氮气在酸化压裂中的应用

泡沫酸酸化工艺是一种对低渗、低压、水敏性地层新型酸化增产技术。常规酸液体系中加入起泡剂和稳泡剂，通过泡沫发生器与氮气混合，形成泡沫体系，同时兼有泡沫流体性质和酸化能力，特别适用于多层非均质油层酸化、低压、低渗井酸化以及老井的重复酸化。

泡沫的携带能力较强，利于将酸岩反应生成的微粒和岩屑带到地面，带出的微粒量通常比普通酸高7倍以上；返排到达井口时由于压力突降，泡沫迅速膨胀，形成井筒内的高压并产生回流，利于乏酸返排；泡沫酸中含有大量气体酸液量小，不易引起粘土膨胀，特别适合含水敏性粘土储层的酸化；并且由于泡沫流体的剪切稀释特性，使渗透层得以暂堵，使酸液转向进入低渗透层，更有效和均匀地分布，达到了转向酸化的目的。泡沫酸一般适合在1500～2500m井深施工，要求有制氮车、泡沫发生器等，国外过去应用较多，目前多用于多层基质转向酸化。

一、泡沫酸基本性质

1、泡沫酸的组成：

泡沫酸是一种由气相和液相添加剂组成的混合物，其中气相含量为52%~90%，其余为液相。其一般组成成分如下：

（1）气相：可以是N2、CO2或其它混合惰性气体，常用的是N2。

（2）液相：可以是盐酸或其它无机酸和有机酸。盐酸浓度一般为15%~30%，常用浓度为28%。

（3）添加剂：包括起泡剂、稳泡剂、缓蚀剂、铁离子稳定剂等。起泡剂一般是表面活性剂，它是泡沫酸的关键组分。起泡剂的选择应依据酸液类型和油气层特性而定，需满足以下条件：发泡性能好、形成泡沫稳定性好、配伍性好、压力降低时易破裂等，一般加量0.5%~1.0%。

2、泡沫酸的酸化原理

泡沫酸是用起泡剂稳定的气体在酸液中的分散体系，气相为压风机供给的氮气，液相是根据油井情况，采用各种不同的酸液，将起泡液泵入渗透率较高的含水层，使流体流动阻力逐渐提高，进而在吼道中产生气阻效应。在叠加的气阻效应下，再使用起泡酸液进入低渗透地层与岩石反应，形成更多的溶蚀通道，以解除低渗层污染、堵塞，改善油井产液剖面。再注入泡沫排酸液，助排诱喷，排出残酸。

3、泡沫酸的特点

与常规酸相比，泡沫酸是一种全新的酸液，具有液柱压力低、返排能力强、粘度高、滤失小、对地层损害小、酸液作用距离长、施工简便、综合成本较低、经济效益高等特点：

（1）气相比例高，液相比例低。一般气相占60%~80%，因此密度较低。

（2）粘度较高，一般在10~100mPa.s之间，有利于降低酸液滤失和酸岩反应速度。

（3）滤失低。在低渗透储层中，比一般液体滤失系数低两个数量级；在高渗透储层中，与胶凝酸滤失系数相近。

（4）管内流动摩阻小。

（5）排液速度快。一般只需10h即可排出90%左右的液体。

（6）携带酸不溶物能力强。

（7）缓速成果好。

（8）对储层损害小

（9）施工工艺相对复杂，需增加氮气产生设备和泡沫发生器等。

4、影响泡沫酸稳定性的因素

要使泡沫酸达到预期的酸化效果，泡沫酸体系的稳定性很重要，注酸过程中泡沫酸应几乎不失水，使泡沫酸能渗入到地层深部。

（1）液相粘度：增加液相粘度，泡沫酸体系的稳定性增加。可通过加入耐酸、耐温的高分子聚合物来提高液相粘度。

（2）界面膜强度：选择适当的起泡剂及泡沫稳定剂能提高界面膜强度，可增加泡沫的稳定性。

（3）泡沫质量：泡沫质量高，稳定性好。通常使用的泡沫酸，泡沫质量为60%~85%，泡沫质量太低和太高，都会使泡沫易于破裂而不稳定，泡沫液粘度、滤失性、液体返排和摩阻都与泡沫质量有关。

（4）温度：温度升高气体分子运动加速，泡沫稳定性降低。

（5）助表面活性剂：通常一些助表面活性剂如乙醇、正丁醇有消泡作用，而有些醇则有稳定泡沫的作用，因而需作配伍性试验进行选择。

5、泡沫酸的性能评价

泡沫酸化液普遍具有稳定性好、粘度大、悬砂性能好、摩阻低、低伤害等性能。泡沫酸化施工能否成功，一个很重要的因素就是所选用的泡沫酸化液的性能，为保证泡沫酸具有较好的性能，需进行大量的评价工作。泡沫酸的性能评价包括：

（1）流变性。泡沫酸的流变性一般采用假塑性数学模型来描述。

（2）稳定性。采用Ross-Mill仪测量泡沫酸的稳定性，通常以半衰期表征。

（3）泡沫质量。测定在一定温度和压力下泡沫总体积中气体的含量即为泡沫质量，一般泡沫质量为75%~80%的泡沫酸效果。

（4）粘度。泡沫酸的粘度一般为10~100mPa.s，它取决于泡沫质量和剪切速率。

（5）滤失系数。泡沫酸的滤失系数可通过泡沫酸滤失试验仪测得。

（6）摩阻损失。泡沫酸在管内的流动一般为层流，摩阻损失较低，约为清水的60%左右。

二、泡沫酸酸化工艺

泡沫酸酸化工艺是将加入了起泡剂、稳泡剂等添加剂的酸液与氮气在地面泡沫发生器中充分混合，形成稳定泡沫注入井内，以高压水力作用和酸液的化学溶蚀作用于储层，达到改造储层的目的。因泡沫酸中的气体有助排作用，泡沫酸酸化特别适用于低压低渗排液困难的储层改造，老井挖潜和低压井的增产措施，也能有效解决排液难、水敏性储层等特殊矛盾井的作业。泡沫酸中的气泡可阻止H＋向岩石表面的传递，降低酸岩反应速度，泡沫酸酸化可获得较大的酸液有效作用距离。

1、泡沫酸酸化工艺特点

泡沫酸酸化工艺是近几年才发展起来的一种对低渗、低压、水敏性地层很有效的新型酸化增产技术。其工艺特点为：

（1）泡沫本身具有选择性，可以使更多的酸液进入中低渗透层和油层

泡沫在孔隙介质中具有很高视粘度，调剖能力强，且具有剪切变稀的特性，封堵能力随渗透率的增大而增大；使高渗透层得以暂堵，使酸液转向进入低渗透层，和均匀地分布，达到了转向酸化的目的。

（2）助排能力强

由于泡沫酸中含有大量气体，因此在施工结束开井排液时，井口压力下降，聚集大量能量的气体迅速膨胀，使井筒与地层间形成较大压差，加之泡沫液产生的液柱回压低，所以泡沫酸的排液效果相当好。同时泡沫液的携带能力较强，使酸不溶物和其它微粒大多被带出地面，保证了酸化效果。

（3）反应速度较一般酸液慢

酸岩反应速度取决于氢离子向岩石表面的传质速度，泡沫酸属表面乳化体系，粘度较高，滤失小，大大减缓了氢离子向岩石表面的传质速度，因此泡沫酸的作用距离比一般酸液更远。

2、泡沫酸酸化基本现场施工工艺

起出井下生产管柱→下光油管至油层底界→挤入前置泡沫段→正挤前置泡沫酸→正挤主体泡沫酸→正挤后置泡沫顶替液，关井反应1～2h，低密度泡沫反洗井排残酸，放喷，排出乏酸。

3、泡沫酸酸化的选井原则

（1）泡沫酸有深穿透能力，可用于大段碳酸岩储层的酸化施工。

（2）多层非均质油层酸化。

（3）老井的重复酸化。（4）适用于滤失难以控制的储层。

（5）低压、低渗或水敏性储层。

三、应用实例1、国内应用情况（1）泡沫酸在川东地区的应用四川气田经过几十年的开发，许多井已处于开发后期，地层压力衰竭严重，部分出水地层更是因为地层压力的超低，使得油气在存在相应水柱的情况下无法采

三、应用实例

1、国内应用情况

（1）泡沫酸在川东地区的应用

四川气田经过几十年的开发，许多井已处于开发后期，地层压力衰竭严重，部分出水地层更是因为地层压力的超低，使得油气在存在相应水柱的情况下无法采出，严重制约了气田的开发，因而提出采用增能型酸化进行增产改造，将酸与氮气混合，形成液体泡沫，即降低酸液溶蚀速度，又给残液返排增加了能量，避免因地层压力低而导致残液无法返排的矛盾，酸化有效地改善了储层近井渗流能力，恢复并提高了单井产能。

自1986年在张10井进行泡沫酸酸化试验成功后，又陆续进行泡沫酸施工，有效率为75%，至1992年5月，累计增产天然气976.77×104m3，增创产值254万元，增赢利74万元。随着近年先进氮气作业设备的引进，泡沫酸酸化的应用也相应有所提高，尤其是对川东地区和川南地区的部分老井挖潜改造，泡沫酸酸化显示出了优越性，平均单井净增天然气产能3.5×104~4.5×104m3/d左右，酸化效果十分显著。

（2）泡沫酸酸化技术在油砂山油田的应用

油砂山油田是上个世纪六七十年代开发的老油田，大多数油井的产量很低，且油层污染严重。由于油藏地层能量降低，加上漏失严重，实施常规酸化解堵措施很难见到好的效果，应用泡沫酸酸化技术对中237井进行酸化，使这口原来捞油的井日产原有增加到10吨左右，获得了良好的经济效益。泡沫酸酸化技术有效地减少了酸液用量，降低了酸化成本，而且易于返排，对地层伤害也小，到目前，青海油田应用这项技术现场施工20井次，措施成功率达到100%，措施有效率达到87%，累计增产原油近4000吨。

（3）泡沫酸酸化技术在文明寨油田M84井的应用

M84井在酸化前，日产液为68.8m3，日产油为2.0t；泡沫酸酸化后，日产液为78.2，日产油12.0t，含水下降，动液面上升291m，累计增油2203t，有效期220天。

（4）泡沫酸酸化在辽河油田锦2-14-5203、齐2-22-307、欢2-11-2010等七口井的应用

这七口井经泡沫酸酸化后，均见到明显效果。平均增产原油12.5t，平均增产倍数8.8倍，累计增产原油1.24×104t。

（5）泡沫酸酸化技术在新疆百66井的应用

百66井完井后不出液，1998年5月12日对该井进行泡沫酸酸化施工，酸化后日产液量4.7t，日产油量1.7t。

2、恒业公司泡沫酸酸化应用情况

恒业公司与石油大学泡沫流体研究中心联合，开展了大量泡沫酸深部酸化、泡沫分流酸化、低密度泡沫排酸等课题的基础研究及现场应用实验。针对非均质储层砂岩泡沫酸化解堵工艺技术，通过对泡沫酸进行配方、性能评价、流变性实验，得到了泡沫酸流体在施工所允许的条件内的流变特性，研究了泡沫酸流体在井筒和油套环空中的流动规律；同时通过对岩心的暂堵、分流等实验，得到了泡沫流体对高低渗岩芯具有选择性和对含水含油岩芯中具有选择性的结论。

研制了高压耐酸的泡沫发生器，能产生低密度的均匀泡沫流体，达到了抗压耐酸设计要求，能满足现场泡沫酸酸化施工工艺。形成了一套现场酸化施工的参数设计软件，能提供泡沫酸酸化工艺合理的工艺参数，对现场生产具有指导作用。

该酸化工艺在胜利油田和中原油田得到广泛应用，并被中原油田作为气井酸化的推荐工艺加以推广，取得了良好的应用效果。

（1）桩西采油厂桩121—2井泡沫酸酸化

该井井深3421.2m，两个生产层段为砂质白云岩，1层3364.6m~3369.6m，射开3368.0m~3371.0m，射开厚度3m，泥质含量41.17%，孔隙度4.7%，渗透率0.10×10-3μm2，碳酸盐含量59.3%；2层3372.9m~3379.3m，射开3372.9m~3378.0m，射开厚度5.1m，泥质含量18.65%，孔隙度14.27%，渗透率67.6×10-3μm2，碳酸盐含量59.3%。

该井2004年11月后液量较低(5吨左右)，目前日液4.7吨，日油1.6吨，含水65％。液面1983m(目前掺水，不掺水时液面在2200m左右)，功图供液不足。分析生产和储层资料建议对该井实施泡沫酸酸化解堵。该井储层岩性为砂质白云岩，储层泥质含量较高，在生产过程中易产生颗粒运移堵塞。96年后实施三次酸化，日增油分别为14吨、4吨和3吨，分析认为具有酸化增油潜力，但本次酸化要获得较好的增油效果，须进一步扩大酸化半径，而目前采用成规酸液已无法增大酸化半径，且酸液会顺着前三次溶蚀通道进入地层，降低酸化效果，因此确定在该井实施泡沫酸试验，利用泡沫液的分流特性，使酸液进入低渗流带，同时利用泡沫酸缓速特性扩大酸化半径。

施工过程中，注入泡沫前置酸15m3，泡沫密度0.80g/cm3，排量11.3m3/h，注入压力18MPa；注入主体泡沫酸15方，泡沫密度0.75g/cm3，排量8.2m3/h，注入压力21MPa。关井反应后开井放喷，使用低密度泡沫液反循环洗井排酸。

本次施工利用了泡沫在地层中的暂堵作用，前置泡沫酸进入地层后，根据泡沫“堵大不堵小”的特性，使高渗透层得以暂时封堵，使主体酸液转向主要进入低渗透层，更高效和均匀的分布，达到转向酸化的目的，扩大了酸化的面积，提高了酸化效果。同时主体泡沫酸酸岩反应较慢，增大了酸化半径，利用泡沫液做酸化后返排液，使井筒形成暂时的负压，易于乏酸排出地层。高粘泡沫液的携带能力强，利于将酸岩反应生成的微粒和岩屑带到地面，带出的微粒量是普通酸的7倍以上。该井施工后，产液量18.6m3，日增油8.2吨，增产效果明显。

（2）五号桩油田桩62-9油井泡沫酸酸化

该井井深3350m，射孔井段S2层3098.5m-3107.0m，射厚8.5m，孔隙度13.8%，渗透率

13.5×10-3μm2，泥质含量12.7%，S3下I层3301.2m-3306.0m，射后4.8m，孔隙度16.3％，渗透率21.9×10-3μm2，泥质含量5.7％。

该井于1996.6投产S3，2002年.11检泵、补空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检泵、CO2吞吐，开井后仍液低油量生产（日液8.0m3/日油3.4t左右）。2005年11月实施酸化后，日液18.7吨，日油14.5吨，含水22.6％。2006年2月液量急剧下降至5.7吨，功图供液不足，液面无显示。由于CO2吞吐有效期在4-5个月以上，因此，认为目前液量下降的主要原因是生产过程中颗粒运移堵塞孔道。建议实施酸化解堵。同时因该井油层分为2段，渗透率存在一定差异，上次酸化很可能只动用一段。建议本次酸化采用泡沫酸化技术，利用泡沫酸的缓速性能扩大酸化半径，利用泡沫酸的选择封堵作用实现均匀改善地层的目的。

于2006年4月19日对该井实施泡沫酸化，控制泡沫酸密度0.7～0.8g/cm3，正替12％HCl前置酸9方，正挤12％HCl前置酸3方，正挤10％HCl处理酸20方，正挤顶替污水10方，关井反应1小时，注入压力19.5MPa。关井反应后使用密度0.65g/cm3的低密度泡沫反洗井排酸。

该井施工后，产液恢复良好，产液正常后日产液24.3m3，日增油7.7吨，增产效果明显。