酸化压裂技术在碳酸盐岩热储中的应用

刘庆 柯柏林 林天懿 杨淼

摘 要：碳酸盐岩热储中储层伤害可能会导致产能下降、回灌难、生产周期短等问题。为提高地热井产能，解除热储伤害，以北京通州区A井为例，建立了综合压前评估、工艺方法优选、酸液体系建立、施工参数优化、压力曲线诊断、压后效果评价的酸化压裂关键技术体系。形成了基于水位恢复数据、测井数据的综合储层伤害指标、储层物性指标的多指标压前评估方法。在室内实验和数值模拟的基础上，优化施工参数，并对施工过程中的压力曲线进行了诊断。最后对A井改造效果进行评价：改造后单位出水量提高了65.51%，水温提高2℃，产能系数提高了59.51%，近井伤害得到完全解除，渗透率得到明显改善。该工艺有助于解除碳酸盐岩热储近井污染、改善储层物性、沟通天然裂缝。

关键词：碳酸盐岩;酸化压裂;近井伤害;产能;渗透率

Abstract： Reservoir damage in carbonate geothermal reservoirs may cause such problems as production reduction， recharging difficult， and short production cycles. A technology system of acid-fracturing has been established by taking Well A in Beijing City Sub-Center as an example， in order to increase the productivity of geothermal wells and remove near well damage. It includes comprehensive pre-press assessment， process optimization， acid-fluid system optimization， construction parameter optimization， pressure curve diagnosis， and post-frac effect evaluation. A multi-target pre-frac evaluation method index has been formed， including comprehensive reservoir damage index and reservoir physical property index by calculating water level recovery data and well logging data. The construction parameters were optimized based on laboratory experiments and numerical simulations. During the acid-fracturing， the pressure curve was diagnosed. Finally， the stimulation effect of Well A has been evaluated： After the stimulation， the unit water inflow increased by 65.51%， the water temperature increased by 2， and the productivity coefficient increased by 59.51%. The near-well damage has been eliminated completely， and the permeability has been improved significantly. This technology is helpful for decontaminating near-well wells in carbonate geothermal reservoir， improving reservoir physical properties， and communicating natural fractures.

Keywords： Carbonate; Acid-Fracturing; Near-well damage; Productivity; Permeability

0 绪论

雾迷山组热储是北京乃至整个京津冀地区的主要热储层。该热储天然裂隙、节理发育，以往开发案例报道同样发现（马忠平等，2007;吕殿臣，2013;王连成等，2010），该组地层钻井多漏失，部分层段泥浆漏失量大。泥浆浸入地层，产生储层伤害，对地热井成井质量影响较大，如果后期未能对地热井进行有效改造，则会显著降低生产能力和回灌能力。

酸化压裂技术是碳酸盐岩油气藏改造的一种有效方法手段，马忠平等（2007）对天津WR-95井酸化压裂施工案例进行介绍，水温水量都得到提升，认为酸化压裂技术在碳酸盐岩裂隙地热井增产中值得推广;吕殿臣（2013）介绍了天津JHR-160D井的酸化压裂增产案例，同样取得了较好的改造效果;王连成等（2010）对酸化压裂方法进行了简单介绍，且该技术在天津DL-24井、WR-95井、HD-02井增产增灌中都取得了较好的效果;Bartko等（2003）讨论了不同酸液类型对碳酸盐岩气藏中裂缝长度和裂缝宽度的影响规律;Li等（1993）回顾综述了缓蚀酸压的应用案例;Portier等（2007）对比讨论了油气层和地热储层的酸化改造技术;Schindler等（2010）讨论了水力压裂技术在莱茵盆地碳酸盐岩热田中的成功应用，改造工艺包括体积压裂、低排量注入、段塞式注入、酸化等方式，改造后热储回灌能力和生产能力都得到显著提升。

以往的案例报道已经证明，酸化压裂技术有助于提高地热储层生产能力和回灌能力，但是目前的报道多局限于对施工案例的应用报道，鲜有针对碳酸盐岩热储开展的酸化压裂技术体系研究（林天懿等，2018;杨淼等，2018）。本文在总结梳理现有酸化压裂技术方法相关资料的基础上，以北京城市副中心某地热井为例，開展碳酸盐热储水热型地热系统酸化压裂技术研究，试图建立一种适用于地热井改造的酸化压裂关键技术体系。

1 酸化压裂增产原理

储层改造的主要作用在于增大地层流体流动通道，改变地层流体渗流特征。对于碳酸盐岩热储，酸化压裂一方面通过酸盐反应，溶解由于后期施工引入的固体颗粒，解除近井伤害;另一方面，酸液可显著增大原生孔缝洞尺寸，并在基质面形成大量蚓孔，提升孔喉之间的连通性，改善储层渗流能力（埃克诺米德斯等，2002）。

1.1 酸盐反应基本方程

碳酸盐岩储层酸化改造主要介质为盐酸，其生成物在水中以Ca2+、Mg2+、Cl-形式存在，不会产生沉淀;另外，北京城市副中心雾迷山组水质以HCO3·Cl / Ca·Mg·Na为主，盐酸酸液体系不会引入其他矿物离子。其基本反应方程式见表1。

1.2 酸蚀蚓孔

选取天津蓟县雾迷山组剖面岩样为实验岩样，分别对紫红色泥质白云岩、泥晶白云岩、以及微裂缝发育的粗晶白云岩进行室内酸化实验，实验温度25℃，酸液浓度为15%，酸液用量均为40mL。待反应停止后，观察对比反应前后岩样形貌变化（表2）：裂缝越发育，改造效果越好;泥晶较粗晶白云岩反应迅速;碳酸盐岩含量越多，反应越迅速。

为了进一步确定酸化作用的改造效果，借助扫描电镜（SEM）分别对改造前后微观孔隙进行观测。不同岩性酸化后，孔隙结构均得到改善（图1）：紫红色泥质白云岩基质内蚓孔发育;泥晶白云岩粒/晶间孔周围蚓孔特征明显，形成了大量酸蚀微裂缝（10μm）;粗晶白云岩，微裂缝发育，且原生裂隙尺寸显著增大。表明酸化作用有助于改善岩石微观孔隙结构，增大原生裂缝尺寸。

2 酸化压裂技术应用

酸化压裂基本流程为：压前评估→工艺方法优选→压裂液体系优选→酸压关键参数设计及方案确定→压力曲线诊断→压后效果评价（Ben-Naceur，et al.，1989）。本文以北京通州区A井为例，对各关键技术进行研究与应用。

2.1 基本情况介绍

A井位于北京市通州区张家湾镇，坐落在张家湾背斜的西南翼，在北东向姚辛庄断裂和北西向牛堡屯断裂交叉部位西北侧。两条断裂相互交叉，構成了该区地热资源主要导热导水通道。该井成井深度2501.80m，三开裸眼完井，目标层段为蓟县系雾迷山组，岩性以灰—灰黑色白云岩（2030～2501.80m）为主（图2）。

2.2 压前评估

压前评估主要是对目标井的可改造潜力进行评估，通常是在大量搜集区域地质资料、钻完井资料、邻井资料等的基础上，对包括储层生产指标、伤害指标、储层物性指标等进行评估，进而综合判断目标井是否具有改造潜力。

（1）储层产能指标

3次降深抽水试验结果显示，A井井口最高出水温度46℃，最大单位出水量为53.12m3 /d·m（表3）。根据渗透系数、产能系数计算公式（1）、公式（2），A井初始平均地层渗透系数为0.038m/d，渗透率为0.61 mD，产能系数为287.798mD·m。

式中：K为渗透系数，m/d;k为渗透率，103mD;J为产能系数，mD·m;Q为出水量，m3/d;M为目标层厚度，m;ρ为地层流体密度，g/cm3;g为重力加速度，m/s2;μ为地层水黏度，纯净水黏度为1.0，mPa·s;R为影响半径，m;rw为井径，m;Sw为降深，m。

（2）储层伤害指标

储层伤害程度通常以表皮系数表征：原始地层条件下，地层无伤害，表皮系数为0;钻完井及井下作业等产生储层伤害时，表皮系数为正值;改造后，储层物性好于原始地层条件，表皮系数为负值。表皮系数的计算方法包括Horner曲线法和Gringarten典型曲线图版拟合法。本文以Horner法为例，表皮系数计算公式为（陈元千，1988）：

式中：Pwf为水位恢复试验前关井时刻的井底流动压力，MPa;P1h为试井1h后对应的地层压力，可通过压力恢复曲线得到，MPa;m为霍纳曲线斜率;φ为地层孔隙度，可通过测井曲线解释得到;Ct为总压缩系数，为地层水压缩系数与地层岩石压缩系数之和，Ct=Cw+Cr，MPa-1;t为关井前Horner折算生产时间，t=关井前累计产量/关井前稳定排量，h。

为了获取相关计算参数，需要首先根据压力恢复数据绘制霍纳曲线，A井霍纳曲线可以分为4段（图3），采用压力稳定段斜率为基本参数，计算得到A井压前表皮系数18.27，说明目标层段储层伤害较大。

（3）储层物性指标

通过测井解释可将A井目标层段划分为3类裂缝层（图4）。I类裂缝层1层，共10.4m，占2.20%，储能系数2.15，产能系数5.02;II类裂缝层1层，共10.3m，占2.18%，储能系数1.34，产能系数1.49;III类裂缝层8层，共35.7m，占7.57%，储能系数0.32，产能系数0.19。整体显示目标层段平均渗透率3.56mD，孔隙度3.69%，具有改造潜力，其中优势改造层段为测井解释I、II类地层。

2.3 工艺方法确定

碳酸盐岩地层非均质性强，针对不同类型的热储层，制定相应的改造工艺，能极大地提高储层改造效果。对于漏失量大、缝洞发育的地层，普通酸化压裂技术便能达到目标;天然裂缝较发育的地层，应采取大排量酸化或振荡酸压;缝洞不发育地层，应采用深度酸压（赵永平，2012）。

钻井过程显示A井目的层段存在多层漏失（表4），

平均单层漏失量0.5m3/h;单层漏失量差异较大（0.375～0.625m3/h），结合井底岩心观测，该井热储存在天然裂缝，判断主要目的层天然裂缝发育程度较好，在综合考虑经济效益及安全施工的基础上，确定本井改造原则以解除近井伤害，形成深穿透酸蚀通道为主，尽量沟通天然缝洞，压裂工艺选择大排量酸化压裂技术。

2.4 酸液体系优化

酸液体系的选择包括酸液类型、酸液浓度、酸液用量等，决定着酸化过程中酸液作用效率以及酸蚀裂缝长度，与有效改造范围关系密切。盐酸压裂液体系具有成本低、溶蚀力强、反应生成物可溶、不会引入其他离子等特点，在碳酸盐岩酸化压裂中应用广泛。但由于盐酸反应速度快，改造深度不够，通常也会加入甲酸、乙酸等有机酸，形成多组分酸延缓反应速度。

3 结论与建议

（1）建立了酸化压裂增产关键技术体系，给出了各个环节的具体计算和设计流程：酸化压裂设计需要充分考虑室内试验和数值模拟结果，按照技术规范及工艺流程，针对目标井特点进行设计，以实现最大增产效益。

（2）试验验证了酸化压裂技术对碳酸盐岩热储的改造作用，微观方面有助于提高孔隙结构和裂隙尺寸，增大孔隙之间的连通性;宏观方面可解除近井伤害，沟通天然裂缝，形成新的流动通道，改善储层物性，对提高地热井产能、回灌能力、开发利用周期具有积极效果。

（3）表皮系数和产能系数可作为储层改造潜力评价指标，区域原始储能系数越大，试井解释产能系数越小，表皮系数越大的储层，储层可改造潜力越大。

（4）以北京城市副中心A井为例进行酸化压裂技术应用，改造后地热井单位出水量提高了65.51%，产量系数较改造前提高了59.51%，近井伤害完全解除。

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