第第16.316.3章章 砂砂 岩岩 酸酸 化化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o砂岩酸化程序介绍首先注入50gal/ft的盐酸前置液，随后注入50200gal/ft的盐酸氢氟酸， 然后采用柴油、盐水或盐酸后置液顶替出油管或井筒内的酸液。 一旦施工完成，应立即返排残酸以减少反应沉淀生成的污染。v首先要选择酸液的类型和浓度，其次要确定前置液、盐酸氢氟酸和后置液用量和注入排量；v在所有的酸化处理中，挤酸是一个重要的过程，它需要仔细设计以 确保酸与处理层的充分接触，是酸化成功与否的关键；v同时还需详细地安排将酸挤入地层的设备，设计酸化过程的监测方 法。v最后，许多不同的添加剂需要加入到酸液中。添加剂的类型和数量必须根据完井、地层和油藏流体而定；3.1 介 绍 3.2 酸 液 选 择2. 酸液选择砂岩酸化过程中酸液的类型和强度（浓度）是基 于现场经验和地层特性选定的。v污染物质必须在所选酸液中是可溶的；v多年来，砂岩酸化的基础配方为15%盐酸前置液， 12%盐酸3%氢氟酸组成。由于12%盐酸3%氢氟酸 普遍使用，通常称之为土酸；v近年来，酸化朝着使用低浓度氢氟酸方向发展（ Brannon等，1987），其优势在于减少了沉淀的伤害和近井 地层的出砂；v只要确定了地层污染的组分，地化模型可指导酸液的 选择。3.1 一酸、两矿物模型1）介绍目前应用最普遍的是两矿物模型（Hill等 ，1977；Hekui等，1982；Taha等，1989）。o该模型将矿物分为两种模型快反应矿物和慢 反应矿物：Schechter(1992) 将长石、自生粘土和无定 形硅作为快反应矿物、次生粘土和石英作为基本慢反 应矿物；o假设流动为线性，如线性驱替。3.3 砂岩酸化模型3.1 一酸、两矿物模型化学反应式可简单表示如下：其中：M1快反应矿物（长石、粘土和其它胶结 物）；M2慢反应矿物（石英、硅质岩屑） ； 1，2酸岩反应的化学计量系数。3.3 砂岩酸化模型3.1 一酸、两矿物模型2）数学模型将物质平衡模型应用于氢氟酸和反应矿物，其模型为：3.3 砂岩酸化模型3.1 一酸、两矿物模型其中： CHF是氢氟酸浓度；MWHF为氢氟酸分子量；u为酸液流速；S为距离；SF*和SS*为固体比表面积；VF和VS为体积百分数；Ef,F和Ef,S是反应速度常数（基于氢氟酸的消耗速度 ）；MWF和MWS是快、慢反应矿物的相对分子质量；F和S是100%氢氟酸对快、慢反应矿 物的溶解能 力；F和S分别是快慢反应矿物的密度。3.3 砂岩酸化模型3.1 一酸、两矿物模型3）模型处理 假设孔隙度为常数，将方程无量纲化为：3.3 砂岩酸化模型3.1 一酸、两矿物模型式中无量纲定义为：其中： 为无量纲氢氟酸浓度；为无量纲矿物浓度；为无量纲距离；为无量纲时间（孔隙度体积）；下表o代表酸处理前的初值。3.3 砂岩酸化模型3.1 一酸、两矿物模型4）a. Damkohler数和酸能力数Ac这两个无量纲数用于描述氢氟酸矿物的反应动力学和化学 平衡。Damkohler数是酸反应速度与酸传质速度之比。对于快反应矿物：酸能力数是酸占有单位岩石孔隙空间的体积溶解矿物的量与单 位体积岩石存在矿物的量之比，对于快反应矿物：对于慢反应矿物，Damkohler数和酸能力数定义类似。3.3 砂岩酸化模型3.1 一酸、两矿物模型b. Damkohler数的讨论：当酸注入到砂岩地层，反应前缘通过氢氟酸和快反 应矿物的反应建立。这一前缘的形态依赖于Da(F)，当Da较小 时，传质速度（对流）高于反应速度，前缘比较平缓。当Da 较大时，由于反应速度大于传质速度，反应前缘相对陡。图 16.4 (da Motta等1992）表明了对于高Da(F)和低Da(F)的典型 剖面。3.3 砂岩酸化模型3.1 一酸、两矿物模型图16.4 酸与快反应矿物的浓度剖面 （da Motta等，1992a）3.3 砂岩酸化模型3.1 一酸、两矿物模型5）模型解o数值解方程16.516.7可用统一方式求得数值解。数值模型提 供了以上方程组的解法，如Taha等（1989）所提出的解法已经广 泛应用于酸化设计。o解析解解析模型对于特定简单条件是可得的。 Schechter(1992)对相对较高的Da(Da(F)10)提出的近似解法是有 效的。解法假设氢氟酸快反应矿物有一个陡的前缘，在 前缘之后所有的快反应矿物溶解，在前缘之前，不发生反应。慢 反应矿物和前缘后氢氟酸之间的反应将减小到前缘氢氟酸的浓度 。3.3 砂岩酸化模型3.1 一酸、两矿物模型这上述假设条件下，前缘的位置为：上式将无量纲前缘位置f定义为前缘位置除以 线性流岩心长度，在前缘后的无量纲酸浓度为：3.3 砂岩酸化模型3.1 一酸、两矿物模型c. 解析解特点这种处理方法优点在于它可以将无量纲量采用 类似的定义应用于线性流、径向流和椭圆流态。径向流 主要代表裸眼、砾石充填或割缝衬管完井的酸流动态， 也可以是足够多射孔密度的射孔完井的近似；椭圆流动 几何形态是一个射孔孔眼周围的流动的近似（ 图16.5）。3.3 砂岩酸化模型3.1 一酸、两矿物模型图16.5 射孔周围的椭圆流动 （Schechter，1992）3.3 砂岩酸化模型3.1 一酸、两矿物模型三种流态的无量纲量见表16.6，对于射孔的几何形态，前 缘的位置f依赖于射孔位置。在表16.6中，给出了酸从射孔尖端的前 缘位置和酸沿井筒穿透的表达式。 表16.6 砂岩酸化模型的无量纲量3.3 砂岩酸化模型3.1 一酸、两矿物模型在表16.6中：L岩心长度；rw井筒半径；lp射孔长度；u岩心线性流动的流速；qi/h每英尺裸眼井段酸的体积流量；qerf每单位时间进入射孔眼的体积；Da的定义必须根据几何形态考虑，F和 C同上面的定义相同，可应用于所有形态。说明：表16.6给出的两个穿透距离用于设计是足够的 ，读者可参照Schechter(1992)提出的这一形态计算完全穿透距离 剖面的方法。3.3 砂岩酸化模型3.1 一酸、两矿物模型16D 径向流和射孔孔眼流动的用量比较解除孔眼尖端以外污染所需酸量明显大于解除径向流同样距离 所需酸量。举一个采用Schetchter(1992) 模型去求解对以上两种形态穿透距 离所需酸量的实例。考虑一个含10%快反应矿物（长石、粘土或两者都有），5%碳 酸钙，85%石英的地层，一个6in的伤害区域（在射孔以外6in的径向距离） ，由污染导致的初始表皮系数为10，井筒的径向距离为0.328ft，以射孔井 为例，每英尺有4孔，射孔井段为6in，0.5的径向距离。在注入足够的15% 盐酸溶解碳酸盐后，以0.1bbl/min/ft注入12%盐酸3%氢氟酸溶液。酸用 量由酸穿透距离的常数和径向流和孔眼几何形态的表皮系数来确定。井底处 理温度为125（。F）50。对于上述条件，在径向流中慢反应矿物 Damkohler数Da为0.013。3.3 砂岩酸化模型3.1 一酸、两矿物模型解：从表16.6两种几何形态的无量纲量近似定义采用方程 16.25，酸能力数对于每种形态都是一样的，Damkohler数之比为 ：式中：SPF为射孔密度，单位spf。 孔眼流动下，慢反应矿物的Da为0.12，Ac为0.021， 此例中Da和Ac的值是根据Economdides等1994提出的岩心流动 测试得到的。3.3 砂岩酸化模型3.1 一酸、两矿物模型在方程16.25中使用以上数据，取酸穿透距离为 06in。可得到16D.1和图16D.2所示结果。当酸穿透距离 大于2in，射孔孔眼几何形态比径向流需要更多的酸液。 表皮系数的评估表明穿透伤害带射孔流态所需的酸量大于 径向流所需酸量。3.3 砂岩酸化模型3.1 一酸、两矿物模型图16D.1 径向流和射孔的酸穿透距离图 16D.2 径向流和射孔流的表皮系数 的减少3.3 砂岩酸化模型3.1 一酸、两矿物模型16D 解法讨论慢反应矿物Da和快反应矿物Ac调节到达前缘的活性氢氟酸的量，如果对慢反应比对流快，几乎没有酸能扩展到快反应 矿物的反应前缘，慢反应矿物的Ac是极为重要的，因为在反应前 缘后慢反应矿物几乎为常数。快反应矿物Ac(F)直接影响前缘扩展 速度，快反应矿物越多，前缘移动的速度越慢。因为假设了一个 陡的反应前缘，因此Da(F)在解法中未出现，假设表明Da(F)为无限 大。这种解法可以估算除去给定的进井地带或孔眼周围快反应矿 物的酸用量。无量纲数Da(S)和Ac(F)可以用方程16.23和16.24分别计 算，表16.6以岩石矿物组分为基础，可以从实验获得。3.3 砂岩酸化模型3.1 一酸、两矿物模型3.2 两酸、三矿物模型 a) 介 绍近年来，Bryant(1997) 和Motta等( 1992b)提出的 证据表明，采用一酸、两矿物模型是不妥当的，尤其是在高 温下。研究表明氟硅酸与铝硅酸盐（快反应矿物）的反应十 分重要。两酸、三矿物模型综合了传统的“一酸、两矿物” 模型，即氢氟酸与快反应矿物、慢反应矿物之间的反应,同 时又考虑了反应中间产物氟硅酸和硅胶的影响：氢氟酸 可以溶解反应过程产生的硅胶，氟硅酸在高温情况下可溶解 快反应矿物（其反应速度的数量级同氢氟酸的数量级相当） 。3.3 砂岩酸化模型3.1 两酸、三矿物模型可以用下述反应式来表述它们之间的反应关系：其中：M3表示第三类硅胶矿物；3，4，7，8酸岩反应的化学计 量系数。这一全局反应实际表明消耗同样体积的快反应矿物需 要更少的氢氟酸，因为硅氟酸将与这些矿物发生反应，并产生硅 胶（Si(OH)4）沉淀。这一反应允许活性酸在地层中穿透的更远 。然而，存在形成沉淀伤害的潜在危险性。3.3 砂岩酸化模型3.1 两酸、三矿物模型b) 运用实例Sumotarto(1995)提出一个实例表明采用两酸、三 矿物比一酸量矿物有更好的预测结果。图16.6所示为向17%粘土和长石（快反应矿物） ，以及83%石英（慢反应矿物）的砂岩地层注入12%盐酸 3%氢氟酸后两种模型的预测结果比较。在本图中，矿 物1是粘土和长石，矿物2是石英，矿物3是硅胶。注入 100gal/ft后，根据两酸、三矿物模型溶解了井筒周围6in的 长石和粘土，而采用一酸、两矿物只溶解了2in。3.3 砂岩酸化模型3.1 两酸、三矿物模型图16.6 不同用酸量下的 无量纲矿 物浓度3.3 砂岩酸化模型3.1 两酸、三矿物模型图16.6 不同用酸量下的 无量 纲矿物浓度3.3 砂岩酸化模型3.1 两酸、三矿物模型2）渗透率和孔隙度的比较采用两酸、三矿物模型预测到了一个硅沉积的伤害 带。采用渗透率变化模型去预测矿物的溶解和沉淀，在图 16.7和图16.8中对每个模型进行了渗透率和表皮系数变化的 预测和比较。尽管两酸、三矿物模型将预测出沉淀，但因为 氟硅酸的继续反应，两酸、三矿物预测的渗透率增加大于一 酸、两矿物模型。3.3 砂岩酸化模型3.1 两酸、三矿物模型图16.7 不同用酸量下的渗透率变化3.3 砂岩酸化模型3.1 两酸、三矿物模型图16.8 一酸两矿物模两酸 、三矿物模型计算得到的平均渗透 率随用酸量变化图16.8 一酸两矿物模两酸、三矿物模型 计算得到的表皮系数随用酸量变化3.3 砂岩酸化模型3.1 两酸、三矿物模型3）渗透率响应为预测地层对酸化的响应，需要预测随着酸溶解 一些矿物和其它矿物沉淀的渗透率的变化。渗透率的变化是 酸化效果的一个重要方面。渗透率被孔隙介质中一些不同的，有时是竞争现 象所影响。随着孔隙度和孔喉的矿物溶解，渗透率上升。同 时，随着固井材料被溶解，小的颗粒被释放，这些颗粒中的 部分（可能是暂时的）位于