【让人不解】海相油气储层酸化及酸压技术原理

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3.6.1.1 酸化工艺简介

酸化是以酸作为工作液对油气（水）层实施增产（注）措施的总称。是通过井眼向地层注入一种或几种酸液（或酸性混合液）以溶解地层中的矿物质，从而恢复或增加井筒附近的渗透率，从而使油气井增产（或注水井增注）的一种工艺措施。

酸化作为一种增产措施始于1895年。目前酸化技术成功地应用于常规油气层增产改造，并可以对高温深井、低压低渗油井、高含硫井、高孔低渗储层及复杂结构井等实施有效作业，在油气田的勘探开发中起着关键作用。

（1）酸化工艺分类

酸化按不同工艺可分为：酸洗、基质酸化及压裂酸化（李颖川，2002）。

1）酸洗：酸洗是清除井筒中的酸溶性结垢或疏通射孔孔眼的工艺。它是将少量酸定点注入预定井段，溶解井壁结垢物或射孔眼堵塞物。也可通过正反循环使酸不断沿井壁和孔眼流动，以此增大活性酸到井壁面的传递速度，加速溶解过程。

2）基质酸化：基质酸化是在低于岩石破裂压力下将酸注入储层中，使酸基本沿径向渗入储层，溶解孔隙空间内的颗粒及堵塞物，从而消除井筒附近储层污染，恢复和提升储层渗透率，达到恢复油气井产能和增产的目的。

3）压裂酸化：压裂酸化（酸压）是将酸液在高于储层破裂压力或天然裂缝的闭合压力下挤入储层，从而形成裂缝。酸液会与裂缝壁面岩石发生反应，由于酸液非均匀的刻蚀缝壁，会形成沟槽状或凹凸不平的刻蚀裂缝，施工结束裂缝不能完全闭合，从而形成具有一定几何尺寸和导流能力的裂缝，达到改善油气井的渗流状况而增产的目的，该工艺一般只用于碳酸盐岩油气层。

（2）增产原理

1）基质酸化增产原理。基质酸化增产作用主要表现在：

A.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，提升储层的渗流能力。

B.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，疏通流动通道，解除堵塞物对储层的污染。

2）压裂酸化增产原理。压裂酸化是碳酸盐岩储层增产措施中应用最广的工艺。压裂酸化的增产原理主要表现在：

A.消除井壁附近的储层污染。

B.压裂酸化溶蚀裂缝增大油气沿井内渗流的渗流面积，改善油气的流动方法，增大井附近油气层的渗流能力。

C.沟通远离井筒的高渗透带、储层深部裂缝系统及油气区。

无论是在近井污染带内形成通道，或改变储层中的流型都可获得增产效果。小酸量解决可消除井筒污染，恢复油气井天然产量，大规模深部酸压解决可使油气井大幅度增产。

3.6.1.2 酸岩反应动力学原理

（1）酸与碳酸盐岩的化学反应

在酸压期间，主要化学反应是盐酸与石灰岩以及白云岩间的反应。

中国海相油气勘探理论技术与实践

通过上述的化学反应方程可以计算出给定体积的酸液溶蚀岩石的体积，从而确定出酸液的溶解力Xc，即单位体积的反应酸所溶解的岩石体积。品质溶解力β（单位品质反应酸可溶解的岩石品质）定义为：

β=岩石矿物分子量与其化学当量系数的乘积/酸分子量与其化学当量系数的乘积

（2）酸-岩反应机理

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实施，因而液固两相界面的性质和大小都会作用复相反应的实施。假设酸岩反应期间包含吸附作用步骤，因而酸与碳酸盐岩的反应历程可描述为：首先H+向岩石表面传递；然后被吸附的H+在岩石表面反应；最后反应产物通过传质离开岩石表面。上述三个步骤中速度最慢的一步为整个反应的控制步骤，它决定着总反应速率的快慢。

酸液中的H+在岩面上与碳酸盐岩的反应，称为表面反应。对石灰岩储层而言，表面反应速度非常快，几乎是H+一接触岩面，反应立刻完成。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+和CO2气泡等反应产物。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。溶液内部，在垂直于岩面的方向上，不存在离子浓度差；边界层内部，在垂直于岩面的方向上，则存在有离子浓度差，由于在边界层内存在着上述离子浓度差，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。这类由于离子浓度差而产生的离子移动，称为离子的扩散作用。

在离子交换期间，除了上述扩散作用以外，还会有因密度差异而产生的自然对流作用。实际酸解决时，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（包含自然对流和一定条件下的强迫对流）和扩散两种形式，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。

（3）酸-岩反应动力学参数的确定

酸岩反应动力学参数是酸化设计及分析酸岩反应速度规律的关键参数，这些参数一般通过室内实验来确定。

依据品质作用定律，在一定的温度、压力下化学反应速率与反应物浓度的一定方次的乘积成正比。在酸岩反应中岩石的浓度可视为定值，反应系统的酸岩反应速率可表示为：

中国海相油气勘探理论技术与实践

式中：J为酸-岩反应速率，单位为mol/（s·cm2）；V为反应的酸液体积，L；S岩盘反应表面积，cm2。K为反应速率常数，C为酸液浓度，m为反应级数。对上式两边取对数，得：

中国海相油气勘探理论技术与实践

反应速率常数K和反应级数m在一定条件下为常数，对1g.J和1gC实施线性回归解决，求得m和K值，从而确定酸岩反应动力学方程。温度对反应速率的作用很大，特别是深井高温酸压施工设计时常常要利用不同温度条件下的动力学参数。依据Arrhenius理论，由恒温下的反应动力学方程得到：

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式中：Ko为频率因子；Ea为反应活化能；R为气体常数；T为绝对温度。对方程两边取对数得到

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将1gJ对1/T作图应为一直线。直线斜率为-（Ea/2.303R），截距为1g（KoCm），从而可求出Ea、ko值。依据对流扩散微分方程，求得如下方程：

中国海相油气勘探理论技术与实践

式中：De为H+有效传质系数；v为酸液平均运动黏度；ω为旋转角速度；Cr为时间为t时酸液内部浓度，mol/L。

（4）作用酸-岩反应速度的因素

作用酸-岩反应速度的因素很多，下面主要谈下温度、面容比、岩石类型、酸液浓度、酸-岩系统的酸液流速以及压力等是作用酸-岩反应速度的主要因素。

在低温条件下，温度变化对反应速度变化的作用比较小；高温条件下，温度变化对反应速度的作用较大。例如，温度由20℃增加到30℃，反应速度增加1.67倍；温度由90℃增加到100℃，反应速度增加了7.73倍。温度较高时，反应速度很快，酸液有效作用距离有限，若不采用措施，很难取得较好的酸化效果。

面容比表示酸-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。

一般而言，酸与灰岩的反应比与白云岩的反应速度要快。 在碳酸盐岩中泥质含量较高时，反应速度相对变慢。

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。虽然采用弱酸解决可延缓反应速度，对扩大酸液解决范围有利，但从货源、价格及溶蚀能力方面来衡量，盐酸仍是酸化应用最广泛的酸。

酸-岩反应速度随酸液流速增大而加快，但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，故提升注酸排量可以增加活性酸深入储层的距离。酸压施工时在设备及井筒条件允许和不压破邻近盖层和底层的情况下，一般充分发挥设备的能力，以大排量注酸。

反应速度随压力的增加而减缓。但是压力对反应速度的作用不大，特别是压力高于6.5MPa后可以不考虑压力对酸-岩反应速度的作用。

由以上分析可知，作用酸-岩反应速度的因素很多也很复杂。为此，延缓反应速度的方法和途径也是各式各样的。如造宽裂缝减少面容比、采用高浓度盐酸酸化、采用弱酸解决、洗井井底降温、提升注酸排量等均是现场已采用的工艺措施。

3.6.1.3 酸液体系及添加剂

（1）常用酸液

随着酸化技术的发展，酸化用酸液越来越多，常用的酸可分为无机酸、液体有机酸、粉状有机酸、多组分（或混合）酸或缓速酸等类型。每类酸的常用品种及特点和适用条件见表3-28（李颖川，2002）。

表3-28 常用酸型

（2）常用酸液添加剂

为了改善酸液性能，防止酸液对储层产生伤害，需要在酸液中加入某些化学物质，这些化学物质统称为添加剂。常用添加剂的种类有：缓蚀剂、助排剂、黏土稳定剂、铁离子稳定剂、表面活性剂等，有时还加入增黏剂、减阻剂、暂堵剂、破乳剂、杀菌剂等（李颖川，2002；丁云宏，2005）。

1）缓蚀剂。用酸液对碳酸盐岩地层解决时，酸对金属有很强的腐蚀作用。由于酸直接与储罐、压裂设备、井下油管、套管接触，特别是深井井底温度很高，而所用的酸的深度又比较大时，会给这些设备带来严重的腐蚀。缓蚀剂是通过物理或化学吸附而吸附在金属表面，把金属表面覆盖，使酸溶液中的H+难以接近，从而使腐蚀速度减少。因而作用覆盖面积大小的因素以及作用吸附难易的因素都会对缓蚀效果有明显作用。缓蚀剂性能评价方法详见行业标准SY/T5405—1996，现场采用的部分缓蚀剂性能参数见表3-29。

2）黏土稳定剂。加入黏土稳定剂作用是防止酸化期间酸液引起储层中黏土膨胀、分散、运移造成对储层的污染。常用的黏土稳定剂主要有以下几类：简单阳离子类黏土稳定剂（KCl、NH4C1）；无机聚阳离子类黏土稳定剂（羟基铝及锆盐，氢氧化锆）；聚季铵盐。国内常用黏土稳定剂及用量见表3-30。

表3-29 现场采用的部分缓蚀剂性能参数

表3-30 国内常用黏土稳定剂

3）助排剂。酸化液的注入和残酸的返排都与液体的表面张力有关。酸化液和残酸的表面张力愈大，则毛细管力愈大，在地层孔隙中的流动阻力愈大。流动阻力大则酸化液的注入速度减少，作用酸化效果；同理假如残酸的表面张力大则返排时的流动阻力大，造成返排困难或不彻底，形成水锁，抑制油气的产出。因而酸化工作中必须加入助排剂。助排剂可以提升液体的返排能力，减少残余液体对储层的二次伤害。常用助排剂及性能参数见表3-31。

4）铁离子稳定剂。为了防止酸液中引入铁离子（Fe2+和Fe3+）和油层本身含有的铁化合物生成氢氧化铁沉淀造成储层堵塞而加入的化学物质叫铁离子稳定剂。铁离子稳定剂可以分为三类：pH控制剂、螯合剂、还原剂。pH值控制剂是通过控制pH值的方法防止沉淀，主要是向酸液中加入弱酸，由于弱酸的反应非常慢，以至盐酸反应完后残酸仍然维持很低的pH值。螯合剂是与酸液铁离子结合生成溶于水的络合物，使之稳定在溶液中。比较常用的螯合剂有柠檬酸、EDTA和NTA。还原剂是将三价铁离子还原为二价铁离子，防止三价铁离子沉淀。从而减少了氢氧化铁沉淀的机会。常用的铁离子稳定剂及其性能见表3-32。

表3-31 国内常用的助排挤及其性能参数

表3-32 常用的铁离子稳定剂及其性能

5）破乳剂。原油中的蜡质和胶质沥青质是天然的乳化剂，当酸与油接触以后会发生乳化，乳化液的黏度会很大，流动性能差，造成乳堵，使酸液的注入和残酸的返排变得困难，残酸返排不彻底将作用原油的生产，故此酸化液应具有一定的防乳破乳能力。常用的破乳剂有阴离子型活性剂如烷基磺酸钠，非离子型如聚氧乙烯辛基苯酚醚等。常用的破乳剂及其性能参数见表3-33。

表3-33 常用的破乳剂及其性能参数

6）稠化剂。稠化剂也称为胶凝剂，在酸液中加入这类物质以后可以提升酸液的黏度，常用的增黏剂多为部分高分子聚合物。以前采用的稠化剂由于在高分子共聚加工的起因，稠化剂加量大而且黏度低。现在的稠化剂经过改进以后，黏度相对提升，用量也下降。一般为1%～2%。常用的酸化稠化剂及性能见表3-34。

3.6.1.4 酸压中的蚓孔及滤失现象

（1）蚓孔

酸液在酸压裂缝内流动时，有少数较大的岩石孔洞或天然裂缝首先受到过量酸液的溶蚀而发生高速的酸岩反应，使岩石矿物发生溶蚀并形成特定的溶蚀通道，甚至会在原有的岩石孔隙基础上形成“酸蚀蚓孔”，最终形成局部高渗透率的通道（据Wang，1993），也就是现在常提到的“蚓孔”。

Hoefner和Fogler（1988）采用向石灰岩岩样酸蚀后的蚓孔内注入低熔点合金的方法得到了真正意义上的蚓孔铸体模型（图3-171），展示出了酸蚀模式的复杂形态。

表3-34 常用的酸化稠化剂及性能

（2）基质酸化中的蚓孔效应及控制

1）基质酸化中的酸蚀蚓孔。基质酸化施工时，酸液按径向流入目的层，形成的酸蚀蚓孔也沿井筒发散分布，2000年Fred研究表明，不同注酸条件下将产生不同的酸蚀形态。低排量下产生均匀溶蚀对酸化施工不存在效果，而高排量下形成的高度分枝结构将浪费大量酸液且不能产生高导流能力的大孔径酸蚀蚓孔，只有在合适的注酸条件下才会形成理想的酸蚀主蚓孔。

2）基质酸化中蚓孔效应的控制。对碳酸盐岩基质酸化而言，主要的目标是有效促进酸岩反应形成单一主蚓孔。从而实现少酸量、深穿透。可以在室内实验基础上优化注酸条件组合，设计最优的施工排量，选择合适酸液类型、酸液浓度和注酸方法。对温度较高的碳酸盐岩地层着重应考虑缓速和降滤失。

图3-171 蚓孔铸体模型

（3）酸压中的蚓孔效应及控制

1）酸压中的蚓孔效应。酸压中由于形成酸蚀蚓孔，酸液滤失表现为裂缝壁面向基质的滤失和酸蚀蚓孔引起的滤失。在两者的共同作用下产生大量不稳定的酸液滤失，从而使得酸液的有效穿透举例大大减小。酸蚀蚓孔滤失是主控因素，它不仅是在原有的微裂缝和原生孔洞的基础上进一步增大主干蚓孔的孔隙空间，同时还包含向蚓孔岩石壁面的对流而产生次生蚓孔和多分支小蚓孔。酸液滤失量主要受酸液的黏度和酸蚀蚓孔扩展速度的作用，其中酸液的黏度又受到微裂缝和蚓孔中温度以及剪切效应的作用。

2）酸压中蚓孔效应的控制。酸压中施工排量较高、施工压力较大，故此蚓孔的形成是不可避免的，且蚓孔的扩展比基质酸化加剧。同时为了取得较长的裂缝和沟通远井地带的油气，必须提升排量。这样使得蚓孔的控制更为复杂。国内外主要从液体体系和施工工艺两个方面来控制酸压中的蚓孔效应，采用非常规液体体系代替常规酸液体系。如缓速酸、稠化酸等，主要机理是通过减少酸岩反应速率来减少蚓孔的扩展速度，从而增加酸蚀有效作用距离。同时也采用多级交替注入和闭合裂缝酸化等工艺来减少蚓孔效应的作用。

3.6.1.5 酸化施工设计

（1）选井选层

酸化解决效果虽然与施工工艺、施工参数有一定的关系，但是起决定作用的还是地质因素。选井选层的总目的是改造中低渗层、提升产能；对勘探而言，还可以起到正确认识和评价油气层的作用。

为了取得较好的增产效果和提升措施的成功率，选井选层方面应遵循以下部分原则：①应优先选油气显示好，而试油效果差的层。假如不能投产的起因是泥浆堵塞，应实施解堵酸化；堵塞严重者可考虑实施中小型酸压；②邻近井产量高而本井的产量低或无产量的井应优选；③井低产的起因假如为井底附近缝洞不发育，可以实施大中型酸压，特别应选择高产井旁边的低产井实施酸压；④对油水（气）边界的井，或存在气水夹层的井应慎重对待，可实施常规酸化，不宜实施酸压；⑤对有多产层的井而言，一般应首先要解决低渗透层。

（2）酸化施工设计

1）解堵酸化设计。对裂缝性碳酸盐岩油气层，假如近井地带存在堵塞，且堵塞范围不大时可采用解堵酸化来解决。酸液可以破坏泥浆的胶体结构，从而使泥浆变稀排出地层。一般有一定生产能力的油气层，遭受泥浆侵害后产量低或不能投产，经过小酸量解决后，产量可以成几倍或几十倍的增加。

解堵酸化设计主要要确定酸液用量及浓度、挤酸压力和排量及返排时间3个工艺参数。

A.用酸量及酸液浓度。实践表明，以微裂缝为主的产层，解堵实际挤入地层的酸量10m3以下为宜，变化范围为3～10m3。构造裂缝为主的产层，用酸量宜大部分，一般6～40m3，由于裂缝性地层缝洞发育的不均一性，按打开井段长度考虑用酸量不存在意义，宜依据地层吸收能力、油（气）层裸露或射开的厚度、钻井用泥浆比重及其在地层中浸泡的时间并结合经验数字来确定。酸浓度以10%～15%为宜，假如岩性较致密可用更高的浓度，反之可以适当的减少浓度。

B.挤酸压力和排量。为熟悉除整个油气层段上的堵塞，必须使酸液可以均匀的进入到地层纵向各个井段，避免酸液单点突入。应控制泵压高于地层初始吸收压力，但低于地层破裂压力及管套容许压力。排量应在保证酸液均匀进入地层各井段的条件下尽快地挤入地层，以扩大解决范围，应依据地层的吸收能力而变化。

C.返排时间。为了避免残酸反应产生二次沉淀及防止残酸中不溶物质的微粒重新堵塞地层孔道，挤酸完毕后，应立即开井排液。白云岩地层反应速度较灰岩慢，可以依据具体实验情况，适当关井一段时间后开井排液。

2）压裂酸化设计（据李颖川，2002）。压裂酸化工艺很多，设计的步骤和方法大致一样。这里简单介绍酸压设计方法和步骤。

A.酸化解决设计应收集的资料。完善的酸化解决设计应收集下列数据项；井的数据、储层参数、岩石力学数据、压裂液、酸液数据、岩心分析数据及泵注数据等。

B.酸化解决设计包含的内容。酸化解决设计应包含下列内容：井的基本数据，钻井、试油、采油简史，综合分析施工目的及效果预测，主要施工参数及泵注程序，施工准备，施工步骤，施工品质请求及安全留意事项，施工后井的管理，施工劳动组织及环境保护，施工所需设备、材料及费用预算等。

依据施工目的、井及储层条件、室内岩心数据等选择适合的酸化工艺，确定酸化工作液（前置液、酸液、顶替液）的类型、配方、用量及施工压力、排量等参数。

碳酸盐岩储层的酸化解决常采用盐酸体系，主要有常规盐酸体系、稠化酸体系、泡沫酸体系、乳化酸体系、化学缓速酸体系，在设计时可依据实际情况实施选择。

酸浓度可由溶蚀试验确定。国内酸化解决盐酸浓度多介于15%～20%。酸液用量则据酸化改造的范围和力度来确定。酸液用量一般为动态裂缝体积的1.5～5倍，也可依据优化设计的请求由计算机模拟确定。

压裂酸化解决时请求施工排量大于储层的吸收能力，以保证裂缝的形成及延伸。如井身品质合格，应充分发挥设备能力，高排量注入，有利于造宽缝、长缝，也可使酸液快速向储层深部推进，提升有效作用距离。

C.酸化施工设计计算。主要包含两方面：一是施工参数确定，包含：储层最大吸入能力、破裂压力、液柱压力、摩阻计算，井口极限施工排量、井口施工泵压和入井液量等。这些参数的确定应结合室内试验研究和模拟计算。二是酸化过程的模拟计算及效果预测，主要是综合应用动态裂缝尺寸、酸液浓度分布规律及有效作用距离、酸蚀裂缝导流能力及增产倍比等实施酸化设计模拟，分析不同施工参数对酸化效果的作用，指导酸化设计，优选施工方案，减少施工盲目性。

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