酸化压裂方法在碳酸盐岩热储中的应用
2010-11-10 13:42:50  阅读数:  网友评论:
王连成
天津地热勘查开发设计院 天津市河东区卫国道189号 24567652 geothermal01@163.com
 
[摘要]   本文对酸化压裂方法在碳酸盐岩热储中的应用进行了详细说明,并结合工程实例从技术原理、适用前提、增产及回灌效果等几个方面进行介绍。提出针对适合的裂隙热储层,选用合理的工艺进行酸化处理可以有效增加地热井产能和回灌能力。
 
[关键词] 基岩热储,酸化压裂,孔隙度,渗透率
1. 引言
酸化压裂是靠酸液的化学溶蚀作用以及向地层挤酸时的水力作用来提高热层渗透性能的工艺措施,注酸压力高于热储层破裂压力,酸液同时发挥化学作用和水力作用来扩大、延伸、压裂和沟通裂缝,形成延伸远、流通能力高的渗流通道。该方法近年来应用于碳酸盐岩热储地热井的增产和地热回灌井的处理中。
天津市碳酸盐岩热储层地热井的主要目的层为古生界奥陶系(O)和中元古界蓟县系雾迷山组(Jxw)热储层,传统的地热井在钻探揭露该类型岩层时,往往因地层岩溶裂隙发育,泥浆只进不出,岩屑连同泥浆全部漏失进入地层,堵塞了含水裂隙,影响成井质量。尤其是对地热回灌井,回灌过程中由于回灌流体进入热储层的压力使岩屑对裂隙越压越密,导致流体需克服的阻力也越来越大,回灌量逐渐衰减。在热储层裂隙发育程度满足的情况下,利用酸化压裂的方法可以有效提高地热井的产能,尤其在回灌井的施工和处理中,对提高回灌效果极为重要。对于提高地热井的使用寿命和维持地热资源的可持续发展效果显著。
2. 酸化压裂技术增产原理
碳酸盐岩热储层的主要矿物成分是方解石和白云石,进行酸压处理,就是要清除孔隙、裂隙中的堵塞物质,扩大沟通地层裂隙通道,提高热储层的渗透性能。
 
2.1 酸岩化学反应
    酸压处理中,主要工作介质是盐酸,其进入热储层缝隙后,将与岩石壁面发生化学反应。以其主要成分—方解石(CaCO3)、白玉石(CaMg(CO3)2)为例说明酸液注入后的主要化学反应,其化学反应方程式为:
CaCO3+2HCl=CaCl2+CO2+H2O
 CaMg(CO3)2+4HCl=MgCl2+CaCl2+2CO2↑+2H2O
计算可得1m3体积28%浓度的盐酸可溶解438kg碳酸钙生成486kg氯化钙、79kg水和193kg二氧化碳而被溶解的碳酸钙体积相当于0.162m3由此可见1m3 28%的盐酸反应后的热储层能增加0.162m3空间这是很可观的。
由此可知,酸压处理后,热储层中大量的碳酸盐岩被溶解,增加了裂缝的空间体积;反应后的残酸水是溶有少量CO2的水溶液,同时留有部分CO2呈小气泡状分布于其中。
2.2 反应物生成状态
地层的渗透性能否得到改善,不仅取决于所溶解的酸酸盐岩,还受反应生成物的态度影响:如果生成物沉淀在裂缝里或粘度过大导致排不出来,仍无法改善地层的渗透性。反应后生成的氯化钙全部溶解于残酸中,其密度和粘度都比水高。这种粘度较高的溶液,对渗流有两方面的影响:一方面携带固体微粒能力较强,能把酸处理时从热储层中脱落的微粒带走防止堵塞;另一方面由于流动阻力增大,对地层渗流非常不利。
2.3 酸岩反应速度
酸溶解酸酸盐岩的过程,就是盐酸被中和或被消耗的过程。酸岩反应速度与处理效果有密切关系:如果反应速度过快,那么酸只能对井壁附近的地层起溶蚀作用,效果不理想。影响酸岩反应速度的因素主要有:面容比,酸液的流速,酸液的类型、酸浓度及温度等其他因素。在其他条件不变时,裂缝越窄,面容比越大,反应速度越快;酸液流速越快,酸液反应速度越快;采用强酸比弱酸的反应速度快;浓酸的反应时间比稀酸的反应时间长。
3. 酸化压裂施工工艺及技术要点

3.1 酸压施工工艺

酸压项目的流程一般是:选择需酸压热储段—下入油管及封隔器—加平衡压力—前置液增压形成裂缝(克服热储层地应力和岩石张力)—破裂形成裂缝—高压泵入酸液使裂缝酸蚀成沟槽(填塞压酸)—排酸(汽化水排酸)
进行酸化压裂洗井时,先下入封隔器,从油管向井内注入清水(前置液),较高的注入速度使井筒内压力增高,达到克服热储层地应力和岩石张力的强度,使酸化段出现破裂形成裂缝,然后再高压泵入酸液使裂缝酸蚀成沟槽,酸化压裂后这些沟槽仍保持张开,具有足够的导流能力,减小了热储层流体释放阻力,使地热流体运移的通路通畅(见图1)。
3.2 酸压施工技术要点
酸化压裂效果与许多因素有关,诸如选择处理层段,选用的酸液、前置液等工艺参数及施工质量等。下面主要介绍选择井层的一般原则、酸液选用以及酸化后的排液。
3.2.1选择酸化压裂热储段
根据以往经验和研究成果,为取得较好的处理效果,酸压中应优先选择物探测井显示储层含水量好,而试水效果差的层段。酸压对于热储层中原有裂隙能起到很好的效果,特别是一类和二类裂隙层,而对于裂隙度较差裂隙效果则稍差。
以天津市复兴门WR-95地热井为例,依据地球物理测井资料分析其热储层孔隙度4.6811.23%,渗透率(0.42~13.85)×103 MD取水段详细热储参数见表1)。孔隙度及渗透率等参数较好,但出水量和出水温度均较差,分析原因是钻井过程中导水通道受阻,需疏通热储层裂隙通道,增加热储层的渗透能力。
1  复兴门WR-95井取水段地层基本数据表

层号
井段
m)
厚度
m)
电阻率
Ω·m
声波时差
μs·m-1
孔隙度
%)
渗透率
(×10-3μm2
泥质含量
%)
解释结果
1
1776.9-1781.0
4.1
842.5
178.61
6.73
4.69
1.59
二类裂隙层
2
1804.9-1808.8
3.9
1010.3
202.46
11.23
13.85
3.99
一类裂隙层
3
1821.4-1824.8
3.4
1147.7
173.10
4.68
0.42
3.04
三类裂隙层
4
1835.3-1842.2
6.9
532.08
194.34
6.14
1.01
16.60
三类裂隙层
5
1861.5-1894.3
32.8
1025.4
171.13
5.89
2.20
6.06
三类裂隙层
6
1957.2-1976.7
19.5
899.08
175.85
7.66
8.70
12.18
二类裂隙层

经分析决定对1776.9~1976.7m段井孔进行酸压处理,油管下入深度1654.21m,封隔器座封深度1642.70m(见图1),井口装置采油树正确安装完,打入平衡压力3MPa;地面管线试验压力28.6MPa;打入前置液15m3;然后采用双泵车打入120m3 HCl(20%),最高泵压21.51MPa,排量为1.36m3/min[1]。在打酸过程中,泵压表显示由平均20MPa瞬间降为9.53MPa,说明碳酸盐岩裂隙经过压裂和酸化溶蚀后,与周围裂隙的沟通明显加强。
3.2.2室内溶蚀试验

 

在进行酸化压裂作业之前,应对处理岩层进行一系列室内物理化学性质的实验分析,通过录井岩屑了解地层内部的岩石及流体的物理化学性质,来正确选用酸化压裂措施材料,确定注酸量等施工参数,同时尽可能真实地模拟井下压力、温度条件来选择与之相容性较好的酸化液体,对目的热储层进行有效的酸化,从而达到对热储层伤害最小的前提下最大限度地疏通岩溶裂隙通道,减小回灌流体进入热储层的阻力,增加热储层的回灌能力。针对WR-95地热井地层参数,进行模拟试验,结果如图2、3所示。3可看出:泵入酸量达到110m3后,随着酸量增大,裂隙总表皮溶蚀趋于0。因此,该井选用了120m3的HCl(浓度20%)作为酸化压裂作业的基础液。试验后的结果如表2如示。

2  岩石溶蚀试验结果(实验温度70℃)
序号
井段(m)
处理液
反应前质量(g)
反应后质量(g)
溶蚀率(%)
1
17781780
15%HCl
5.00
0.2342
95.32
2
18061808
5.00
0.4956
90.09
3
18221824
5.00
0.2763
94.47
4
18341836
5.00
0.6096
87.81
5
18781880
5.00
0.6212
87.58
6
19721974
5.00
0.4652
90.70
7
17781780
20%HCl
5.00
0.3021
93.45
8
18061808
5.00
0.5260
89.48
9
18221824
5.00
0.3277
93.45
10
19341836
5.00
0.6353
87.29
11
18781880
5.00
0.5636
88.73
12
19721974
5.00
0.3812
92.38
3.2.3前置液酸压设计

前置液酸压是用高粘液体作为前置压裂液先把地层压出裂缝,然后再向缝中注入酸液。由于前置液粘度高、滤失量小,比直接用酸液形成较宽、较长的裂缝,所以极大地减少裂缝的面容比,从而降低酸液的反应速度,增大酸的有效作用距离。前置液酸压后再顺序泵入粘度较低的酸液,当酸液进入充填高粘度液体的裂缝时,由于两种液体的粘度相差很悬殊,粘度很小的酸液不会均匀地把高粘前置液顶替走,而是在高粘液体中形成指进现象,如图4所示[3]。这种方法也称“填塞酸压”。这样,进入裂缝的酸液大约只有30-60%的裂缝表面接触,由于减少了接触表面积,一方面降低了漏失量,另一方面又减缓了酸液反应速度,用较少的酸量造成较长的有效裂缝。

3.2.4酸液种类选择

酸液及添加剂的合理使用,对酸压处理效果起着重要作用。主要是选择酸液种类、浓度等参数。酸压各较常用的是多组分酸,是一种或几种有机弱酸与盐酸的混合物。其中:

盐酸是强酸,对碳酸盐岩的溶蚀能力强,反应生成的氯化钙、氯化镁类能全部溶解于残酸水,不会产生沉淀;酸压时对裂缝壁面的不均匀溶蚀程度高,裂缝导流能力大,成本较低;缺点是与石灰岩反应速度快,特别是高深深井,处理不到地层深部,而且腐蚀性严重。酸液浓度的选择可参照图5选择,图中实线表示各种浓度鲜酸的初始反应速度,当浓度小于24-25%时,浓度增加则初始反应速度增加,浓度超过24-25%时,浓度增初始反应速度反而下降,一般利用中选择约20%的盐酸。
有机弱酸一般用甲酸和乙酸,它们在水中只有一小部分离解为氢离子和酸根离子,因此反应速度比同浓度的盐酸要慢几倍到十几倍,有效作用距离长;缺点是溶蚀力小,与碳酸盐作用生成的盐类,在水中的溶解度较小,因此不采用的浓度不能太高,一般甲酸浓度不超过10%,乙酸液的浓度不超过15%。
当盐酸中掺有离解常数小的有机酸时,溶液中的氢离子数主要由盐酸的氢离子数决定。当盐酸活性耗完前,甲酸或乙酸几乎不离解。盐酸在井壁附近溶蚀,有机酸在较远处起作用。反应时间近似为两者之和,增加有效距离。
3.2.5排(液)酸
酸压施工结束后,停留在地层中的残酸由于其活性已基本消失,不能继续溶蚀岩石,而且随着其PH值增高,原来不会沉淀的金属会相继产生金属氧化物沉淀。为防止堵塞地层孔隙,影响酸压效果,应缩短反应时间,限定残酸在某值以上,尽可能将残酸快速排出。常用的排液方法有放喷、抽汲、气举法和增注液态CO2及氮气助喷排液法。
 
4. 酸化压裂技术的实施效果
从酸压处理的阶段、所处理井的不同使用情况选取3个工程实例,对酸压的效果进行说明:
4.1 东丽开发区DL-24地热井
DL-24地热井位于东丽开发区热储目的层为蓟县系雾迷山组,岩性为灰褐色白云岩、硅质白云岩,2000年成井,成井时最大试水量140 m3/h,对应出水温度90℃;2006-2007年度采暖期,DL-24井作为回灌井进行回灌一个采暖期,运行过程中,出现了回灌量衰减的情况。经试验确定DL-24井最大出水量只有100m3/h,对应出水温度81.4℃,热流体温度出现了较大幅度的降低,与成井初期相比产能严重衰减。
依据地球物理测井资料(见表3)分析,井内有两段主裂隙发育较好,其孔隙度和渗透率都非常高,其余则普遍较低,因此DL-24井的两条主裂隙一旦发生堵塞,将直接影响该井产能。
3 DL-24地热井测井解释成果表

深度(m)
厚度(m)
孔隙度(%)
渗透率(×103MD
解释结论
1931.8-1944.0
12.2
5.2
0.5
二类裂隙
1951.0-1974.0
23.0
4.8
0.6
二类裂隙
1980.0-2019.0
39.0
3.8
0.3
二类裂隙
2022.0-2070.0
48.0
4.8
0.4
二类裂隙
2074.8-2102.4
27.6
4.0
18.3
一类裂隙
2155.2-2161.0
5.8
4.9
0.4
二类裂隙
2259.4-2271.0
11.6
14.9
19.8
一类裂隙
2358.0-2363.6
5.6
2.2
0.4
二类裂隙

DL-24热储层孔隙度2.214.9%,渗透率0.3×103~19.8×103 MD;对DL-24井抽水试验结果进行分析计算,其含水层的渗透系数为0.39 m/d,导水系数T为85.76 m2/d,而成井时试验所得渗透系数K为0.62 m/d,导水系数T为132.93 m2/d可以确定DL-24井含水层的孔隙度、渗透率及渗透系数衰减,是影响该井产能的主要原因。
针对其热储层的特征,进行酸化压裂疏通含水层,勾通裂隙通道,经处理后,该井最大出水量激增加至157m3/h,温度上升至89℃。
4.2复兴门WR-95地热井
天津市复兴门WR-95于2006年成井,目的层为古生界奥陶系。成井后测井资料显示井底热储层实际温度为77℃,而实际井口流体温度为53℃,单井出水量只有10.38m3/h,地热井的产量、流体温度均不达标。
依据地球物理测井资料(见表1)分析,热储层孔隙度4.6811.23%,渗透率(0.42~13.85)×103 MD均较好,但出水量和出水温度均较差,分析原因是钻井过程中导水通道受阻。采用酸化压裂的措施:采用盐酸酸压工艺,正挤法方式挤注,挤注压力≤20MPa,排酸方式为汽化水排酸。酸压处理后出水量由原来的10.38 m3/h激增到95.67m3/h,井口流体温度由53℃上升到78℃,增产效果明显。
4.3 河东区HD-02回灌井
HD-02回灌井于1994年1月25日成井,于2002年进行修井后出水量92.45m3/h,出水温度83℃。经过几年的回灌运行,该井回灌量衰减到40 m3/h左右,且经常会溢出井口。为提高地热井回灌能力,于2007年10月份对该井进行了酸化压裂处理,处理以后抽水试验出水量达到137 m3/h,出水温度87℃,比酸化处理前提高4℃。在进行的回灌试验中,处理后的回灌量达到112 m3/h时,回灌井动水位稳定在112m,说明回灌能力仍有很大空间,增产效果十分明显。
5.结论
酸化压裂方法可以疏通碳酸盐岩热储层含水层,勾通裂隙通道,增大岩石的裂隙率,提高热储层导流能力,提高地热井的产能和回灌能力。
酸压施工过程严格按照工艺要求进行,每个施工环节都会影响到最终的效果,应给予高度重视。
在回灌过程中,热储层裂隙更易受到回灌压力的影响而导致回灌量衰减,结合实际情况采用酸压方法,在一定程度上可推进地热资源的可持续开发。
 
 
参考文献:
[1]王连成等,[地热回灌系统工程建设及新技术应用研究].天津地热勘查开发设计院,2007,46-48;
[2]王连成等,[天津市东丽区地热开发有限公司DL-24、DL-24B地热对井回灌试验总结报告].天津地热勘查开发设计院,2007,7-8。
[3]陈涛平等,[石油工程].2000,407-408,417-418。
 
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