酸化壓裂方法在碳酸鹽巖熱儲中的應用

1、酸化壓裂方法在碳酸鹽巖熱儲中的應用2010-11-10 13:42:50閱讀數(shù)：283網(wǎng)友評論:0條王連成天津地熱勘查開發(fā)設計院天津市河東區(qū)衛(wèi)國道189號24567652geothermal01摘要本文對酸化壓裂方法在碳酸鹽巖熱儲中的應用進行了詳細說明，并結合工程實例從技術原理、適用前提、增產及回灌效果等幾個方面進行介紹。提出針對適合的裂隙熱儲層，選用合理的工藝進行酸化處理可以有效增加地熱井產能和回灌能力。關鍵詞基巖熱儲，酸化壓裂，孔隙度，滲透率1.引言酸化壓裂是靠酸液的化學溶蝕作用以及向地層擠酸時的水力作用來提高熱層滲透性能的工藝措施，注酸壓力高于熱儲層破裂壓力，酸液同時發(fā)揮化學作用和水力作

2、用來擴大、延伸、壓裂和溝通裂縫，形成延伸遠、流通能力高的滲流通道。該方法近年來應用于碳酸鹽巖熱儲地熱井的增產和地熱回灌井的處理中。天津市碳酸鹽巖熱儲層地熱井的主要目的層為古生界奧陶系（O）和中元古界薊縣系霧迷山組（Jxw）熱儲層，傳統(tǒng)的地熱井在鉆探揭露該類型巖層時，往往因地層巖溶裂隙發(fā)育，泥漿只進不出，巖屑連同泥漿全部漏失進入地層，堵塞了含水裂隙，影響成井質量。尤其是對地熱回灌井，回灌過程中由于回灌流體進入熱儲層的壓力使巖屑對裂隙越壓越密，導致流體需克服的阻力也越來越大，回灌量逐漸衰減。在熱儲層裂隙發(fā)育程度滿足的情況下，利用酸化壓裂的方法可以有效提高地熱井的產能，尤其在回灌井的施工和處理中，對

3、提高回灌效果極為重要。對于提高地熱井的使用壽命和維持地熱資源的可持續(xù)發(fā)展效果顯著。2.酸化壓裂技術增產原理碳酸鹽巖熱儲層的主要礦物成分是方解石和白云石，進行酸壓處理，就是要清除孔隙、裂隙中的堵塞物質，擴大溝通地層裂隙通道，提高熱儲層的滲透性能。2.1酸巖化學反應酸壓處理中，主要工作介質是鹽酸，其進入熱儲層縫隙后，將與巖石壁面發(fā)生化學反應。以其主要成分方解石（CaCO3）、白玉石(CaMg(CO3)2)為例說明酸液注入后的主要化學反應，其化學反應方程式為：CaCO3+2HCl=CaCl2+CO2+H2OCaMg(CO3)2+4HCl=MgCl2+CaCl2+2CO2+2H2O計算可得，1m3體積

4、28%濃度的鹽酸可溶解438kg碳酸鈣，生成486kg氯化鈣、79kg水和193kg二氧化碳，而被溶解的碳酸鈣，體積相當于0.162m3，由此可見，與1m328%的鹽酸反應后的熱儲層能增加0.162m3空間，這是很可觀的。由此可知，酸壓處理后，熱儲層中大量的碳酸鹽巖被溶解，增加了裂縫的空間體積；反應后的殘酸水是溶有少量CO2的水溶液，同時留有部分CO2呈小氣泡狀分布于其中。2.2反應物生成狀態(tài)地層的滲透性能否得到改善，不僅取決于所溶解的酸酸鹽巖，還受反應生成物的態(tài)度影響：如果生成物沉淀在裂縫里或粘度過大導致排不出來，仍無法改善地層的滲透性。反應后生成的氯化鈣全部溶解于殘酸中，其密度和粘度都比水

5、高。這種粘度較高的溶液，對滲流有兩方面的影響：一方面攜帶固體微粒能力較強，能把酸處理時從熱儲層中脫落的微粒帶走防止堵塞；另一方面由于流動阻力增大，對地層滲流非常不利。2.3酸巖反應速度酸溶解酸酸鹽巖的過程，就是鹽酸被中和或被消耗的過程。酸巖反應速度與處理效果有密切關系：如果反應速度過快，那么酸只能對井壁附近的地層起溶蝕作用，效果不理想。影響酸巖反應速度的因素主要有：面容比，酸液的流速，酸液的類型、酸濃度及溫度等其他因素。在其他條件不變時，裂縫越窄，面容比越大，反應速度越快；酸液流速越快，酸液反應速度越快；采用強酸比弱酸的反應速度快；濃酸的反應時間比稀酸的反應時間長。3.酸化壓裂施工工藝及技術要

6、點3.1酸壓施工工藝酸壓項目的流程一般是：選擇需酸壓熱儲段下入油管及封隔器加平衡壓力前置液增壓形成裂縫（克服熱儲層地應力和巖石張力）破裂形成裂縫高壓泵入酸液使裂縫酸蝕成溝槽（填塞壓酸）排酸（汽化水排酸）進行酸化壓裂洗井時，先下入封隔器，從油管向井內注入清水（前置液），較高的注入速度使井筒內壓力增高，達到克服熱儲層地應力和巖石張力的強度，使酸化段出現(xiàn)破裂形成裂縫，然后再高壓泵入酸液使裂縫酸蝕成溝槽，酸化壓裂后這些溝槽仍保持張開，具有足夠的導流能力，減小了熱儲層流體釋放阻力，使地熱流體運移的通路通暢（見圖1）。3.2酸壓施工技術要點酸化壓裂效果與許多因素有關，諸如選擇處理層段，選用的酸液、前置液等

7、工藝參數(shù)及施工質量等。下面主要介紹選擇井層的一般原則、酸液選用以及酸化后的排液。3.2.1選擇酸化壓裂熱儲段根據(jù)以往經驗和研究成果，為取得較好的處理效果，酸壓中應優(yōu)先選擇物探測井顯示儲層含水量好，而試水效果差的層段。酸壓對于熱儲層中原有裂隙能起到很好的效果，特別是一類和二類裂隙層，而對于裂隙度較差裂隙效果則稍差。以天津市復興門WR-95地熱井為例，依據(jù)地球物理測井資料分析其熱儲層孔隙度4.6811.23%，滲透率(0.4213.85)103MD（取水段詳細熱儲參數(shù)見表1）。孔隙度及滲透率等參數(shù)較好，但出水量和出水溫度均較差，分析原因是鉆井過程中導水通道受阻，需疏通熱儲層裂隙通道，增加熱儲層的滲

8、透能力。表1復興門WR-95井取水段地層基本數(shù)據(jù)表層號井段（m）厚度（m）電阻率（m）聲波時差（sm-1）孔隙度（%）滲透率(10-3m2）泥質含量（%）解釋結果11776.9-1781.04.1842.5178.616.734.691.59二類裂隙層21804.9-1808.83.91010.3202.4611.2313.853.99一類裂隙層31821.4-1824.83.41147.7173.104.680.423.04三類裂隙層41835.3-1842.26.9532.08194.346.141.0116.60三類裂隙層51861.5-1894.332.81025.4171.135.8

9、92.206.06三類裂隙層61957.2-1976.719.5899.08175.857.668.7012.18二類裂隙層經分析決定對1776.91976.7m段井孔進行酸壓處理，油管下入深度1654.21m，封隔器座封深度1642.70m(見圖1)，井口裝置采油樹正確安裝完，打入平衡壓力3MPa；地面管線試驗壓力28.6MPa；打入前置液15m3；然后采用雙泵車打入120m3HCl（20%），最高泵壓21.51MPa,排量為1.36m3/min1。在打酸過程中，泵壓表顯示由平均20MPa瞬間降為9.53MPa，說明碳酸鹽巖裂隙經過壓裂和酸化溶蝕后，與周圍裂隙的溝通明顯加強。3.2.2室內溶

10、蝕試驗在進行酸化壓裂作業(yè)之前，應對處理巖層進行一系列室內物理化學性質的實驗分析，通過錄井巖屑了解地層內部的巖石及流體的物理化學性質，來正確選用酸化壓裂措施材料，確定注酸量等施工參數(shù)，同時盡可能真實地模擬井下壓力、溫度條件來選擇與之相容性較好的酸化液體，對目的熱儲層進行有效的酸化，從而達到對熱儲層傷害最小的前提下最大限度地疏通巖溶裂隙通道，減小回灌流體進入熱儲層的阻力，增加熱儲層的回灌能力。針對WR-95地熱井地層參數(shù)，進行模擬試驗，結果如圖2、3所示。圖3可看出：泵入酸量達到110m3后，隨著酸量增大，裂隙總表皮溶蝕趨于0。因此，該井選用了120m3的HCl（濃度20%）作為酸化壓裂作業(yè)的基礎

11、液。試驗后的結果如表2如示。表2巖石溶蝕試驗結果（實驗溫度70）序號井段（m）處理液反應前質量（g）反應后質量（g）溶蝕率（%）11778178015%HCl5.000.234295.322180618085.000.495690.093182218245.000.276394.474183418365.000.609687.815187818805.000.621287.586197219745.000.465290.7071778178020%HCl5.000.302193.458180618085.000.526089.489182218245.000.327793.4510193418

12、365.000.635387.2911187818805.000.563688.7312197219745.000.381292.383.2.3前置液酸壓設計前置液酸壓是用高粘液體作為前置壓裂液先把地層壓出裂縫，然后再向縫中注入酸液。由于前置液粘度高、濾失量小，比直接用酸液形成較寬、較長的裂縫，所以極大地減少裂縫的面容比，從而降低酸液的反應速度，增大酸的有效作用距離。前置液酸壓后再順序泵入粘度較低的酸液，當酸液進入充填高粘度液體的裂縫時，由于兩種液體的粘度相差很懸殊，粘度很小的酸液不會均勻地把高粘前置液頂替走，而是在高粘液體中形成指進現(xiàn)象，如圖4所示3。這種方法也稱“填塞酸壓”。這樣，進入裂縫

13、的酸液大約只有30-60%的裂縫表面接觸，由于減少了接觸表面積，一方面降低了漏失量，另一方面又減緩了酸液反應速度，用較少的酸量造成較長的有效裂縫。3.2.4酸液種類選擇酸液及添加劑的合理使用，對酸壓處理效果起著重要作用。主要是選擇酸液種類、濃度等參數(shù)。酸壓各較常用的是多組分酸，是一種或幾種有機弱酸與鹽酸的混合物。其中：鹽酸是強酸，對碳酸鹽巖的溶蝕能力強，反應生成的氯化鈣、氯化鎂類能全部溶解于殘酸水，不會產生沉淀；酸壓時對裂縫壁面的不均勻溶蝕程度高，裂縫導流能力大，成本較低；缺點是與石灰?guī)r反應速度快，特別是高深深井，處理不到地層深部，而且腐蝕性嚴重。酸液濃度的選擇可參照圖5選擇，圖中實線表示各種

14、濃度鮮酸的初始反應速度，當濃度小于24-25%時，濃度增加則初始反應速度增加，濃度超過24-25%時，濃度增初始反應速度反而下降，一般利用中選擇約20%的鹽酸。有機弱酸一般用甲酸和乙酸，它們在水中只有一小部分離解為氫離子和酸根離子，因此反應速度比同濃度的鹽酸要慢幾倍到十幾倍，有效作用距離長；缺點是溶蝕力小，與碳酸鹽作用生成的鹽類，在水中的溶解度較小，因此不采用的濃度不能太高，一般甲酸濃度不超過10%，乙酸液的濃度不超過15%。當鹽酸中摻有離解常數(shù)小的有機酸時，溶液中的氫離子數(shù)主要由鹽酸的氫離子數(shù)決定。當鹽酸活性耗完前，甲酸或乙酸幾乎不離解。鹽酸在井壁附近溶蝕，有機酸在較遠處起作用。反應時間近似

15、為兩者之和，增加有效距離。3.2.5排（液）酸酸壓施工結束后，停留在地層中的殘酸由于其活性已基本消失，不能繼續(xù)溶蝕巖石，而且隨著其PH值增高，原來不會沉淀的金屬會相繼產生金屬氧化物沉淀。為防止堵塞地層孔隙，影響酸壓效果，應縮短反應時間，限定殘酸在某值以上，盡可能將殘酸快速排出。常用的排液方法有放噴、抽汲、氣舉法和增注液態(tài)CO2及氮氣助噴排液法。4.酸化壓裂技術的實施效果從酸壓處理的階段、所處理井的不同使用情況選取3個工程實例，對酸壓的效果進行說明：4.1東麗開發(fā)區(qū)DL-24地熱井DL-24地熱井位于東麗開發(fā)區(qū)，熱儲目的層為薊縣系霧迷山組，巖性為灰褐色白云巖、硅質白云巖，于2000年成井，成井時

16、最大試水量140 m3/h，對應出水溫度90；2006-2007年度采暖期，DL-24井作為回灌井進行回灌一個采暖期，運行過程中，出現(xiàn)了回灌量衰減的情況。經試驗確定DL-24井最大出水量只有100m3/h，對應出水溫度81.4，熱流體溫度出現(xiàn)了較大幅度的降低，與成井初期相比其產能嚴重衰減。依據(jù)地球物理測井資料（見表3）分析，井內有兩段主裂隙發(fā)育較好，其孔隙度和滲透率都非常高，其余則普遍較低，因此DL-24井的兩條主裂隙一旦發(fā)生堵塞，將直接影響該井產能。表3DL-24地熱井測井解釋成果表深度（m）厚度（m）孔隙度（%）滲透率（103MD）解釋結論1931.8-1944.012.25.20.5二類

17、裂隙1951.0-1974.023.04.80.6二類裂隙1980.0-2019.039.03.80.3二類裂隙2022.0-2070.048.04.80.4二類裂隙2074.8-2102.427.64.018.3一類裂隙2155.2-2161.05.84.90.4二類裂隙2259.4-2271.011.614.919.8一類裂隙2358.0-2363.65.62.20.4二類裂隙DL-24井熱儲層孔隙度2.214.9%，滲透率0.310319.8103MD；對DL-24井抽水試驗結果進行分析計算，其含水層的滲透系數(shù)為為0.39m/d，導水系數(shù)T為85.76m2/d，而成井時試驗所得滲透系數(shù)K

18、為0.62m/d，導水系數(shù)T為132.93m2/d?？梢源_定DL-24井含水層的孔隙度、滲透率及滲透系數(shù)衰減，是影響該井產能的主要原因。針對其熱儲層的特征，進行酸化壓裂疏通含水層，勾通裂隙通道，經處理后，該井最大出水量激增加至157m3/h，溫度上升至89。4.2復興門WR-95地熱井天津市復興門WR-95于2006年成井，目的層為古生界奧陶系。成井后測井資料顯示井底熱儲層實際溫度為77，而實際井口流體溫度為53，單井出水量只有10.38m3/h，地熱井的產量、流體溫度均不達標。依據(jù)地球物理測井資料（見表1）分析，熱儲層孔隙度4.6811.23%，滲透率(0.4213.85)103MD，均較好，但出水量和出水溫度均較差，分析原因是鉆井過程中導水通道受阻。采用酸化壓裂的措施：采用鹽酸酸壓工藝，正擠法方式擠注，擠注壓力20MPa，排酸方式為汽化水排酸。酸壓處理后出水量由原來的10.38 m3/h激增到95.67m3/h，井口流體溫度由53上升到78，增產效果明顯。4.3河東區(qū)HD-02回灌井HD-02回灌井于1994年1月25日成井，于2002年進行修井后出水量92.45m3/h，出