第7章酸处理技术

采油工程原理与设计中国石油大学（华东）石油工程学院采油工程系主要内容：1、碳酸盐岩地层盐酸处理2、酸化压裂技术3、砂岩油气层的土酸处理4、酸液及添加剂5、酸处理工艺酸化原理：通过酸液对岩石胶结物或地层孔隙(裂缝)内堵塞物等的溶解和溶蚀作用，恢复或提高地层孔隙和裂缝的渗透性。●酸洗●基质酸化●压裂酸化将少量酸液注入井筒内，清除井筒孔眼中酸溶性颗粒和钻屑及结垢等，并疏通射孔孔眼。在低于岩石破裂压力下将酸注入地层，依靠酸液的溶蚀作用恢复或提高井筒附近较大范围内油层的渗透性。在高于岩石破裂压力下将酸注入地层，在地层内形成裂缝，通过酸液对裂缝壁面物质的不均匀溶蚀形成高导流能力的裂缝。预置保护膜挤前置液+酸挤替挤液关井反应排酸酸化工艺过程第一节碳酸盐岩地层的盐酸处理碳酸盐岩地层主要成分：方解石和白云石目的：解除孔隙、裂缝中的堵塞物质，或扩大沟通油气岩层原有的孔隙和裂缝，提高油气层的渗流性一、盐酸与碳酸盐岩的化学反应2HCl+CaCO3→CaCl2+H2O+CO2↑4HCl+MgCa(CO3)2→CaCl2+MgCl2+2H2O+2CO2↑生成物状态：氯化钙、氯化镁全部溶于残酸中。二氧化碳气体大部分呈游离状态的微小气泡，分散在残酸溶液中，有助于残酸溶液从油气层中排出。高浓度盐酸处理的优点：(1)浓度越高，其溶蚀能力越强，溶解一定体积的碳酸盐岩石所需要的浓酸体积较少，残酸溶液也较少，易于从油、气层中排出。(2)能解决酸化中的腐蚀问题，可获得较好的酸化效果。(3)高浓度盐酸活性耗完时间相对长，酸液渗入油气层的深度也较大，酸化效果好。图7-1酸—岩反应系统示意图①酸液中的H+传递到碳酸盐岩表面；②H+在岩面与碳酸盐进行反应；③反应生成物Ca2+、Mg2+和CO2气泡离开岩面。酸岩反应速度：指单位时间内酸浓度降低值或单位时间内岩石单位反应面积的溶蚀量。表面反应酸岩复相反应过程：图7-2扩散边界层的浓度分布溶液内部：没有离子浓度差边界层内部：存在离子浓度差由于边界层内存在离子浓度差，反应物和生成物在各自的离子浓度梯度作用下向相反的方向传递。这种由于离子浓度差而产生的离子移动，称为离子的扩散作用。酸液中H+的传递方式：对流和扩散H+的传质速度：H+透过边界层达到岩面的速度。影响反应速度因素：H+传质速度、H+反应速度和生成物离开岩面速度二、影响酸岩反应速度的因素盐酸的优点是溶蚀能力强，价格较低，但其与碳酸盐岩反应速度快，活性酸的作用范围小。酸液在压裂裂缝中流动，仅需要几分钟到十几分钟，酸的活性就基本消耗完，活性酸的穿入深度一般只有十几米，最多也就几十米，盐酸在微孔中的流动，一般仅几十秒，最多不过1-2分钟，酸的活性就基本耗尽。因而如何延缓盐酸在地层中的反应速度是酸化工作的重要课题。(一)酸岩复相反应速度表达式yCVSDKCtCHn由上式表明，酸岩反应速度与酸岩系统的面容比、H+的传质系数和垂直于边界层方向的酸浓度梯度有关。（二）影响酸岩复相反应速度的因素分析1、面容比面容比越大，反应速度也越快2、酸液的流速酸液流动速度增加，反应速度加快3、酸液的类型强酸反应速度快，弱酸反应速度慢（与酸溶液内部的H+浓度成正比）面容比：岩石反应表面积与酸液体积之比4、盐酸的质量分数盐酸浓度增加，反应速度增加盐酸浓度过高，反应速度反而降低相同质量分数条件下，初始浓度越大，余酸的反应速度越慢，因此浓酸的反应时间长，有效作用范围越大。图7-3盐酸质量分数对反应速度的影响（这是由于HCl的电离度下降幅度超过HCl分子数目的增加幅度所造成的。）因此在酸化处理时常使用高质量分数的盐酸。（当新鲜酸液变成余酸时，由于在酸液中已经存在大量的生产物，使酸溶液中的Ca2+及Cl-的浓度增加，从而使HCl的电离度降低，H+的浓度变低，反应速度下降）24％～25％浓盐酸的初始反应速度虽然较快，但其活性耗完时间与低质量分数盐酸相比相对较长（如在相同条件下，28%的盐酸活性耗完时间将比15%的盐酸高一倍以上），浓盐酸活性耗完前穿入地层的深度相对远一些，酸化增产效果比较好。5、温度温度升高，H+热运动加剧，传质速度加快，酸岩反应速度加快图7-4温度对反应速度的影响6、压力压力增加，反应速度减慢图7-5压力对反应速度的影响7、其它因素岩石的化学组分、物理化学性质、酸液粘度等都影响盐酸的反应速度。提高酸化效果的措施：降低面容比，提高酸液流速，使用稠化盐酸、高浓度盐酸和多组分酸，以及降低井底温度等。（碳酸盐岩的泥质含量越高，反应速度相对较慢。碳酸盐岩油层面上粘有油膜，可减慢酸岩反应速度。增大酸液粘度如稠化盐酸，由于限制了H+传质速度，也可使反应速度减慢。）第二节酸化压裂技术酸化压裂：用酸液作为压裂液，不加支撑剂的压裂。作用原理：(1)靠水力作用形成裂缝；(2)靠酸液的溶蚀作用把裂缝的壁面溶蚀成凹凸不平的表面，停泵卸压后，裂缝壁面不能完全闭合，具有较高的导流能力，可达到提高地层渗透性的目的。酸压与水力压裂相比：相同点：基本原理和目的相同。不同点：实现其导流性的方式不同。裂缝有效长度导流能力酸液的滤失特性取决于酸液对地层岩石矿物的溶解量以及不均匀刻蚀的程度酸压效果酸岩反应速度裂缝内的流速控制一、酸液的滤失滤失主要受酸液的粘度控制压裂液的滤失系数CI公式控制酸液的滤失常用的方法和措施(1)固相防滤失剂硅粉：添满或桥塞酸蚀孔道和天然裂缝。刺梧桐胶质：在酸中膨胀并形成鼓起的小颗粒，在裂缝壁面形成桥塞，阻止酸蚀孔道的发展，降低滤失面积。大颗粒桥塞大的孔隙；亲油的树脂形成更小的颗粒，变形后堵塞大颗粒的孔隙，从而有效地降低酸液的滤失。粒径大小不等的油溶树脂：(2)前置液酸压优点：(1)采用前置液破裂地层形成裂缝，并在裂缝壁面形成滤饼，可以降低活性酸的滤失；(2)冷却井筒和地层，减缓酸液对油管的腐蚀，降低酸岩反应速度，增大酸液有效作用距离。(3)胶化酸以某些表面活性剂作酸液的稠化剂，能够形成类似于链状结构的胶束稠化酸。优点：(1）受剪切后胶束链能很快重新形成，稳定性好；(2）粘度大，在形成废酸前能有效地防止酸液的滤失。(4)乳化酸和泡沫酸使用一定粘度的液体作为酸压的前置液，是国内外常用的降滤失方法。二、酸液的损耗影响酸沿碳酸盐岩地层裂缝行进距离的因素：酸液的类型、酸液浓度、注入速度、地层温度、裂缝宽度及地层矿物成分等。图7-6注入速率对酸穿透距离影响增加注入速率，可以增加石灰岩和白云岩地层中酸压的穿透距离，而且在白云岩地层中的穿透距离比在石灰岩中大，这是因为盐酸与白云岩的反应速度比石灰岩慢。图7-8温度及酸浓度与酸穿透距离关系图7-7裂缝宽度对酸穿透距离影响裂缝宽度增加，穿透距离增加温度增加，穿透距离减小浓度增加，穿透距离增加酸压裂缝的有效长度将主要受酸岩反应速度的影响。控制反应速度最普遍和有效的方法是使用前置液酸压，前置液既可以降低地层温度，也可以形成较宽的裂缝，还可以促进裂缝内酸液的粘性指进。在酸液中加入诸如烷基磺酸、烷基磷酸或烷基胺之类的阻滞剂（缓速剂），也可以降低酸岩反应速度。缓速剂在碳酸盐岩表面形成亲油的膜，减少了酸与岩石的接触机会。采用乳化酸也可以延缓酸岩反应速度，用煤油或柴油作外相，一定浓度的盐酸作内相，通过表面活性剂的阻滞作用，使碳酸盐岩表面变成强亲油，达到降低反应速度的目的。另外，使用乙酸和甲酸、胶化酸、泡沫酸等也可以减缓酸岩反应速度，起到降低酸液滤失的作用。三、酸岩复相反应有效作用距离残酸：当酸浓度降低到一定浓度时，酸液基本上失去溶蚀能力。活性酸的有效作用距离：酸液由活性酸变为残酸之前所流经裂缝的距离。裂缝的有效长度：酸液由活性酸变为残酸之前所流经裂缝的距离。(一)酸岩反应的室内试验方法简介静态试验动态试验恒温、恒压、恒面容比；静止反应；定时测量酸浓度和岩石溶蚀量流动模拟试验动力模拟试验模拟酸液在地下流动反应的情况岩心转动而酸液静止，利用相似模拟处理方法(二)裂缝中酸浓度的分布规律研究方法数学模拟求出裂缝中酸浓度分布的数学规律物理模拟确定H+传质系数DH+1.酸液在裂缝中流动反应的偏微分方程基本假设：①恒温恒压下，酸沿裂缝呈稳定层流状态；②酸液为不可压缩液体；③酸密度均一；④传质系数与浓度无关。22HyxyCDyCuxCu对流扩散偏微分方程：2.酸浓度分布规律及计算图的应用边界条件0yC0y,xCCy,xC0y2Wy00x裂缝入口端酸浓度为初始浓度C0裂缝壁面处，对盐酸与石灰岩反应来说，表面反应速度与传质速度相比，可视为无限大，故壁面上的酸浓度C=0裂缝中心位置且垂直于壁面的方向上，酸浓度梯度为零图7-9酸沿平板流动反应俯视示意图图7-10有滤失情况下酸液有效作用距离计算图图版应用方法：方法一：（已知断面位置x）1）根据物理参数计算皮克利特数NP2）根据给定裂缝中任意断面的位置x，计算相应的无因次距离LD3）利用计算图，两坐标位置的垂线相交，得到x位置的无因次酸浓度值，即任意断面位置x的酸浓度C值。方法二：（已知C/C0）根据皮克利特数NP，给定的C/C0值，利用图版查出相应的无因次距离LD。从而算出酸浓度降至预定的C/C0时，活性酸的有效作用距离x值。破裂地层后某一时间时活性酸有效作用距离的步骤：①由滤失系数C计算酸液平均滤失速度；V②计算时间t时的动态裂缝尺寸（长度L及平均缝宽W）；③根据排量Q、油层有效厚度h及缝宽W求裂缝入口端平均流速u0；④根据H+有效传质系数求皮克利特数NP；⑤根据图版查无因次距离数LD；⑥求酸液有效作用距离x。3.确定有效传质系数的物理模拟原理①物理模型的简化u0u0图7-11无滤失情况下酸沿裂缝流动反应示意图假设岩板不滤失对流扩散微分方程22H0yCDxCu②简化偏微分方程的解用分离变量法和傅立叶级数，得到x方向任一横断面上的平均酸浓度为：0nS)1n2(2202e)1n2(1C8xC20H2WuxDS令x=L，则0ns)1n2(2202e)1n2(18C)L(CH220H2DWQLhWuLDS裂缝出口酸浓度与入口酸浓度比值4.有效传质系数曲线图图7-12有效传质系数与雷诺数关系曲线图注意事项：1）必须选用实际产层温度条件下的曲线；2）岩性不同，传质系数值不同。因此各油气田应用本产层的岩心作流动模拟试验，作出有效传质系数与流动雷诺数关系曲线，其它油气田的试验结果只能作为参考。增加酸液有效作用距离的方法或措施：(1)在地层中产生较宽的裂缝(2)较低的氢离子有效传质系数(3)采用较高的排量(4)尽可能降低滤失速度矿场措施：(1)采用泡沫酸、乳化酸或胶化酸等以减少氢离子传质系数(2)采用前置液酸压的方法以增加裂缝宽度(3)适当提高排量及添加防滤失剂以增加有效酸液深入缝中的能力四、前置液酸压设计方法前置液酸压：在酸压过程中，用高粘液体当作前置液，先把地层压开裂缝，然后再注入酸液的这样一种压裂工艺。优点：粘度高，滤失量小，可形成较宽、较长的裂缝作用机理：减少裂缝的面容比，从而降低酸液的反应速度，增大酸的有效作用距离预先冷却地层，岩石温度下降，起缓蚀作用酸液在高粘液体中指进现象。图7-15酸液指进示意图由于有指进现象，进入裂缝的酸液大约只与裂缝的30%-60%的表面接触。由于减少了接触面积，一方面降低了漏失量，另一方面又减缓了酸液反应速度。因此，能用较少的酸量造成较长的有效裂缝。KKWKKWrrRrRJJffffewelnlnln0设计步骤：(1)计算裂缝几何尺寸(2)计算缝中酸液温度(3)计算酸液有效作用距离(4)计算酸压后裂缝导流能力(5)计算增产比简化计算方法：认为缝的几何尺寸由注入的前置液造成。简化为在某一平均温度下的酸的反应。用上一节的酸液有效作用距离计算方法。先求出在壁面上均匀溶蚀的缝宽和缝的理论导流能力，再考虑裂缝在应力作用下的导流能力。课本中(p314)用一例题说明了酸压的计算步骤(自学)。第三节砂岩油气层的土酸处理砂岩砂粒粒间胶结物石英和长石硅酸盐类(如粘土)和碳酸盐类物质砂岩油气层的