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第七章 酸化(Acidizing),酸化是油气井投产、增产和注水井增注重要技术措施。,本章内容：第一节 酸化增产原理酸二节 化学反应当量及反应产物 第三节 酸岩化学反应动力学 第四节 碳酸盐岩储层酸化设计计算 第五节 砂岩储层酸化设计计算 第六节 酸化工艺设计 第七节 酸液及添加剂,第一节 酸化增产原理,一、酸化工艺分类,酸 洗:Acid Wash基质酸化:Matrix Acidizing 酸 压:Acid Fracturing,清洗：井 筒 射孔眼,方式：正 洗 反 洗,压裂车,第一节 酸化增产原理,一、酸化工艺分类 酸洗,施工压力：无外力或轻微搅动。注入速度：不流动或沿井筒的正、反循环。酸流动、溶蚀方式：溶蚀井壁及射孔孔眼。适用范围：砂岩、碳酸盐岩储层表皮解堵或射孔孔眼清洗、井筒结垢及丝扣油的清除。,第一节 酸化增产原理,一、酸化工艺分类 酸洗,酸 化：地 层,方式：油管注液 套管注液 环空注液,封隔器,压裂车,第一节 酸化增产原理,一、酸化工艺分类 基质酸化,施工压力：Ps Pi PF。注入速度：小于储层极限吸液速度。酸流动、溶蚀方式：沿储层孔隙作径向流动，溶蚀孔隙及其中堵塞物质，溶蚀范围有限。适用范围：解除近井地带的污染，恢复或提高储层的渗透率，能在不增大水、气产量的情况下增产。,第一节 酸化增产原理,一、酸化工艺分类 基质酸化,酸 化：地 层,方 式：油管注液 套管注液 环空注液,封隔器,压裂车,压开地层张开、延伸裂缝酸刻蚀裂缝形成并保持高导流能力,第一节 酸化增产原理,一、酸化工艺分类 压裂酸化,施工压力：Pi PF。注入速度：大于储层极限吸液速度。酸流动、溶蚀方式：形成人工裂缝，沿裂缝流动反应，有效作用距离可达几十到上百米。适用范围：在碳酸盐岩储层中形成人工裂缝，解除近井带污染，改变储层流型，沟通深部油气区，可大幅度提高油气井产量。,第一节 酸化增产原理,一、酸化工艺分类 压裂酸化,S、K、Kd、rd、rw的物理意义；渗透率污染所引起的表皮系数的影响比污染深度的影响要大得多。,第一节 酸化增产原理,二、酸化增产原理的理论分析,井底附近储层受污染后的表皮系数可由表示，常用于评估渗透率污染的相对程度和污染深度,第一节 酸化增产原理,二、酸化增产原理的理论分析,评估伤害井产能下降程度,评估伤害井酸化增产幅度,评估无伤害井酸化增产幅度,第一节 酸化增产原理,二、酸化增产原理的理论分析,储层污染引起的产量下降,第一节 酸化增产原理,二、酸化增产原理的理论分析,酸液挤入孔隙或天然裂缝与其发生反应，溶蚀孔壁或裂缝壁面，增大孔径或扩大裂缝，提高储层的渗流能力；溶蚀孔道或天然裂缝中的堵塞物质，破坏泥浆、水泥及岩石碎屑等堵塞物的结构，使之与残酸液一起排出储层，疏通流动通道，解除堵塞物的影响，恢复储层原有的渗流能力。,第一节 酸化增产原理,二、酸化增产原理的理论分析,1.基质酸化增产原理,储层严重污染时，基质酸化处理可大幅度提高油气井产量；对污染储层，基质酸化一般可获得较好增产效果。无污染储层，基质酸化处理效果甚微。基质酸化解除污染带储层污染后，均匀改善区不宜过大，以解除污染带储层污染为主要任务。,第一节 酸化增产原理,二、酸化增产原理的理论分析,1.基质酸化增产原理,压裂酸化形成裂缝，增大渗流面积，改善油气流动方式，降低井附近的渗流阻力。消除井壁附近的储层污染。沟通井筒附近的高渗透带、储层深部裂缝系统及油气区。不能用于砂岩储层。,第一节 酸化增产原理,二、酸化增产原理的理论分析,2.压裂酸化增产原理,第二节 酸岩化学反应当量及反应产物,化学当量、化学平衡及反应速度是酸化处理选用酸时必须考虑的三个相关的化学因素。酸与储层矿物作用的化学当量与反应物及生成物的分子个数比有关。与酸的化学当量有关的参数之一是溶解力酸岩反应及其产物既重要而又复杂。,化学当量：参加反应的各种反应物及生成物的比例。化学当量、化学平衡及反应速度是酸化处理选用酸时必须考虑的化学因素。酸与储层矿物作用的化学当量与反应物及生成物的分子个数比有关。,第二节 酸岩化学反应当量及反应产物,一、酸岩反应化学当量,酸岩化学反应当量,酸岩化学反应产物,酸与碳酸盐岩酸与砂岩,第二节 酸岩化学反应当量及反应产物,一、酸岩反应化学当量,碳酸盐岩是靠化学及生物化学的水相沉积或由碎屑搬运形成。碳酸盐岩的主要矿物成分是方解石(CaCO3)和白云石CaMg(CO3)2。若方解石含量大于50%，则为石灰岩；若白云岩含量大于50%，则为白云岩。若杂质含量大于50%，则可视为非碳酸盐岩。,第二节 酸岩化学反应当量及反应产物,一、酸岩反应化学当量,1.酸与碳酸盐岩的化学反应及反应当量,碳酸盐岩储层酸化常用盐酸 典型反应 2HCl+CaCO3CaCl2+H2O+CO2 4HCl+CaMg(CO3)2CaCl2+MgCl2+2CO2+2H2O,第二节 酸岩化学反应当量及反应产物,一、酸岩反应化学当量,1.酸与碳酸盐岩的化学反应及反应当量,从反应式中可看出反应的化学当量。考虑反应式中各种组分的分子量,便可算出溶解一定量碳酸盐所需的酸量、反应生成物的数量以及其它化学当量数据。,第二节 酸岩化学反应当量及反应产物,一、酸岩反应化学当量,1.酸与碳酸盐岩的化学反应及反应当量,第二节 酸岩化学反应当量及反应产物,一、酸岩反应化学当量,1.酸与碳酸盐岩的化学反应及反应当量,不同浓度盐酸与碳酸钙和碳酸钙镁作用情况表,酸的溶解能力,第二节 酸岩化学反应当量及反应产物,一、酸岩反应化学当量,反应酸单位体积溶解的岩石体积。用表示反应酸质量与溶解的岩石质量之比。,方解石与100%HCl反应的100为：100.091 石灰岩溶解克数 100=1.372 36.52 100%盐酸反应克数 方解石与15%HCl反应的100为：石灰岩溶解质量15=0.15100=0.206 15%盐酸反应质量,第二节 酸岩化学反应当量及反应产物,一、酸岩反应化学当量,定义为：反应酸单位体积所能溶解的岩石体积(并用X表示)。对于浓度为15%(重量)的盐酸计算结果为：,酸的体积溶解能力,第二节 酸岩化学反应当量及反应产物,一、酸岩反应化学当量,第二节 酸岩化学反应当量及反应产物,一、酸岩反应化学当量,砂岩主要是由砂粒和胶结物组成。砂粒主要是由石英SiO2、长石。胶结物主要由粘土和碳酸盐类及硅质、铁质胶结物组成。,砂岩化学成分,第二节 酸岩化学反应当量及反应产物,一、酸岩反应化学当量,2.酸与砂岩的化学反应及反应当量,第二节 酸岩化学反应当量及反应产物,一、酸岩反应化学当量,2.酸与砂岩的化学反应及反应当量,砂岩储层酸化常用土酸（盐酸+氢氟酸）。典型反应：氢氟酸与硅质或碳酸盐岩反应简单；与粘土或长石等硅酸盐反应复杂。表7-5 氢氟酸与硅酸钠的反应代表了砂岩基质硅酸盐的反应。,第二节 酸岩化学反应当量及反应产物,一、酸岩反应化学当量,2.酸与砂岩的化学反应及反应当量,第二节 酸岩化学反应当量及反应产物,一、酸岩反应化学当量,一、酸岩反应化学当量,2.酸与砂岩的化学反应及反应当量,第二节 酸岩化学反应当量及反应产物,一、酸岩反应化学当量,2.酸与砂岩的化学反应及反应当量,第二节 酸岩化学反应当量及反应产物,二、酸岩反应生成物的状态,1.砂岩储层酸化反应产物状态,氢氟酸溶解砂岩矿物时形成产物比较复杂。反应副产物溶解度较小，其中某些浓度达到溶解度极限即可能沉淀。酸液混合物消耗而导致的液相pH的增加，构成了沉淀形成的动力。,第二节 酸岩化学反应当量及反应产物,二、酸岩反应生成物的状态,1.砂岩储层酸化反应产物状态,CaCl2状态分析,根据化学反应方程式可知，1m328浓度的盐酸和碳酸钙反应，生成486kg的氯化钙。假设全部溶解于水，则此时氯化钙水溶液的重量浓度为：氯化钙重量 w%=35%全部水重量氯化钙重量,第二节 酸岩化学反应当量及反应产物,二、酸岩反应生成物的状态,2.碳酸盐岩储层酸化反应产物状态,不同温度条件下氯化钙溶解度,第二节 酸岩化学反应当量及反应产物,CaCl2状态分析,二、酸岩反应生成物的状态,2.碳酸盐岩储层酸化反应产物状态,CaCl2溶解度随温度升高而增大。储层中滞留的残酸液酸性环境会使CaCl2盐类的溶解度更大。CaCl2极易溶于水。在30溶解度为52%。在实际施工条件下，不会产生氯化钙沉淀，可以把残酸水当成水来考虑。,第二节 酸岩化学反应当量及反应产物,CaCl2状态分析,二、酸岩反应生成物的状态,2.碳酸盐岩储层酸化反应产物状态,1m328%浓度的盐酸和碳酸钙反应，生成193kg重的二氧化碳;在标准状况下的体积为98m3。在油层条件下，部分溶解于酸液中，部分呈自由气状态。CO2的溶解度和储层温度、压力及残酸水中的氯化钙溶解量有关。,第二节 酸岩化学反应当量及反应产物,二、酸岩反应生成物的状态,2.碳酸盐岩储层酸化反应产物状态,CO2在储层条件下的状态,第二节 酸岩化学反应当量及反应产物,二、酸岩反应生成物的状态,2.碳酸盐岩储层酸化反应产物状态,CO2在储层条件下的状态,储层温度愈高、残酸水中的氯化钙溶解量愈多、储层压力愈低，CO2愈难以溶解。假设储层温度为75oC，储层压力为20MPa，根据CO2的溶解度曲线可知，在以上储层条件下，每立方米残酸液中只能溶解5m3(标准)CO2，剩下93m3(标准)则仍为气态。,第二节 酸岩化学反应当量及反应产物,二、酸岩反应生成物的状态,2.碳酸盐岩储层酸化反应产物状态,CO2在储层条件下的状态,酸处理后，储层中大量的碳酸盐岩被溶解，增加了裂缝的空间体积，为提高孔隙度和渗透性提供了必要条件。反应后的残酸是溶有少量CO2的CaCl2水溶液，同时有部分CO2呈小气泡状态分布于其中。如存在于裂隙中的反应物对储层的渗透性没有伤害，通过排液可以排出储层，那就为提高储层的渗透性能创造了条件。,第二节 酸岩化学反应当量及反应产物,二、酸岩反应生成物的状态,3.反应产物状态对渗流的影响,第二节 酸岩化学反应当量及反应产物,二、酸岩反应生成物的状态,3.反应产物状态对渗流的影响,酸化后溶液和地层的变化：氯化钙全部溶解于残酸导致溶液粘度升高；残酸液和地层油可能会形成乳状液；酸与金属设备和金属氧化物杂质反应生成AlC13、FeCl3，当PH值逐渐增加水解生成Fe(OH)3、Al(OH)3等胶状物；部分的CO2溶于酸液，CO2大部分都滤失到了基质中，滞留在酸蚀孔或裂缝中的仅有一小部分。,第二节 酸岩化学反应当量及反应产物,二、酸岩反应生成物的状态,3.反应产物状态对渗流的影响,高粘溶液，对渗流的影响：有利：由于粘度较高，携带固体微粒的能力较强，能把酸处理时从地层中脱落下来的微粒带走防止地层的堵塞；不利：由于其粘度较高，流动阻力增大，对地层渗流不利。,乳状液对流动的影响：形成乳状液有时相当稳定，其粘度有时高达几个帕秒，对地层渗流非常不利。,第二节 酸岩化学反应当量及反应产物,二、酸岩反应生成物的状态,3.反应产物状态对渗流的影响,胶状物对渗流的影响：胶状物是很难从地层中排出来的，形成了所谓二次沉淀，堵塞了地层裂缝，对渗流极为不利。,溶解态的CO2和游离态的CO2对渗流的影响：有利：压力逐渐降低时，游离态的CO2开始膨胀，释放其能量,溶解态CO2的开始从混合液中释放出来，将地层压力及气体能量传递给处理液，驱动滤失进基质的残酸液及部分地层流体反向滤失，使残酸液有效地排出。不利：游离状态的CO2对油气渗流有一定的不利影响，应从相渗透率和相饱和度的关系上作具体的研究分析。,酸岩反应动力学,酸岩反应机理,酸岩反应速度,反应动力学方 程,反应动力学参数测定,第三节 酸岩化学反应动力学,酸与碳酸盐岩的反应为酸岩复相反应，反应只在液固界面上进行。液固两相界面的性质和大小都会影响复相反应的进行。酸与碳酸盐岩的反应历程：H+向岩石表面传递；被吸附的H+在岩石表面反应；反应产物通过传质离开岩石表面。,第三节 酸岩化学反应动力学,一、酸岩化学反应机理,一、酸岩化学反应机理,第三节 酸岩化学反应动力学,酸液里的H在岩面上与碳酸盐岩的反应是表面反应。对石灰岩储层来说，表面反应速度非常快。H在岩面上反应后，就在接近岩面的液层里堆积起生成物Ca2、Mg2、CO2气泡。岩面附近这一堆积生成物的微薄液层，称为扩散边界层，该边界层与溶液内部的性质不同。由于在边界层内存在着离子浓度差，反应物和生成物就会在各自的离子浓度梯度作用下向相反的方向传递。由于离子浓度差而产生的离子移动，称为离子的扩散作用。,一、酸岩化学反应机理,第三节 酸岩化学反应动力学,在离子交换过程中，因密度差异而产生的作用称为自然对流作用。实际酸处理时，酸液将按不同的流速流经裂隙，H会发生对流传质。尤其是裂隙壁面十分粗糙，极不规则容易形成旋涡，酸液的紊流流动，将会产生离子的强迫对流作用。酸液中的H是通过对流(包括自然对流和一定条件下的强迫对流)和扩散二种形式，透过边界层传递到岩面，H透过边界层达到岩面的速度，称为H的传质速度。,一、酸岩化学反应机理,第三节 酸岩化学反应动力学,酸与岩石的反应过程程进行的快慢，可用酸与岩石的反应速度来表示。酸岩反应速度：单位时间内酸浓度的降低值或用单位时间内岩石单位面积的溶蚀量（或称溶蚀速度)。鲜 酸：未与岩石发生化学反应的酸液。余 酸：酸岩反应过程中，含有反应产物，但未失去反应性的酸。残 酸：完全失去反应能力的酸液。,二、酸岩反应速度及动力学方程,1.几个基本概念,第三节 酸岩化学反应动力学,根据质量作用定律，在温度、压力不变时，化学反应速度与各作用物质浓度的m次幂乘积成正比。对于酸岩反应(液固相反应)来说，固相反应物的浓度可视作不变，在恒温、恒压条件下，酸岩反应速度可写为：,二、酸岩反应速度及动力学方程,2.酸/岩反应速度质量作用定律,第三节 酸岩化学反应动力学,C：反应时间为t 的瞬时酸浓度，mol/L；m：反应级数，表示反应物浓度对反应速度的影响程度，无因次；K：反应速度常数，(mol/L)1-m/s，表示反应物浓度为单位浓度时的反应速度。反应速度常数与反应物质的浓度无关，只与反应物质的性质、温度和压力有关，其值决定于反应物本身和反应系统的温度，由试验确定，每个反应都有表征其本身特性的速度常数。,二、酸岩反应速度及动力学方程,2.酸/岩反应速度质量作用定律,第三节 酸岩化学反应动力学,酸与岩石反应时，H的传质速度、H在岩面上的表面反应速度，生成物离开岩面的速度均对反应速度有影响，但起主导作用的是其中最慢的一个过程。在层流条件下，H传质速度一般比它在灰岩表面上的表面反应速度慢得多。因此，酸与灰岩系统的整个反应速度，主要取决于H透过边界层的传质速度。在实际中由于岩性及储层条件、施工参数的不同，表现出酸岩反应过程既受表面反应控制，又受传质控制的情况，称为混合动力学。,二、酸岩反应速度及动力学方程,2.酸/岩反应速度质量作用定律,第三节 酸岩化学反应动力学,斐克定律表示酸岩反应速度和扩散边界层内离子浓度梯度的关系式：,扩散边界层内垂直于岩面方向的酸液浓度梯度，mol/L.cm；岩石反应面积和酸体积之比，简称面容比，cm2/cm3；H传质系数，cm2/s。,二、酸岩反应速度及动力学方程,3.Fick定律,第三节 酸岩化学反应动力学,盐酸与碳酸盐反应,系统反应动力学方程：,表面反应动力学方程：,二、酸岩反应速度及动力学方程,4.酸/岩反应动力学方程,第三节 酸岩化学反应动力学,弱酸与碳酸盐反应,系统反应动力学方程：,二、酸岩反应速度及动力学方程,4.酸/岩反应动力学方程,第三节 酸岩化学反应动力学,氢氟酸与砂岩反应,系统反应动力学方程：,二、酸岩反应速度及动力学方程,4.酸/岩反应动力学方程,第三节 酸岩化学反应动力学,确定酸岩反应速度的室内试验方法，可归结为静态试验和动态试验两大类。静态试验数据不能作为酸化处理设计，只能作为酸液配方对比的依据。动态酸岩反应试验采用旋转圆盘仪和裂缝流动模拟试验装置。,三、酸岩反应速度的室内确定及动力学参数测定,第三节 酸岩化学反应动力学,酸岩反应动力学参数是进行酸压设计及分析酸岩反应速度规律的重要参数。随油田的不同，区块的不同，储层岩石类型及矿物成分不同，参加反应的岩石成分也有差异，选用的酸液配方不同，因而酸岩反应规律及动力学参数也不尽相同。因此，需用室内试验方法进行测定。反应动力学参数：反应级数、反应速度常数、反应活化能、H+有效传质系数。,三、酸岩反应速度的室内确定及动力学参数测定,第三节 酸岩化学反应动力学,温度 酸液浓度 岩石类型 同离子效应 酸液类型 酸岩系统的面容比 酸液流速 压力,四、影响酸岩反应速度的主要因素,酸/岩反应速度,第三节 酸岩化学反应动力学,阿累尼乌斯(Arrielius)方程描述：,温度的影响,四、影响酸岩反应速度的主要因素,第三节 酸岩化学反应动力学,温度升高，酸岩反应速度加剧。,四、影响酸岩反应速度的主要因素,第三节 酸岩化学反应动力学,原理：1、温度升高，分子运动加快，单位时间内分子的碰撞次数增加，有效碰撞次数的比例随之增加，导致反应速度加快。2、温度升高，使较多的普通分子获得足够多能量而变为活化分子，因而增大了活化分子的百分数，结果使单位时间内分子的有效碰撞次数大大增加，导致反应速度升高。3、温度升高，分子、离子的运动加剧，H+向岩面的传质速度加快，岩面上的Ca2+、Mg2+离开岩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H+离子传质过程中的阻力，进而加快传质速度。因此，不论是表面反应控制还是传质控制的反应，温度的升高都会使酸岩系统的反应速度加快。,四、影响酸岩反应速度的主要因素,第三节 酸岩化学反应动力学,对于宽W、高H、单翼缝长L的双翼垂直裂缝 对于宽W，半径为Rf的水平裂缝 对于直径为d，长度为L的孔隙,面容比的影响,四、影响酸岩反应速度的主要因素,第三节 酸岩化学反应动力学,酸岩系统中岩石的反应面积与参加反应的酸液体积的比值。,面容比的影响,四、影响酸岩反应速度的主要因素,第三节 酸岩化学反应动力学,实验条件：盐酸与白云岩温度80，酸浓度20，流量15ml/s,面容比的影响,四、影响酸岩反应速度的主要因素,第三节 酸岩化学反应动力学,面容比越大，酸岩反应速度越快。裂缝越宽，面容比越小，酸岩反应速度相对越慢，活性酸深入储层距离越远，酸压处理的效果就越显著。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。在小直径孔隙和窄的裂缝中，酸岩反应时间是很短的，这是由于面容比大，酸化时挤入的酸液类似于铺在岩面上，盐酸的反应速度接近于表面反应速度，酸岩反应速度很快。在裸眼井段的酸洗(酸浸)也属于面容比小，反应速度慢情况。因此酸洗要关井一段时间，让其充分反应。,面容比的影响,四、影响酸岩反应速度的主要因素,第三节 酸岩化学反应动力学,不同浓度鲜酸的反应速度：浓度在20以前时，反应速度随浓度的增加而加快；当盐酸的浓度超过20，这种趋势变慢。当盐酸的浓度达2224时，反应速度达到最大值；当浓度超过这个数值，反应速度反而下降。正在反应的酸液（余酸）由初始反应速度下降到某一浓度时反应速度的变化规律：新鲜酸液的反应速度最高，余酸的反应速度较低。浓酸的初始反应速度虽快，但当其变为余酸时，其反应速度比同浓度的鲜酸的反应速度慢得多。,酸液浓度的影响,四、影响酸岩反应速度的主要因素,第三节 酸岩化学反应动力学,酸液浓度的影响,四、影响酸岩反应速度的主要因素,第三节 酸岩化学反应动力学,酸岩反应速度随酸液流速增大而加快。在酸压中随着酸液流速的增加，酸岩反应速度增加的倍数小于酸液流速增加的倍数，酸液来不及完全反应，已经流入储层深处，故提高注酸排量可以增加活性酸深入储层的距离。酸压施工时在井筒条件允许及不压破邻近的盖层和底层的情况下，一般充分发挥设备的能量，以大排量注酸。,酸液流速的影响,四、影响酸岩反应速度的主要因素,第三节 酸岩化学反应动力学,酸液流速，cm/s,酸液流速的影响,四、影响酸岩反应速度的主要因素,第三节 酸岩化学反应动力学,反应速度与酸液内部H浓度成正比。采用强酸时反应速度快，采用弱酸时反应速度慢。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。,酸液类型的影响,四、影响酸岩反应速度的主要因素,第三节 酸岩化学反应动力学,灰岩同盐酸的反应速度比白云岩同盐酸的反应速度快。在碳酸盐岩中泥质含量较高时，反应速度相对变慢。Mg-O间的作用力大，破坏Mg-O键比破坏Ca-O键所需能量大。,储层岩石的影响,四、影响酸岩反应速度的主要因素,第三节 酸岩化学反应动力学,反应速度随压力的增加而减缓。试验指出，总的来说，压力对反应速度的影响不大，特别是压力高于6.5Mpa后可以不考虑压力对酸岩反应速度的影响。,压力的影响,四、影响酸岩反应速度的主要因素,第三节 酸岩化学反应动力学,川东白云岩温度4020%HCl,压力的影响,四、影响酸岩反应速度的主要因素,第三节 酸岩化学反应动力学,延缓反应速度的方法和途径：造宽裂缝降低面容比 采用高浓度盐酸酸化 采用弱酸处理 洗井井底降温 提高注酸排量,减缓反应速度的措施,四、影响酸岩反应速度的主要因素,第三节 酸岩化学反应动力学,设计计算内容：水动力学参数、流变性参数、化学动力学参数、温度场、压力场、流速场及动态裂缝几何尺寸、酸蚀裂缝参数、储层孔喉、渗滤性能等的变化进行模拟。对多种酸化方案进行对比和筛选，达到优化施工规模和参数。,第四节 碳酸盐岩储层酸化设计计算,酸压时，酸液沿裂缝向储层深部流动，酸液浓度逐渐降低。当酸液浓度降低到一定程度后(一般为初始浓度的10)，酸液变为残酸。酸液由活性酸变为残酸之前所流经裂缝的距离称为酸液的有效作用距离。在靠近井壁的那一段裂缝长度内(即在有效作用距离范围内)，由于裂缝壁面的非均质性被溶蚀成为凹凸不平的沟槽，施工结束后，裂缝仍具有相当的导流能力，把此段裂缝的长度称为裂缝的有效长度。,第四节 碳酸盐岩储层酸化设计计算,一、酸沿裂缝流动反应的浓度分布及有效作用距离,1.有效作用距离,第四节 碳酸盐岩储层酸化设计计算,一、酸沿裂缝流动反应的浓度分布及有效作用距离,2.酸液浓度分布方程（对流扩散方程）,常用的方法是有限差分法和Lumping方法。差分方法是直接将酸岩反应的对流扩散方程及其边界条件离散化，用计算机求解差分方程，得到沿裂缝方向酸浓度的分布规律，从而确定出有效作用距离。应用时可把计算结果绘成图板，直接查图板确定酸液有效作用距离。考虑了酸液的滤失时，盐酸与石灰岩流动反应的有效作用距离计算图版。,第四节 碳酸盐岩储层酸化设计计算,一、酸沿裂缝流动反应的浓度分布及有效作用距离,3.酸液浓度分布和有效作用距离的计算,第四节 碳酸盐岩储层酸化设计计算,一、酸沿裂缝流动反应的浓度分布及有效作用距离,3.酸液浓度分布和有效作用距离的计算,图中定义的两个无因次参数为,皮克列特数,无因次距离,第四节 碳酸盐岩储层酸化设计计算,一、酸沿裂缝流动反应的浓度分布及有效作用距离,3.酸液浓度分布和有效作用距离的计算,任意断面Le处的酸液浓度值的计算：计算出皮克列特数Np，再给定任意断面位置Le，又可计算出无因次距离LD。最后利用计算图版，两坐标位置的垂线相交，得到Le位置的无因次浓度C/C0值。,酸液的有效作用距离Le值的计算：根据皮克列特数Np和给定的C/C0，便可查出无因次距离LD，从而计算出酸液浓度降至预定的C/C0(如C/C00.1)，酸液的有效作用距离Le值。,第四节 碳酸盐岩储层酸化设计计算,一、酸沿裂缝流动反应的浓度分布及有效作用距离,3.酸液浓度分布和有效作用距离的计算,酸蚀裂缝导流能力即酸蚀裂缝宽度和酸蚀裂缝渗透率的乘积。理想宽度：定义为裂缝闭合前被酸溶解所产生的裂缝宽度。X酸的体积溶解能力，m3/m3；V注入酸的总体积，m3；Wai酸蚀缝宽，m。,第四节 碳酸盐岩储层酸化设计计算,二、酸蚀裂缝导流能力及其计算,0SRE140MPa，C213.457-1.3lnSRE/1000 140SRE3520MPa，C22.41-0.28lnSRE/1000 闭合应力，MPa；SRe岩石嵌入强度，MPa。,第四节 碳酸盐岩储层酸化设计计算,二、酸蚀裂缝导流能力及其计算,增产倍比：酸化井施工后的采油指数与施工前的采油指数之比。增产倍比是增产效果好坏的直接体现，是酸化设计中的重要指标，是进行酸化技术经济评价必不可少的参数。压裂酸化后增产倍比预测方法有图板法和数值计算方法。,第四节 碳酸盐岩储层酸化设计计算,三、酸化增产倍比预测,酸化前，其产量按稳定平面径向流计算：,第四节 碳酸盐岩储层酸化设计计算,三、酸化增产倍比预测,酸压后，有效作用距离为Le，储层中径向上形成两个不同渗透率区域，其产量为：,第四节 碳酸盐岩储层酸化设计计算,三、酸化增产倍比预测,无污染均质储层，裂缝导流能力为常值时增产倍比：,第四节 碳酸盐岩储层酸化设计计算,三、酸化增产倍比预测,储层受污染、裂缝导流能力为常值时增产倍比：,第四节 碳酸盐岩储层酸化设计计算,三、酸化增产倍比预测,酸浓度及矿物浓度分布 孔隙度和渗透率分布 酸化效果预测,第五节 砂岩储层酸化设计计算,主要内容：,描述多孔介质注酸后，孔隙结构中酸浓度分布和渗透率、孔隙度分布的数学模型。模型分为集总参数模型和分布参数模型两大类。集总参数模型(解析模型)由Lund和McCune，等人提出，认为砂岩矿物与土酸反应时用单一成分反应速度方程和单一成分的化学计量系数来近似计算砂岩多种矿物与土酸的反应情况。,一、砂岩储层酸化酸浓度及矿物浓度分布,第五节 砂岩储层酸化设计计算,1.概述,根据质量平衡建立酸液在径向上流动反应时的摩尔平衡方程,砂岩中总的可溶性矿物的摩尔微分方程,第五节 砂岩储层酸化设计计算,2.数学模型,一、砂岩储层酸化酸浓度及矿物浓度分布,酸浓度方程和矿物溶解方程间的关联式,总的可溶矿物溶解速度定律,第五节 砂岩储层酸化设计计算,一、砂岩储层酸化酸浓度及矿物浓度分布,求解时定义下述无因次参数,无因次时间,无因次距离,无因次面积,第五节 砂岩储层酸化设计计算,3.模型解析解,一、砂岩储层酸化酸浓度及矿物浓度分布,无因次酸浓度,无因次矿物浓度,无因次DamKahler数,DamKohler数是反应速度与酸通过砂岩的瞬时移动速度的比值，表征酸岩反应进行的快慢。,第五节 砂岩储层酸化设计计算,3.模型解析解,一、砂岩储层酸化酸浓度及矿物浓度分布,无因次酸容量数,酸容量数NAC是单位体积内孔隙中酸量与溶解该体积内矿物所需的酸量之比，表征着酸的溶解能力。,第五节 砂岩储层酸化设计计算,3.模型解析解,一、砂岩储层酸化酸浓度及矿物浓度分布,第五节 砂岩储层酸化设计计算,3.模型解析解,一、砂岩储层酸化酸浓度及矿物浓度分布,在酸化过程中，酸溶解储层岩石矿物，使孔隙度发生变化，利用矿物浓度的体积平衡方程可得酸化后孔隙度计算公式：,第五节 砂岩储层酸化设计计算,二、砂岩储层酸化的孔隙度和渗透率分布,酸化获得的渗透率增加是由于溶解矿物后孔隙度的改变而引起的；假设渗透率的变化完全受孔隙度的直接影响。Labrid提出的指数关系为：,例 7-3,第五节 砂岩储层酸化设计计算,二、砂岩储层酸化的孔隙度和渗透率分布,储层未受污染时,增产倍比：,第五节 砂岩储层酸化设计计算,三、砂岩储层酸化效果预测,储层受污染时(refrd),增产倍比：,第五节 砂岩储层酸化设计计算,re,rd,kd,Ko,Pe,rw,ref,K,三、砂岩储层酸化效果预测,酸化处理井层的选择 常用酸化工艺及适应性 压裂酸化处理设计 基质酸化处理设计,第六节 酸化工艺设计,本节主要内容：,客观描述储层的渗流条件。客观描述储层的渗滤特征及表皮堵塞特征。推荐可供增产作业改造的井和层段。,1.选井选层的工作目标,一、酸化处理井层的选择,第六节 酸化工艺设计,储层含油气饱和度高、储层能量较为充足。产层受污染的井。邻井高产而本井低产的井应优先选择。优先选择在钻井过程中油气显示好，而试油效果差的井层。产层应具有一定的渗流能力。油、气、水边界清楚。固井质量和井况好的井。,第六节 酸化工艺设计,2.选井选层的基本原则,一、酸化处理井层的选择,在考虑具体井的酸化方式和酸化规模时，应对井的动态资料和静态资料进行综合分析，确定储层物性参数，并根据物性参数及油井的历史情况综合分析，准确确定出油气井产量下降或低产(水井欠注)的原因以及该井可改造的程度，为酸化作业提供地质依据。,第六节 酸化工艺设计,一、酸化处理井层的选择,在碳酸盐岩储层酸化改造中，主要形成和发展了基质酸化技术和压裂酸化技术，习惯上用:酸化(Matrix Acidizing)表示基质酸化 酸压(Acid-Fracturing)表示压裂酸化。,1.碳酸盐岩储层酸化工艺技术,第六节 酸化工艺设计,二、常用酸化工艺及其适应性,基质酸化也称为常规酸化或解堵酸化，基本特征是在施工压力小于储层岩石破裂压力的条件下，将酸液注入储层。碳酸盐岩基质酸化的重要特征是酸蚀蚓孔(Wormhole)的形成和微裂缝的扩大，其增产机理与蚓孔密切相关。,第六节 酸化工艺设计,二、常用酸化工艺及其适应性,1.碳酸盐岩储层酸化工艺技术基质酸化,酸压是依靠对裂缝(包括天然裂缝)、不整合的裂缝表面酸蚀以提供导流能力。酸压效果取决于裂缝导流能力和酸液有效作用距离。研究方向主要集中在三个方面：降低酸压过程中流体或酸液滤失的物质和技术；降低注液过程中酸岩反应速率的物质和技术；提高酸蚀裂缝导流能力的物质和技术。,第六节 酸化工艺设计,二、常用酸化工艺及其适应性,1.碳酸盐岩储层酸化工艺技术酸压技术,酸压过程中酸液的滤失问题通常考虑从滤失添加剂和工艺两方面着手；降低酸岩反应速率也可以缓速剂的使用及工艺上来进行；加入缓速剂，使用胶凝酸、乳化酸、泡沫酸和有机酸并结合有效的酸化工艺可起到较好的缓速效果；提高裂缝导流能力可从选择酸液类型和酸化工艺着手，其原则是有效溶蚀和非均匀刻蚀。压裂酸化技术以能否实现滤失控制，延缓酸岩反应速度形成长的酸蚀裂缝和非均匀刻蚀划分为两大类：普通酸压和深度酸压。,第六节 酸化工艺设计,二、常用酸化工艺及其适应性,1.碳酸盐岩储层酸化工艺技术酸压技术,普通酸压技术:普通酸压工艺指以常规酸酸液直接压开储层的酸化工艺。酸液既是压开储层裂缝的流体，又是与储层反应的流体，由于酸液滤失控制差，反应速度较快，有效作用距离短，只能对近井地带裂缝系统的改造。一般选用于储层污染比较严重、堵塞范围较大，而基质酸化工艺不能实现解堵目标时选用该工艺。深度酸压技术：以获得较长的酸蚀裂缝为目的而采用的不同于普通酸压技术的酸压技术称为深度酸压技术。,第六节 酸化工艺设计,二、常用酸化工艺及其适应性,1.碳酸盐岩储层酸化工艺技术酸压技术,先向储层注入高粘非反应性前置压裂液，压开储层形成裂缝，然后注入酸液对裂缝进行溶蚀，改善导流能力。以前置液粘性指进为主，为实现指进酸压，要求前置液和酸液粘度比和流速比有一定范围。前置液的主要作用：压裂造缝；降低裂缝表面温度；降低裂缝壁面滤失。前置液酸压工艺可采用多种酸液类型搭配，除了前置液与常规盐酸搭配使用外，前置液还可与胶凝酸、乳化酸或泡沫酸进行搭配应用。,前置液酸压工艺,第六节 酸化工艺设计,二、常用酸化工艺及其适应性,缓速酸酸压技术在工艺特点上与普通酸压技术相同，不同之处在于其采用的酸液是胶凝酸、乳化酸、化学缓速酸或泡沫酸等缓速酸，通过缓速酸的缓速性能达到酸液深穿透的目的。,第六节 酸化工艺设计,二、常用酸化工艺及其适应性,缓速酸酸压工艺,前置液与酸液交替注入的一种酸压方法，类似前置液酸压，但其降滤失性及对储层的不均匀刻蚀优于前置液酸压。为获得理想的酸液有效作用距离，有时交替次数多达8次。这一工艺在中、低渗孔隙性及裂缝不太发育储层，或滤失性大，重复压裂储层有较好成效。,第六节 酸化工艺设计,二、常用酸化工艺及其适应性,多级交替注入酸压工艺,砂岩酸化主要是进行基质酸化。为了满足不同的储层特性、污染类型及增产的实际需要，目前发展了多种砂岩酸化工艺。不同的工艺其不同之处主要体现在处理液和工序上。典型的砂岩酸化注液包括：前置液、处理液、后置液、顶替液的顺序注入。砂岩酸化工艺很多，按其注入处理液的类型及能否实现深穿透可分为常规酸化和深部酸化技术。不同的工艺其注液顺序也不同。,第六节 酸化工艺设计,二、常用酸化工艺及其适应性,2.砂岩储层酸化工艺,一般用(3-15)HCl。前置液作用:前置液中盐酸把大部分碳酸盐溶解掉，减少CaF2沉淀，充分发挥土酸对粘土、石英、长石的溶蚀作用。盐酸将储层水顶替走，隔离氢氟酸与储层水，防止储层水中的Na+、K+与H2SiF6作用形成氟硅酸钠、钾沉淀，减少由氟硅酸盐引起的储层再次污染。维持低PH值，以防CaF2等反应产物沉淀。,前 置 液,第六节 酸化工艺设计,二、常用酸化工艺及其适应性,2.砂岩储层酸化工艺,砂岩酸化处理液常用的有土酸，深部酸化的氟硼酸体系、磷酸体系及地下自生酸体系等。处理液主要实现对储层基质及堵塞物质的溶解，沟通并扩大孔道，提高储层渗透性。,第六节 酸化工艺设计,处理液,2.砂岩储层酸化工艺,二、常用酸化工艺及其适应性,注后置液的作用在于能迅速净化储层，并使之得到充分的改善。要达到此目的，后置液应满足：能使储层中微小颗粒具有水湿性；能最大限度的提高油气的相对渗透率；对处理液没有不利的反应；有利于排酸，提高酸处理效果。,第六节 酸化工艺设计,后置液,二、常用酸化工艺及其适应性,2.砂岩储层酸化工艺,顶替液一般是由盐水或淡水加表面活性剂组成的活性水。顶替液的作用是将井筒中的酸液顶入储层。,第六节 酸化工艺设计,顶替液,二、常用酸化工艺及其适应性,2.砂岩储层酸化工艺,常规土酸酸化:常规土酸酸化是使用时间最早，油田应用十分普遍的工艺。,第六节 酸化工艺设计,二、常用酸化工艺及其适应性,A.常规土酸酸化工艺,注前置液注处理液注后置液注顶替液,砂岩深部酸化的基本原理是注入本身不含HF的化学剂进入储层后发生化学反应，缓慢生成HF，从而增加活性酸的穿透深度，解除粘土对储层深部的堵塞，达到深部解堵目的。主要包括SHF工艺、SGMA工艺、BRMA工艺、HBF4工艺及磷酸酸化等。,第六节 酸化工艺设计,B.砂岩储层深部酸化工艺,二、常用酸化工艺及其适应性,该工艺利用粘土的天然离子交换性能，在粘土表面生成HF而就地溶解粘土。注液时，HCl和NH4F可根据需要多次重复使用，以达到预期的酸化深度，SHF法的处理深度取决于HCl和NH4F的用量和浓度。SHF工艺在提高储层渗透率和穿透深度方面都优于常规土酸。工艺优点是工作剂成本较低，穿透深度大。缺点是工艺较复杂，溶解能力较低。,第六节 酸化工艺设计,二、常用酸化工艺及其适应性,B.砂岩储层深部酸化工艺-顺序注盐酸-氟化氨(SHF)工艺,该工艺是向储层注入一种含F-的溶液和另一种能水解后生成有机酸的脂类，两者在储层中相互反应缓慢生成HF，可达到缓速和深度酸化目的。该工艺特点:注入混合处理液后关井时间较长，待酸反应后再缓慢投产。这样长的时间选择添加剂难度大，工艺不当易造成二次污染。该工艺适于泥质砂岩储层，成功的SGMA酸化可获得较长的稳产期。,第六节 酸化工艺设计,二、常用酸化工艺及其适应性,B.砂岩储层深部酸化工艺-自生土酸酸化工艺（SGMA）,该系统由有机酸及其铵盐和氟化铵按一定比例组成，通过弱酸与弱酸盐间的缓冲作用，控制在储层中生成的HF浓度，使处理液始终保持较高的pH值，从而达到缓速的目的。缓冲调节土酸工艺可用于储层温度较高的油井酸化，在温度高达185的含硫气井进行BRA系列试验，效果良好。,第六节 酸化工艺设计,二、常用酸化工艺及其适应性,B.砂岩储层深部酸化工艺-缓充调节土酸工艺（BRMA）,氟硼酸处理工艺 HBF4:处理砂岩储层，既可控制粘土膨胀及颗粒运移，又能获得深穿透。但其溶解岩石的能力不及土酸，国内外广泛采用HBF4及土酸联合施工，这就要求适当的施工工序及选择合理施工参数。,第六节 酸化工艺设计,二、常用酸化工艺及其适应性,B.砂岩储层深部酸化工艺-氟硼酸处理工艺（HBF4）,西南石油学院与胜利油田合作研究给出的典型施工工序为：注盐酸前置液注HBF