采油工程第7章酸化处理

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第一节 酸液及添加剂
一、常用酸液种类及性能
(一)盐酸 主要缺点：
①与石灰岩反应速度快，特别是高温深井，由于地层温度高， 盐酸与地层作用太快，因而处理不到地层深部； ②盐酸会使金属坑蚀成许多麻点斑痕，腐蚀严重；
③含量较高的井，盐酸处理易引起钢材的氢脆断裂。
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第一节 酸液及添加剂
(二)甲酸和乙酸
有机弱酸，反应速度比同浓度的盐酸要慢几倍到十几倍，
模拟酸液在地下流动反应的情况
岩心转动而酸液静止，利用相似模拟
处理方法
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三、酸岩复相反应有效作用距离
(二)裂缝中酸浓度的分布规律
数学模拟 求出裂缝中酸浓度分布的数学规律
研究方法
物理模拟
确定H+传质系数DH+
1.酸液在裂缝中流动反应的偏微分方程
基本假设：
①恒温恒压下，酸沿裂缝呈稳定层流状态；
②酸液为不可压缩液体； ③酸密度均一； ④传质系数与浓度无关。
控制酸液的滤失常用的方法和措施 (1)固相防滤失剂
刺梧桐胶质：在酸中膨胀并形成鼓起的小颗粒，在裂缝壁面形 成桥塞，阻止酸蚀孔道的发展，降低滤失面积。
硅粉：添满或桥塞酸蚀孔道和天然裂缝。
粒径大小不等的油溶树脂：
大颗粒桥塞大的孔隙；亲油的树脂形成更小的颗粒， 变形后堵塞大颗粒的孔隙，从而有效地降低酸液的滤 失。
碳酸盐岩地层主要成分：方解石和白云石
目的： 解除孔隙、裂缝中的堵塞物质，或扩大沟通油气岩层原有
的孔隙和裂缝，提高油气层的渗流性
一、盐酸与碳酸盐岩的化学反应
2HCl+CaCO3→CaCl2+H2O+CO2↑ 4HCl+MgCa(CO3)2→CaCl2+MgCl2+2H2O+2CO2↑ 生成物状态：氯化钙、氯化镁全部溶于残酸中。二氧化碳气体
不同点：实现其导流性的方式不同。
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第三节 酸化压裂技术
酸液的滤失特性
酸 压 效 果
裂缝有效长度
酸岩反应速度 裂缝内的流速控制
导流能力
取决于酸液对地层岩石矿物的溶解量以及 不均匀刻蚀的程度
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第三节 酸化压裂技术
一、酸液的滤失
滤失主要受酸液的粘度控制 压裂液的滤失系数CI公式
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第三节 酸化压裂技术
面容比： 岩石反应表面积与酸液体积之比。
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（二）影响酸岩复相反应速度的因素分析
24％～25％ 1.面容比 面容比越大，反应速度也越快。 2.酸液的流速 酸液流动速度增加，反应速度加快。 3.酸液的类型 强酸反应速度快，弱酸反应速度慢。 4.盐酸的质量分数 左边：盐酸浓度增加，反应速度增加。 右边：盐酸浓度增加，反应速度反而降低。 相同浓度条件下，初始浓度越大，余酸的反 应速度越慢，因此浓酸的反应时间长，有效 作用范围越大。
第三节 酸化压裂技术
酸化压裂：用酸液作为压裂液，不加支撑剂的压裂。 作用原理： (1) 靠水力作用形成裂缝；
(2) 靠酸液的溶蚀作用把裂缝的壁面溶蚀成凹凸 不平的表面，停泵卸压后，裂缝壁面不能完全闭 合，具有较高的导流能力，可达到提高地层渗透 性的目的。
酸压与水力压裂相比：
相同点：基本原理和目的相同。
以某些表面活性剂作酸液的稠化剂，能够形成类似于链状 结构的胶束稠化酸。 (1)受剪切后胶束链能很快重新形成，稳定性好； (2)粘度大，在形成废酸前能有效地防止酸液的滤失。
(4)乳化酸和泡沫酸
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
二、酸液的损耗
影响酸沿碳酸盐岩地层裂缝行进距离的因素：
酸液的类型
酸液浓度
浓度增加，穿透距离增加
温度及酸浓度与酸穿透距离关系
图版应用方法：
方法一：（已知断面位臵x）
1）根据物理参数计算皮克 利特数NP 2）根据给定裂缝中任意断 面的位臵x，计算相应的无 因次距离LD 3）利用计算图，两坐标位 臵的垂线相交，得到x位臵 的无因次酸浓度值，即可 计算任意断面位臵x的酸浓 度C值。
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三、酸岩复相反应有效作用距离
图版应用方法：
方法二：（已知C/C0） 给定的C/C0值。 根据皮克利特数NP 。
利用图版查出相应的无
因次距离LD 。 从而算出酸浓度降至预 定的C/C0时，活性酸的有 效作用距离x值。
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三、酸岩复相反应有效作用距离
破裂地层后某一时间时活性酸有效作用距离的步骤：
①由滤失系数C计算酸液平均滤失速度V； ②计算时间t时的动态裂缝尺寸（长度L及平均缝宽W）； ③根据排量Q、油层有效厚度h及缝宽W求裂缝入口端平均流速u0； ④根据H+有效传质系数求皮克利特数NP； ⑤根据图版查无因次距离数LD； ⑥求酸液有效作用距离x。
盐酸质量分数对反应速度的影响 17
（二）影响酸岩复相反应速度的因素分析
5.温度 温度升高，H+热运动加剧，传质速度加 快，酸岩反应速度加快 6.压力 压力增加，反应速度减慢 7.其它因素 岩石的化学组分、物理化学性质、 酸液粘度等 提高酸化效果的措施： 压力对反应速度的影响 温度对反应速度的影响
降低面容比，提高酸液流速，使用稠化盐酸、高浓度盐酸和多组分酸，以 18 及降低井底温度等。
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二、酸液的损耗
影响酸沿碳酸盐岩地层裂缝行进距离的因素：
酸液的类型
酸液浓度 注入速度
注入速率增加，穿透距离增加
注入速率对酸穿透距离影响
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二、酸液的损耗
影响酸沿碳酸盐岩地层裂缝行进距离的因素：
酸液的类型
酸液浓度 注入速度 裂缝宽度
裂缝宽度增加，穿透距离增加
裂缝宽度对酸穿透距离影响
适用于高温深井。
(三)多组分酸
多组分酸是一种或几种有机酸与盐酸的混合物，主要起 缓速作用，可以得到较大的有效酸化处理范围。
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第一节 酸液及添加剂
(四)乳化酸
乳化酸即为油包酸型乳状液，其外相为原油。 要求：地面条件下稳定(不易破乳)和地层条件下不稳定(能破乳)。 主要作用（或优点）： ①粘度较高，能形成较宽的裂缝，减少裂缝的面容比，有利于 延缓酸岩的反应速度。 ②酸滴不会立即与岩石接触，油酸乳状液可把活性酸携带到油 气层深部，扩大了酸处理的范围。 ③酸液并不与井下金属设备直接接触，可很好地解决防腐问题。
酸液由活性酸变为残酸之前所流经裂缝的距离。
裂缝的有效长度：
活性酸的有效作用距离内仍具有相当导流能力的裂缝长度。
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三、酸岩复相反应有效作用距离
确定H+传质系数DH+
(一)酸岩反应的室内试验方法简介
静态试验
恒温、恒压、恒面容比；静止反应；定时测量 酸浓度和岩石溶蚀量
流动模拟试验 动态试验 动力模拟试验
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第三节 酸化压裂技术
控制酸液的滤失常用的方法和措施 (2)前臵液酸压
(1) 采用前臵液破裂地层形成裂缝，并在裂缝壁面形成 滤饼，可以降低活性酸的滤失； (2) 冷却井筒和地层，减缓酸液对油管的腐蚀，降低酸 岩反应速度，增大酸液有效作用距离。
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第三节 酸化压裂技术
控制酸液的滤失常用的方法和措施 (3)胶化酸
第七章 酸处理技术
主要内容：
1.酸液及添加剂 2.碳酸盐岩地层盐酸处理 3.酸化压裂技术 4.砂岩油气层的土酸处理
5.酸处理工艺
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第七章 酸处理技术
酸化原理：
通过酸液对岩石胶结物或地层孔隙(裂缝)内堵塞物等的溶
解和溶蚀作用，恢复或提高地层孔隙和裂缝的渗透性。
●酸
洗
●基质酸化
将少量酸液注入井筒内，清除井筒孔眼中酸溶性 颗粒和钻屑及结垢等，并疏通射孔孔眼。 在低于岩石破裂压力下将酸注入地层，依靠酸液 的溶蚀作用恢复或提高井筒附近较大范围内油层 的渗透性。
大部分呈游离状态的微小气泡，分散在残酸溶液中，有助于残 酸溶液从油气层中排出。
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第二节 碳酸盐岩地层的盐酸处理
高浓度盐酸处理的优点：
(1) 浓度越高，其溶蚀能力越强，溶解一定体积的碳酸盐岩石 所需要的浓酸体积较少，残酸溶液也较少，易于从油、气层中 排出。
(2) 能解决酸化中的腐蚀问题，可获得较好的酸化效果。
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影响反应速度因素：
H+传质速度、H+反应速度和生成物离开岩面速度
二、影响酸岩反应速度的因素
(一)酸岩复相反应速度表达式
根据菲克定律，导出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：

C S C KC n DH t V y
酸液浓度梯度 面容比 H+的传质系数 酸岩瞬间的反应速度
对流扩散偏微分方程：
2 C C C ux uy DH x y y 2
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三、酸岩复相反应有效作用距离
2.酸浓度分布规律及计算图的应用 裂缝入口端酸浓度为初始浓度C0 裂缝壁面处，对盐酸与石灰岩反应来说，表面反应速度与传质 速度相比，可视为无限大，故壁面上的酸浓度 C=0 裂缝中心位臵且垂直于壁面的方向上，酸浓度梯度为零
主要缺点 摩阻较大，施工注入排量受到限制
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第一节 酸液及添加剂
(五)稠化酸
指在盐酸中加入增稠剂(或称胶凝剂)，使酸液粘度增加。
主要作用：
①降低氢离子向岩石壁面的传递速度； ②由于胶凝剂的网状分子结构，束缚了氢离子的活动，从而 起到缓速的作用。
主要优点：
能压成宽裂缝、滤失量小、摩阻低、悬浮固体微粒的性 能好等特性。
边 界 条 件
C x , y x 0 C0 C x , y y W 0 2 C y 0 0 y
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酸沿平板流动反应俯视示意图
三、酸岩复相反应有效作用距离
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有滤失情况下酸液有效作用距离计算图
三、酸岩复相反应有效作用距离
(三)稳定剂 主要作用 防止氢氧化铁沉淀，避免发生地层堵塞现象
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第一节 酸液及添加剂
(四)增粘剂和减阻剂 主要作用
①延缓酸岩反应速度，增大活性酸的有效作用范围
②可使稠化酸的摩阻损失低于水的摩阻损失。
(五)暂时堵塞剂 主要作用
堵塞高渗透层段孔道，溶蚀低渗透层段。
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第二节 碳酸盐岩地层的盐酸处理
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●
压裂酸化 在高于岩石破裂压力下将酸注入地层，在地层内
形成裂缝，通过酸液对裂缝壁面物质的不均匀溶 蚀形成高导流能力的裂缝。
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第一节 酸液及添加剂
一、常用酸液种类及性能
(一)盐酸
高浓度盐酸处理的优点
①酸岩反应速度相对变慢，有效作用范围增大； ②单位体积盐酸可产生较多的，利于废酸的排出；
③单位体积盐酸可产生较多氯化钙、氯化镁，提高了废酸 的粘度，控制了酸岩反应速度，并有利于悬浮、携带固体 颗粒从地层中排出； ④受到地层水稀释的影响较小。
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二、酸液的损耗
影响酸沿碳酸盐岩地层裂缝行进距离的因素：
酸液的类型
酸液浓度 注入速度 裂缝宽度
温度增加，穿透距离减小
地层温度
地层矿物成分等
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温度及酸浓度与酸穿透距离关系
三、酸岩复相反应有效作用距离
残酸：
当酸浓度降低到一定浓度时，酸液基本上失去溶蚀能力。
活性酸的有效作用距离：
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三、酸岩复相反应有效作用距离
3.确定有效传质系数的物理模拟原理
①物理模型的简化 假设岩板不滤失
u0 u0
对流扩散微分方程
2 C C u0 DH x y 2
无滤失情况下酸沿裂缝流动反应示意图
第一节 酸液及添加剂
二、酸液添加剂
(一)缓蚀剂 主要作用 减缓局部的电池的腐蚀 作用机理 ①抑制阴极腐蚀；
②抑制阳极腐蚀；
③在金属表面形成一层保护膜。
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第一节 酸液及添加剂
(二)表面活性剂
主要作用 ①可以降低酸液的表面张力；
②减少注酸和排出残酸时的毛细管阻力； ③防止在地层中形成油水乳状物
④便于残酸的排出。
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第一节 酸液及添加剂
(六)泡沫酸
用少量泡沫剂将气体(一般用氮气)分散于酸液中所制成。
主要优点：
①由于滤失量低而相对增加了酸液的溶蚀能力 ；
②排液能力大，减少了对油气层的损害； ③粘度高，在排液中可携带出对导流能力有害的微粒。
(七)土酸
HCl与HF混合酸 严重而泥饼中碳酸盐含量又较低的油井。
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适用范围 泥质含量高，碳酸盐岩含量少，油井泥浆堵塞较为
酸—岩反应系统示意图
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溶液内部：没有离子浓度差 边界层内部：存在离子浓度差
由于边界层内存在离子浓度差， 反应物和生成物在各自的离子浓度 梯度作用下向相反的方向传递。这 种由于离子浓度差而产生的离子移 动，称为离子的扩散作用。
酸液中H+的传递方式：
扩散边界层的浓度分布
对流和扩散
H+的传质速度：
H+透过边界层达到岩面的速度。
(3) 高浓度盐酸活性耗完时间相对长，酸液渗入油气层的深度 也较大，酸化效果好。
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二、影响酸岩反应速度的因素
表征盐酸溶蚀岩石过 程快慢的指标
酸岩反应速度：
指单位时间内酸浓度降低值或单位时
间内岩石单位反应面积的溶蚀量。
表面反应
①酸液中的H+传递到碳酸盐岩表面； ②H+在岩面与碳酸盐进行反应； ③反应生成物Ca2+、Mg2+和CO2气泡离开 岩面。