘土的氢氟 酸进入地层时 填充成分尚未溶解完全 骨架颗粒 先于粘土微粒被溶蚀 易先坍塌 4 现提供一种 已取得很好应用效果的思路 供参考 充分利用岩 石的比面特性 使用一种对硅酸岩类矿物溶蚀速 度相对较缓的所谓低伤害酸 可利用氢氟酸作基 液 当其注入储层后 尽管其对颗粒的溶蚀速度 快于粘土微粒 但酸液占据的比面却集中在粘土 微粒上 因为粘土矿物具有非常大的比面 这样 在一定溶蚀时间范围内 粘土的总溶蚀量多于形 成骨架的颗粒 在充分预测骨架尚未造成坍塌而 填隙物已得到有效溶解时 及时返排 及时投产 胜利史南和樊家两油田运用此方法获得了好效 果 3 酸溶过程中的储层孔隙度与渗透 率 根据储层的孔隙度和渗透率可以将储层划分 为多种类型 通常而言 高孔隙高渗透性的储层是 储集性最好的油层 有时 储层具有高孔隙度 渗 透性却很差 即所谓高孔低渗储层 有时 储层孔隙 度相对较低 而渗透性却很好 即所谓低孔高渗储 层 但大多数情况下 储层孔隙度与渗透率两参数 值呈现相辅相成的关系 因此 酸化方案设计时 要充分考虑到此二参数值的关系 实际上 油层改 造的最终目的是改善储层的渗透性 而不是提高储 层的孔隙度 相反 盲目追求提高储层孔隙度反而 会增加储层的伤害程度 这主要体现为两类副效应 酸溶副产物的喉堵和骨架的坍塌 5 通常而言 对于具有不同孔隙度 渗透率对应 关系的储层 酸化后的结果是不一样的 通过近 几年改造井的成功经验归纳 理想的酸化效果应 该是下图所示的曲线规律 图 1 13 2001年 第3期 张守鹏等 油层物理性质与酸化改造工艺的配伍性研究 图1 不同孔隙度 渗透率对应关系的储层酸化前后曲线对比图 Fig 1 The curve contrast picture of different porosity and permeability in previous acidification or after operating 4 地层压力与酸压工艺 地层压力的大小直接影响着酸化工艺的效 果 主要原因是 如果酸化工艺所设计的挤酸 压力小于地层原始压力 施工过程中酸处理液不 能有效浸入储层 仅在井壁附近向四周很浅范围 23 海 洋 石 油 总第109期 内溶浸 则溶蚀填隙物 扩大渗流通道的酸化目的 不易实现 如果酸化工艺所设计的挤酸压力远 远大于地层压力 施工时酸液被很快挤入储层深 部 远离井筒部位 酸液浓度被强烈稀释 远近泄 油范围内的储层填隙成份溶蚀量甚微 酸化效果 仍然不佳 如果酸化过程中的挤酸压力与地层 压力基本相当 或前者略大于后者 则能保持对储 层的酸处理过程中 酸液缓慢挤入地层 并有足够 的溶浸时间与地层中填隙成份发生化学反应 达 到酸化的目的 油气层改造生产实践中 由于对 地层压力认识不足或忽略了地层压力对酸化工艺 的影响导致作业失败的例子很多 胜利滨338井 沙四段碳酸盐质砂岩储层酸化施工作业时 地层 压力为48 MPa 设计挤酸压力30MPa 酸化后候 凝6小时无效果 利用盐酸作为主要基配液的酸 配方与地层特性是配伍的 失败的原因是设计注 液压力没有与地层的压力相匹配 酸化过程中酸 液仅在井壁附近的表皮对骨架颗粒和填隙成份进 行溶蚀 没能充分扩展到储层深部溶解填充成份 泄油范围得不到有效扩大 因此酸化效果不明显 另一成功例证显示 尽管对同一井层使用同一类 酸配方酸化 但地层压力与施注压力匹配的合理 性与否 是取得成功的关键所在 胜海古2井首 次酸化使用了10 盐酸 但挤注压力却明显小于 地层预测压力值 二次酸化仍使用了同类酸配方 但采用了挤注压力明显高于地层压力的酸压工 艺 有效候凝3小时返排 取得了日增产液量478 t的效果 年创效益九千多万元 5 储层敏感性与酸配方 储层的敏感性多是由岩石结构中的粘土矿物 引起的 但酸敏则常由储层中的化学胶结物引起 油区X衍射测试资料显示 我国大部分含油气盆 地中 砂岩油层中常见的粘土矿物为蒙脱石类 伊 利石 高岭石 绿泥石和伊 蒙混层 绿 蒙混层六 类 室内敏感性试验表明 含有蒙脱石类粘土矿 物的砂岩储层 遇到比自身地层水矿化度低的淡 水掺入时 具有强烈的水敏膨胀特性 含有伊利 石的砂岩储层 往往保留有一定量的孔隙度 而渗 透率值却较低 这是由伊利石的 搭桥 结构引起 因为这类储层的喉道被 桥堵 因此注入液微弱 的酸碱度 盐度的不适宜 就可能引起储层渗透率 的降低 因此该类储层具备一定的碱敏和盐敏性 含有高岭石的砂岩储层 由于高岭石晶片的易迁 移性 因此常表现为在流速偏高的情况下渗透率 降低的现象 通过扫描电镜观察 这一伤害机理 是由横架于储层喉道入口处的高岭石晶片集合体 造成 但流速低于某一值 临界流速 时 该现象 却不会发生 因此这类储层具有速敏性 酸敏常 发生在含有碳酸钙化学胶结物和绿泥石的砂岩储 层中 前者对氢氟酸酸敏 后者对盐酸酸敏 而这 两类酸均是油田常规作业用酸 同时 由该两类 酸调配的土酸也对含有此两类胶结物的砂岩储层 具有酸敏性 氢氟酸对碳酸钙的酸敏性具体表现 为反应后形成了致使储层渗透率降低的氟化钙微 粒沉淀物 盐酸对绿泥石的酸敏性表现为迅速溶 解后的绿泥石在pH值不断升高时 形成大量的 副产物 氢氧化铁沉淀 而堵塞储层喉道 因此 对于含有不同类粘土矿物和化学胶结 物的砂岩储层 进行酸化工艺的化学配方是否与 储层配伍 直接决定着酸化措施的成败 譬如 对 于含有蒙脱石的疏松砂岩储层 多年来一直沿用 12 HCl和3 HF配置的土酸进行酸化 2 酸化 效果并不明显 但对这一配置稍加调整 却能大 大提高对储层的配伍性 即利用1 3 HF和 13 5 HCl进行酸化 控制较低的溶蚀量 增加了 粘土的润湿反转能力 有效提高了酸化成功率 对于含有高岭石的砂岩储层 添加粘土稳定剂是 惯用的方式 然而利用一种自行研制的缓蚀低溶 蚀酸 却能达到更佳的效果 诸如此类 针对砂岩 填隙物中不同粘土矿物配置 要分别采用不同的 酸配方对策 而不能反复用几类常规酸套用 胜利樊家油田樊128井区下第三系沙河街组 三段砂岩油层 初期试油一般能获得工业油流 但 减产速度极快 数日内减至工业指标以下 甚至无 液产出 分析研究发现 储层具有中高孔隙率 低 渗透的特点 这是因为砂体内火山岩碎屑所占比 例大 假杂基脱落物 绿泥石和自生高岭石呈疏松 状态半充填储层孔喉 造成大量的微孔隙发育 而 高岭石晶粒的可移动性使储层渗透性很差 同 时 碳酸盐胶结物呈斑块状局部充填孔隙 形成超 低渗透胶结层 因此 液流产出时 微粒被带动很 快在喉道处形成封堵 降低产量 通过分析研究 研制出如下油层改造方案 33 2001年 第3期 张守鹏等 油层物理性质与酸化改造工艺的配伍性研究 12 盐酸前置注入地层 溶解斑块状胶结的碳酸 盐矿物 8 氟硼酸后置注入储层 缓慢溶解高 岭石并稳定微粒 加铁螯合剂防止绿泥石中的铁 沉淀 待反应完全后排酸 按此方法对樊128 1 井沙三段砂岩储层实施改造 获17t d高产工业 油流 后稳产在14t d 6 储层流体的矿化度与作业液的适 配性 在地下一定温度和压力条件下 储层内流体 一般是地层水 保持一定的矿化度 如果储层被 钻井打开后 作业液掺入地层水 将可能发生如下 几种情况 作业液中添加离子浓度过高 在地层 岩石格架中形成无机垢 由于温度 压力的降 低 地层水的溶解度降低 尽管有时作业液可以稀 释地层水 但仍有大量的矿物结晶体出现 地层 水中的阴 阳离子与作业液中的阳 阴离子化合 形成较多的沉淀物 要使作业液与储层流体科学配伍 必须在配 制钻井液 压井液 固井泥浆 射孔液及酸化改造 液时 3 注意以下几点 尽量降低添加离子比 率 针对地层水性质 水质化验结果 以不形成 副产物为目的配置作业用液 在作业液中添加 有利于增加溶解性的催化剂等 胜利车西 孤北 和利津三个重点探区的入井液设计中采用了该思 路 取得了显著经济效益 使一批试油低效的井获 得了高产工业油流 尤其对油水同层井段的改造 效果更为明显 7 结论 不同油藏类型具有不同的物理性质 岩石骨 架结构 孔隙度 渗透率 矿物成分 敏感性等油层 物理参数对油田开发效率起着决定性的作用 对 油气层实施改造增产的酸化工艺 其酸配方必须 与油层物理性质相配伍 才能起到酸化增产的目 的 否则 耗资巨大的酸化工程很容易无功而返 目前 许多研究人员正在致力于研究一种不 同于盐酸 氢氟酸和土酸的独特酸 试图使其对任 何砂岩或碳酸盐岩储层都适用 但这种酸至今仍 未研制成功 本项研究证实 如果酸化配方的设 计是在掌握了油层物理性质 并经配伍性实验验 证后进行 即使利用油区三类常规作业用酸 其成 功率也可由原来的50 左右提高至95 以上 改 造井实例统计 参考文献 1 何更生 1 油层物理 石油工业出版社 1994 2 赵福麟 采油用剂 石油大学出版社 1997 3 鄢捷年 黄林基 钻井液优化设计与实用技术 石油大学 出版社 1993 4 张守鹏 孙兆新 油层伤害的基本类型与油层改造方法介 绍 J 复式油气田 1995 6 2 38 42 5 U S A MICHAEL J ECONOMIDES KENNETH G NOLTE RESERVOIRSTIMULATION SECOND EDIYION SCHLUMBER EDUCATIONALSERVICES 1989 The Compatibility Studing between Reservoir Physical Property and Acidification Technology Zhang Shoupeng1 Zhu Qingzhong2 Dong Guochen1 Sun Jingmin1 Wang Xichen1 Han Huiling2 1 Geology University of China Beijing 2 The Discovery Factory4of Northern China Oil Field Abstract The oil production draw on from improved reservoir was determined by whether the acidformulation used for acidification im