高含泥质储层酸化机理认识及对策探究——以曲堤油田曲9-21断块为例

高含泥质储层酸化机理认识及对策探究——以曲堤油田曲 9-21 断块为例
发布时间：2021-05-19T14:25:23.750Z 来源：《科学与技术》2021年2月4期作者：崔晶[导读] 曲堤油田曲9-21断块是高含泥质储层，近年来实施酸化措施效果差崔晶
胜利油田鲁明油气勘探开发有限公司
摘要：
曲堤油田曲9-21断块是高含泥质储层，近年来实施酸化措施效果差，有必要从机理上对其进行探究，并提出下步对策。

本文从高含泥质储层酸化反应状况分析、酸与储层矿物反应速率的影响、基质酸化理论分析等角度对高含泥质储层酸化反应的机理进行了分析认识，得出目前该区块酸化参数不合理，并提出了针对高含泥质储层下步酸化对策。

关键词：高含泥质；酸化；机理
1 区块概况
1.1 地质概况
曲堤油田曲9-21断块，油藏埋深1200-1550m，地层厚度约350米，含油面积1.8Km2，地质储量361104。

主力含油层系列沙三、沙四上。

平均孔隙度28%；平均渗透率48110-3m2。

区块具有强水敏和强盐敏，弱酸敏，无速敏、碱敏，粘土含量较高等特点。

1.2 酸化实施概况
曲9-21断块近两年油井实施基质酸化改造13井次，有效井6井次，措施有效率仅46%，平均单井日增油0.95t，酸化措施效果较差。

采取的酸液体系有土酸、缓速多氢酸、复合酸等。

针对该区块高含泥质的特征实施酸化改造并不适应。

为此，有必要从机理上对其进行探究。

2 高含泥质储层酸化反应状况分析
2.1酸液主要成分分析
目前砂岩油藏基质酸化的酸液体系大概可分为无机酸、稀释有机酸、粉末状有机酸、混合酸及缓速酸等。

通常在砂岩储层中酸化必须应用到氢氟酸（HF）。

因为砂岩大部分矿物成分只能溶解于氢氟酸。

即使不直接使用氢氟酸，也是通过其他有机酸间接形成氢氟酸成分来与砂岩矿物发生反应。

2.2氢氟酸对矿物的溶解能力计算
氢氟酸对矿物的化学反应总体来说是较复杂的，除了与石英（SiO2）和方解石（CaCO3）的反应相对简单。

硅铝酸岩（粘土矿物和长石含此成份）与氢氟酸反应其复杂性源于两点：一是其晶格中的晶体结构常会发生较大范围的取代作用而发生离子交换反应，故没有固定的分子式，其与HF间的化学反应不能用单一的化学反应计算方法表示。

二是其反应产生的氟化物(如AlF3、AlF2-、SiF4等)其分布情况与固体和酸的比率有关，将影响到化学反应的平衡。

如果砂岩储层矿物成份能够用分子式表示，则就可以计算出氢氟酸的溶解能力。

下表为通过化学表达式计算出的氢氟酸对矿物成份的溶解能力。

β——溶解的岩石质量/已反应酸的质量
X——所溶解的岩石体积/已反应酸的体积
从氢氟酸的溶解能力来看，对石英、长石、高岭石的溶解能力是低于石灰岩、白云岩的。

2.3粘土矿物反应平衡状态分析
粘土、长石类硅铝酸盐矿物可与HF发生化学反应而生成氟化硅类和氟化铝类离子。

但是，其反应产物并不是所形成的惟一化学反应产物，SiF4 、HSiF5 和H2SiF6 也可以存在于反应液中，溶液中还存在着其他如：Al3+，AlF2+、ALF63-等铝离子。

铝离子与氟化物中的硅竞争。

当过量粘土存在时，氟化铝盐类化合物比氟化硅类化合物更稳定性，当HF 过量时，所形成的初始反应产物(H2SiF6)开始释出氟而形成更稳定的铝化物。

H2SiF6 先失去两个氟原子而形成SiF4，当反应一直持续进行时，开始形成Si(OH)4。

这种沉淀物可以形成水化胶体[Si(OH)4.nH2O]，将损害地层渗透滤，因此应尽量减少溶液析出胶体。

3 酸与储层矿物反应速率的影响
3.1酸与矿物成份反应的主要步骤
溶液中酸的消耗量发生在各种反应机理和过程中。

实际上，酸的反应总速率主要受到三个步骤控制[1]，缓慢反应步骤进行的速率决定了总反应速率。

第一步是通过扩散作用、流动诱导强制对流作用、密度梯度自由对流作用或是滤失作用将酸传递到矿物反应表面。

第二步是酸流至岩石表面反应动力学所能确定的反应速率。

最后一步是反应产物从反应表面被携带走。

第二步岩石表面反应动力学是重点分析内容。

3.2 长石与氢氟酸的反应速率
长石可以分成两类,即正长石(KAlSiO3O8 )和斜长石(由一组介于NaAlSiO3O8和CaAl2Si308间的固溶体组成)。

根据Fogler等人[2]的研究，知道了长石的溶解反应速率为：
图1 氢氟酸与正长石反应速率随温度变化曲线图2 氢氟酸与钠长石反应速率随温度变化曲线从曲线可以看出，随着温度的升高反应速率增加且增幅增大、随着酸液浓度的增加反应速率增加，同时正长石的反应速率明显高于钠长石的反应速率。

从曲线可以看出，随着盐酸浓度的增加反应速率增加，说明盐酸的存在对反应速率有促进作用，但是促进作用不大。

3.3石英与氢氟酸的反应速率
Bergman研究[3]了石英(SiO2 )与HF的反应速率，即：
3.4粘土与氢氟酸的反应速率
Kline与Fogler研究[4]了粘土矿物与HF的反应。

如果按照表面积数据，由于蒙脱石裸露于酸液中的表面积是高岭石的60倍以上，我们将可以预测出发生反应的单位质量的蒙脱石反应速率比相同质量的高岭石反应速率快近60倍。

但是实际上，蒙脱石反应速率与高岭石反应速率相当。

这主要原因在于其矿物晶格结构不同，粘土反应能力不与酸液接触的粘土表面积成正比。

Kline 与Fogler得出HF-HCl溶液对粘土溶解的另一重要特性，即镁已被反应速率较慢的铝片所大量取代。

如果，以所产生的铝来表示化
学反应速率常数。

粘土溶解速率表示为：
由曲线可以看出，粘土中各矿物成份的反应速率：蒙脱石>白云母>高岭石>伊利石。

但远小于长石的反应速率。

通过氢氟酸对地层矿物质的反应速率来看，长石的反应速率常数比基于同一反应表面积的粘土矿物与同种酸反应速率大两个数量级。

故，长石的酸反应速率最快，其次是粘土和硅。

同时，孔隙空间中的酸有效反应速率将取决于与酸接触的特定矿物的表面积。

曲9-21块长石的含量占比25.2%，所以该块酸化反应，酸首先是消耗在于长石的反应上。

4 基质酸化理论分析
4.1岩石反应表面积的估算
按照反应速率，将砂岩储层存在的酸溶矿物分为两类，即快速反应矿物和慢速反应矿物。

长石属于快速反应矿物，粘土、石英属于慢速反应矿物。

实际上，HF 与粘土反应速率大约与HF同石英的反应速率相同，但是粘土矿物与酸接触面积大。

故以粘土消耗速率表示的表现反应速率很高。

若用和分别表示酸与快反应矿物和慢反应矿物的反应面积占总面积的百分比，则+=1。

假设知道岩石矿物的成份及初步设定矿物颗粒的粒度均值，就能算出和。

曲9-21块矿物成份组成如下:
如果以3%HF与12%HCL混合酸酸化例去溶蚀曲9-21块岩石矿物质，计算的快速反应Damkohler 数和快速反应矿物的能力指数。

计算得Damkohler数=492.13，快速反应矿物的能力指数=1.25*10-2 可以看出Damkohler 数值较大标志着存在一个酸的反应尖形前缘，将快速反应物质已被消除的上游区和仍保持初始浓度快速反应矿物质的下游区区分开来。

快速反应矿物的能力指数越小，则反应出酸的反应前缘运移速度越慢。

总的来看曲9-21块反应前缘运移速度较慢，说明大部分酸消耗在近井地带。

4.3前缘运移速度计算
酸与矿物质反应前缘且通过线性多孔系统传递。

酸反应能力指数决定了反应前缘的运移速度，前缘运移速度是决定酸用量的重要因素[6]。

反应前缘的实际位置与快速反应固相浓度被降低至其原始浓度的一半时的运移点有关，即与A=0.5 时有关，这就是酸浓度降低至其原始浓度的一半时的那一点。

建立无因次平衡方程式如下：
图7 曲9-21块酸化反应层的结构分布（=10）图8 曲9-21块酸化反应层的结构分布（=20）
从前缘位置变化情况可以得出：随着酸注入量的增加(PV数增加)，该前缘通过多孔介质，前缘不断的运移。

只有达到一定的PV数后，才能达到预期的处理半径。

一旦快速反应矿物质被清除，则岩心的排出流体浓度应为常数。

由于反应前缘中酸浓度减少，则反应前缘速度将减小，这是由于酸溶解能力与酸浓度成正比。

由于酸必须通过多孔介质才能达到反应前缘，而这些多孔介质则包括了慢速反应矿物质，酸的部分溶解能力降低了。

这是酸化措施方案设计中的关键概念。

4.4 径向流穿透深度的影响
在计算径向流穿透距离时，必须确定慢速反应Damkohler数、酸溶解能力系数和快速反应Damkohler数。

在缺乏实验室测试结果时，所
采用的方法就是用人工贝雷砂岩岩心中慢速反应Damkohler数来表征。

从图中可以看出，随着排量的增加（横坐标，方/分钟）穿透深度增加（纵坐标，米），随着温度的增加穿透深度降低。

曲9-21块油层温度50℃，前期施工排量在0.3-0.5方/分钟，从上图可看成酸化实际的穿透深度仅1.1-1.4m，并没有达到较大的处理半径，一定程度上影响了酸化的效果。

因次为提高酸的穿透距离，在矿场中，可以通过采用合理的预冲洗液对地层进行降温，同时还需提高施工排量。

5 技术对策
5.1 前置液的优化
前置液是砂岩酸化措施中重要的措施液之一。

前置液主要作用是清除与HCl起化学反应的地层物质以驱替含有与HF反应后可生成沉淀物的离子(Na+、Ca2+等)，冷却地层，从而让酸穿透距离较深。

针对高含泥质储层，为提高酸化效果，需要大量的前置液。

其使用量足以保证与地层物质充分接触，更好地从近井地带清除不希望生成的有害反应产物，也能更有效地冷却近井地带。

目前我们在曲9-21块实施酸化改造，使用的前置液比例仅不到30%，针对含快速反应矿物较多的曲9-21块，较少的前置液，极易产生沉淀，也将一定程度的影响到了酸化效果。

下步有必要加大前置液的比例。

5.2 注酸排量优化
对于每一次酸化，排量的优化至关重要。

较低的注入排量将形成尖锐状反应前缘，超出受损害层带时，仅有很少快速反应矿物质溶解。

由于注入排量低，在反应前缘之后的慢速反应矿物质与酸接触时间较长，其中绝大部分酸与这些矿物质发生的是无结果反应。

如果注入排量增加，则与慢速反应矿物质发生化学反应的酸量将相应减小，此种情况下的反应前缘将发生扩散且与快速反应矿物质发生的反应超过损害带。

只有当注入排量固定在最优值时，清除受损害层带中绝大部分矿物质所需要的酸最为最低值。

施工过程中，应注重测定酸化施工过程中的井底压力变化，如果井眼压力递减，则排量可调节至接近最大值。

目前曲9-21块酸化施工，往往不注重排量的优化。

5.3 酸的成份优化
为了减少矿物质沉淀从残酸中析出，必须保持HCl与HF之比率为较大值。

通常，对于需要用较高浓度的HCL溶解碳酸盐等矿物组分的油井，随着HCl浓度的增加，HF浓度亦应增加，而不是在施工过程中减少。

在高温井中，反应产物沉淀速度很快，在超饱和残酸溶液发生沉淀析出前，采用后置液很难将残酸挤入地层中。

在高温井中，大量前置液有助于地层冷却，这也将有助于降低HF浓度，从而降低所形成沉淀物的体积。

高温地层或含有大量粘土或长石的地层HF浓度需进行优化调节。

6 结论及认识
通过对高含泥质储层酸化机理的研究，结合曲9-21块油藏物性及前期酸化施工参数，得出以下几点结论及认识：
1、从氢氟酸的溶解能力来看，其对石英、长石、粘土矿物的溶解能力是较低的。

2、从酸化对地层矿物质的反应速率来看，长石的反应速率常数大于粘土矿物和石英。

因次，对于长石含量较高的储层，酸首先消耗在与长石的反应上。

3、快速反应矿物的能力指数越小，则反应出酸的反应前缘运移速度越慢。

总的来看曲9-21块反应前缘运移速度较慢，说明大部分酸消耗在近井地带。

4、随着排量的增加穿透深度增加，随着温度的增加穿透深度降低。

曲9-21块前期实际穿透距离较小。

因次为提高酸的穿透距离，可采用降低地层温度和增大排量的方法。

5、从分析来看曲9-21块酸化施工参数不合理，下步可提高前置液的比例、增大酸化注入排量、优化HCl与HF的比率来改善酸化效果。

参考文献
[1] Robert S.Schechter著.油井增产技术[M]:石油工业出版社,2003.289-310
[2] Kline,W.E.,and Fogler,H.S.,Chem.Eng.Sci.,36(1981)871
[3] Bergman,I.,J.Appl.Chem.,3(1963)356.
[4] Fogler,H.S.,Lund,K.,and McCune,C.C.,Chem.Eng.Sci.,30(1975)1325.
[5] Amundson,N.R.,J.Physical and Colloid Chem.,52(1948)1153.
[6] 李年银,赵立强著.砂砾储层酸化专家决策支持系统[M],石油工业出版社,2015,86-96。