CN108959724A - 一种致密砂岩储层酸损伤工艺参数设计方法 - Google Patents

一种致密砂岩储层酸损伤工艺参数设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种致密砂岩储层酸损伤工艺参数设计方法，依次包括以下步骤：（1）确定高温高压酸损伤实验中反应压力P的极大值；（2）制备标准圆柱体岩样并筛选性质均一的样品，采用高温高压浸泡的方式对岩样进行酸损伤处理；（3）测试酸损伤后岩样的抗压强度σ，根据不同酸损伤条件下岩样抗压强度σ的变化规律，优选高温高压酸损伤实验参数；（4）根据最优实验参数进行酸损伤工艺参数设计，即确定酸液浓度、注酸压力、施工规模。本发明对原有的酸损伤实验方法进行改进，建立了适用于致密、超致密储层的酸损伤实验评价方法及工艺参数设计方法，为储层的酸损伤工艺参数设计提供合理依据，提高了酸损伤施工的成功率。

Description

一种致密砂岩储层酸损伤工艺参数设计方法
技术领域
本发明涉及油气田开发领域压裂改造过程中致密砂岩储层的酸损伤工艺参数设计方法。
背景技术
我国致密砂岩气的技术可采资源量为9.2万亿～13.4万亿m3，是我国天然气勘探开发的重要领域(张国生,赵文智.我国致密砂岩气资源潜力、分布与未来发展地位[J].中国工程科学,2012,14(06):87-93)。致密砂岩普遍具有低孔渗、岩性致密、非均质性强、岩石强度大等特征，在这类储层中，有相当比例为异常破裂压力储层。通过压裂形成一条具有一定导流能力的人工裂缝，改善储层的渗流能力，是这类储层实现勘探评价和有效开发的关键工程技术。
然而，“压不开”“破裂压力高”是深层致密砂岩压裂改造所面临的工程技术难题。水力压裂过程中表现出破裂压力高、延伸压力高、停泵压力高、施工排量低等问题，压裂改造效果普遍不理想。目前通常在压裂施工前采用酸损伤和射孔等降低破裂压力技术对储层进行预处理，以降低压裂施工难度。
酸损伤作为降破压的有效工程措施，是指压裂施工前在不压开地层的条件下向地层中注入酸液，利用酸液对岩石的溶蚀作用，改变岩石矿物成分，破坏岩石的胶结结构，从微观上改变岩石的物理性质，在宏观上改变岩石的力学性质，以达到降低破裂压力的目的。酸损伤降低破裂压力的幅度与施工参数密切相关(苟波,郭建春,余婷.酸损伤降低岩石破裂压力计算新方法[J].中南大学学报(自然科学版),2015,46(01):274-281)。不同的施工参数对储层孔隙空间的改善程度存在差异，因此降低破裂压力的幅度也不同。
目前，酸液对岩石力学性质的影响的实验评价方法主要是常温常压浸泡和常温岩心驱替两种方式，而致密砂岩由于岩心致密，在常压浸泡和低压驱替两种方式下，酸液均无法有效进入岩心，且不能模拟地层高温高压条件下的酸损伤，实验结果与实际地层条件的损伤结果有一定差距。此外，目前酸损伤工艺参数的确定具有较强的主观性，主要依据现场经验，导致降低破裂压力的效果不理想、甚至失败。因此，亟需一种针对致密砂岩储层的酸损伤优化设计方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种针对致密砂岩储层的酸损伤工艺参数设计方法，该方法原理可靠，操作简单，有效解决了致密砂岩酸损伤评价问题，能够为酸损伤工艺参数的优化提供指导，克服了现有技术的缺陷和不足。
为达到以上技术目的，本发明提供以下技术方案。
本发明利用致密砂岩储层的井下岩心开展酸对岩石的力学损伤实验，通过改变高温高压酸岩反应的不同实验参数(酸液浓度、反应时间、压力)得到不同损伤程度的岩样，根据损伤后岩样的力学参数优选实验参数，作为酸损伤施工参数优化的依据。
一种致密砂岩储层酸损伤工艺参数设计方法，依次包括以下步骤：
(1)确定高温高压酸损伤实验中反应压力P的极大值；
(2)制备标准圆柱体岩样并筛选性质均一的样品，采用高温高压浸泡的方式对岩样进行酸损伤处理；
(3)测试酸损伤后岩样的抗压强度σ，根据不同酸损伤条件下岩样抗压强度σ的变化规律，优选高温高压酸损伤实验参数；
(4)根据最优实验参数进行酸损伤工艺参数设计。
在本发明中，所述步骤(1)确定高温高压酸损伤实验中反应压力P的极大值，是指根据地层的最大水平主应力、最小水平主应力、孔隙压力、孔弹性系数、泊松比、最小抗张强度计算地层破裂压力PF(李颖川.采油工程[M].石油工业出版社,2009)：
式中PF——地层破裂压力，MPa；
——有效最小水平主应力，MPa；
σy——最小水平主应力，MPa；
——有效最大水平主应力，MPa；
σx——最大水平主应力，MPa；
——最小抗张强度，MPa；
α——孔弹性系数，无因次；
v——泊松比，无因次；
Pp——储层孔隙压力，MPa。
然后根据下式确定高温高压酸损伤反应压力的极大值Pmax：
Pmax＝PF-Pp (2)
在本发明中，所述步骤(2)制备标准圆柱体岩样并筛选性质均一的样品，采用高温高压浸泡的方式对岩样进行酸损伤处理，过程如下：
A.钻取直径为25mm、长度为50mm的圆柱形岩样，根据声波波速筛选性质均一的样品，并将岩样在地层温度下烘干；
B.将岩样放入装有足量酸液的高温高压动态反应釜中，向釜内通入氮气至设计反应压力，将釜体升温至设计温度，待酸岩反应至设计时间后，将釜体泄压，取出岩心；
C.采用控制变量法，分别改变酸液浓度C、反应时间T和反应压力P(P<Pmax)，重复过程B，得到不同损伤条件下的不同损伤程度的岩样。
在本发明中，所述步骤(3)测试酸损伤后岩样的抗压强度σ，根据不同酸损伤条件下岩样抗压强度σ的变化规律，优选高温高压酸损伤实验参数，过程如下：
A.将酸损伤后的岩样置于干燥箱中，在地层温度下烘干24小时；
B.采用高温高压岩石三轴试验仪，对岩心施加围压，开展三轴压缩试验，获取岩样压缩破坏过程中的抗压强度；
C.以抗压强度为纵坐标，以酸液浓度C、反应时间T、反应压力P为横坐标，分别得到抗压强度-酸液浓度、抗压强度-反应时间、抗压强度-反应压力关系曲线；
D.曲线中岩石强度发生明显变化的点所对应的参数即为优选的实验参数，即最优酸液浓度Copt、最优反应时间Topt、最优反应压力Popt。
在本发明中，所述步骤(4)根据最优实验参数进行酸损伤工艺参数设计，过程如下：
A.确定酸液浓度：步骤(3)中最优酸液浓度Copt即为酸损伤施工的优选酸液浓度；
B.确定注酸压力：根据下式计算酸损伤施工时的井口注酸压力Pinj：
Pinj＝Pp+Popt+Pf-PH (3)
PH＝ρgh/1000
式中Pinj——井口注酸压力，MPa；
Pf——井筒中的摩阻，MPa；
PH——井筒中的液柱压力，MPa；
h——储层厚度，m；
ρ——井筒液体密度，g/cm3；
C.确定施工规模：根据下式确定施工酸损伤规模，即酸液用量V：
V＝h×πr2×φ (4)
式中V——酸液用量，m3；
r——设计损伤半径，m2；
φ——储层孔隙度，无因次。
在本发明具体施工工艺中，以井口注酸压力Pinj注酸，若将酸液完全注入地层的时间小于酸岩最优反应时间Topt，则停泵使酸液在地层中反应至酸岩最优反应时间Topt后，再进行后续压裂施工。
与现有技术相比，本发明对原有的酸损伤实验方法进行改进，建立了适用于致密、超致密储层的酸损伤实验评价方法及工艺参数设计方法，为储层的酸损伤工艺参数设计提供合理依据，提高了酸损伤施工的成功率。
附图说明
图1是本发明中不同酸液浓度与岩石抗压强度的关系曲线图。
图2是本发明中不同反应压力与岩石抗压强度的关系曲线图。
图3是本发明中不同反应时间与岩石抗压强度的关系曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
该实施方式旨在对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。
实施例1
以川东致密砂岩井的酸损伤工艺参数设计为例，该致密砂岩井储层的地应力、岩石力学、深度等相关参数如表1所示。
表1实施例1基础参数
参数 取值 参数 取值
改造段中深，m 5050 储层厚度，m 22
最大水平主应力，MPa 115 最小水平主应力，MPa 110
孔弹性系数 1 孔隙压力，MPa 95
最小抗张强度，MPa 5 泊松比 0.19
损伤半径，m 3 孔隙度，％ 5
采用本发明提供的致密砂岩储层酸损伤工艺参数设计方法，具体过程如下：
(1)基于表1中的数据，根据式(1)、式(2)得到高温高压酸损伤反应压力的极大值Pmax为24.3MPa，因次高温高压酸损伤的反应压力P应小于24.3MPa。
(2)制备标准圆柱体岩样并筛选性质均一的样品，采用高温高压浸泡的方式对岩样进行酸损伤处理：
A.对致密砂岩全直径岩心径向钻取直径为25mm的圆柱形试样，保持岩样的长度与直径为2:1，以避免端部效应。两个端面平行度必须保持在0.02mm范围内，端面与轴线的垂直度在0.05mm内。对钻取的21个岩样进行声波波速测试，基于测试得到的岩样纵波波速，选择波速分布相对集中的15个岩样(编号为#1-#15)；
B.将岩样放入盛有足量酸液的高温高压动态反应釜中，向釜内通入氮气至设计反应压力，将釜体升温至90℃，待酸岩反应至设计时间后，将釜体泄压，取出岩心；
C.采用控制变量法，分别改变酸液浓度C、反应时间T和反应压力P(P<Pmax)，重复过程B，得到不同损伤条件下的不同损伤程度的岩样。
(3)测试酸损伤后岩样的抗压强度σ，根据不同酸损伤条件下岩样抗压强度σ变化规律，优选高温高压酸损伤实验参数：
A.将岩样置于干燥箱中，在90℃下烘干24小时；
B.采用高温高压岩石三轴试验仪器，对岩心施加围压(储层上覆压力-储层流体压力)，开展三轴压缩试验，得到岩样在不同酸损伤条件(酸液浓度、反应压力和反应时间)下的抗压强度σ；
C.以抗压强度σ为纵坐标，以酸液浓度C、反应时间T、反应压力P为横坐标，绘制抗压强度-酸液浓度关系曲线(图1)、抗压强度-反应压力关系曲线(图2)、抗压强度-反应时间关系曲线(图3)；
D.曲线中岩石强度发生明显变化的点所对应的参数即为优选的实验参数，优选得到最优酸液浓度Copt为15％HCL+3％HF、最优反应时间Topt为90min、最优反应压力Popt为24MPa。
(4)根据最优实验参数进行酸损伤工艺参数设计：
A.酸损伤施工的优选酸液浓度15％HCL+3％HF；
B.根据式(3)计算酸损伤施工时的井口注酸压力Pinj为90.5MPa；
C.根据式(4)确定施工酸损伤规模，得到酸液用量V为31m3。
在本发明具体施工工艺中，根据实际注酸时间确定停泵时间。若实际将酸液完全注入地层的时间小于最优反应时间90min，则停泵使酸液在地层中反应至90min后，再进行后续压裂施工。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，本发明并不局限于上述方式，在不脱离本发明原理的前提下所作的进一步改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种致密砂岩储层酸损伤工艺参数设计方法，依次包括以下步骤：
(1)确定高温高压酸损伤实验中反应压力P的极大值；
(2)制备标准圆柱体岩样并筛选性质均一的样品，采用高温高压浸泡的方式对岩样进行酸损伤处理；
(3)测试酸损伤后岩样的抗压强度σ，根据不同酸损伤条件下岩样抗压强度σ的变化规律，优选高温高压酸损伤实验参数；
(4)根据最优实验参数进行酸损伤工艺参数设计。
2.如权利要求1所述的一种致密砂岩储层酸损伤工艺参数设计方法，其特征在于，所述步骤(1)确定高温高压酸损伤实验中反应压力P的极大值，是指根据地层的最大水平主应力、最小水平主应力、孔隙压力、孔弹性系数、泊松比、最小抗张强度计算地层破裂压力PF：
式中PF——地层破裂压力，MPa；
——有效最小水平主应力，MPa；
σy——最小水平主应力，MPa；
——有效最大水平主应力，MPa；
σx——最大水平主应力，MPa；
——最小抗张强度，MPa；
α——孔弹性系数，无因次；
v——泊松比，无因次；
Pp——储层孔隙压力，MPa；
然后根据下式确定高温高压酸损伤反应压力的极大值Pmax：
Pmax＝PF-Pp。
3.如权利要求1所述的一种致密砂岩储层酸损伤工艺参数设计方法，其特征在于，所述步骤(2)制备标准圆柱体岩样并筛选性质均一的样品，采用高温高压浸泡的方式对岩样进行酸损伤处理，过程如下：
A.钻取圆柱形岩样，筛选性质均一的样品，将岩样在地层温度下烘干；
B.将岩样放入装有足量酸液的高温高压动态反应釜中，向釜内通入氮气至设计反应压力，将釜体升温至设计温度，待酸岩反应至设计时间后，将釜体泄压，取出岩心；
C.分别改变酸液浓度C、反应时间T和反应压力P，重复过程B，得到不同损伤条件下的不同损伤程度的岩样。
4.如权利要求1所述的一种致密砂岩储层酸损伤工艺参数设计方法，其特征在于，所述步骤(3)测试酸损伤后岩样的抗压强度σ，根据不同酸损伤条件下岩样抗压强度σ的变化规律，优选高温高压酸损伤实验参数，过程如下：
A.将酸损伤后的岩样置于干燥箱中，在地层温度下烘干24小时；
B.对岩心施加围压，开展三轴压缩试验，获取岩样压缩破坏过程中的抗压强度；
C.以抗压强度为纵坐标，以酸液浓度C、反应时间T、反应压力P为横坐标，分别得到抗压强度-酸液浓度、抗压强度-反应时间、抗压强度-反应压力关系曲线；
D.曲线中岩石强度发生明显变化的点所对应的参数即为优选的实验参数，即最优酸液浓度Copt、最优反应时间Topt、最优反应压力Popt。
5.如权利要求1所述的一种致密砂岩储层酸损伤工艺参数设计方法，其特征在于，所述步骤(4)根据最优实验参数进行酸损伤工艺参数设计，过程如下：
A.确定酸液浓度：最优酸液浓度Copt即为酸损伤施工的酸液浓度；
B.确定注酸压力：根据下式计算酸损伤施工时的井口注酸压力Pinj：
Pinj＝Pp+Popt+Pf-PH
PH＝ρgh/1000
式中Pf——井筒中的摩阻，MPa；
PH——井筒中的液柱压力，MPa；
h——储层厚度，m；
ρ——井筒液体密度，g/cm3；
C.确定施工规模：根据下式确定施工酸损伤规模，即酸液用量V：
V＝h×πr2×φ
式中V——酸液用量，m3；
r——设计损伤半径，m2；
φ——储层孔隙度，无因次。
6.如权利要求3所述的一种致密砂岩储层酸损伤工艺参数设计方法，其特征在于，所述采用高温高压浸泡的方式对岩样进行酸损伤处理，高温高压动态反应釜中的反应压力P<Pmax。
7.如权利要求5所述的一种致密砂岩储层酸损伤工艺参数设计方法，其特征在于，以井口注酸压力Pinj注酸，若将酸液完全注入地层的时间小于酸岩最优反应时间Topt，则停泵使酸液在地层中反应至酸岩最优反应时间Topt后，再进行后续压裂施工。
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