0 引言
鄂尔多斯盆地长庆探区太原组铝土岩储层主要分布于庆阳古隆起东侧庆城地区及正宁北地区，目前该区已有55口井钻遇太原组铝土岩，其中29口井含气显示明显，落实勘探有利区面积约为7 000 km2，潜在天然气资源量超5 000×108 m3。2021年部署实施的L47井试气获无阻流量67.38×104 m3/d的高产工业气流，实现了该盆地古生界铝土岩气勘探的重大突破。截至目前，共完试19口井，13口井试气产量大于1×104 m3/d，工业气流井比例为12.5%，展示出良好的勘探开发前景，对“气化”陇东具有重要的现实意义。铝土岩储层纵向岩性复杂，可分为铝土岩、泥质铝土岩、铝土质泥岩3种类型［1］。矿场实践证实，纯铝土岩储层可压性好，施工压力较低且加砂顺利，但是对于泥质铝土岩和铝土质泥岩，由于高黏土矿物含量及高杨氏模量，在压裂改造过程中75%的试验井存在储层难破裂、施工压力高、加砂难度大等问题［1-2］。
酸化是降低储层破裂压力，解决难压问题的重要技术手段，而酸化效果很大程度上取决于酸化工作液的性能。目前针对碳酸盐岩的酸化工作液已从单一型向复合型发展，逐步形成缓速、降滤失、深穿透、低伤害、低摩阻和均匀酸化多功能酸液体系，主要包括胶凝酸、泡沫酸、乳化酸、固体酸、交联酸、自转向酸和单相酸等［3］。
与碳酸盐岩储层矿物单一的特点不同，砂岩储层矿物成分非常复杂，酸化工作液的选择主要以抑制二次沉淀物和提高酸液溶蚀能力为目标，目前所有用于砂岩酸化的主体酸液体系中均含有氢氟酸或其原始化合物，主要包括常规土酸体系、氟硼酸体系、磷酸缓速酸体系、盐酸—氟化铵体系、自生土酸体系、有机酸土酸体系、铝盐缓速酸体系和多氢酸体系等［4］。
铝土岩是中国石油长庆油田分公司天然气勘探2020年才开始涉足的新领域，国内外鲜有对该类储层的勘探开发实践，对铝土岩酸化工作液的研究报道更是极少。为此，本文针对陇东地区泥质铝土岩、铝土质泥岩压不开以及难压的问题，通过大量实验研发了一种适用于铝土岩的新型酸液体系。首先考察了酸液体系的缓速性能，然后评价了溶蚀和抑制二次沉淀性能，最后确定体系配方并在现场得到了成功应用，为铝土岩的高效合理开发提供一定的技术支持和借鉴。
1 区域地质背景及储层地质特征
铝土岩矿物组成以水铝石及黏土矿物等为主，颗粒细小，以隐晶质或矿物集合体出现，X射线衍射分析其矿物组合以水铝石、高岭石、绿泥石及伊利石为主，偶见锐钛矿、黄铁矿。储集空间以次生溶蚀孔为主，发育微米—亚微米级孔隙，孔隙结构好，非均质性强，根据成因及孔隙发育情况可分为颗粒孔洞型、粒间孔隙型、晶间孔隙型3种，孔隙度为0.8%~30.4%，渗透率为（0.01~38.5）×10-3 μm2（表1）。太原组铝土岩储层岩性较复杂，储层中主要矿物含量变化较大，根据水铝石含量将铝土岩分为3种类型（图3）：纯铝土岩储层水铝石含量在75%以上；泥质铝土岩和铝土质泥岩水铝石含量在75%以下，黏土矿物含量相对较高（大于25%） ［6］。
表1 含铝岩系岩性综合分类Table 1 Comprehensive classification table for lithology of aluminum bearing rock series |
| 项目 | 分项 | 铝土岩 | 泥质铝土岩 | 铝土质泥岩 |
|---|---|---|---|---|
| 矿物 组分 | 水铝石/% | >75 | 50~75 | <50 |
| 黏土矿物/% | <25 | 25~50 | >50 | |
| 含铁矿物/% | <10 | <25 | <50 | |
| 物性 | 孔隙度/% | 5~30.4 | 2.7~21.2 | 0.8~4.3 |
| 渗透率/（10-3 μm2） | 0.10~38.5 | 0.07~0.30 | 0.01~0.07 | |
| 含气性 | 含气饱和度% | >60 |
2 多效酸体系的提出
自2021年通过滑溜水体积压裂工艺在L47井取得高产，截至目前已经现场推广应用10余井次。矿场实践表明，纯铝土岩储层可压性好，加砂顺利，裂缝延伸压力较低，试气效果较好，而泥质铝土岩和铝土质泥岩具有杨氏模量高（32~40 GPa）、裂缝延伸压力高（80~110 MPa）、压裂难度大等改造难题，施工成功率较低（12.5%）。针对铝土岩储层难压的问题，前期主要将储层矿物水铝石作为主要溶蚀对象，酸液以前置酸和胶凝酸等盐酸体系为主，现场试验效果不理想，未有效解决施工问题（图4）。
本文分析明确常规酸液体系对水铝石溶率低是造成降压效果不理想的关键因素，据此转变设计思路，提出依靠活性酸溶解基质填隙物、多配位络合避免离子二次沉淀、组合缓速酸提高时效性的新型多效耦合酸体系降压技术思路。室内累计开展50余组酸液体系优选与性能评价，重点针对酸液体系的缓速、溶蚀、络合和缓蚀性能，优化形成了新型多效耦合活性酸液体系。
3 多效酸体系缓速性能
3.1 多效酸缓速机理
多效酸体系是由多效酸（H5R）和氟盐组成的混合物，其中多效酸在水溶液中存在五级电离平衡，电离过程如下［式（1） —式（5） ］：
K a1=
K a2=
K a3=
K a4=
K a5=
式中：K a1、K a2、K a3、K a4、K a5分别为多效酸的五级电离常数。在实际酸化过程中，多效酸逐步提供的H+和氟盐提供的F－结合生成活性酸HF，该体系的实质是弱酸和氟盐组成的缓冲体系，且它们由这种缓冲作用建立了一个平衡。
由平衡体系可以看出多效酸有6种存在型体，分别为H5R、H4R－、H3R2－、H2R3－、HR4－、R5－。
3.2 多效酸多级电离特性
4 多效酸体系溶蚀实验
该实验对泥质铝土岩和铝土质泥岩设计了4种酸液体系的溶解实验，分别考察4种酸液对铝土岩岩石矿物的溶解能力，实验结果见表2。
表2 铝土岩岩心与不同酸液溶解实验结果Table 2 Results of dissolution experiments on bauxite core and different acid solutions |
| 岩性 | 编号 | 溶解程度/% （2 g岩心＋50 mL工作液、95 ℃、反应2 h） | |||
|---|---|---|---|---|---|
| 10%有机酸 | 5%氨基磺酸 | 20%盐酸 | 5%多效酸体系 | ||
| 泥质铝土岩 | 1# | 1.05 | 3.41 | 4.25 | 20.44 |
| 铝土质泥岩 | 1# | 0.77 | 2.37 | 3.58 | 20.69 |
| 2# | 1.46 | 2.79 | 3.73 | 28.82 | |
| 3# | 2.92 | 3.25 | 4.98 | 42.07 | |
实验结果表明，单一体系（有机酸、氨基磺酸、盐酸）对两类岩心溶解能力较弱（低于5%），通过多体系优选复配得到的多效酸体系对两类岩心均具有优良的溶解性，可有效溶蚀黏土填充物，溶蚀效果达20%~42%。因此，采用多效酸体系可以降低铝土岩施工难度。
5 多效酸抑制二次沉淀性能
实验配制100 mL氯化钙过饱和溶液（氯化钙的溶解度为74 g/mL），可见溶液浑浊，然后将一定量的多效酸原液加入氯化钙过饱和溶液中，混合均匀后可见溶液由浑浊变澄清（图7）。
表3 多效酸螯合钙离子能力结果Table 3 Results of the chelating ability of multi-functional acid for calcium ions |
| 试验序号 | CaCl2溶液 消耗量（V）/mL | 螯合钙离子 能力（N）/（mg/mL） | 平均值 |
|---|---|---|---|
| 1# | 18.8 | 193.6 | 181.6 |
| 2# | 16.9 | 174.1 | |
| 3# | 17.2 | 177.2 |
6 多效酸体系配方优化
6.1 多效酸主剂优化
多效酸体系的性能关键是由其所用活性酸A决定，实验测试不同浓度活性酸A加量下体系对铝土岩矿物的溶蚀能力。
由表4可以看出，随着活性酸加量的增加，在低浓度下，岩心溶蚀率增加幅度较大，但当活性酸加量大于5%以上，多效酸体系对岩心的溶蚀率增幅较小，因此推荐多效酸体系中活性的最优加量为5%~8%。
表4 多效酸螯合钙离子能力结果Table 4 Results of the chelating ability of multi-functional acid for calcium ions |
| 体系/类型 | 反应前/g | 反应后/g | 溶蚀率% | |
|---|---|---|---|---|
| 铝土质泥岩岩心 | 10%HCl+5%HF+3%活性酸A | 5.276 1 | 4.397 3 | 16.7 |
| 10%HCl+5%HF+5%活性酸A | 5.331 9 | 4.007 3 | 24.8 | |
| 10%HCl+5%HF+8%活性酸A | 5.229 4 | 3.876 3 | 25.8 | |
| 10%HCl+5%HF+10%活性酸A | 5.221 7 | 3.881 8 | 25.6 | |
6.2 多效酸体系缓释剂优化
90 ℃下采用失重法分别测试1.5%缓蚀剂HJF-94及HJF-95对钢片的腐蚀速率（表5），缓蚀剂HJF-94的平均腐蚀速率为13.02 g/（h·m2），腐蚀后的钢片表面粗糙，侧面有蚀点［而缓蚀剂HJF-95的平均腐蚀速率为8.32 g/（h·m2）］，腐蚀后的钢片表面光滑，无蚀点，缓蚀效果较好，因此优选1.5% HJF-95为酸液缓蚀剂。
表5 不同缓释剂评价结果（4 h,90 ℃）Table 5 Evaluation results of different sustained-release agents (4 h, 90 ℃) |
| 编号 | 酸液配方（20%盐酸） | 平均腐蚀速率 /［g/（h·m2）］ | 反应后钢片 表面 |
|---|---|---|---|
| 1 | 酸+1.5%缓蚀剂HJF-94 （A） | 13.02 | 表面粗糙 侧面有蚀点 |
| 酸+1.5%缓蚀剂HJF-94 （B） | |||
| 2 | 酸+1.5%缓蚀剂HJF-95 （A） | 8.32 | 表面光滑 侧面无蚀点 |
| 酸+1.5%缓蚀剂HJF-95 （B） |
经过多效酸主剂优化及助剂优选，最终确定多效酸体系的配方10%HCl+5%HF+5%活性酸A+1.5%HJF-95缓蚀剂。该酸液体系一方面能够增强酸液作用时效，使其能够充分溶解岩石内部的硅质和钙质；另一方面使溶解后的阳离子与酸液形成络合物，避免产生沉淀堵塞流动通道。施工过程中作为前置酸使用，可以有效降低储层破裂压力及施工难度，解决铝土岩储层加砂难题。
7 多效酸体系应用效果
表6 多岩性铝土岩压裂改造技术模式Table 6 Fracturing and renovation technology model for multi lithological aluminum soil rock |
| 岩性 | 铝土岩 | 泥质铝土岩、铝土质泥岩 | |
|---|---|---|---|
| 压裂提产思路 | 低伤害滑溜水压裂 | 高压强加砂压裂 | |
| 关键参数优化 | 注入方式 | 7+23/8"油套环空 | |
| 射孔方式 | 大孔径深穿透复合射孔 | ||
| 压裂液 | 强抑制变黏滑溜水 | 高黏胍胶 | |
| 酸液 | / | 多效酸 | |
| 支撑剂 | 40/70+70/140目组合陶粒 | 40/70+70/140目组合陶粒 | |
| 加砂量/m3 | 30~60 | 20~50 | |
| 排量/（m3/min） | 8~10 | 6~10 | |
| 液量/m3 | 800~1 200 | 600~800 | |
其中陇85井和陇98井进行了多效酸试验，与前期常规前置酸降压相比，均见到明显降压效果，施工难度及加砂率得到显著改善。陇85井初次压裂施工时，设计加酸100 m3，加砂40 m3，砂比为12%，实际施工过程中，完成加酸100 m3，但加砂量仅为1.5 m3，工作压力为85~88 MPa。采用多效酸二次压裂施工，挤酸压力为61~83 MPa，工作压力为75~81 MPa，加砂量增大至14 m3，注活性酸前后施工压力降低约10~22 MPa，降压效果明显（图9）。陇98井压裂优选多效酸50 m3，施工过程中地面最大工作压力为66.7 MPa，较同类型储层井底工作压力降低约14 MPa，施工完成设计加砂量，达到设计排量（图10）。
8 结论
（1）针对铝土岩储层难压的问题，提出一种依靠活性酸溶解基质填隙物、多配位络合避免离子二次沉淀、组合缓速酸提高时效性的新型多效酸体系，用于高黏土含量的铝土岩储层的酸化压裂。
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（2）相比常规酸液，多效酸对铝土岩岩心表现出了较强的溶蚀和抑制沉淀能力，且在酸化过程中逐级电离出氢离子，维持酸液的pH值基本稳定，变化较小，延长活性酸的作用时间，达到缓速和深部酸化的目的。
（3）针对复杂多岩性铝土岩，集成“体积压裂增大裂缝体积、高黏液提净压造缝携砂、加密射孔确保起裂及多效酸液降低工作压力”四项技术措施为一体，初步形成多岩性铝土岩压裂改造技术模式。新型多效酸体系在长庆油田铝土岩储层改造中成功应用，现场表明施工压力降低15%~25%，取得了较好的降压改造效果。
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