川西北部地区栖霞组超深高温气井酸压技术

曾冀 马辉运 刘俊辰 苟波 李金穗 杨林

1.中国石油西南油气田分公司工程技术研究院；2.四川页岩气勘探开发有限责任公司；3.西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室；4.中国石油西南油气田分公司致密油气勘探开发项目部

川西北地区位于四川盆地西部龙门山山前带，2014年在双探1井取得勘探突破后，相继在双探3井、龙探1井等获得高产工业气流，展现了巨大的勘探开发潜力［1］。栖霞组作为川西北部地区主探层，主要发育晶粒白云岩和残余砂屑白云岩储层，普遍表现出超深 (7 000～7 500 m)、高温 (160 ℃)、高压(96 MPa)的特征［2］，且工区内地层高陡，压力梯度复杂，断层、膏岩层及复合盐水层发育，钻采工程面临巨大挑战。在高额的单井投资背景下，如何通过提高单井产量实现效益开发是一个亟待解决的问题。

经过多年发展，针对碳酸盐岩储层主要形成了以均匀布酸酸化、深穿透酸压和酸携砂压裂为代表的储层改造技术，同时配套完善了相应的液体、工具、材料。大量现场实践表明，储层改造工艺的优选需要紧密结合储层地质特征，其中：塔里木塔中地区奥陶系储层缝洞系统发育，依靠高精度三维地震资料对缝洞进行刻画，进而通过酸压工艺沟通有利油气储集体；长庆靖边气田马家沟组储层碳酸盐岩纯度较高，难以获得高导流能力酸蚀裂缝，采用交联酸携砂工艺提高了酸压后的稳产时间；冀中坳陷杨税务潜山凝析气藏基质致密、裂缝连通性差、地应力梯度高，经过多轮工艺试验，明确复杂缝网酸压工艺是实现气藏效益开发的有效手段［3-7］。与国内其他碳酸盐岩储层相比，栖霞组的主要特征为超深和高温。因此，为提高栖霞组储层改造的针对性，笔者通过分析储层地质特征和开展系统的室内评价实验，明确了栖霞组储层改造关键为沟通缝洞系统、增大泄流面积，指出了酸岩反应速率是制约缝长增长的主要因素。通过引入酸岩反应热，建立了以温度场为核心的多场耦合酸压模型，形成了适合于栖霞组的超深高温气井酸压技术。

1 储层地质特征

1.1 岩矿特征

栖霞组储集岩主要为晶粒白云岩和残余砂屑白云岩，次为云质豹斑灰岩和生物(屑)灰岩。矿物组分以铁白云石和方解石为主，平均含量分别为43%和55%。

1.2 物性特征

栖霞组岩心统计表明，孔隙度分布范围为2.02%～7.59%，平均孔隙度 3.09%；白云岩样品孔隙度主要分布在2%～4%，平均孔隙度3.36%；渗透率分布范围 (0.013～53.4)×10-3μm2，平均值 2.92×10-3μm2，小于 1×10-3μm2的样品占 50%，表现出低孔、中～低渗特征。

1.3 储集空间特征

栖霞组溶洞较发育，以小洞(2～5 mm)和中洞(5～20 mm)为主，早期构造缝多数被方解石、沥青全充填，晚期缝呈未充填或半充填状态，微裂缝较发育(＜150 μm)。储层储集空间主要为晶间孔、晶间溶孔 (图1)。

图1 发育溶孔、微裂缝的栖霞组岩心Fig.1 Core of Qixia formation with dissolved pores and micro-fractures

2 储层改造技术难点

2.1 埋藏深，酸液流动摩阻大，施工压力高

栖霞组埋深7 000～7 500 m，水平最小主应力梯度0.019 9 MPa/m。根据实际施工管串预测不同吸酸压力梯度下的胶凝酸施工泵压(图2)，可以看出，施工泵压随排量增大而显著提高，当排量达到5 m3/min时，摩阻接近70 MPa，对应的井口压力在120 MPa以上。

图2 不同吸酸压力梯度下施工泵压和排量关系Fig.2 Relationship between pumping pressure and displacement at different acid absorbing pressure gradients

2.2 酸岩反应速率快，酸蚀缝长延伸受限

旋转岩盘实验表明，在160 ℃下栖霞组的酸岩反应速率是川中龙王庙组和灯影组的4～6倍(图3)，导致在栖霞组酸压施工过程中活性酸难以进入储层深部，降低了酸液对储层的有效刻蚀距离，使得增大酸蚀缝长的难度较大。

图3 不同温度下酸岩反应速率Fig.3 Acid-rock reaction rate at different temperatures

2.3 有效闭合应力高，酸蚀裂缝导流能力保持困难

栖霞组水平最小主应力梯度为0.019 9 MPa/m，压力系数为1.3，在7 300 m的埋深下，作用在裂缝壁面上的有效闭合应力为49.4 MPa，且有效闭合应力会随着生产的进行而进一步增大。栖霞组储层不同程度发育方解石和白云石，岩板过酸后容易形成非均匀刻蚀，为裂缝提供高导流能力(图4)。但导流能力随着闭合应力的增大而快速降低，由于栖霞组的有效闭合应力高，导致非均匀刻蚀形成的导流能力难以有效保持(图5)。

3 多场耦合酸压设计

常规酸压设计方法主要是采用商业软件模拟不同规模、排量下的酸蚀裂缝形态，以最大酸蚀裂缝长度作为优化设计的目标。由于栖霞组在相同温度下的酸岩反应速率远高于其他储层，因此，需要考虑酸岩反应速率对酸蚀裂缝形态的影响。

图4 栖霞组岩板酸刻蚀后三维形态Fig.4 Three-dimensional morphology of the rock plate of Qixia formation after being acid etched

图5 栖霞组岩板酸蚀后导流能力保持率Fig.5 Retention ratio of the flow conductivity of the rock plate of Qixia formation after being acid etched

3.1 酸岩反应热计算方法

白云岩储层酸压，在常温(25 ℃)下的标准摩尔反应焓可表示为(公式排列)

温度为Tw时的标准摩尔反应焓为

考虑高压下二氧化碳的状态，得到压力对反应焓的影响，可表示为

式中，ΔrHm为摩尔反应焓，kJ/mol，T为温度，K；p为压力，MPa；V为摩尔体积，cm3/mol；Z为气体偏差因子，无因次；R为气体普适常数，8.314 J/(mol · K)。

综合考虑温度、压力和CO2的体积功的影响，温度为Tw、压力为p时的酸岩摩尔反应热的计算公式可表示为

式中，ΔrQm为摩尔反应热，kJ/mol；fg为游离态二氧化碳的摩尔分数，无因次；VCO2为二氧化碳摩尔体积，cm3/mol。

3.2 多场耦合酸压设计方法

以裂缝温度场为核心，建立温度场、压力场、裂缝延伸和酸液流动的酸压耦合模型，实现对栖霞组酸压过程的针对性模拟。其中，温度场、压力场、裂缝延伸和酸液流动模型见文献［8-9］。特别地，在温度场的边界条件中加入酸岩反应热，即裂缝壁面处 (y=±w/2)

式中，Khf为裂缝流体导热系数，W/(m · K)；m为反应级数，无因次；kR为酸岩反应速率常数，100 Lm-2/(molm-1· s)；c为酸液摩尔浓度，mol/L；qh为地层向裂缝传递的热流量，W/m2。

酸蚀缝长和酸蚀缝宽的求解是建立在裂缝内酸液浓度分布的基础上，因而酸蚀裂缝几何尺寸计算模型必须和酸液流动反应模型耦合求解。另一方面，裂缝温度场和裂缝内酸液浓度分布是同时计算出来的，因而只需将酸蚀裂缝几何尺寸计算程序与考虑酸岩反应热的裂缝温度场计算程序嵌接，即可求出有效酸蚀缝长和任意时间、任意位置处的酸蚀缝宽，酸液有效作用距离和酸蚀缝宽的计算程序如图6所示。

根据栖霞组基础数据，模拟了200 m3酸量时不同排量下酸岩反应热对酸液有效作用距离的影响，结果表明，反应热对酸液有效作用距离影响非常明显，考虑酸岩反应热之后，在酸岩反应位置温度增加，酸岩反应速率增加，从而降低了酸液有效作用距离，最高影响达9 m；排量越大，酸液有效作用距离越长。根据预测的泵压，选择施工排量为4 m3/min时，从不同酸量对酸蚀有效缝长的影响(图7)可以看出，随着酸量的增加，酸蚀有效缝长不断增加；但在酸量超过160 m3后，酸蚀有效缝长的增加幅度变化很小。因为此时酸液有效作用距离受酸液反应活性控制，随着酸蚀缝长增加，酸液的浓度也逐渐降至残酸，失去反应活性。

图6 酸蚀裂缝几何尺寸计算程序框图Fig.6 Block diagram of the program for calculating the geometry of etched fracture

图7 酸量对酸蚀有效缝长的影响Fig.7 Effect of acid volume on the effective length of etched fracture

4 现场试验

针对栖霞组酸压改造难点，在现场试验过程中主要采用以下措施：(1)优化胶凝剂的黏弹性，使胶凝酸降阻率提高至62%，降低酸液流动摩阻；(2)采用以温度场为核心的酸压耦合模型，提高酸压设计合理性；(3)采用自生酸作为前置液对地层进行降温预处理，减缓酸岩反应速率。

S8井栖霞组设计施工规模300 m3(60 m3自生酸、240 m3胶凝酸)，施工排量 3.5～4.5 m3/min。在施工过程中有明显压降显示，表明酸液对渗流通道起到明显的改善作用。施工曲线净压力拟合显示酸蚀缝长为51 m，试井资料解释缝长为39 m，表明采用的设计方法在川西地区栖霞组具有较好的适应性。现场累计试验4井次，井均测试产气量67.03×104m3/d。

5 结论

川西北部地区栖霞组埋藏深、温度高、以小洞和中洞发育为主，酸压改造面临酸液流动摩阻高、酸岩反应速率快和酸蚀裂缝导流能力保持困难等难题。通过引入酸岩反应热，建立了以温度场为核心的多场耦合酸压模型，提高了栖霞组酸压模拟的针对性，形成了适合于栖霞组的超深高温气井酸压设计方法。针对栖霞组改造难点，在现场试验过程中形成了针对性措施，成功开展了4口井的酸压工艺试验，有效支撑了栖霞组气藏的勘探开发。