泡沫酸化工艺技术在页岩井中的应用

胡圆圆，周成香，王玉海

（1.中国石化华东分公司石油勘探开发研究院，江苏 南京 210007；2.中国石化华东分公司非常规资源勘探开发指挥部，江苏 南京 210019）

泡沫酸化工艺技术在页岩井中的应用

胡圆圆1，周成香2，王玉海2

（1.中国石化华东分公司石油勘探开发研究院，江苏 南京 210007；2.中国石化华东分公司非常规资源勘探开发指挥部，江苏 南京 210019）

川东南区块页岩储层微裂缝发育，黏土矿物丰富，潜在较强应力敏感性。PY3井由于外源入井液体互相发生物理化学反应，严重影响了储层渗透性。针对该区块地层压力系数低、黏土矿物含量高、井筒污染严重等井况，提出了氮气泡沫酸化技术进行解堵。前置酸采用盐酸体系，溶解地层灰质组分，主体酸采用土酸体系有效解除近井筒污染堵塞，同时加快残酸液的返排效率，酸液体系中加入密度0.5～0.7 g/cm3起泡剂。经泡沫酸化作业后，该井产能由6 000 m3/d上升至16 800 m3/d，从电潜泵排采转为自喷生产，该技术对川东南区块污染的页岩储层改造效果明显，对国内页岩储层解堵具有参考价值。

页岩气；敏感性；井筒污染；泡沫酸化

川东南海相黑色页岩储层有吸附作用及超低渗透的特点[1]，页岩气以“自生自储”方式储集。受到纳米级孔隙气体扩散效应影响[2]，页岩孔隙结构直接控制着页岩气解吸过程。在页岩储层作业及压裂过程中通常伴随着储层敏感性损害[3-4]。针对彭水区块PY3井在压裂及作业入井液时发生反应，储层孔隙结构发生变化，制约着页岩气在储层中的解吸和渗流速度。借鉴页岩流体敏感性损害评价，首次利用液氮泡沫酸化技术在页岩储层探索性使用，有效解除地层近井地带污染，改善储层渗流性，恢复了该井原有产能。

1 问题的提出

1.1 地层黏土矿物含量高

PY3井是位于川东南下志留统龙马溪组的一口页岩气评价井（水平井），龙马溪组为该井的目的层，地层中部垂深2 942.5 m，储层矿物性见表1，目的层主要以泥页岩为主，黏土矿物含量高平均都在30%以上，易受到储层外界液体污染发生膨胀。

表1 川东南区块页岩储层矿物含量Table 1 Mineral content of shale reservoir in southeast Sichuan basin

表2 PY3井邻井压力系数参数Table 2 Adjacent well pressure coefficient parameters of well PY3

1.2 地层压力系数低

邻井地层测试可以看出（表2），该区块为常压气藏，地层更易受到入井液的污染，根据已知井的压力系数，结合其他资料，初步推断PY3井压力系数在1.05左右。

1.3 地层污染严重

彭水区块页岩气采用电潜泵排水采气，该井排采初期发生严重的有机物堵塞导致检泵作业，经北京工程总院室内定性分析认为，堵塞物为钻完井过程中堵漏剂、钻井液与压裂液共同作用形成的（或未完全破胶的压裂液）分子量350万以上的水溶性高分子聚合物材料及少量返吐的支撑剂颗粒。室内对井筒产出物分别用20%NaOH、12%盐酸、12%盐酸+ 3%HF、12%盐酸+8%乙酸、无水煤油在常温24小时进行溶解试验发现20%NaOH溶解性最好，泡沫酸化前对井筒进行了4次作业，分别向地层进行碱处理、注碱解堵和2次正常检泵。注碱后与地层长时间浸泡，地层石英组分发生反应，形成原硅酸沉淀堵塞，污染了地层，下面对4次检泵产能进行分析：

式中：假设Pf为地层储层压力，MPa；h为PY3井储层中部垂深，m；ρ在油气井中取值1.02 g/cm3；g取值9.8 m/s2；ap3为PY3井压力系数1.05。代入公式（1）得出Pf为29.4 MPa，生产压差ΔP=Pf-Pwf，其中Pwf为井底流压，MPa。假设平均单位压差产能，前4次的作业前产气量和井底流压可以推算：

由4次检泵作业前的平均最大单位压差产能可以看出，泡沫酸化前向井筒内进行碱处理确实可以溶解井筒内固相不溶物，但是地层受到严重污染，产能降低。

2 技术分析与对策

PY3井地层自然条件差，黏土矿物含量高，由于前期人为工程污染严重，仅考虑溶解井筒内高分子聚合物，缺少入井液对地层伤害的评价，为了解决此问题，一方面入井液能够溶解高分子聚合物，同时对地层的伤害最低，解除污染。

2.1 室内井筒垢样分析

室内选择了四种溶解和分散率较高的配方放在井筒模拟温度下对井筒返出物（分子量350万以上的水溶性高分子聚合物材料及少量返吐的支撑剂颗粒）进行溶解试验，溶蚀结果见表3。

试验结果表明盐酸对地层返出物（现场垢样）溶蚀率约78%；土酸对地层返出物溶蚀率约95%；12%盐酸+8%乙酸对对地层返出物溶蚀率约70%；20%NaOH全部溶解。下面将储层对外源流体伤害性进行评价，确保解堵后的产气量。

表3 现场返出物室内溶蚀试验结果Table 3 Indoor corrosion test results of returns on the scene

表4 马溪组页岩敏感性评价结果Table 4 Sensitivity evaluation results of shale in Maxi formation

2.2 岩心敏感性评价[5]

岩样取自重庆市彭水县，为下志留统龙马溪组黑色碳质页岩，流体敏感性试验方法及程序按中华人民共和国石油天然气行业标准SY/T5358-2002《储层敏感性流动试验评价方法》进行。每种类型试验使用3块岩心。

表4为龙马溪组页岩敏感性评价结果，损害率为损害前、后渗透率的差值与损害前渗透率的比值。龙马溪组页岩速敏损害率平均为66.77%；盐敏损害呈中等偏强，损害率平均为56.92%，表明伊利石/蒙皂石间层等盐敏矿物含量高；碱敏临界pH值为7，页岩黏土微结构不稳定，严重的碱敏损害说明其极易生成无机垢，平均损害率为89.44%。

同样的方法，岩心取自鄂尔多斯盆地富县地区黑色页岩和泥质粉砂岩，流体伤害性评价显示岩样水敏为中等偏强，平均损耗率66.3%；强的碱敏感性损害，平均损害率为96.8%；中等偏强的酸敏性损害，平均损害为24%[6]。从两处岩心评价结果综合来看，流体对页岩伤害表现为：碱敏＞速敏＞盐敏＞酸敏，所以综合考虑酸化解堵比碱处理更为优化。

2.3 泡沫酸技术分析

由表2得知该区块地层压力系数在0.671～1.05，同时水平段第1、第6段漏失严重，井筒返出物含海绵状垢和支撑剂，基于湘页1井酸化效果分析，为了加快残酸返排、充分将反应物携带出井筒，提出了酸液体系中需要加入低密度0.5～0.7 g/cm3起泡剂，起泡剂主要成分为表面活性剂，减小水的表面张力，形成稳定的泡沫[7]，继而以形成低密度泡沫酸体系。

2.3.1 泡沫酸化工艺

泡沫酸是用起泡剂稳定的气体在酸液中的分散体系。气相为制氮设备供给的氮气，液相是根据油井情况，采用各种不同的酸液，将起泡液泵入地层，使流体流动阻力逐渐提高，进而在喉道中产生气阻效应。在叠加的气阻效应下，再使用起泡酸液进入低渗透地层与岩石反应，形成更多的溶蚀通道，以解除低渗层污染、堵塞，改善油气井产液剖面，助排诱喷，排出残酸。

2.3.2 泡沫流体评价

下面对低密度泡沫体系低密度、高携带进行评价[8]。从图1、图2的评价结果来看整个井筒内泡沫的密度远远小于水的密度和相同高度水柱的压力，可以实现负压作业，减轻冲砂液向地层的漏失。

图3可以看出泡沫流体的携砂性能远远大于水的携砂性能，特别是在水平井段，泡沫携砂具有显著优势，这一点对以水平井冲砂极为有利。除泡沫流体的低密度、高携砂性能外还有对地层渗透率有选择性，即泡沫对高渗层具有较强的封堵作用，而对低渗层的封堵作用较弱，有助于水平井井筒内不同压裂段处于一个相对平衡的压力系统，所以对水平井的施工就具有以下优势：泡沫可以对高渗带起到很好的暂堵作用，有利于均匀布酸；易于控制井底压力，可以在井底形成负压，诱导反应产物及近井地带的泥浆和粉细砂大量排出，达到解堵的目的；泡沫携带能力强，有利于清除泥饼污染等[9]。

图1 泡沫密度在井筒内分布曲线Fig.1 Distribution curves of foam density in wellbore

图2 泡沫流体在井筒压力分布曲线Fig.2 Distribution curves of foam pressure in wellbore

图3 泡沫和水携砂性能的比较Fig.3 Sand carrying ability comparison of foam and water

3 现场应用

泡沫酸酸化工艺是将配置好的酸液与氮气在地面通过泡沫发生器形成稳定泡沫随即注入井内[10]。PY3井现场配备泡沫基液体系600 m3主要配方是清水+氮气+起泡剂+稳泡剂等；防膨液体系260 m3主要配方是2%NH4Cl溶液等；盐酸体系150 m3主要配方是15%HCl+2%CH3COOH+2%缓蚀剂+1%防膨剂+ 2%铁稳定剂+0.5%助排剂+5%防水锁剂等；土酸体系240 m3主要配方是12%HCl+2%CH3COOH+1.5% HF+2%缓蚀剂+1%防膨剂+0.5%助排剂+2%铁稳定剂+5%防水锁剂等。

下φ73mm油管至施工段，为了彻底清理井筒，采取分段负压洗井，地面设备向井筒累计注入泡沫液116 m3，返排119 m3，从施工数据和返出物可以看出该泡沫流体的低密度、高能量助排、高携带能力等。调整管柱至漏水量较大的第1、第6段，分二次施工，其中第1段累计注入泡沫酸127 m3，第6段注入泡沫酸124 m3，累计返排793.68 m3，现场施工较为顺利。

4 效果评价

图4可以看出泡沫酸化在该井效果明显，一方面平均日产气量从6 198 m3上升至14 936 m3，同时该井通过解堵施工实现了自喷生产，自喷产气量平均保持在12 530 m3，目前该井处于稳定施工中，论证了该技术对彭水低压低渗区块地层解堵具有指导作用，目前PY2井泡沫洗井解堵后，从电泵排水采气转为自喷，更说明了该技术的推广价值。

图4 PY3井酸化前后排采曲线Fig.4 Production curves of well PY3 before and after acid

5 认识

1）从PY3井碱处理、泡沫酸解堵实际施工情况来看，龙马溪组页岩经流体损害后，碱敏损害程度非常严重，建议加强页岩气井岩心伤害性评价，对页岩气井的措施方案提供理论支撑。

2）彭水区块页岩气储层均为常压、低渗，黏土矿含量高的地层。建议从钻井、压裂开始就做好井保护，后续措施为了减少流体对储层污染，尽量采取泡沫氮气清理井筒，减少外缘流体入井。

3）氮气泡沫酸化工艺技术在PY3井中得到成功应用，说明该技术效果明显，措施可行，对彭水区块的低效开发提供技术指导，对国内低压、低渗页岩储层解堵具有参考价值，且推广价值高。

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（编辑 尹淑容）

The application of foam acidizing technology in shale wells

Hu Yuanyuan1,Zhou Chengxiang2and Wang Yuhai2
(1.Petroleum Exploration and Development Research Institute,East China Company,SINOPEC,Nanjing,Jiangsu 210007,China; 2.Unconventional Resources Exploration and Development Headquarter,East China Company,SINOPEC,Nanjing,Jiangsu 210019,China)

The shale reservoir in southeast Sichuan basin has the characteristics of microfracture development,rich clay minerals and strong potentially stress sensitivity.Because the allogenes enter the well PY3,physical and chemical reaction takes place, which seriously affect reservoir permeability.Aiming at low formation pressure coefficient,high content of clay minerals and serious wellbore damage,nitrogen foam acidizing technology is put forward for broken down.The lead acid adopts hydrochloric acid system,and the dissolved formation calcareous components and main acid adopts mud acid system,which can effectively remove near wellbore pollution and jam,and speed up the efficiency of the residual acid flowback at the same time.Foaming agent is added to acid system,whose density is 0.5～0.7 g/cm3.By adopting foam acidizing treatment,the productivity rises from 6 000 m3/d to 16 800 m3/d,and electrical submersible pump production turns into flow production.The results have obvious reform effects on polluted shale reservoir in southeast Sichuan basin and provide references for break down of domestic shale reservoir.

shale gas,sensitivity,wellbore damage,foam acidizing

TE357

：A

2015-06-13。

胡圆圆（1985—），女，助理工程师，油气田勘探开发研究。