酸化工艺中酸液有效作用距离及其影响因素

1、酸化工艺中酸液有效作用距离及其影响因素摘要：酸化是油气井增产、注入井增注的又一项有效的技术措施。其原理是通过酸液对岩石胶结物或地层孔隙、裂缝内堵塞物等的溶蚀作用，恢复或提高地层孔隙和裂缝的渗透性。酸压时，酸液沿裂缝向地层深部流动，酸浓度逐渐降低，当酸浓度降低到一定程度(如2%3%)，基本上已失去溶蚀能力的酸液，称为残酸。酸液由活性酸变为残酸之前所流经裂缝的距离，称为活性酸的有效作用距离。酸液有效作用距离是酸压设计的重要参数，也是影响酸压效果的重要因素。因此酸液有效作用距离的研究是预测酸压增产效果和科学地进行酸压设计的重要保证。关键词：酸化 有效作用距离 滤失 残酸酸化是油气井增产、注入井增注的

2、一项有效的技术措施，它不仅可以解除近井地带的地层伤害，还可以降低或去除表皮效应，提高地层渗透率，因此被国内外各个油田普遍采用。酸液有效作用距离作为酸化的一项重要参数，它对于酸化的最终效果起着至关重要的作用。所谓酸液的有效作用距离，是指活性酸液进入地层后，沿裂缝向地层深部流动，在其对岩石胶结物或地层孔隙、裂缝内堵塞物等的不断溶蚀作用中，浓度逐渐降低，当其浓度降低到基本上不再起溶蚀作用时酸液流经裂缝的距离。1、 理论研究从20世纪70年代开始，国内外就开始了对酸液的有效作用距离的研究，开始重点考虑滤失对酸液有效作用距离的影响，Set-tari等从滤失速度入手,用蚓孔滤失和基质滤失的非均质性对酸浓度

3、分布方程进行修正,通过实验得到惰性流体与酸液滤失速度的比值关系；Hill等考虑了蚓孔效应对滤失行为的影响,同时用线性岩心驱替实验结果外推计算滤失系数；美国天然气研究院(GRl)在东德克萨斯的研究：对于酸液有效作用距离计算模型的建立主要是裂缝数学模型(二维、三维)；焦国盈、赵立强、刘平礼等的全三维酸液流动反应模型在酸压中的应用。主要通过考虑酸液在缝高方向的流动、缝中酸液浓度随时间的变化以及同离子效应的基础上，建立了酸压过程中全三维缝中酸液流动反应模型,并给出数值求解方法.计算结果表明，缝高方向的酸液浓度和酸液流速都呈抛物线分布,越靠近裂缝中部酸浓度越高,在裂缝中部达到最大值;酸液在缝高方向的流动

4、影响酸液有效作用距离的大小,全三维模型计算的酸液有效作用距离比二维模型计算的要小。从酸压设计计算的实际需要出发，考虑影响酸液有效作用距离的主要因素，建立裂缝中酸岩流动反应数学模型，并将该模型与裂缝中温度分布模型、速度场模型和表面反应动力学模型联立求解，编制电算程序，进行系统计算。分析对比，给出了同离子效应、酸液浓度、地层温度、反应生成热等因素对酸液有效作用距离影响的对比数据和图表。2、 影响因素总的来说，酸液有效作用距离是受酸液初始浓度、滤失性和注液排量、岩石类型、同离子效应、酸液反应速度、温度、酸液类型、面容比等的影响。2.1 酸液初始浓度如图2.1所示，注酸初始浓度越高,缝中酸浓度越高,酸

5、液有效作用距离越大, 但当酸液浓度增加到一定幅度后,有效作用距离增加的幅度逐渐变缓,增产效果也不会有明显地增加。但增大幅度渐渐减小。因此,提高注酸浓度有利于提高酸液有效作用距离。一些理论计算也表明，高浓度盐酸在裂缝中的酸液有效作用距离比15%盐酸的有效作用距离大百分之几十。此外，一些实验证实，28%盐酸对裂缝壁面的不均匀溶蚀程度比15%盐酸好，裂缝的导流能力大。但是在采用高浓度酸处理时，由于其具有强烈的腐蚀性，所以要特别注意劳动保护。图2.1 初始浓度对酸液浓度的影响2.2 酸液的滤失性和注液排量研究证明,随着注酸过程的进行，酸液裂缝壁面，有选择的产生或增大某些孔隙和微细裂缝，形成“酸蚀孔洞”

6、和垂的流道，导致新滤失面积的产生；而这些“酸蚀洞”一旦形成，大量的酸液这些产生的滤失通道滤失掉，酸液有效作用距离将大大减少，酸压效果也将降低，裂缝导流能力的产生是由酸液溶解岩石量和酸液溶蚀形态决定的，要想获的导流能力，酸必须与裂缝面反应，并溶解足够的岩石和矿物质，让酸液得以不均蚀裂缝面；但滤失过大，溶解岩石的酸量减少，裂缝宽度减小，导流能力减效果也将大受影响；酸化(压)中酸液的经典滤失理论认为酸液在裂缝壁面形成滤饼,滤失受滤饼区、侵入区及储层流体压缩性控制。在酸化(压)实际施工过程中,酸液会穿透滤饼区而与岩石直接作用,在裂缝壁面形成酸蚀蚓孔。这使得酸化(压)时酸液在基质滤失和蚓孔滤失的共同作用

7、下产生大量的酸液滤失,大大减小酸液的有效穿透距离。因此,酸化(压)施工中的滤失包括由裂缝壁面向基质的滤失和经由酸蚀蚓孔滤失（图2.2所示）。而提高注液排量会增大裂缝宽度，降低裂缝中温度和氢离子的传质系数，提高酸液的有效作用距离。白云岩地层的酸液有效作用距离对排量变化较为敏感，灰岩由于反应太快，注液排量的影响没有那么明显。滤失影响见表2.1，从该表中可以看出酸液有效作用距离受滤失量影响很大，在相同的排量下，滤失量越大，酸液有效作用距离越小；而在相同的滤失量下，排量越大，酸液有效作用距离越大。图2.2 酸化(压)中酸液滤失示意图表2.1 15%盐酸在垂直裂缝中的不同滤失量和排量下的有效作用距离排量

8、Q=1.6m3/分Q=2.4m3/分Q=4.8m3/分有效作用距离X（米）X（米）X（米）=米/分=0.5毫米=1 毫米=2 毫米7.49.39.910.713.714.718.924.527.9=米/分=0.5毫米=1 毫米=2 毫米9.114.119.812.919.326.222.631.640.62.3 岩石类型由于酸液与灰岩反应的速度远大于与白云岩的反应速度，因而酸液在灰岩中的有效作用距离比在白云岩中小，尤其在低温下这种效果越明显。因为在低温下，酸液与白云岩的反应受表面反应控制，随着温度升高，传质速度对总反应的影响程度逐渐增大。实际碳酸盐岩成分增大，酸液的有效作用距离介于两者之间。2

9、.4 同离子效应同离子会对酸液的有效作用距离产生巨大的影响。这是由于同离子效应使氢离子的有效传质系数显著下降的缘故。计算研究表明，随着酸液浓度的降低，同离子效应的影响愈激烈。所以考虑同离子效应与否，其结果相差12倍，高浓度、低温下同离子效应对有效作用距离的影响最大。余酸比鲜酸反应速度低,这一现象可由同离子效应解释。当酸液经过一定时间反应后,酸液中已存在大量的钙离子、镁离子、氯离子浓度升高。酸液中离子浓度增大,致使离子间的相互牵扯作用加强, 离子的运动变得更加困难,盐酸的表观电离度降低,使H+浓度下降, 反应速度变慢。2.5 温度温度对酸岩反应速度的影响主要体现在对其常速的影响。根据阿仑尼乌斯理

10、论,温度对化学反应速度的影响表示为: （2.1）式中J反应速度, mol/( cm2·s);K0指前因子, mol/(cm2·s)·(mol/L)- m;Ea反应活化能, J/mol;R摩尔气体常数, 8.314J/(mol·K);T绝对温度, K;C反应浓度, mol/L;M常数, 由具体试验;温度变化对反应速度影响很大,在低温条件下,影响相对较小;高温条件下,影响很大。随着温度升高,反应速度增加的幅度加大。因此,温度越高,反应速度越快。其主要原因为:分子运动速度加快;普通分子获得能量变为活化分子;H+向岩面的传质速度加快,岩面上的钙离子、镁离子离开岩

11、面向酸液中的扩散也加剧;温度的升高还使扩散边界层的粘度降低,从而减小离子传质过程中的阻力,进而加快传质速度。随着温度升高,酸液有效作用距离和酸蚀裂缝导流能力下降。利用注入前置液可有效降低地层温度,从而延缓酸岩反应速度,增加酸蚀有效作用距离。为了验证前置液的降温效果,进行了试验:向地层注入81.54m3 前置液(注液时间为26min)。根据井温测试结果, 地层进液主要在测试井段范围内,储层温度从118.5降低到了79.8。裂缝沿井筒方向的上下延伸距离有限,地层中存在的岩性、物性差异带可以作为裂缝延伸的阻挡层。随着温度升高,酸液有效作用距离和酸蚀裂缝导流能力下降。利用注入前置液可有效降低地层温度,

12、从而延缓酸岩反应速度,增加酸蚀有效作用距离。为了验证前置液的降温效果,进行了试验:向地层注入81.54立方米前置液(注液时间为26min)。根据井温测试结果,地层进液主要在测试井段范围内,储层温度从118.5降低到了79.8。裂缝沿井筒方向的上下延伸距离有限,地层中存在的岩性、物性差异带可以作为裂缝延伸的阻挡层。2.6 酸液反应速度有时,在酸化地层温度较高的油井中,酸的损耗是限制酸液渗透入裂缝深度的一个重要因素。阻滞酸化反应速度有很多办法。有些表面活性剂会使碳酸盐岩石表面形成一层油膜,就可用作缓蚀添加剂。乳化酸也起到阻滞的作用。油包酸乳液同表面活化剂搭配效果最好,可使酸反应速度降低达98%,但

13、酸外相乳化液所起的缓冲作用是有限的。有机酸,泡沫酸和凝胶酸在阻滞酸反应速度方面,起作用也相当有限。有机酸虽不会完全耗尽,但在高温时,它的反应速度同HCL差不多。泡沫酸虽能大大降低酸的反应速度,但因酸含量低,会很快耗尽。胶凝酸会在裂缝表面形成滤饼,故起到缓冲作用。有趣的是,实践指出,在不渗漏的流动状态下,酸液的粘度对反映速度几乎没有影响。因此,酸液的漏失得到了控制,否则,虫洞的形成就会破坏裂缝表面的滤饼,结果就会大大降低凝胶酸的缓蚀作用。又如盐酸作用时，用28%的盐酸和25%盐酸时，当盐酸浓度从28%下降到15%时，其反应速度仅为15%新鲜盐酸的一半。高浓度盐酸，初始浓度高，溶蚀能力强，在反应的

14、初始阶段能从缝缝洞洞的表面溶蚀掉更多的岩石，迅速扩大缝缝洞洞的尺寸，降低面容比，从而进一步延缓盐酸的反应速度。实验证明28%盐酸的有效反应时间约是15%盐酸的5倍。因此，酸液的有效作用距离比较也就要好得多。2.7 酸液类型各种类型的酸液,其离解度相差很大。采用强酸时反应速度快,弱酸反应速度慢。虽然采用弱酸处理可延缓反应速度,对扩大酸液处理范围有利,但从货源、价格及溶蚀能力方面来衡量,盐酸仍是酸化中应用最广泛的酸。运用多功能环流试验仪,测定两种酸液在不同闭合压力下的酸蚀裂缝导流能力。测试结果表明,酸液类型和酸压工艺对导流能力的影响也较大。2.8 面容比面容比表示酸盐系统中岩石的反应面积与参加反应

15、的酸液体积的比值。面容比越大,一定体积的酸液与岩石接触的分子就越多,发生反应的机会就越大,反应速度就越快，酸液有效作用距离就越大。在小直径孔隙和窄的裂缝中,酸岩反应时间是很短的。在较宽的裂缝和较大的孔隙地层中,反应时间较长,面容比较小。3 结束语本文对酸液有效作用距离做了解释并对影响酸液有效作用距离的因素进行了分析，可以得出以下结论：(1) 酸液有效作用距离是酸化设计和施工中非常重要的一个参数，酸液有效作用距离越大表示酸化效果越好。（2） 酸液有效作用距离是受酸液初始浓度、滤失性和注液排量、岩石类型、同离子效应、酸液反应速度、温度、酸液类型、面容比等的影响，要提高酸化有效作用距离从而提高酸化效果，需要从这几个影响因素