引言

中国海上主力油田大多数以注水开发为主，在采油平台寿命期内快速开采、提高采收率是注水开发的基本要求。由于海上采油平台客观条件限制，注入水水质达标难度大。随着注水时间的延长，堵塞物逐渐在近井地带聚集堵塞，造成地层吸水能力下降，注入压力升高，达不到配注量，如渤海BZ25-1S油田、PL19-3 油田和SZ36-1 油田等^[1-3]；注入压力逐渐上升，很多井注入压力上升到接近甚至超过地层破裂压力的水平。这种严重欠注、超压注入的现象存在着多种弊端：（1）注入压力高，设备运行能源消耗量大，浪费能源；（2）采油平台注水流程高压运行，安全隐患大；（3）注入压力高，容易压破储层，可能导致原油沿裂缝泄露至海水中，造成海洋环境污染；（4）严重影响开发效果，无法实现油田高效快速开发。因此，为高效快速开发海上油田，必须对注水井进行解堵作业以提高地层吸水能力，降低注入压力，增加注入量，保障油田高效开发。各油田应用常规酸化技术虽然有效，但是存在诸多弊端，目前已经提出一种单步法酸化技术，并取得了一定的效果。现提出的单步法酸液体系主要包括3 类酸液体系即：有机酸体系、HF 酸体系及螯合剂+HF 体系。有机酸液中以甲酸体系为代表，Al-Harbi B G 等^[4] 在2013 年提出在高温（300 °F，相当于148.88 ℃）下，应用9%的甲酸体系更能满足Bandera 砂岩单步法酸化的要求。Rae P J 等^[5] 在2007 年对菲律宾地热井进行单步法酸化时，提出采用9% 高浓度的HF 体系，进行了三口井的测试，酸化均取得了成功；Qu Q 等^[6] 在2013 年进行了砂岩酸化单步法酸液体系研究，设计中应用自生HF，同时应尽量提高HCl/HF 的比例以达到最优的效果。Mahmoud M A 等^[7] 在2013 年提出应用含有HV 螯合剂的HF 酸液体系，并成功应用到尼日尔三角洲砂岩储层单步法基质酸化过程中，此酸液体系成功进行了12 口井的试验；Rae P J 等^[8] 在2007 年也提出应用新型含螯合剂的HF 酸液体系，pH 值一般在3.2∼4.8，并加入了沉淀抑制剂，尤其对铁离子抑制能力较强，应用此酸液体系已经进行过35 次现场施工，均取得了较好的效果；Nasr-El-Din HA 等^[9]2007 年提出了一套新型螯合剂+HF 酸的单步法酸液体系，此体系可以用于砂岩中高含黏土和碳酸钙的储层，pH 在2.0∼4.0，室内实验取得了很好效果。目前针对储层不同的特性，已经提出了几种较为有效的单步法酸液体系，但对海上油田注水井单步法酸化的研究还较少。本文针对海上油田常规酸化技术的特点及注水井堵塞类型，研发出新一代简便易行的酸化技术海上油田单步法在线酸化技术（Single Step Online Acidizing Technology，SSOA）。

1 海上油田常规酸化技术

经过长期研究、探索与实践，海上油田酸化技术实现快速、跨越式发展，已经研发并且推广应用了以不动管柱为核心的高效酸化增产增注技术，为海上油田注水井解堵降压增注做出了卓越的贡献^[10-13]。在酸化酸液体系方面应用最广泛的处理液是氟硼酸以及其他能缓慢产生HF 的缓速酸液体系，通过处理酸液溶解固体悬浮物、腐蚀产物和结垢等。由于砂岩储层矿物组成复杂，酸岩化学反应也较为繁多复杂，研究表明氢氟酸与硅铝酸岩的反应分为三次反应^[14-17] （表 1），且大多数酸岩反应产物在低pH 值酸液中溶解度大、水中溶解度小。

为保证酸化效果、防止二次伤害，采用有机清洗液、前置液、处理液、后置液和顶替液多液体多步注入处理工艺，应用各段液体原因及其主要作用见表 2。

受限于海上油田特殊环境、狭小作业空间和紧迫的时效要求，海上油田酸化井次多且部分井需要多轮次重复酸化时，作业工作量大，立足于采油平台的酸化作业存在以下缺点：（1）酸液体系复杂，酸液罐及其他辅助设备多，占用船舶、平台空间多，设备动迁难；（2） 配液过程和泵注施工工序较为复杂，劳动强度较高；（3）作业独占性强，酸化作业时在平台无法进行其他作业；（4）处理液规模优化设计难度大，规模选择不合适容易造成解堵效果不彻底（酸液设计量偏少）或浪费酸液（酸液设计量偏多）；（5）难以实施集中规模批次井酸化作业。

2 在线单步法酸化技术 2.1 技术原理

在线单步法酸化技术特点是在注水井不停注的情况下，将单一高效酸液按比例注入注水流程，酸液在流程中在线稀释并注入地层，实时监测泵注施工参数，判断酸化改造效果。因此酸化施工作业不需要体积庞大的多个酸罐等设备配制酸液，占用平台空间大幅度减小，作业程序显著简化，作业风险明显降低。如果成功实现此技术，则对酸液体系的性能提出了更为特殊和更高的要求。

2.2 InteAcid 智能复合酸体系

研制出一套智能复合酸液体系（Intelligent IntegratedAcid，InteAcid），体系由新型螯合剂、有机酸、氟化物、缓蚀剂、特殊表面活性剂和与水任意比例混溶的高效有机溶剂制备而成，实际应用时不需要再配制众多类型的酸化添加剂。其智能特性表现在体系只解除伤害物而基本不造成新的二次伤害，这完全不同于常规酸化的酸液体系。该酸液体系集有机清洗液、前置液、处理液和后置液的功能于一体，这种特性成为在线单步法酸化技术成为可能的关键，智能复合酸体系的特性体现在以下方面：

（1）与注入水、生产污水、各种酸化添加剂配伍性良好，能满足在线混配的要求。

酸液与添加剂和地层流体的配伍性，是直接影响酸化效果的重要因素，若酸液的配伍性差，当酸液与地层流体接触时会产生沉淀或者分层，不仅达不到预期的酸化效果，沉淀物还会堵塞流动孔道，从而造成新的伤害。注水井单步法酸化处理过程中，要求酸液与注入水在线混配，所以，注入水与酸液、相关添加剂、地层流体之间的配伍性显得尤为重要。海上油田通常使用生产污水以及其他层位地层水混合后作为注入水水源，其注入水中含有大量的金属离子，往往与常规酸液中的F$^-$，产生沉淀或絮状物；同时由于生产污水中含有大量油垢，油滴具有良好的形变特性，会以吸附和液锁形式造成储层伤害，甚至会对储层岩石表面的润湿性造成一定的影响^[18]。InteAcid 体系中为克服常规酸液不配伍的弊端，加入配伍性良好的螯合剂及高效有机溶剂，在室温和高温下进行配伍性实验研究表明，此体系具有良好配伍性。

（2）具有良好的抑制二次、三次沉淀的能力。

在砂岩酸化过程中，由于砂岩储层组成的复杂性很容易产生多种类型的二次、三次沉淀。大量报道称砂岩酸化过程中少量的铁离子就能产生巨大的储层伤害^[19]，且铁离子问题在注入井更为严重^[20]。在进行单步法砂岩酸化时，没有前置液用来降低pH，防止CaF₂ 沉淀的生成，因此更应该特别注意钙离子沉淀的生成。之所以InteAcid 体系不造成新的二次伤害，主要是因为特殊设计的配方能高效络合容易形成沉淀的金属铁、钙、镁等金属离子，并使难以形成氟硅酸盐、氟铝酸盐、氟化物和氢氧化物等沉淀。研究过程中，在室温条件下根据螯合剂的评价方法^[21-22]，对此酸液体系进行金属离子螯合性能评价，此体系对Ca²⁺+、Mg²⁺、Fe³⁺ 的螯合能力均高于其他螯合剂，实验结果如表 3 所示；且此体系能有效抑制砂岩酸化过程中常见二次沉淀，相对于常规土酸体系，二次沉淀抑制率接近75%，实验结果如表 4 所示。

（3）有效地溶解注水井堵塞物，且具有一定缓速性能，最终达到深部酸化解堵的目的。

酸化解堵的目的在于溶蚀地层岩石部分矿物或孔隙、裂缝内堵塞物，提高地层或裂缝渗透率，改善渗流条件，达到恢复或提高油气井产能（或注入井注入能力）。由于黏土矿物具有不稳定性，往往因过度溶蚀或反应速度太快而造成黏土矿物的运移、沉降，甚至储层坍塌，造成新的储层伤害。因此，在酸液体系设计过程中，必须要保证具有有效的溶解能力，但也不能造成岩石的过度溶蚀或酸岩反应速度过快。BZ25-1 油田D15 井为海上油田注水井，堵塞物主要以碳酸盐结垢和硅酸盐岩为主，其中有机物含量约占三分之一。在90 ℃实验条件下，该酸液体系对堵塞物的溶蚀率达73.48%，洗油率达99.3%，岩粉的溶蚀能力与常规的缓速酸体系相当在15% 左右，但较常规土酸体系低。在保证有效溶蚀同时，还具有很好的缓速性，有利于实现深部酸化。

岩芯流动实验表明InteAcid 智能复合酸可有效解除注水过程导致的近井地带污染，且污染程度越深，酸化效果越好：未伤害岩芯渗透率提高到原始渗透率的1.35 倍（图 1a），伤害（含5% 注入水堵塞物）岩芯渗透率提高到原始渗透率的3.60 倍（图 1b）。InteAcid 智能复合酸酸化后岩芯端面较好，未出现微粒脱落和出砂现象，表明该酸液具有较好的稳定黏土作用，对岩石骨架破坏小。

（4）具有良好的缓蚀性能，保证酸化安全施工。

酸液是具有较强腐蚀性的液体，对设备和管柱都有腐蚀作用，酸化增注增产过程中要求酸液具有一定的缓蚀性能。研究表明，在140 ℃下InteAcid 体系对N₈₀ 钢片的腐蚀速率为17.65 g/（m²⋅h），小于20 g/（m²⋅h），均匀腐蚀。参考SY/T5405—1996 行业标准，其酸液体系达到行业一级要求。

2.3 智能注入CCS 系统

传统酸化注入系统体积庞大，酸化施工优化难度高，即便在线施工也难以最大程度发挥技术优势。本文研制出在线单步法酸化智能注入系统，实现在线智能注入。

在线单步法酸化施工时不停注水流程，使用小型耐酸泵向注水流程中泵入酸液，施工前不需要准确设计酸液用量，通过CCS 系统（Computer Control System）实时监测和控制注入压力和排量，实时计算表皮系数，判断解堵效果。当表皮系数降低到预定值即刻停止注酸，剩余酸液则可用于同一平台其他注水井。因此在保证酸化效果前提下，可做到酸液用量优化；同一平台有多口井酸化时可实现集中规模化作业。

2.3.1 实时监控原理

在实际施工过程中，施工压力、排量是不断变化的，酸液在地层中流动满足达西定律的平面径向不稳定渗流^[23]

$\left\{ {\begin{array}{*{20}{c}} {\dfrac{{{tial ^2}p}}{{tial {r^2}}} + \dfrac{1}{r}\dfrac{{tial p}}{{tial r}} = \dfrac{1}{\eta }\dfrac{{tial p}}{{tial t}}}~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~\\[3pt] {p\left( {r,t} \right)_{t = 0} = p_{\rm{i}} }~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~初始条件\\[3pt] {{{\left. {r\dfrac{{tial p}}{{tial r}}} \right|}_{r = {r_{\rm{w}}},t = t}} = \dfrac{{q\mu }}{{2\pi Kh}}}~~~~~~~~内边界条件\\[6pt] {p\left( {r,t} \right)_{r \to \infty ,t = 0} = p_{\rm{i}} }~~~~~~~~~~~~外边界条件 \end{array}} \right.$

(1)

求解可得

${p_{{\rm{wf}}}}\!-\!{p_{\rm{i}}}\!=\!\dfrac{{162.6Bq\mu\!}}{{Kh}}\left(\!{\lg t\!+\!\lg\dfrac{K}{{\phi\mu{C_{\rm{t}}}r_{\rm{w}}^2}}\!-\!3.23\!+\!0.868S}\!\right) $

(2)

通过实时监测系统，可直接实时获取除表皮系数S 以外的所有数据，采用扩散方程的线源解和对时间迭加的方式，削弱流量变化对压力的影响，求解得到表皮系数S

$S = \dfrac{1}{{0.868}}\left( {\dfrac{b}{{\dfrac{{162.6B\mu }}{{Kh}}}} - {\rm{lg}} {\dfrac{K}{{\phi \mu {C_{\rm{t}}}r_{\rm{w}}^2}}} + 3.23} \right)$

(3)

其中

$b = \dfrac{{{p_{\rm{i}}} - {p_{{\rm{wf}}}}}}{{{q_N}}} - \dfrac{{162.6B\mu }}{{Kh}}\Delta {t_{{\rm{sup}}}}$

(4)

$\Delta {t_{{\rm{sup}}}} = \mathop \sum \limits_{j = 1}^N \dfrac{{\left( {{q_j} - {q_{j - 1}}} \right)}}{{{q_N}}}{\rm{lg}}\left( {{t_N} - {t_{j - 1}}} \right)$

(5)

式中：

p-地层压力，MPa；

$\eta$-导压系数，cm²/s；

$p_{\rm{i}}$-地层原始压力，MPa；

$p_{\rm{wf}}$-井底流压，MPa；

B-体积系数，无因次；

q-流量，m³/d；

$\mu$-地层流体黏度，mPa⋅s；

K-渗透率，D；

h-油层厚度，m；

r-井筒半径，m；

t-时间，s；

$\phi$-孔隙度，无因次；

$C_{\rm{t}}$-地层总压缩系数，MPa$^{-1}$；

$r_{\rm{w}}$-井眼半径，m。

2.3.2 CCS 实时监控系统框架图

CCS 实时监测系统如图 2 所示，计算机把通过压力、流量测量元件、变送单元和模数转换器送来的数字信号，直接反馈到表皮系数计算单元进行运算，若计算出的实时表皮系数S > 预期表皮系数$S_{\rm{o}}$，则执行机构保持注酸泵继续注酸；若计算出的实时表皮系数$S\leqslant$ 预期表皮系数$S_{\rm{o}}$，则执行机构即刻停止注酸泵，剩余酸液可用做其他井酸化，有效避免酸液浪费。

3 现场应用情况

目前在线单步酸化技术已在渤海BZ25-1S、QHD32-6、PL19-3 和SZ36-1 等主力油田实施80余井次，有效率100%，所有井视吸水指数大幅度增加，降压增注效果显著（表 5）。

以QHD32-6-A7 注水井C 层为例，单步法在线施工曲线如图 3 所示。由施工曲线演变可以清楚发现，单步酸液进入地层后解除了近井堵塞：表现为酸液进入地层前地层吸液能力较差，泵注压力较高（9.66 MPa），注水流程泵出口压力高（9.70 MPa）；随着酸液径向进入近井地带周围，地层吸液能力得到明显改善，泵注压力明显降低、排量大幅上升。酸化前注水量为225 m³/d，井口油压为9.00 MPa，已经接近允许的最大井口注入压力，采取在线单步法酸化技术进行解堵增注作业。在实时监测表皮系数下降到最低（约0.2）时停止泵注酸液。酸化后注水量为361 m³/d，井口压力降低到为1.60 MPa，视吸水指数增加了9.6 倍，增注降压效果显著。

4 结论

（1）针对海上油田狭小空间条件下注水井多井次频繁酸化作业存在的弊端，首次提出并研发出革新性单步法在线酸化技术。该技术需要酸化设备少，大幅度节约海上作业时间、空间、作业资源和费用，降低作业劳动强度，具有极大的灵活性，大规模现场应用成功率和有效率高，并成为海上油田注水井酸化增注的核心技术。

（2）InteAcid 智能复合酸是实现单步在线酸化的核心，其具有高效解堵、配伍性良好可与注入水在线混配、有效控制二次沉淀、低腐蚀、深部酸化的性能，其应用可实现单一酸液体系代替多段酸化液。

（3）智能注入CCS 系统可实现在线施工和实时监测，帮助现场优化酸化施工参数，实现多井集中规模化作业。