液氮伴注酸化压裂工艺介绍
酸压( 对于裂缝性储层, 酸压的主要目的是沟通地层的天然裂缝,提高储层的渗流能力) 是解除地层堵塞、沟通天然裂缝系统的有效措施之一, 但在实施过程中常常由于对地层客观认识不足, 对酸液、添加剂选择不当或是设计欠妥, 造成作业后非但不能解除原有堵塞, 反而更进一步加深对储层的伤害。
如果储层中粘土矿物中敏感性成分含量较高, 加之埋藏较深,酸压后残酸中溶解有大量的CaCl2, 使得残酸密度增大, 仅靠地层能量难以达到顺利返排, 残酸滞留于地层引起二次污染的问题比较突出。
为解决这一矛盾, 除在酸液配方上进行优选外, 还采用混注氮气的方法, 来提高残酸自身的返排能力, 降低酸液在裂缝、孔隙中的滞留程度, 实践表明:混气酸化后的自喷返排率比常规酸化有了很大程度的提高, 排液周期明显缩短, 是低渗层酸化助排的理想手段。
1.混注氮气酸压技术
1.1 氮气的性质
常温常压下, 氮气是一种无色、无味的惰性气体, 不能燃烧, 微溶于液体。
在常压下, 当温度降至- 195.78℃时, 氮气将变为无色透明的液体, 液氮密度为808.23kg/m3, 液氮的体积膨胀比为600: 1, 1m3 液氮可转化为646m3 标准状况下的氮气。
当温度降至- 210℃时, 氮气凝固成雪状的固体。
1.2 混注氮气酸压机理
( 1) 保护油层作用酸液与地层流体的不配伍性主要表现在两个方面:
与储层中原油接触形成乳化液或酸渣; 与地层水反应生成沉淀,堵塞渗流孔道。
混氮气酸压中注入的前置氮气在一定程度上将地层流体与酸液隔离开来, 避免了原油与酸液形成乳状液, 能够有效避免和减缓酸液与地层流体不配伍所产生的伤害。
(2)降滤失作用混气酸液进入储层后, 由于层内垂向渗透率的非均质差异或多层系统中各层损害程度不一, 前置氮气的转向作用会使氮气优先进入裂缝相对发育的高渗透带, 降低了后续酸液沿高渗带滤失; 分散的气泡在部分裂缝口、喉道、孔隙处聚集, 叠加的贾敏效应大大减小了酸液的滤失; 混注氮气分散于酸液中形成气泡使混合流体的粘度有所增加, 也可提高酸液自身的降滤失能力; 气液两相流动使得液相渗透率降低, 在一定程度上也抑制了酸液滤失。
( 3) 助排作用施工结束后放喷, 依靠压缩氮气所蓄积的弹性能在卸压后体积发生膨胀, 克服微细裂缝、小孔隙中毛管力对残酸液的约束, 推动残酸流入井筒, 并携带出部分酸化过程中出现的不溶物、悬浮物和沉淀物, 减轻酸液在地层中的滞留损害; 同时氮气与残酸液混合, 降低了井筒中流体的密度, 有利于酸液自喷返排, 激励地层供液,残酸可在较短时间内比较彻底地排出, 减少了地层对酸液添加剂的吸附、缩短了酸液对地层的浸泡时间, 减轻了粘土膨胀等不利因素, 有效防止了残酸的二次污染。
1.3 混注氮气技术关键
根据现场施工经验泵酸时的压力、排量曲线, 酸液在地层中的滤失存在着“低→高→低”的三阶段现象: 即酸液初始注入阶段,滤失量
相对较小; 随着酸压时间的延长, 酸蚀裂缝、蚓孔的形成和天然裂缝系统的沟通, 滤失量也急剧增大; 当酸岩反应到一定程度后, 酸液活性降低, 酸溶解能力下降, 加之酸可溶解的矿物减少, 滤失量又呈平缓下降趋势。
根据以上特征, 现场混注液氮应以施工中酸液滤失最快的中段做为重点。
前置液中一般不混注液氮, 避免在施工过程中造成过高的施工压力; 随后的酸液中开始混注液氮, 主体酸处理阶段应加大混注液氮力度, 保证液氮混注量; 后置液阶段一般也不混注液氮。
但是, 为了发挥氮气的更多的功能( 隔离保护油层、降滤失等) 和残酸更快、更彻底的返排, 最有效的方式是将液氮分两部分注入, 即前置注入和主体酸混注。
目前在国内油田有三种注入方式, 混注、前置注入和前置注入加混注。
最为理想的注入方式为最后一种方法, 因为单纯的前置注入容易在地层和井筒中憋起高压, 造成过高的施工压力,单纯的混注也不利于发挥氮气的多重功能。
1.4 工艺流程
目前国内油田复杂岩性储层通过应用多级注入胶凝酸/乳化酸酸压+闭合土酸酸化工艺并混注液氮来进行大型酸压改造, 成功地降低了酸岩反应速度和酸液的滤失, 从而达到了解除污染、沟通裂缝、获得较长的酸蚀裂缝和较高导流能力的目的。
其工艺流程一般为: 挤前置盐酸→挤注前置氮气→与主体酸液混注氮气→清水顶替→停泵闭合裂缝→关井→等待酸岩反应→放喷。
2.混气酸压设计
混气酸压设计包括酸压设计与注气设计两部分, 前者在设计中
需考虑混入氮气后静液柱压力、酸液体积与溶蚀速度所发生的变化, 其它方面遵从常规设计方法。
注气设计主要采用两种方法。
2.1 从理论计算出发, 假定注入氮气全部返出, 并忽略摩阻与滑脱, 井筒中酸液实现自喷返排的条件必须满足静液柱压力低于返排压差(可通过调整混合流体中气相比例来改变其视密度达到)。
根据酸化用液量,实际应用中液氮用量为总液量的2.5%—8%，根据地层能量和施工过程中压力变化，调整注入量。
2.2 从设备能力出发, 首先测定液氮泵车单机注入能力, 建立起泵速与排量的关系, 确定单机最大混注能力, 再由液氮实际储运能力、泵注能力、理论用量及所发生的费用确定施工液氮用量, 按照酸化设计提供的时间, 把液氮量分为前置和混注两部分, 制定出各阶段注气排量和变化率, 优化液氮转罐方案, 使参与施工的各台液氮泵车保持均衡运转。
相对而言, 这一方法更符合现场实际, 操作性更强一些。
具体设计中把以上两种方法结合起来, 先从设备能力出发进行设计, 然后再从理论方面进行校核。
3.液氮伴注酸压施工优点：
(1) 混气酸压的解堵增产、保护储层的机理在于注入氮气的隔离、降滤失和助排等作用, 其中助排最为重要。
(2) 混氮气酸压技术的优越性在于增强了酸液的返排能力, 提高了残酸的返排速度和返出程度, 大大减轻了酸液滞留于地层引起的二次伤害, 尤其适用于地层压力低、敏感性强的地层, 但由于液氮价格昂贵, 在一定程度上限制了该技术应用。
(3) 由于混合流体比重比酸液低、气体的膨胀, 使得施工压力高于常规酸压10- 20Mpa。
(4) 将液氮分前置和混注两部分注入更有利于施工和残酸的返排。
(5) 与同类常规酸化井比较, 混氮气酸压可缩短排液周期4～15d。
长城中哈压裂酸化技术服务队
孙刚
2009年7月1日。
