酸化压裂工艺技术综述

朱丽君，刘国良（成都理工大学，四川成都610059）

酸化压裂工艺技术综述

朱丽君，刘国良
（成都理工大学，四川成都610059）

摘要：随着能源需求量的增大，油气田开发的酸化压裂技术日益成熟。分析了目前酸压工艺技术的特点和应用范围，介绍了碳酸盐岩储层常见的五种酸压技术——常规酸压、前置液酸压、特性酸深度酸压、高导流裂缝酸压、复合酸压，并比较了酸化压裂和常规压裂技术的优缺点，最后提出了酸化压裂技术未来的发展动向。

关键词：酸化压裂；工艺技术；常规压裂

1　概述

在储层增产改造过程中，形成了基质酸化和压裂酸化两大类技术。基质酸化也称为常规酸化，是指在井底施工压力小于储层破裂压力的条件下，将酸液注入地层，解除井筒附近的伤害，恢复储层产能的酸化技术[1]。压裂酸化又简称为酸压，指的是当井底施工压力高于地层岩石破裂压力时，把酸液作为压裂液，不加入任何支撑剂注入地层，地层将会形成裂缝[2，3]。酸液在裂缝中流动并与裂缝壁面发生反应，将裂缝表面溶蚀成凹凸不平的形态。酸蚀裂缝表面特征很大程度上依赖于酸化环境，包括压裂液类型和强度、酸蚀速度、酸液滤失速率及岩石类型等[4]。当停泵卸压时，裂缝壁面不能完全闭合，从而在地层中形成了具有一定导流能力和渗透性的裂缝[5]。

控制碳酸盐岩酸压增产效果的两个重要因素是酸压裂缝的有效长度和裂缝的导流能力。前者受酸液滤失性、酸岩反应速度、酸液流速和酸液类型等影响，后者受裂缝闭合、酸岩反应的溶蚀形态等影响。为了获得有效的导流能力和较长的酸蚀裂缝来增加油气产量，人们研发了一系列的酸化压裂技术。

2　酸化压裂技术的现状

按照工艺技术流程，压裂技术可以分为酸洗、基质酸化和酸压三种[6]。酸压以能否实现滤失控制、延缓酸岩反应速度、形成较长的酸蚀裂缝为划分标准，分为普通酸压、平衡酸压、前置液酸压以及交替注入酸压等[7]。

2.1酸化压裂工艺技术

酸化压裂工艺分为前置液、稠化酸压、多级交替注入和闭合酸化组合等工艺技术。

2.1.1前置液

前置液酸压又被称为粘性指进，即用高粘液体压开地层，在形成一定几何尺寸裂缝的同时降低岩石表面的温度，延缓酸液与岩石的有效作用距离，使裂缝更长。前置液酸压中，酸液顶替高粘压裂液时会产生粘性“指进”效应，酸液对裂缝壁面产生不均匀刻蚀，形成沟槽，使裂缝具有较高的导流能力[8]。前置液和酸液的粘度比决定着粘性指进是否顺利进行，粘度比太小，酸液流速将大于前置液，无法“指进”。前置液酸压的过程要特别注意滤饼的形成与否，一旦裂缝壁面形成滤饼，滤饼能被极少量的酸液迅速穿透，并产生酸蚀孔洞，此时的酸液滤失与用不用前置液是一样的[9]。

2.1.2稠化酸压

稠化酸一般有两种：非交联酸用稠化剂和交联胶凝酸。稠化酸是通过在酸液中添加水溶性高分子而形成的具有较高粘度的酸液体系，通常由酸、稠化剂及其它添加剂组成。其中盐酸是配制稠化酸最常用的酸。酸化作业时，可以根据被处理岩层的性质决定使用酸的种类和酸的浓度[10]。稠化酸一般适用于中渗储层的酸压，酸蚀缝长在20～50m之间，在高渗和低渗地层要慎用稠化酸。另外，由于粘度大，稠化酸的使用要考虑返排问题。在酸压中，稠化酸能够提高酸液穿透能力，增加裂缝导流能力，减小酸化二次污染。

2.1.3闭合酸化压裂

在低于闭合裂缝中泵入少量的酸液，从而尽可能地与井筒之间建立一条开启的裂缝，以便在井眼周围形成裂缝[11]。将酸液灌入闭合裂缝的过程中要注意酸液不能超过规定的标准，以便井上和井底空气层能够有效地结合在一起[12，13]。

2.1.4转向酸

酸化压裂最有效的转向方法是使用封堵球，也可以通过高注入速率或者通过交替注入高粘前置液和酸液来实现，也有通过交联聚合物冻胶体系和表面活性酸溶液的自我分流能力来实现。其原理是高粘酸液发生转向，压开与破裂压力相近的各个目的层。

转向酸分流转向，实现了对渗透率不同的非均质储层的均匀酸化，其转向性能影响分流效果和均匀酸化强度。温度、渗透率倍数、酸液配方以及注酸排量又决定着转向性能[14]。研究表明，酸液的转向范围及转向程度随温度、渗透率倍数的升高而降低，随配方中转向剂添加量的增加而提高。

2.1.5多级交替注入+闭合酸化组合工艺

该技术的特点是前置液和酸液交替注入，既可明显降低滤失，提高工作液效率，又具有持续延伸扩展裂缝功能，极大地增加酸蚀作用距离；同时，闭合酸对缝口不均匀刻蚀，大大提高了近井筒特别是缝口的导流能力，从而提高了酸化增产效果。此项技术的特点是大液量、大排量施工，闭合酸液顶替技术，交替级数与阶段液量[15]。

2.1.6降滤失酸酸压工艺

施工时酸液进入地层与岩石发生化学反应，当其浓度下降到一定值时交联剂发挥作用，酸液的粘度迅速提高，其中滤饼的形成也会减缓酸液的滤失。当酸岩继续反应时，氢离子浓度下降到一定值，破胶剂发生作用，酸液的浓度下降到最初状态，不影响残液的返排。

该工艺技术的使用已在川渝、塔里木等地区的低渗透储层深度改造中获得良好的增产效果。经过国内外数百口井的实践证明，变粘酸及其应用工艺技术是当今最为成功的深穿透酸压改造工艺技术之一，具有广阔的应用前景。

2.2碳酸盐岩储层酸压工艺

碳酸盐岩储层作为一种特殊类型的储层，岩石成分复杂，岩性变化差异大，岩石结构及成因类型多种多样。碳酸盐岩油藏具有埋藏深、地温高、非均质性强，储集空间主要以溶洞、溶孔和裂隙为主，孔喉配合度低，连通性差等特点。通过酸压技术来改造酸蚀裂缝长度和裂缝的导流能力，从而提高原油产量。碳酸盐岩酸压技术分为普通酸压技术和深度酸压技术。

2.2.1普通酸压工艺

普通酸压工艺直接往地层注入酸液，不需要加入前置液造缝，也不需要混入支撑剂撑开裂缝，其特点是酸液滤失严重，酸岩反应速度快，有效酸蚀作用距离较短，一般在15～30m之间。在地层中形成高导流能力的裂缝，使原来的径向流变为两个线性流，从而减少了流动阻力。

2.2.2深度酸压技术

（1）前置液酸压工艺

以硼砂或者有机硼作为交联剂，要求粘度高，施工结束时顺利破胶。现场常见的前置液一般选择胶凝水（香豆胶或者改性胍胶）、水外相乳状液和油外相乳状液等。

（2）特性酸深度酸压

由于普通盐酸在酸压过程中滤失严重，难以形成深穿透酸蚀裂缝。为满足地层特性和施工需要，研发了不同酸液体系的酸压技术，包括稠化酸、乳化酸、固体酸酸压、活性酸和变粘酸等[16]。每种酸液都有利有弊。泡沫酸虽然有利于气井增产处理和相对易于返排，但是酸的粘度只能保持相对较短的时间，容易造成酸蚀滞后。乳酸很好地克服了这一弊端，但是它在注入期间摩阻大。稠化酸体系是最常见的，与其它酸液体系相比较，具有较低的滤失性、很高的注入速率和自动转向等优点。在现场实际应用时，我们可以根据酸液的性质并结合实际情况进行液体优选。

（3）高导流裂缝酸压

高导流裂缝酸压方式分为平衡酸压、闭合酸化、平衡酸压闭合酸化三种。

平衡酸压主要是在压开的地层裂缝注入与滤失量平衡的酸液，当裂缝延伸压力高于缝中压力，就能让裂缝保持张开状态，酸液可以充分溶蚀裂缝面，因此提高了溶蚀的效率和强度，裂缝导流能力随之提高，但是要注意防止将上下非产层、水层压开[17]。

闭合酸化是指在低于闭合压力的基础上经酸液流入闭合裂缝，大量的酸液迅速地流经闭合的裂缝，快速地溶蚀岩石表层，此种方式溶蚀的岩石表面比张开裂缝的表面积要大，因而提高产量。闭合裂缝酸化是针对较软以及均质程度较高的储层而发展采用的一种技术。

平衡酸压闭合酸化则是在利用平衡酸压形成裂缝的条件下，再让酸蚀裂缝，然后采用和平衡酸压技术相反的办法进行闭合酸化，主要是通过把不能起到支撑作用、不完整的碳酸盐岩实施酸化处理，有效提高闭合裂缝的导流能力，从而提高产量。

（4）复合酸压

对于孔喉小、连通性差、非均质性强的碳酸盐岩油藏，常规酸压工艺技术不能解决酸压滤失量大，酸蚀裂缝穿透距离有限的问题，而复合酸压技术则起到了很好的效果[18]。

以塔河油田奥陶系油藏为例，它是以缝洞为储集体、受构造-岩溶旋回作用控制、由多个缝洞单元在空间上叠合形成的复合油气藏，具有高温高压、埋藏超深和非均质性极强的特点。试验应用了“大前置液+变粘酸体系+胶凝酸+支撑剂单级或者多级泵注体系”超大规模复合酸压技术，以有效地提高酸蚀裂缝穿透距离和有效裂缝缝长，确保有效沟通井筒周围的有利储集体和压后裂缝的导流能力。目前塔河油田已在31口井应用了超大规模复合压裂技术，其中11口井在酸压后初期平均产油量98.1t/d，增产效果较好[19，20]。

2.3酸化压裂和常规压裂技术的对比

2.3.1基本原理

酸化压裂的基本原理和目的同使用支撑剂的常规压裂一致，两者都是为了扩大裂缝的长度及其流通性，以增强油层的排液能力。为了获得良好的流通性，常规压裂要把石英砂或者陶粒等支撑剂带入裂缝，以防卸压后裂缝重新闭合，而酸化压裂则是依靠裂缝表面的不均匀性，一般不用支撑剂[21]。因此，酸化压裂只适用于石灰岩或白云岩地层。

2.3.2优缺点对比

（1）工艺技术特点。酸化压裂工艺分为前置液、稠化酸压、多级交替注入和闭合酸化组合工艺技术、降滤失酸酸压工艺技术、压裂酸化优化设计技术、多级分层压裂酸化技术。常规压裂工艺分为大液量、大排量、高砂比作业技术，快速排液强制闭合压裂技术，控缝高压裂技术，施工实时监测、评价和裂缝诊断技术等。酸化压裂是在常规压裂的基础上逐渐发展起来的，针对不同的储层岩性、物性、开发方案、岩石应力、经济优化等压裂特征评估和优选出有针对性的工艺技术。

（2）经济、技术可行性。酸化压裂不用支撑剂，操作相对简单，但是酸液要比大多数压裂液昂贵。虽然酸化压裂没有加砂压裂的成本昂贵，但是考虑到高闭合压力下的酸蚀裂缝可能会失去导流能力，因而常常不考虑酸压工艺。常规压裂中，考虑到天然支撑剂石英砂、人造支撑剂陶粒以及树脂包层砂等支撑剂的使用，它们的密度、分选、破碎率等直接关系到压裂液性能和泵送条件的要求。储层压裂规模和费用比较高，因而施工前一定要做好地质论证与评价，以免投入大、回报小。

（3）适用储层范围。因为酸化压裂没有加入支撑剂，不会出现过早脱砂，没有支撑剂回流的风险，因而施工的风险比较低，但仅适用于不均匀刻蚀程度比较好的储层。

（4）压裂效果。常规压裂所造成的裂缝长度取决于支撑剂带入裂缝的距离。酸蚀裂缝长度取决于酸耗尽前流入裂缝的距离。影响酸液流入裂缝距离的最大因素是酸液的滤失量和酸液的缓蚀速率。在酸化过程中，很难形成滤饼，酸液溶蚀不均匀，滤失增加都会影响造缝效果。缓蚀速率与酸液粘度、地层温度有关，这些都很难控制。在加砂压裂中，压裂液滤饼、残渣颗粒、支撑剂中的杂质及储层岩石中不溶颗粒等固体都会对储层基质和支撑裂缝造成伤害。同时压裂液滤液也会引起粘土矿物膨胀和颗粒运移、水锁等多种类型的伤害，从而使得常规加砂压裂效果受到限制。

酸化压裂和加砂压裂是有效的增产技术手段。酸化主要是通过解除孔隙、裂缝中的堵塞物或者扩大沟通地层原有的孔隙、裂缝，提高地层的渗透性能。加砂压裂主要是通过水力作用在地层中形成人工裂缝，再加砂支撑裂缝，提高地层的导流能力。但是常规加砂压裂过程往往会给储层和支撑裂缝带来伤害，导致压裂效果有限，甚至无效。酸化压裂适用的储层效果有限也会导致增产效果不理想。为了改善压裂增产效果，目前已经提出了酸化加砂压裂复合增产技术，充分发挥了两大技术的优势，并且该复合技术在一些油田已经有了现场应用，取得了不错的效果[22]。

3　酸化压裂技术的展望

压裂技术的研究成果主要为三维裂缝模型、控缝高技术以及变排量、变粘度、变支撑剂类型和支撑剂粒径技术的“四变技术”[21，22]。复合型酸液的使用，可以有效减少滤失，顺利消除堵塞物，降低反应速度。单级酸液交替灌入法和多级酸液交替灌入法也取代了过去传统用的酸液交替灌入法，不仅有效强化了深层穿透裂缝的能力，还提高了导流能力。对于低渗、特低渗储层，优先考虑使用多级注入酸压技术。在高渗、中渗储层可以选择适合储层性质的酸液体系进行酸压施工。对于进行过酸压施工的老井，可以进行重复酸压。分层压裂技术可通过限流分层压裂方法、封隔器封堵逐层压裂方法以及投球封堵逐层压裂方法来达到彻底改造的目的。控缝高压裂技术是控制裂缝延伸的关键技术。此外，高砂比压裂技术、深井及超深井压裂技术等工艺技术也得到了更为广泛的应用。

目前在低渗、特低渗油藏中，普通的水驱、化学驱等技术很难起到增产效果，酸化压裂技术在很大程度上解决了这个问题。油藏的特殊性和复杂性也需要对应储层开采特点的酸化压裂技术。现阶段酸化压裂技术仍然存在需要解决的问题，还需要作进一步的研究与探讨。

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doi：10.3969/j.issn.1008- 553X.2015.02.004

中图分类号：TE357.1+1

文献标识码：A

文章编号：1008- 553X（2015）02- 0009- 04

收稿日期：2014- 12- 01

作者简介：朱丽君（1991-），女，湖北鄂州人，在读硕士研究生，研究方向：试井、测井、储层增产改造技术，18428325023，lizi_lucky@163.com，949102090@qq.com。

Summary of Acidizing Fracturing Technology

ZHU Li-jun，LIU Guo-liang
（Chengdu Universityof Technology，Chengdu 610059，China）

Abstract:As growing demand for energy，acidizing fracturing technology which is one of the most important oil and gas field development technologies is improved gradually，and has made great contribution to enterprises of oil and gas field development. This paper analyzes the present situation and the scope of application of acidizing fracturing technology. It introduces five classes acid- fracturing technologies for carbonate reservoirs: ordinary acid fracturing，deeply acid fracturing，deeply acid fracturing with special acid，high diversion crack acidizing，fracturing complex acid fracturing. It is the further generalization for the acid- fracturing. Then by comparing the characteristics of the acidizing fracturing and conventional fracturing，it tells the advantages and disadvantages of acidizing fracturing technology. Finally，it summarizes the development prospect and possibilities ofacid- fracturingtechnology.

Key words:acid- fracturing；technology；conventional fracturing