注入气体提高砂岩储层酸化效果

刘义刚， 张璐， 张丽平， 邹剑， 张云鹏， 高尚

（1.中海石油（中国）有限公司天津分公司渤海石油研究院，天津300459；2.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津300452）

注入气体提高砂岩储层酸化效果

刘义刚1， 张璐1， 张丽平1， 邹剑1， 张云鹏2， 高尚1

（1.中海石油（中国）有限公司天津分公司渤海石油研究院，天津300459；2.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津300452）

针对常规酸化作业逐渐暴露出酸化效果差、有效期短、解堵范围有限等问题，充分考虑砂岩储层气井酸化效果普遍好于油井的现场经验，提出了油井酸化过程中通过注入气体以提高酸化效果的设计思路。研究过程中分析了气液交替注入酸化解堵工艺的作用机理及优势，通过室内实验进一步探索3种不同注气模式下，对未伤害及受钻完井液伤害岩心的酸化改善效果，并对比分析了注入不同气体对酸化效果的影响。研究认为，酸化过程中注入气体能明显提高被污染岩心的酸化效果，尤其采用前置气+气液交替注入的酸化模式，而对未受污染岩心注入气体改善酸化效果不明显，且总体上注CO2气体酸化效果要好于注N2。气液交替注入酸化工艺现场实验解堵效果显著，能够有效地提高常规酸化效果。

酸化；注入前置气；气液交替注入；污染岩心；未污染岩心

现场经验表明，对油气井砂岩储层开展基质酸化表现出不同的效果：油井酸化后随注酸量的增加渗透率逐步增大，达到一定注酸量后渗透率会出现随注酸量增加而渗透率降低的现象；对气井而言，渗透率的改善效果和注酸量大致成比例；总体上，砂岩储层气井酸化效果要好于油井[1-4]。现场油井进行酸化作业时是否可以考虑注入一定量气体，以达到提高酸化效果的目的呢？1986年Victor L.Ward等人提出酸化作业时应用N2和CO2气体能够达到一定增产的效果[5]；1989年在阿曼北部的几口油井采用氮气泡沫酸化，取得了良好的增产效果，增产倍比基本在2倍以上[6]；2000年M. A.Aggour等人通过室内实验证明，对砂岩储层岩心酸化前采用N2/CO2气体预处理，效果明显好于常规酸化，且总体上表现出CO2预处理比N2效果更佳[4]。中国开展酸化作业过程中借鉴国外的成功经验，多采用CO2/N2基形成的泡沫酸开展酸化作业，具有缓速、分流、助排等作用。为此，考虑气体自身性质及酸化现场经验，笔者通过研究提出气液交替注入深部酸化解堵工艺，充分发挥气体与液体之间的相互作用，以提高酸化效果。

1 气液交替注入酸化工艺的优势

随着注聚作业的开展及多轮次解堵酸化作业后，油井堵塞物越来越复杂化，污染范围逐步加深，常规酸化解堵效果差且范围有限。对多层系砂岩储层进行常规酸化，酸液会按照自然规律优先进入高渗层，高渗透层过度酸化可能发生损害及坍塌，低渗透层进液量少，达不到预计效果，存在部分储层地层压力较低，酸化后返排困难或返排不彻底。

由于气体具有低密度、低黏度、低表面张力、高压缩性、流动性及分散性等特征，因此液气交替注入解堵酸化工艺具有缓速作用、分流作用及深部解堵作用，且有利于高效返排、隔离地层流体等优点，能显著提高酸化效果[7-9]。气液交替注入酸化解堵工艺的优势及作用机理如下：1）氮气泡沫与酸液存在相互竞争，会争先与地层接触，这就会使酸液与储层岩石的接触面积大大降低，从而降低酸液与储层岩石的反应速率，因而具有缓速性；2）气体具有良好的膨胀性及分散性，1 m3液氮相当于几立方米的氮气，气液交替注入过程中气体能够携带液体进入储层更远距离，扩大酸液与地层岩石之间的作用范围，提高了酸液的作用效率；3）多层系长井段厚储层，不仅具有层间非均质性，也具有层内非均质性，常规酸化容易造成高渗层过度进酸，低渗层无法有效启动，气液交替注入过程中，具有增能作用的气体优先占据大孔道，增大高渗储层喉道内的压力，具有一定的分流作用，有利于酸液的按需分配；4）油井中首先注入气体段塞，能够在酸液和地层流体间形成有效屏障，避免和减缓酸液与地层流体不配伍而形成酸渣和乳化物伤害；5）气体较强的携带性及分散性，能够净化近井地带储层，酸岩反应过程中产生的二次沉淀等物质能够被气体携带至储层深部，避免敏感性强的近井地带受到影响；6）对于储层能量较低的地层，气体的高效增能、携带能力有利于残酸返排，降低残酸滞留对储层产生的伤害。

2 气液交替注入实验研究

2.1 实验步骤及方法

室内选用未受污染岩心及受钻完井液污染岩心，采用注入前置气及气体与处理液交替注入多种方式开展实验研究，进一步研究气体预处理及处理过程中交替注入不同方式对改善油井酸化增产效果的情况。实验选用现场应用的PRD钻完井液体系，应用JHDS高温高压动失水仪模拟钻完井过程中储层受污染的过程。

2组岩心分别开展4个不同注入方式的实验：

A（常规酸化）：首先注入模拟地层水4%NH4Cl溶液，此后分别注入前置液、处理液、后置液、模拟地层水；B（注前置气酸化）：分别注入模拟地层水、前置气（氮气）、前置液、处理液、后置液、模拟地层水；C（处理液与气体交替注入）：分别注入模拟地层水、前置液、处理液、氮气、后置液、模拟地层水；D（多次注气酸化）：分别注入模拟地层水、前置气、前置液、处理液、氮气、后置液、模拟地层水。

2.2 结果与讨论

1）未受污染岩心实验。对未受污染人造岩心采用不同注入方式，实验研究结果见图1～图4。结果表明，无论采用常规酸化注入方式，还是采用注入前置气或气液交替注入方式，储层岩心渗透率均略有升高，酸化前后渗透率比值为1.1～1.2，渗透率增加幅度较小，气体的注入并没有明显提高酸化作用效果。一般注入基液后注入前置液，岩心的渗透率有小幅度波动，前置液中盐酸与岩心中碳酸盐岩矿物反应，使岩心的渗透率比值略有上升；注入处理液后，处理液溶解岩心中储层矿物，处理液注入过程中由于产生二次沉淀伤害、微粒运移或因反应中产生气体造成贾敏现象等原因,也使渗透率略有下降，但最终表现出溶蚀储层矿物，沟通、扩大孔隙结构，提高岩心渗透率；气体注入后并未出现明显渗透率降低或升高的特征，从实验过程及结果分析认为，对未污染岩心，气体注入对酸化作业影响较小。

图1 常规酸化注入方式下未受污染岩心的渗透率恢复情况

图2 注前置气酸化注入方式下未受污染岩心的渗透率恢复情况

图3 处理液与氮气交替注入酸化注入方式下未受污染岩心的渗透率恢复情况

2）受钻井液污染岩心实验。应用JHDS高温高压动失水仪模拟钻完井过程中储层岩心受污染情况，对受钻完井液污染人造岩心采用不同酸化注入方式开展实验，研究结果见图5～图8。

图4 多次注气酸化注入方式下未受污染岩心的渗透率恢复情况

图5 常规酸化注入方式下受钻井液污染岩心的渗透率恢复情况

图6 注前置气酸化注入方式下受钻井液污染岩心的渗透率恢复情况

图7 处理液与氮气交替注入酸化注入方式下受钻井液污染岩心的渗透率恢复情况

实验结果表明，与常规酸化相比，酸化前注入前置气或采用气液交替注入方式，均能提高酸化作业的效果，使得岩心渗透率大幅提高。常规酸化后受钻完井液污染岩心在处理液注入过程中出现渗透率明显降低的情况，一方面由于注酸过程中导致污染物或储层微粒的运移，造成岩心孔隙喉道堵塞，排出残酸有少量砂粒，因此判断发生了微粒运移伤害，另一方面可能由于反应过程中形成二次沉淀等新的伤害造成渗透率降低，但最终渗透率逐渐升高恢复值达1.333倍。其他3组实验均未明显观察到出砂现象，通过与常规酸化实验相比，注入气体能够提高酸化效果，渗透率恢复值均达到2倍以上，处理液与气体的交替注入酸化效果略好于前置气注入方式，而采用注入前置气及处理液与氮气交替注入的综合注入方式效果最佳，最终导致渗透率恢复值达到3倍以上，气体能够明显改善岩心酸化效果。

图8 多次注气酸化注入方式下受钻井液污染岩心的渗透率恢复情况

将未受污染岩心与受污染岩心的酸化实验结果对比分析认为，注入气体对未污染岩心酸化基本不产生影响，而对污染岩心采用注入气体的方式能够明显提高酸化效果，尤其初始注入前置气注酸过程中采用气液交替注入方式，能够大幅度提高岩心渗透率明显改善酸化效果。注入气体具有良好携带能力，对岩心具有清洁作用，同时可提高酸液的作用范围，气体与酸液协同增效，更有利于对污染严重储层的有效解堵。

3 不同气体对酸化效果的影响

选用钻井液污染过的岩心，同时为更真实模拟储层条件，岩心用煤油进行饱和处理，选用CO2气体和N2采用前置注气的酸化方式，得到不同酸化方式下的渗透率恢复结果见表1。注入等量酸液时，注入气体的酸化效果明显好于常规酸化处理的效果，总体上注入CO2前置气酸化处理效果好于注入前置N2的酸化效果。对于油井或饱和煤油的岩石，直接注入酸化液容易造成酸液与原油的不配伍，相互反应形成酸渣或乳化油，注入前置气体能起到有效隔绝的作用，降低产生的伤害，同时能够净化储层，扩大酸液作用范围，整体表现好于常规酸化作业。而由于CO2具有更好的溶解性，顶替原油效果更佳，同时CO2气体属于酸性气体。能够提供储层酸性环境，有利于后期酸化的开展，因此注入CO2前置气处理效果好于注入N2处理效果。但由于CO2具有酸性，会对管柱产生腐蚀作用，且相对成本较高，因此在现场作业过程中多选择N2。

表1 注入不同前置气体酸化实验效果

4 现场应用

注入气体改善酸化效果在国外多个油田开展过现场应用，以路易斯安娜州主力区块C-20B油井为例，有3口油井储层受污染严重，表皮系数均在160以上，迫切需要解堵作业来释放储层产能，因此考虑进行酸化解堵处理，对3口油井采用不同的处理方式，前2口注水井采用常规酸化作业，最后1口井采用注CO2预处理的方式开展酸化处理，首先注入CO2气体再注入酸液[7]。不同酸化工艺处理效果如表2所示。

表2 路易斯安那州主力区块油井常规酸化与注CO2酸化工艺的参数比较

酸化前3口油井储层污染严重，表皮系数均在165～170之间，常规酸化作业后表皮系数降低为50、114，产油量增加倍数分别为1.93倍、2.28倍，常规酸化能够解除一定的堵塞伤害。油井C酸化前表皮系数为165，CO2预处理后酸化作业表皮系数大幅度降低到5，油井产量增加达6.18倍，解堵效果明显高于常规酸化。前期注CO2预处理具有明显改善酸化效果的作用。

根据笔者的研究思路，在渤海油田进行了4口井的现场试验。生产井D为注聚受效井，储层原油胶质、沥青质含量较高，黏度较大，属于稠油范畴，由于受注聚影响及其他储层污染造成储层伤害严重，在近井地带、筛管附近有大量含聚油泥，尝试几次酸化作业，效果均不理想。酸化前日产液量为78 m3/d，产油量为30 m3/d，含水率在61.5%左右。考虑堵塞物类型后，选择有针对性的解堵剂体系。为提高酸化效果，采用气液交替注入方式，提高酸液作用范围。气体注入起到一定分流效果，气液交替注入深部酸化作业后日产液量达187 m3/d，日产油量为90 m3/d，含水率为51.8%，有效期超过3个月，目前仍在有效期范围内，日产量保持在180 m3/d以上，酸化效果显著（见图9）。

图9 生产井D酸化前后日产液量/产油量变化曲线

5 结论及认识

1.对未污染岩心酸化过程中注入前置气或气液交替注入不能明显提高酸化效果，对受污染岩心酸化过程中注入前置气或气液交替注入能够显著提高酸化效果，尤其采用2种注气方式相组合的注入模式，能够大幅度提高岩心渗透率，改善酸化效果。

2.由于CO2具有更好的溶解性，顶替原油效果更佳，同时能够提供储层酸性环境有利于后期酸化的开展，总体上CO2前置注入处理效果好于N2处理效果。但由于CO2具有酸性会对管柱产生腐蚀作用，且相对成本较高，因此目前现场作业过程中更多人选择N2。

3.现场试验结果表明，注入前置气或气液交替注入酸化工艺均能有效提高酸化效果，酸化过程中注入气体具有良好携带能力，对岩心具有清洁作用，同时可提高酸液的作用范围，气体与酸液协同增效，更有利于污染严重储层的有效解堵。

[1]SHUCHART C E. HF acidizing returns analyses provide understanding of HF reactions[R]. Society of Petroleum Engineers, Richardson，TX（ United States），1995.

[2]ZHOU L，NASR-EL-DIN H A. Acidizing sandstone formations using a sandstone acid system for high temperatures[C]//SPE European Formation Damage Conference & Exhibition. Society of Petroleum Engineers,2013.

[3]AGGOUR M A，AL-MUHAREB M A，AL-MAJED A A.Improving sandstone matrix acidizing for oil wells by gas preconditioning[C]//SPE Annual Technical Conference and Exhibition. Society of Petroleum Engineers，2000.

[4] WARD V L. N2and CO2in the oil field: stimulation and completion applications（ includes associated paper 16050）[J]. SPE Production Engineering，1986，1（04）：275-278.

[5]GUIDRY G S，RUIZ G A，SAXON A. SXE/N2matrix acidizing[C]//Middle East Oil Show. Society of Petroleum Engineers，1989.

[6]杨甲茹.罗建新.二氧化碳在解决砂岩酸化难题中的应用[J].吐哈油气，2003，3（8）：393-395.YANG Jiaru，LUO Jianxin. The application of carbon dioxide in sandstone reservoir acidizing problems[J]. Tuha Oil & Gas，2003，3（8）：393-395.

[7]曹莘，尚波，陈轶群，等.充气泡沫酸解堵技术在低压气井增产中的应用[J].断块油气田，2010，6（17）：773-776.CAO Shen， Shang Bo，Chen Yiqun， et al.Plugging removement technology of aerated foamed acid and its application[J]. Fault-Block Oil & Gas Field，2010，6（17）：773-776.

[8]刘成，刘丽君.混气酸化技术试验应用[J].石油钻采工艺，2000，2（22）：67-69.LIU Cheng，LIU Lijun. Field testing application of gasmixed acidization technology[J]. Oil Drilling &Production Technology，2000，2（22）：67-69.

[9]李宾飞，李兆敏，徐永辉，等.泡沫酸酸化技术及其在气井酸化中的应用[J].天然气供应，2006，12（26）：130-132.LI Binfei，LI Zhaomin，XU Yonghui，et al.Foamed acid acidizing and its application on gas wells[J]. Natural Gas Industry，2006，12（26）：130-132.

Injected Gas Improves Acidification Job Quality of Sandstone Reservoirs

LIU Yigang1, ZHANG Lu1, ZHANG Liping1, ZOU Jian1, ZHANG Yunpeng2, GAO Shang1
(1. Bohai Research Institute of Petroleum, Tianjin Branch of CNOOC, Tianjin 300459;2. CNOOC EnerTech-Drilling & Production Co., Tianjin 300452)

It has been noticed in well acidification operation that the acidification job quality is not satisfactory, the effective period of the acidification job is short, and the acidified area is limited. In well acidification operations, it has been found that the results of acidifying a gas well penetrating sandstone reservoirs are much better than the results of acidifying an oil well penetrating sandstone reservoirs. This observation has been used in designing oil well acidification program to improve the acidification job quality, that is, a gas can be injected with acid into the well in oil well acidification. The mechanisms and advantages of alternated injection of gas and acid are extensively studied in this paper. In laboratory experiment, the acidification results of undamaged cores and cores damaged by completion fluid under 3 gas injection models were studied, and the effects of different injected gases on the acidification results were analyzed. It is considered that gas injected in well acidification clearly improved the acidification job quality of damaged cores,especially when an acidification mode in which prepad gas plus alternated gas and acid injections was used during well acidification.For undamaged cores, the effectiveness of gas injection with acid in well acidification was not satisfactory. It was also found that the effectiveness of injecting CO2was better than that of injecting N2. Alternated gas injection with acid in well acidification greatly improves the permeability of the reservoir rocks, and is able to enhance the effectiveness of conventional well acidification job. This technology has a broad development prospect.

Acidification; Injected prepad gas; Alternated gas and acid injection; Damaged core; Undamaged core

刘义刚，张璐，张丽平，等.注入气体提高砂岩储层酸化效果[J].钻井液与完井液，2017，34（4）：117-121.

LIU Yigang，ZHANG Lu，ZHANG Liping，et al.Injected gas improves acidification job quality of sandstone reservoirs[J].Drilling Fluid & Completion Fluid，2017，34（4）：117-121.

TE357.2

A

1001-5620（2017）04-0117-05

10.3969/j.issn.1001-5620.2017.04.022

国家重大专项课题“渤海油田高效采油工程及配套技术示范”(2016ZX05058003)。

刘义刚，1969年生，博士，高级工程师，现主要从事于海上油田采油工程相关技术研究。E-mail：liuyg@cnooc.com.cn。

2017-4-5；HGF=1704F4；编辑 付玥颖）