高温油气井增产方法

52油田新技术高温油气井增产方法随着油气井钻的越来越深，井底温度越来越高，对高温基质酸化技术的需求也日益增加。新型酸化工艺可以实现在高温条件下对碳酸盐岩油气藏和砂岩油气藏进行有效的酸化处理。上述技术进步包括从新型化学剂的研制成功到流体充填技术的简化。SalahAl-Harthy美国得克萨斯州休斯敦OscarA.BustosMathewSamuelJohnStill得克萨斯州SugarLandMichaelJ.Fuller马来西亚吉隆坡NurulEzalinaHamzahPetronasCarigali马来西亚丁加奴KertehMohdIsalPudinbinIsmailPetronasCarigali马来西亚吉隆坡ArthurParapat马来西亚丁加奴Kemaman《油田新技术》2008年冬季刊：20卷，第4期。©2009斯伦贝谢版权所有。OneSTEP，StimCADE，SXE和VirtualLab等是斯伦贝谢公司的商标。532008年冬季刊༐໗ჸჼ႐ӣሊჼ໗ࣅǖ4HCl+CaMg(CO3)2MgCl2+CaCl2+2CO2+2H2O็ࣨჼ໗ࣅ;2HCl+CaCO3CaCl2+CO2+H2O采用酸液对油气藏进行酸化处理，从而清除或绕过地层损害带，改善油气井生产动态，长期以来这种方法一直是一项常用的油气井增产措施－差不多从石油工业初期就开始应用了。1895年，俄亥俄石油公司采用盐酸（HCl）对石灰岩储层进行酸化处理。处理后的油井产量增加了若干倍，但盐酸也严重腐蚀了套管。利用酸化方法提高产量这一增产措施此后也因此消失了近30年。1931年，研究者发现砷可以抑制盐酸腐蚀井筒管柱，用酸化方法处理石灰岩油气藏这种增产措施又获得了新生[1]。但是用酸液处理砂岩需要采用不同于石灰岩的方法。盐酸不太容易和那些降低砂岩渗透率的矿物发生反应，但氢氟酸（HF）却可以。因为二次反应造成堵塞，使用氢氟酸处理砂岩的早期尝试都以失败而告终。直到1940年，使用氢氟酸-盐酸混合配方才克服了上述难题。混合配方中的氢氟酸能溶解砂岩中那些降低产量的矿物沉淀，而盐酸能够控制沉淀物的形成。经过多年的发展，酸化技术有了很大进步，但目的始终没有改变－那就是通过酸化处理，建立或恢复新老井井筒周围的生产通道。油气井酸化，即通常所指的基质酸化，是用来恢复储层油气流动通道的两种干预方法中的一种。另一种方法是水力压裂或酸化压裂，是通过压裂使地层产生裂缝，这样，距离井筒较远的油气就能够流向井筒。酸化是改善井筒周围的地层，通过酸化避开或溶解那些堵塞油气流通道的矿物沉淀。选择酸化还是压裂方法来提高产量取决于多种因素，如地层地质情况、油气井生产史和增产目标。油气井增产技术，如基质酸化，在提高产量方面起到很大的作用，能够帮助作业者最大限度开采油气田储量。酸化专家面临的压力是研制出新型酸液配方，开发出新型酸化工艺技术。他们的压力主要来自几个方面，其中一项重要需求是把酸化技术拓展到高温环境。在高温环境下－93°C以上（200°F）采用常规矿物酸如盐酸和氢氟酸会导致反应速度过快，造成酸液消耗速度过快，降低酸化效果，还会引起其他问题。另外，随着行业管理的强化，要求使用的酸液要尽量减少对环境和安全的影响[2]。盐酸和氢氟酸这类常规矿物酸难以安全处理，易腐蚀井筒管柱和完井设备，而且在酸液返回地面后必需对残液进行中和处理。而且，井底温度越高，所需要的缓蚀剂的成本也随之增加，因为在高温环境下，尤其是在当前完井设备中使用了一些特殊管柱的情况下，需要加大缓蚀剂的浓度。再者，常规砂岩酸化技术一般要涉及多个流体处理步骤，因此发生错误的几率也随之增加。本文重点讨论基质酸化，介绍了怎样通过开发新型酸液和工艺技术将酸化技术拓展到高温环境条件下。通过非洲、美国、中东和亚洲等地的应用实例，展示了酸化技术在世界各地的成功应用。不同地层采用不同酸化配方对于任何一口井（无论是高温井与否），进行基岩酸化处理时首先要考虑的因素就是地层岩性。碳酸盐地层酸溶性很高，通过酸化处理能够建立导流通道，形成的酸蚀孔洞能够绕过地层损害带。相反，砂岩中仅有一小部分是酸溶性的。砂岩酸化处理的目标是溶解岩石孔隙中的各种矿物，恢复或提高地层渗透率。如今人们已对以上两种储层从物理和化学两个方面进行了广泛研究，并获得了深入了解。碳酸盐油藏－主要是石灰岩和白云岩－在中等温度环境下很容易和盐酸发生反应，形成酸蚀孔洞（上图）。反应速度主要取决于盐酸向地层表面扩散的速度。碳酸盐储层经酸化形成酸蚀孔洞提高产量不是通过清除岩石孔隙中的损害，而是通过溶解岩石建立新的油气流动通道。酸蚀孔洞在碳酸盐岩中的形成可用酸化作用对岩石的影响方式进行解释。酸化过程中，较大的孔隙接触的酸液较多，使得大孔隙的长度和体积都增大，并最终扩大称为一个宏观通道（酸蚀孔洞），当酸液流过岩石时，这样的通道会比周围的小孔隙接收到更多的酸液。酸蚀孔洞的形状和延伸与酸液类型、酸液浓度、泵速和温度以及碳酸盐岩的岩性有关。在合适的条件下，酸蚀孔洞能够延伸很长，使酸液绕过损害带从而得到有效利用。^碳酸盐岩酸化。用盐酸对石灰岩和白云岩酸化后产生被称为酸蚀孔洞的通道（红色）。此类通道是盐酸和岩心中碳酸钙和碳酸镁发生化学反应形成水溶性氯盐的结果。1.CroweC，MasmonteilJ，TouboulE和ThomasR：“TrendsinMatrixAcidizing”，OilfieldReview，4卷，第4期（1992年10月）：24-40。2.HillDG，DismukeK，ShepherdW，WittI，RomijnH，FrenierW和ParrisM：“DevelopmentPracticesandAchievementsforReducingtheRiskofOilfieldChemicals”，SPE80593，发表在SPE/EPA/DOE勘探与生产环境会议上，得克萨斯州圣安东尼奥，2003年3月10-12日。54油田新技术ጔႚ੥ڢ܋௬ම์໗์੥۴ݴኧ໗์੥۴܋௬ම์੥ဤ༹ओڟჼ႐཭೦ୁ໏1.00.2੥ဤ܈AECBD在条件不太有利的情况下，酸化产生的通道短，基本上不能增产。实际上对任何要实施酸化的地层，都有一套最佳处理参数，使酸液效率达到最高，产生有效酸蚀孔洞（上图）[3]。和碳酸盐地层不一样，组成大多数砂岩储层的石英及其他矿物在很大程度上都不是酸溶性的。对砂岩进行酸化处理－通常采用氢氟酸和盐酸的混合液－目的是分解那些堵塞孔隙、降低岩石渗透率的污染颗粒（下图）[4]。砂岩酸化的目的是溶解井筒周围0.9－1.5米（3－5英尺）范围内的污染物，该区域在生产过程中的压降最大，对油气流动非常关键。该区域一般受到运移微粒、膨胀粘土和结垢的污染。砂岩酸化反应发生在酸液遇到能溶解的矿物的地方。一次反应是粘土、长石和普通氢氟酸-盐酸混合酸液发生反应，形成铝矽酸盐。砂岩酸化化学配方很复杂，一次反应产物还能继续发生反应，可能会形成沉淀。二次反应比一次分解反应慢，除了在高温环境下，一般很少出现和矿物酸相关的问题（下一页，上图）。将基岩酸化拓展到93°C以上的高温环境下，这种做法对作业者来说喜忧参半。喜的是高温酸化可采用熟悉的油田工艺使高温井增产。忧的是高温环境下使用盐酸会产生一系列问题。在高温碳酸盐岩地层，盐酸反应速度很快，可能会破坏油层面，而不会形成酸蚀孔洞，还可能会和高粘原油产生酸诱导矿泥。高温砂岩酸化产生的问题与碳酸盐岩不同。高温砂岩酸化时，粘土分解速度可能会很快，阻止酸液在储层中的渗透，次生反应也会产生沉淀。另外，速度反应过快会使砂岩基质变得疏松，形成流动砂。高温环境下进行碳酸盐和砂岩油气藏酸化处理最明显的问题是加速了酸液对管柱及其他井筒设备的腐蚀。虽然可通过增加缓蚀剂适当控制腐蚀速度，但在高温下大量添加缓蚀剂本身也会污染地层[5]。将基质酸化引入高温环境所面临的各种挑战迫使研究人员研制新型处理液，开发新型酸化技术。新型处理液包括油-酸乳状液和弱酸化学剂，前者用于延迟酸液在碳酸盐岩油气藏中的反应速度，后者既可以处理碳酸盐岩，也可以处理砂岩。新型酸化技术包括砂岩处理简化系统，采用实验室数据和预测软件－结合新型化学处理剂－达到简化酸化工艺的目的。通过分析实验数据可以了解上述新型处理剂和新型处理技术。^碳酸盐岩溶蚀形式。酸蚀孔洞结构与酸化效率有关，可通过绘制孔隙体积/岩心突破（PVBT）和流速的关系图进行观察。采用经验数据对软件模型进行标定，模拟出的孔隙形态展示了岩石随流速增加而溶蚀的过程。效率最低的酸化作业是端面溶蚀－为推动反应前缘，整个基岩都必须溶蚀。流速加大后反应效率有所提高，产生大的锥形通道。最有效的反应发生在曲线最低点，这时形成了非常分散的酸蚀孔洞。随着酸液流速进一步加大，曲线向上拐，形成大通道，即分支酸蚀孔洞。再进一步提高酸液流速，再次达到均匀的端面溶蚀。^砂岩基岩。砂岩储层结构一般由碳酸盐胶结（A）、石英胶结（B）和长石胶结（C）的石英颗粒组成。当高岭石（D）等粘土填塞孔隙、伊利石（E）等粘土附着到孔隙内时，其孔隙度降低。552008年冬季刊ਐ৞ཤڦਐ૗ᅃْݒᆌْܾݒᆌෙْݒᆌAIFx+ઁ࿿AIFy+;xyHF+ઁ࿿+HClAIFx+H2SiF6H2SiF6+ઁ࿿+HCl+AIFx250300350151617181920३໏ဣຕLjGSئ֫௬ֹᆳළࣅवLj࣐์वLjI3Tဌ๭वHClHCl,%1528࿒܈Lj实验室试验在实验室对新型酸液配方和新型酸化技术进行试验有很多好处，比如，操作简单、成本可控，可以避免在油田实施时可能发生的问题。良好的实验室数据应能验证处理模型是否恰当，指示成功进行现场操作的合适步骤。对酸化技术进行正确的实验室试验能够优化处理液体积，精确查明潜在问题区，还能核实理论基础参数。具有说服力的相关实例就是在高温条件下使用乳化酸对碳酸盐岩地层进行基岩酸化。解决酸液在高温环境下反应速度过快这个问题的一个方法是使用油-酸乳状液延迟酸液反应速度。这种乳状液已被用于碳酸盐岩酸化压裂和基质酸化作业中。酸化压裂时，乳状液有助于改善和扩大距离井筒较远处的油气导流通道。酸化压裂一般采用化学和机械转向技术，确保处理液流到目标位置[6]。而基质酸化用的油-酸乳状液在井筒周围发挥作用，使用的量比酸化压裂少。碳酸盐岩地层基质酸化用的油-酸乳状液由内盐酸相和外油相组成。在布朗扩散作用下，氢离子从酸液滴中运移到岩石表面－大大减缓酸的反应速度[7]。实验室数据表明，当盐酸酸滴悬浮在柴油中时，反应速度可延迟一个数量级以上（右图）[8]。^砂岩酸化反应。当砂岩地层用氢氟酸和盐酸混合酸处理时，会发生三组反应。靠近井筒处，酸液和矿物发生一次反应生成氟化铝和氟化硅。一次反应会快速溶解矿物，而且不产生沉淀。距井筒稍远处，一次反应产物开始缓慢进行二次反应，形成会沉淀的硅胶。接下来，在距酸液注入区更远的地方，发生三次反应，形成更多硅胶沉淀。二次和三次沉淀反应的动力学特征在高温环境下呈指数级加速，可能会造成砂岩酸化失败。^乳状液。油-酸乳状液通过限制盐酸液滴和储层端面的接触量来降低反应速度。每滴盐酸酸液包含盐酸及辅助组分，如乳化剂、缓蚀剂和硫化氢（H2S）吸收剂（上）。乳状液减缓反应速度的程度用减速系数FR表示。该系数是盐酸反应速度和乳状液反应速度之比的函数。在实验室分别用15%和28%的盐酸稳定乳状液在碳酸盐岩心上进行实验，结果表明在250－350°F（121－177°C）的温度下，反应速度下降了15－19倍（下）。（减速数据根据Navarette等人的资料修改，参考文献8。）3.FreddCN和FoglerHS：“OptimumConditionsforWormholeFormationinCarbonatePorousMedia：InfluenceofTransportandReaction”，SPEJournal，4卷，第3期（1999年9月）：196-205。PangaMKR，ZiauddinM和BalakotaiahV：“Two-ScaleContinuumModelforSimulationofWormholesinC