氮氣在酸化壓裂中的應用

泡沫酸酸化工藝是一種對低滲、低壓、水敏性地層新型酸化增產技術。常規酸液體系中加入起泡劑和穩泡劑，通過泡沫發生器與氮氣混合，形成泡沫體系，同時兼有泡沫流體性質和酸化能力，特別適用于多層非均質油層酸化、低壓、低滲井酸化以及老井的重復酸化。

泡沫的攜帶能力較強，利于將酸巖反應生成的微粒和巖屑帶到地面，帶出的微粒量通常比普通酸高7倍以上；返排到達井口時由于壓力突降，泡沫迅速膨脹，形成井筒內的高壓并產生回流，利于乏酸返排；泡沫酸中含有大量氣體酸液量小，不易引起粘土膨脹，特別適合含水敏性粘土儲層的酸化；并且由于泡沫流體的剪切稀釋特性，使滲透層得以暫堵，使酸液轉向進入低滲透層，更有效和均勻地分布，達到了轉向酸化的目的。泡沫酸一般適合在1500～2500m井深施工，要求有制氮車、泡沫發生器等，國外過去應用較多，目前多用于多層基質轉向酸化。

一、泡沫酸基本性質

1、泡沫酸的組成：

泡沫酸是一種由氣相和液相添加劑組成的混合物，其中氣相含量為52%~90%，其余為液相。其一般組成成分如下：

（1）氣相：可以是N2、CO2或其它混合惰性氣體，常用的是N2。

（2）液相：可以是鹽酸或其它無機酸和有機酸。鹽酸濃度一般為15%~30%，常用濃度為28%。

（3）添加劑：包括起泡劑、穩泡劑、緩蝕劑、鐵離子穩定劑等。起泡劑一般是表面活性劑，它是泡沫酸的關鍵組分。起泡劑的選擇應依據酸液類型和油氣層特性而定，需滿足以下條件：發泡性能好、形成泡沫穩定性好、配伍性好、壓力降低時易破裂等，一般加量0.5%~1.0%。

2、泡沫酸的酸化原理

泡沫酸是用起泡劑穩定的氣體在酸液中的分散體系，氣相為壓風機供給的氮氣，液相是根據油井情況，采用各種不同的酸液，將起泡液泵入滲透率較高的含水層，使流體流動阻力逐漸提高，進而在吼道中產生氣阻效應。在疊加的氣阻效應下，再使用起泡酸液進入低滲透地層與巖石反應，形成更多的溶蝕通道，以解除低滲層污染、堵塞，改善油井產液剖面。再注入泡沫排酸液，助排誘噴，排出殘酸。

3、泡沫酸的特點

與常規酸相比，泡沫酸是一種全新的酸液，具有液柱壓力低、返排能力強、粘度高、濾失小、對地層損害小、酸液作用距離長、施工簡便、綜合成本較低、經濟效益高等特點：

（1）氣相比例高，液相比例低。一般氣相占60%~80%，因此密度較低。

（2）粘度較高，一般在10~100mPa.s之間，有利于降低酸液濾失和酸巖反應速度。

（3）濾失低。在低滲透儲層中，比一般液體濾失系數低兩個數量級；在高滲透儲層中，與膠凝酸濾失系數相近。

（4）管內流動摩阻小。

（5）排液速度快。一般只需10h即可排出90%左右的液體。

（6）攜帶酸不溶物能力強。

（7）緩速成果好。

（8）對儲層損害小

（9）施工工藝相對復雜，需增加氮氣產生設備和泡沫發生器等。

4、影響泡沫酸穩定性的因素

要使泡沫酸達到預期的酸化效果，泡沫酸體系的穩定性很重要，注酸過程中泡沫酸應幾乎不失水，使泡沫酸能滲入到地層深部。

（1）液相粘度：增加液相粘度，泡沫酸體系的穩定性增加�？赏ㄟ^加入耐酸、耐溫的高分子聚合物來提高液相粘度。

（2）界面膜強度：選擇適當的起泡劑及泡沫穩定劑能提高界面膜強度，可增加泡沫的穩定性。

（3）泡沫質量：泡沫質量高，穩定性好。通常使用的泡沫酸，泡沫質量為60%~85%，泡沫質量太低和太高，都會使泡沫易于破裂而不穩定，泡沫液粘度、濾失性、液體返排和摩阻都與泡沫質量有關。

（4）溫度：溫度升高氣體分子運動加速，泡沫穩定性降低。

（5）助表面活性劑：通常一些助表面活性劑如乙醇、正丁醇有消泡作用，而有些醇則有穩定泡沫的作用，因而需作配伍性試驗進行選擇。

5、泡沫酸的性能評價

泡沫酸化液普遍具有穩定性好、粘度大、懸砂性能好、摩阻低、低傷害等性能。泡沫酸化施工能否成功，一個很重要的因素就是所選用的泡沫酸化液的性能，為保證泡沫酸具有較好的性能，需進行大量的評價工作。泡沫酸的性能評價包括：

（1）流變性。泡沫酸的流變性一般采用假塑性數學模型來描述。

（2）穩定性。采用Ross-Mill儀測量泡沫酸的穩定性，通常以半衰期表征。

（3）泡沫質量。測定在一定溫度和壓力下泡沫總體積中氣體的含量即為泡沫質量，一般泡沫質量為75%~80%的泡沫酸效果。

（4）粘度。泡沫酸的粘度一般為10~100mPa.s，它取決于泡沫質量和剪切速率。

（5）濾失系數。泡沫酸的濾失系數可通過泡沫酸濾失試驗儀測得。

（6）摩阻損失。泡沫酸在管內的流動一般為層流，摩阻損失較低，約為清水的60%左右。

二、泡沫酸酸化工藝

泡沫酸酸化工藝是將加入了起泡劑、穩泡劑等添加劑的酸液與氮氣在地面泡沫發生器中充分混合，形成穩定泡沫注入井內，以高壓水力作用和酸液的化學溶蝕作用于儲層，達到改造儲層的目的。因泡沫酸中的氣體有助排作用，泡沫酸酸化特別適用于低壓低滲排液困難的儲層改造，老井挖潛和低壓井的增產措施，也能有效解決排液難、水敏性儲層等特殊矛盾井的作業。泡沫酸中的氣泡可阻止H＋向巖石表面的傳遞，降低酸巖反應速度，泡沫酸酸化可獲得較大的酸液有效作用距離。

1、泡沫酸酸化工藝特點

泡沫酸酸化工藝是近幾年才發展起來的一種對低滲、低壓、水敏性地層很有效的新型酸化增產技術。其工藝特點為：

（1）泡沫本身具有選擇性，可以使更多的酸液進入中低滲透層和油層

泡沫在孔隙介質中具有很高視粘度，調剖能力強，且具有剪切變稀的特性，封堵能力隨滲透率的增大而增大；使高滲透層得以暫堵，使酸液轉向進入低滲透層，和均勻地分布，達到了轉向酸化的目的。

（2）助排能力強

由于泡沫酸中含有大量氣體，因此在施工結束開井排液時，井口壓力下降，聚集大量能量的氣體迅速膨脹，使井筒與地層間形成較大壓差，加之泡沫液產生的液柱回壓低，所以泡沫酸的排液效果相當好。同時泡沫液的攜帶能力較強，使酸不溶物和其它微粒大多被帶出地面，保證了酸化效果。

（3）反應速度較一般酸液慢

酸巖反應速度取決于氫離子向巖石表面的傳質速度，泡沫酸屬表面乳化體系，粘度較高，濾失小，大大減緩了氫離子向巖石表面的傳質速度，因此泡沫酸的作用距離比一般酸液更遠。

2、泡沫酸酸化基本現場施工工藝

起出井下生產管柱→下光油管至油層底界→擠入前置泡沫段→正擠前置泡沫酸→正擠主體泡沫酸→正擠后置泡沫頂替液，關井反應1～2h，低密度泡沫反洗井排殘酸，放噴，排出乏酸。

3、泡沫酸酸化的選井原則

（1）泡沫酸有深穿透能力，可用于大段碳酸巖儲層的酸化施工。

（2）多層非均質油層酸化。

（3）老井的重復酸化。（4）適用于濾失難以控制的儲層。

（5）低壓、低滲或水敏性儲層。

三、應用實例1、國內應用情況（1）泡沫酸在川東地區的應用四川氣田經過幾十年的開發，許多井已處于開發后期，地層壓力衰竭嚴重，部分出水地層更是因為地層壓力的超低，使得油氣在存在相應水柱的情況下無法采

三、應用實例

1、國內應用情況

（1）泡沫酸在川東地區的應用

四川氣田經過幾十年的開發，許多井已處于開發后期，地層壓力衰竭嚴重，部分出水地層更是因為地層壓力的超低，使得油氣在存在相應水柱的情況下無法采出，嚴重制約了氣田的開發，因而提出采用增能型酸化進行增產改造，將酸與氮氣混合，形成液體泡沫，即降低酸液溶蝕速度，又給殘液返排增加了能量，避免因地層壓力低而導致殘液無法返排的矛盾，酸化有效地改善了儲層近井滲流能力，恢復并提高了單井產能。

自1986年在張10井進行泡沫酸酸化試驗成功后，又陸續進行泡沫酸施工，有效率為75%，至1992年5月，累計增產天然氣976.77×104m3，增創產值254萬元，增贏利74萬元。隨著近年先進氮氣作業設備的引進，泡沫酸酸化的應用也相應有所提高，尤其是對川東地區和川南地區的部分老井挖潛改造，泡沫酸酸化顯示出了優越性，平均單井凈增天然氣產能3.5×104~4.5×104m3/d左右，酸化效果十分顯著。

（2）泡沫酸酸化技術在油砂山油田的應用

油砂山油田是上個世紀六七十年代開發的老油田，大多數油井的產量很低，且油層污染嚴重。由于油藏地層能量降低，加上漏失嚴重，實施常規酸化解堵措施很難見到好的效果，應用泡沫酸酸化技術對中237井進行酸化，使這口原來撈油的井日產原有增加到10噸左右，獲得了良好的經濟效益。泡沫酸酸化技術有效地減少了酸液用量，降低了酸化成本，而且易于返排，對地層傷害也小，到目前，青海油田應用這項技術現場施工20井次，措施成功率達到100%，措施有效率達到87%，累計增產原油近4000噸。

（3）泡沫酸酸化技術在文明寨油田M84井的應用

M84井在酸化前，日產液為68.8m3，日產油為2.0t；泡沫酸酸化后，日產液為78.2，日產油12.0t，含水下降，動液面上升291m，累計增油2203t，有效期220天。

（4）泡沫酸酸化在遼河油田錦2-14-5203、齊2-22-307、歡2-11-2010等七口井的應用

這七口井經泡沫酸酸化后，均見到明顯效果。平均增產原油12.5t，平均增產倍數8.8倍，累計增產原油1.24×104t。

（5）泡沫酸酸化技術在新疆百66井的應用

百66井完井后不出液，1998年5月12日對該井進行泡沫酸酸化施工，酸化后日產液量4.7t，日產油量1.7t。

2、恒業公司泡沫酸酸化應用情況

恒業公司與石油大學泡沫流體研究中心聯合，開展了大量泡沫酸深部酸化、泡沫分流酸化、低密度泡沫排酸等課題的基礎研究及現場應用實驗。針對非均質儲層砂巖泡沫酸化解堵工藝技術，通過對泡沫酸進行配方、性能評價、流變性實驗，得到了泡沫酸流體在施工所允許的條件內的流變特性，研究了泡沫酸流體在井筒和油套環空中的流動規律；同時通過對巖心的暫堵、分流等實驗，得到了泡沫流體對高低滲巖芯具有選擇性和對含水含油巖芯中具有選擇性的結論。

研制了高壓耐酸的泡沫發生器，能產生低密度的均勻泡沫流體，達到了抗壓耐酸設計要求，能滿足現場泡沫酸酸化施工工藝。形成了一套現場酸化施工的參數設計軟件，能提供泡沫酸酸化工藝合理的工藝參數，對現場生產具有指導作用。

該酸化工藝在勝利油田和中原油田得到廣泛應用，并被中原油田作為氣井酸化的推薦工藝加以推廣，取得了良好的應用效果。

（1）樁西采油廠樁121—2井泡沫酸酸化

該井井深3421.2m，兩個生產層段為砂質白云巖，1層3364.6m~3369.6m，射開3368.0m~3371.0m，射開厚度3m，泥質含量41.17%，孔隙度4.7%，滲透率0.10×10-3μm2，碳酸鹽含量59.3%；2層3372.9m~3379.3m，射開3372.9m~3378.0m，射開厚度5.1m，泥質含量18.65%，孔隙度14.27%，滲透率67.6×10-3μm2，碳酸鹽含量59.3%。

該井2004年11月后液量較低(5噸左右)，目前日液4.7噸，日油1.6噸，含水65％。液面1983m(目前摻水，不摻水時液面在2200m左右)，功圖供液不足。分析生產和儲層資料建議對該井實施泡沫酸酸化解堵。該井儲層巖性為砂質白云巖，儲層泥質含量較高，在生產過程中易產生顆粒運移堵塞。96年后實施三次酸化，日增油分別為14噸、4噸和3噸，分析認為具有酸化增油潛力，但本次酸化要獲得較好的增油效果，須進一步擴大酸化半徑，而目前采用成規酸液已無法增大酸化半徑，且酸液會順著前三次溶蝕通道進入地層，降低酸化效果，因此確定在該井實施泡沫酸試驗，利用泡沫液的分流特性，使酸液進入低滲流帶，同時利用泡沫酸緩速特性擴大酸化半徑。

施工過程中，注入泡沫前置酸15m3，泡沫密度0.80g/cm3，排量11.3m3/h，注入壓力18MPa；注入主體泡沫酸15方，泡沫密度0.75g/cm3，排量8.2m3/h，注入壓力21MPa。關井反應后開井放噴，使用低密度泡沫液反循環洗井排酸。

本次施工利用了泡沫在地層中的暫堵作用，前置泡沫酸進入地層后，根據泡沫“堵大不堵小”的特性，使高滲透層得以暫時封堵，使主體酸液轉向主要進入低滲透層，更高效和均勻的分布，達到轉向酸化的目的，擴大了酸化的面積，提高了酸化效果。同時主體泡沫酸酸巖反應較慢，增大了酸化半徑，利用泡沫液做酸化后返排液，使井筒形成暫時的負壓，易于乏酸排出地層。高粘泡沫液的攜帶能力強，利于將酸巖反應生成的微粒和巖屑帶到地面，帶出的微粒量是普通酸的7倍以上。該井施工后，產液量18.6m3，日增油8.2噸，增產效果明顯。

（2）五號樁油田樁62-9油井泡沫酸酸化

該井井深3350m，射孔井段S2層3098.5m-3107.0m，射厚8.5m，孔隙度13.8%，滲透率

13.5×10-3μm2，泥質含量12.7%，S3下I層3301.2m-3306.0m，射后4.8m，孔隙度16.3％，滲透率21.9×10-3μm2，泥質含量5.7％。

該井于1996.6投產S3，2002年.11檢泵、補空S2合采，初期日液12.1m3/日油11.4t/日含水6.4％，2005.6下降至日液4.5m3/日油2.8t/日含水38.1％，于2005.6.15-7.21檢泵、CO2吞吐，開井后仍液低油量生產（日液8.0m3/日油3.4t左右）。2005年11月實施酸化后，日液18.7噸，日油14.5噸，含水22.6％。2006年2月液量急劇下降至5.7噸，功圖供液不足，液面無顯示。由于CO2吞吐有效期在4-5個月以上，因此，認為目前液量下降的主要原因是生產過程中顆粒運移堵塞孔道。建議實施酸化解堵。同時因該井油層分為2段，滲透率存在一定差異，上次酸化很可能只動用一段。建議本次酸化采用泡沫酸化技術，利用泡沫酸的緩速性能擴大酸化半徑，利用泡沫酸的選擇封堵作用實現均勻改善地層的目的。

于2006年4月19日對該井實施泡沫酸化，控制泡沫酸密度0.7～0.8g/cm3，正替12％HCl前置酸9方，正擠12％HCl前置酸3方，正擠10％HCl處理酸20方，正擠頂替污水10方，關井反應1小時，注入壓力19.5MPa。關井反應后使用密度0.65g/cm3的低密度泡沫反洗井排酸。

該井施工后，產液恢復良好，產液正常后日產液24.3m3，日增油7.7噸，增產效果明顯。