压裂酸化技术经典知识集

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。酸化是通过向地层注入酸液，溶解储层岩石矿物成分及钻井、完井、修井、采油作业过程中造成的堵塞储层物质，改善和提高储层的渗透性能，从而提高油气井产能的增产措施。酸化增产原理酸－岩化学反应当量及反应产物酸－岩化学反应动力学碳酸盐岩储层酸化设计计算砂岩储层酸化设计计算酸化工艺设计酸液及添加剂主要内容常用酸化工艺酸洗AcidWash基质酸化MatrixAcidizing酸压AcidFracturing酸洗----•清洗：井筒射孔眼•方式：正洗反洗泵组是一种清除井筒中的酸溶性结垢或疏通射孔孔眼的工艺。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、碳酸盐岩储层的表皮解堵或射孔孔眼的清洗、井筒结垢及丝扣油的清除。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是在低于岩石破裂压力之下将酸液注入储层以溶解污染物和其中的某些矿物，从而恢复或提高井筒附近储层渗透率的技术。基质酸化—施工压力：PsPiPF—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，从而增加油井产量。压裂酸化----•酸化：地层•方式：油管注液环空注液压裂车•压开裂缝•张开裂缝•酸刻蚀裂缝•高导流能力裂缝封隔器是在高于储层破裂压力下直接用酸注入压开的裂缝中，通过酸对岩石壁面的不均匀刻蚀而形成高导流能力的酸蚀裂缝。压裂酸化—施工压力：PiPF。—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。S、K、Kd、rd、rw的物理意义；渗透率下降对表皮系数的影响比污染深度的影响要大得多。wddrrKKSln1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，起到疏通流动通道的作用，解除堵塞物的影响，恢复储层原有的渗流能力。基质酸化增产原理Jd、Jo、re、rd、rw的物理意义；—Xd=Kd/Ko酸化增产倍比分析)ln()ln()ln(0dedwdweddrrXrrrrXJJreK0,rdKdrw00.20.40.60.810.00.10.20.30.40.5rd-rw，mJd/JXd=0.02Xd=0.05Xd=0.1Xd=0.2Xd=0.500.20.40.60.81051015202530rs=0.20mrs=0.5mrs=1.0m增产倍比Fkrw=0.12m,re=250m污染程度(Fk)、污染半径(rs)对增产倍比的影响储层严重污染时，基质酸化处理可大幅度提高油气井产量；因此对污染储层，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。—压裂酸化产生裂缝，增大渗流面积，改善油气的流动方式，增大井附近油气层的渗流能力；—消除井壁附近的储层污染的影响；—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。压裂酸化增产原理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—化学当量指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。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%，则可视为石灰岩；若白云岩含量大于50%，则可视为白云岩；—若杂质含量大于50%，则可视为非碳酸盐岩。碳酸盐岩化学成分—碳酸盐岩储层酸化常用盐酸—典型反应2HCl+CaCO3CaCl2+H2O+CO2↑4HCl+CaMg(CO3)2CaCl2+MgCl2+2CO2↑+2H2O酸与碳酸盐岩反应化学当量—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。1m3盐酸与碳酸钙作用表石灰岩(kg)反应物生成物HC1(kg)CaCO3CaC12CO2H2O分子量36.5100111441815％HC1161211245974028％HC1319437485192791m3盐酸与碳酸钙镁作用情况白云岩，kg反应物生成物HC1kgCaMg(CO3)2CaC12MgC12H2OCO2分子量36.5184.311195.3184415％HC1161203.2122.4105.1409728％HC1319402.7242.5208.279192—定义为：单位体积酸溶解的岩石体积，可用于直接比较各种用酸成本。—用表示溶解的岩石质量与反应酸的质量之比。酸的溶解能力矿物相对分子量×反应方程中矿物摩尔数β=酸相对分子量×反应方程中酸的摩尔数方解石与100%HCl反应的100为：100.09×1石灰岩溶解克数β100==1.37236.5×2100%盐酸反应克数方解石与15%HCl反应的15为：石灰岩溶解质量β15=0.15β100=0.20615%盐酸反应质量—定义为：单位体积反应酸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：3%15%1515CaCOHCLHCLX酸的体积溶解能力碳酸盐岩酸化常用酸不同浓度的溶解力X组分酸1005%10%15%30%盐酸1.370.0260.0530.0820.175甲酸1.090.0200.0410.0620.129石灰岩CaCO3=2.71g/cm3乙酸0.830.0160.0310.0470.096盐酸1.270.0230.0460.0710.152甲酸1.000.0180.0360.0540.112白云岩CaMg(CO3)2=2.87g/cm3乙酸0.770.0140.0270.0410.08315%HCl=1070kg/m3—砂岩主要是由砂粒和胶结物组成。—砂粒主要是石英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—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。—氢氟酸与硅酸钠的反应代表了它与砂岩基质硅酸盐的反应。酸与砂岩反应当量氢氟酸的溶解能力石英钠长石，(NaAlSi3O8)酸浓度%XX20.0150.0060.0190.00830.0230.0100.0280.01140.0300.0180.0370.01560.0450.0190.0560.02380.0600.0250.0750.030储层中的矿物含量变化很大，其酸溶性体积往往靠室内试验来确定。—氢氟酸溶解砂岩矿物时形成的产物比较复杂。—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pH的增加，构成了沉淀形成的动力。砂岩酸化反应物状态氯化钙重量486w%===35%全部水重量+氯化钙重量820+79+486氯化钙重量486溶解度===54%全部水重量820+79—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：碳酸盐岩酸化反应物状态CaCl2状态分析不同温度条件下氯化钙溶解度35404550556020406080100温度，℃溶解度，％—CaCl2极易溶于水。在34℃溶解度为55%。—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。—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。CaCl2状态分析—1m328%浓度的盐酸和碳酸钙反应，生成193kg二氧化碳;在标准状况下体积为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。CO2在储层条件下的状态024681012141618015304560压力,MPa溶解度，%35℃，20％CaCl275℃，20％CaCl235℃，35％CaCl275℃，35％CaCl2—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。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。—反应后的残酸水是溶有少量CO2的CaCl2水溶液，同时留有部分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妨害，通过排液可以排出储层，那就为提高储层的惨透性能创造了条件。—粘度较高的氯化钙溶液对流动有两面性：携带固体微粒的能力较强，能把酸处理时从储层中脱落下来的微粒带走，防止储层的堵塞；流动阻力增大，对储层渗流不利。—酸液一般都具有较高的界面张力。—残酸液和储层油形成高粘乳状液，对储层渗流非常不利。反应生成物对渗流的影响—盐酸与A12O3、Fe2O3、FeS等金属氧化物杂质反应，形成二次沉淀，堵塞储层裂隙。—CO2大部分以游离态存在对流动有两面性：在返排过程中，压力逐渐降低时，CO2开始膨胀，释放其能量，这种能量驱动使残酸液有效地排出。在施工结束后，应把握适当的时间，充分利用CO2的膨胀能进行排液。游离状态的小气泡对油气渗流有一定的影响，应从相渗透率和相饱和度的关系上作具体的研究分析。反应生成物对渗流的影响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酸岩反应动力学—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。酸岩化学反应机理岩面Ca2+、Mg2+H+Ca2+、Mg2+H+扩散边界ConstdydCCa2ConstdydCH02dydCCa0dydCH—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。—在离子交换过程中，除了扩散作用以外，还会有因密度差异而产生的自然对流作用。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。—酸与岩石的反应过程进行的快慢，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，但未失去活性的酸；残酸：完全失去反应能力的酸液。酸