第第1717章章 碳碳 酸酸 盐酸化设计盐酸化设计油气藏增产系列讲座主讲人：郭建春主讲人：郭建春 副教授副教授1. 碳酸盐矿物分类v方解石：碳酸钙矿物。v白云石：碳酸钙矿物和碳酸镁矿物的比为1：1。2. 碳酸盐矿物物理性质双重孔隙或渗透率不均匀分布。3. 碳酸盐酸化特点常选用盐酸，其目的是溶解基质和旁通伤害物。17.1 引 言17.2 碳酸盐储层中矿物特征o矿物特征来源主要来源于生物活动的沉积岩，其中大部分为尺寸 为几微米到几厘米的海洋生物骨架。另一些来源自CaCO3 的化学沉积。沉积后遭受的化学作用化学改变主要是沉积物演化为稳定的形式，如方解 石和白云石，这一过程又称为新生变形作用。形式：白云石化作用、白云石化作用的逆过程、溶 解、再沉淀和胶结过程以及地下条件严厉期间发生的分子扩 散。这些作用都使孔隙度和渗透率发生变化。o沉积后遭受的物理变形作用（成岩作用）沉积物的埋藏引起地应力和压力变化，使孔隙度和 渗透率降低。高上履压力使颗粒压缩，同时发生隙间水损失， 促进物理溶解、再沉淀并引起孔壁附着。如果孔隙度降至零， 产生残余环流裂缝。机械应力的变化也诱导产生裂缝。o碳酸盐沉积特征碳酸盐沉积物由非侵蚀、均质的矿物组成，原始孔 隙度较高。由于沉积物的渗透率主要取决于颗粒大小，碳酸盐 岩油藏的孔隙度和渗透率范围较宽，具体值取决于在沉积和胶 结程度、以及构造应力作用而产生的裂缝。17.2 碳酸盐储层中矿物征1. 伤害情况的确定是碳酸盐酸化处理正确设计的先决条件。通常根 据地层伤害的情况选择处理液类型，且处理液的用量取决 于伤害物的位置和伤害程度。 2. 污染特征v除基质中存在的粘土颗粒有关的伤害外，其它同 砂岩地层存在的污染基本相同。v另外，胶结差的白垩会被酸溶液永久伤害，从而 降低了地层的机械强度，导致地层压实。v由于低基质渗透率裂缝性油藏的水堵问题，外来 伤害常集中在裂缝处，侵入深度比均质油藏深。17.2 碳酸盐储层中伤害物特征17.3 盐酸酸化碳酸盐岩碳酸盐酸化一般用盐酸，其目的是产生高导流能力的通道（也称酸蚀孔洞），以旁通伤害物或存在低渗透 裂缝性油层中被堵塞的裂缝。碳酸盐岩酸化常使表皮系数 变为负值，这由于打开了天然裂缝，并在井筒附近产生了 高渗透性的酸蚀孔洞。为解决地层温度高于205情况下的腐蚀问题，可用有机酸代替盐酸。可通过盐酸乳化形成微乳液，降低 酸与岩石的接触面积，可达到深穿透的目的，此种情况下 ，在酸的有效作用范围内孔隙尺寸均匀增加，无酸蚀孔洞 的产生。 3.1 引 言v最早在1895年应用，并在1896年由Frasch 获得专利。此时，Frasch为考虑使用缓蚀剂；v现代酸化开始于1932年2月，Dow化学公司 第一次将缓蚀酸液应用到灰岩地层，并获得了成功 ；v1932年后，酸处理应用到产盐井，提高了盐 产量；v利用缓蚀酸液处理油井迅速得到扩展，Dow Well服务公司因此而建立专门开发新工艺。1932年 11月，Dowell公司成立。不久，其它公司也相继成 立。酸化获得了广泛的应用。17.3 盐酸酸化碳酸盐岩3.2 历史回顾o该反应体系取决于几个化学反应，其反应式和相应 的平衡常数为：示中方括号中物质的浓度为单位mol/L，pCO2为二氧化碳 的压力。17.3 盐酸酸化碳酸盐岩3.3 碳酸盐与盐酸的反应o 由于H2CO3为弱酸，盐酸存在时HCO3-和 CO3-的浓度可忽略。HCl与方解石的反应为：HCl与白云岩的反应为：17.3 盐酸酸化碳酸盐岩3.3 碳酸盐与盐酸的反应o反应速率kr为与每平方米润湿表面每秒钟反应的酸的摩 尔数，主要取决于温度和酸浓度：式中：kr反应速度常数；C盐酸浓度，mol/m3；n反应级数。kr和n已通过实验测定。反应速率常数 kr随温度的 变化遵从Arrhenius定律。另外，对于白云岩，反应级数n随 温度改变。17.3 盐酸酸化碳酸盐岩3.3 碳酸盐与盐酸的反应4.1 酸化反反应过程盐酸与碳酸盐矿物的反应，包括以下步骤：（1）氢离子（H+)传递到矿物表面；（2）离子与矿物反应；（3）反应产物从矿物表面传递到本体溶液。若这些步骤中的某一步骤比其它步骤慢，则这 一步骤决定整个反应过程的反应速度，并被称作决速步骤 。反应速率控制和扩散速率控制代表两个极端情 况。17.3 盐酸酸化碳酸盐岩3.4 酸化物理特征4.2 溶蚀孔洞现象o 灰岩岩心用HCl酸化后产生的肉眼可见的孔道，称为酸蚀孔洞。o 实验结果显示酸的注入速度影响酸蚀孔洞的几何尺寸和酸蚀孔洞穿透岩心所需的酸量。o酸蚀孔洞可解释为酸化现象的不稳定性：大的孔隙 易 接受更多的酸液，这又增加了它们的面积和长度，最 终产生一宏观隧道，或酸蚀孔洞。这些新生通道比周围 的孔隙接受更多的酸并增长至穿透岩心。17.3 盐酸酸化碳酸盐岩3.4 酸化物理特征o Schechter和Gidley提出一维分析模型模型，用计算机网络 模拟来仿真蚓孔现象。与实验相比，这一模型的优点是：可在较 宽的范围内改动溶解函数和流动参数。在这些模拟中，分形行为 仅发生两个极端情况（见图17.1）：（1）低流速时，分子扩散起主导作用。（2）高流速时，边界层的厚度变得十分薄，以至于反 应动力学变为表面反应控制。注酸速度比溶解速度高得多。o Daccord（1933）等采用无量纲分析，比较了酸扩散到孔壁 的速度与酸对流进入孔隙中的速度。o Wang 等（1993）提出了不同的分析方法也得出同一结论：引起酸蚀孔洞要求临界初始蚓孔尺寸。17.3 盐酸酸化碳酸盐岩3.4 酸化物理特征17.3 盐酸酸化碳酸盐岩3.4 酸化物理特征图17.1 用网络模型的得到的溶解方式（据Hoefner和Fogler，1986） 模型宽度与在Peclet指数的6个数量级（最小值=1，最大值=6） 下溶解的物质质量成比例，酸液从顶部流向底部17A 溶蚀孔洞的产生和扩展o酸在孔隙内的传递可简化为两个正交传递过程：轴向对流 传递和向孔隙壁面的扩散传递。o在孔隙中，由于酸与岩石反应，酸在孔隙壁面的浓度低于 本体浓度。Levich(1962)使用边界层理论计算了毛细管中的扩 散速度：式中：I毛细管中的扩散通，mol/s；D扩散常数；c0毛细管入口处的酸浓度；qc毛细管长度；L毛细管长度。17.3 盐酸酸化碳酸盐岩3.4 酸化物理特征o 层流时，毛细管内的流速qc为：式中： r 毛细管半径；P 毛细管内的压差； 动力粘度；分析：由（17A.1) 与（17A.2)知，与小孔隙相比， 大孔隙吸收越来越多的酸，增加了大孔隙的长度和直径，从而 使蚓孔扩展。一旦产生一条蚓孔，因为在蚓孔中的压差P与基 质中的P 相比是可忽落的，它将吸收注入的所有酸液。17.3 盐酸酸化碳酸盐岩3.4 酸化物理特征o传质控制和对流控制的区域界限决定于Peclet数（由 17A.3确定) 。排量较低和孔隙半径较小时，酸全部消耗在 孔隙入口处。Pe值较大时，鲜酸可传递到离孔隙入口处较 远的位置，并产生蚓孔。分析：Pe为无量纲变量，代表孔隙中轴向和径 向的流量比。o对于致密溶解，无量纲数为Dmkohler数（Da)，它表 示轴向流动速率与酸在孔隙表面消耗的速度之比。17.3 盐酸酸化碳酸盐岩3.4 酸化物理特征o对于传质控制的反应（即方解石和高温下白云石的反 应），Peclet指数决定低流速下的均匀溶解和高流速下的 虫孔溶蚀间的转换。Pe指数由下式计算：式中：m系数（对于线性流m=1，对于径向流m=2 ）；q总注入排量；K基质渗透率；孔隙度；A与流动方向垂直的横截面积；D扩算常数；17.3 盐酸酸化碳酸盐岩3.4 酸化物理特征o表17.2给出了线性岩心在不同的酸浓度、Pe和温度时的 岩心流动试验结果。只有当Pe介于10-310-2之间才产生蚓孔。临界Peclet数 随酸浓度增加的趋势可由重力现象解释。17.3 盐酸酸化碳酸盐岩3.4 酸化物理特征oFredd等（1997）使用更通用的Damkohler数Da代替Pe ：式中：r毛细管半径；L毛细管长度；K总反应速度，包括扩散和反应引起的 传质；qc毛细管内的流速。说明：该方法可应用于不完全为传质控制的反应体 系。对于所有的反应体系，临界Damkohler等于0.29。17.3 盐酸酸化碳酸盐岩3.4 酸化物理特征9) 乙酸对灰岩的溶解属传质控制，有效传质系数比盐酸的有 效传质系数低。注入排量相同时，乙酸酸化与盐酸酸化相比，虽产 生蚓孔，但分枝较多且活性酸的作用距离短。旋转圆盘测试表明乙 酸对灰岩的溶解属传质控制，且乙酸比盐酸的有效传质系数低（表 17.3)。17.3 盐酸酸化碳酸盐岩3.4 酸化物理特征oDaccord等（1989）使 用石膏 和水体系获得了 蚓孔方式的模型，如图17.2。17.3 盐酸酸化碳酸盐岩3.4 酸化物理特征图17.2 三维径向酸蚀孔洞形式的实验模拟 （据Daccord和Lenormand。1987）o 蚓孔径向几何a.) Daccord模型Daccord假设蚓孔的压差的为0，根据试验数据，建 立了联系表观增产半径rac和注酸量的方程式：式中：rw井筒半径；h岩心长度；PePeclet指数；Ac酸溶解能力指数(其确定方法见下一页）。17.3 盐酸酸化碳酸盐岩3.4 酸化物理特征（1）模型中酸能力数Ac由下式决定：式中：c酸浓度；VM摩尔浓度；化学计量系数（方解石为2，白云石为4）。17.3 盐酸酸化碳酸盐岩3.4 酸化物理特征（2）模型中a的讨论v 常数与作用体系有关；v 熟石膏和水体系 a=1/84；v 低浓度酸（4%HCl）a大约为1/18；v 高浓度酸（30%HCl) a大约为1/4。17.3 盐酸酸化碳酸盐岩3.4 酸化物理特征b.) 蚓孔径向几何特征蚓孔在径向上表征为分形模式，且分形维数等于1.7。（1）蚓孔的扩展速度随酸强度的增加而增加；（2）蚓孔的扩速度随温度的升高而增加；（3）在蚓孔内，漏失的体积随注液排量成幂增加，幂为1/3。17.3 盐酸酸化碳酸盐岩3.4 酸化物理特征o注入排量为确保蚓孔扩展和施工成功，井筒附近的酸液流速应高于产生 蚓孔的酸液流速。排量的计算实例见表17.4。临界流速由Peclet公式计算 ，临界值为510-2。说明：对于长井段的酸化，泵注排量为中等时可实现好的增产效 果（见实例研究17B）。17.3 盐酸酸化碳酸盐岩3.5 现场设计注：扩散系数是150。F时的值。对于射孔完井，假定射孔密度为4孔/ft，射孔长度为8in,射孔直 径为0.4in，孔隙度为15%，。这些值为井筒的临界流速。在基质中维持蚓孔增长则需较高的排量。17B.1 酸化实例通过连续油管向井中注入20%HCl，用酸强度为60gal/ft。泵注排量 限制为2bbl/min。生产井段长度为135ft，渗透率范围15150mD。为了转向，在 注酸序列中注入了泡沫柴油。 图17B.1为酸化前后的生产剖面。新射孔端（3137ft）为高渗层。产 量低的层介于3776ft之间，测井解释认为此层的孔隙度低。酸化使采油指数从1.1 增加到23.9bbl/(d.psi)。17.3 盐酸酸化碳酸盐岩3.5 现场设计17B.2 实例研究结论o结果表明合适的注酸排量可提高酸化效果，因为此时 可 使整个生产井段都达到了酸化；o施工过程中随地层吸液能力的提高而增加注入排量；o层间存在吸酸能力差异时，高排量可实现所有层都能产 生蚓孔；o高排量促进酸化半径的增长而酸前沿的流速降低时的蚓 孔扩展；o在裂缝型油藏中，酸化的目的是清洗裂缝，高排量可增 加活性酸的穿透距离。17.3 盐酸酸化碳酸盐岩3.5 现场设计2. 酸液排量o在最佳条件时（即接近临界排量），总岩心的1% 被溶解时就实现蚓孔的突破。 液量设计