第五章：酸化工艺技术

综上所述，如果单独用氢氟酸处理沙岩油层，一是氢氟酸与地层中的碳酸
盐类矿物反映的生成物，在酸浓度较低时容易沉淀；二是如果单独用氢氟酸酸 化，酸浓度消耗在碳酸盐和铁质成分上，而达不到酸化砂岩的目的。依靠土酸 液中的盐酸成分溶蚀碳酸盐类物质，并维持酸液在较低的pH值，依靠氢氟酸成 分溶蚀泥质成分和部分石英颗粒，从而达到清除井壁的泥饼及地层中的粘土堵 塞，恢复和增加近井地带渗透率的目的。
§5—2
酸化工艺设计
一、酸化施工设计内容 1．酸化施工设计目的
是在综合考虑储层及流体、工作液的性质和相互间物理化学作 用的基础上，计算酸化的有效距离，优化方案，达到最好效果 和最大投入产出比。
2．酸化施工设计书的内容
（1）油水井基本数椐：酸化井基本数椐、酸化层位数椐、生产数椐。 （2）施工目的及依据 （3）施工参数的计算及方案优化结果：污染指数、酸化半经、施工压力、 预测效果。 （4）工作液的配方及主要性能：主要成分及用量、溶蚀能力、腐蚀情况。 （5）施工步骤 （6）施工准备及分工 （7）安全注意事项 （8）设备材料及施工费用预算 （9）附图 井下管柱图、设备摆放流程图
反应物：氯化钙、氯化镁全部溶于残酸中，二氧化碳气体小部 分溶解到地层液体中，大部分分散在残酸溶液中一起排出。 盐酸的浓度越高，其溶蚀能力越强，但腐蚀也越厉害。解决 了腐蚀问题，使用高浓度盐酸酸化效果较好。酸化是盐酸被消 耗的过程，其进行的快慢可用酸岩反应速度表示。
2）酸岩反应速度
（1）酸岩反应速度概念
砂粒
其中： CaCO3含量 超过50%叫 石灰岩， CaMg(CO3)2 含量超过 50%叫白云 岩。
主要由长石（如 NaAISi3O8 钠长石） 和石英（SiO2）组成。 主要由粘土（高岭石Al4(Si4O10)(HO)8、 伊利石、蒙脱石等）和碳酸盐矿物组成。 主要由Fe3+ Fe2+的氧化物及盐类组成。
② H 在岩面与碳酸盐岩进行反应；
③反应生成物 Ca
2
2 Mg
CO2气泡离开岩面。
图5—1 酸岩反应系统示意图
图5—2 扩散边界层的浓度分布
表面反应:
H+ 在岩面上与碳酸盐岩的反应。特点：速度快，H+接触岩 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。岩面附近这一堆积 生成物的微薄液层，称为扩散边界层。边界层与溶 液内部的性质不同。溶液内部垂直于岩面的方向上， 没有离子浓度差，边界层内部垂直于岩面的方向上 存在离子浓度差。如图5—2所示。
0——上覆岩层压力梯度，24～28kPa／m；
Ps——储集层压力，kPa； H ——储集层深度，m。
2．确定挤酸排量
式中
Qmax
Kh（H Ps） In（re rw）
Qmax——不压开地层的最大排量，m³／min； K——地层平均渗透率，1/10³； h——油层有效厚度，m； re ——油井的供油（泄油）边缘半径，m； rw ——井筒半径，m； μ ——酸液粘度，mPa·s。
第五章 酸 化
概述
一．酸化概念
酸化：利用酸液的溶蚀作用及向地层挤酸时的水利作用，解
除油气层堵塞，扩大和连通油层孔隙，恢复和提高油气层近井 地带的渗透率，从而提高采收率。
二．酸处理的目的和作用
1．目的：油水井增产增注。 2．作用：
解除生产井和注水井井底附近的污染，清除孔隙 或裂缝中的堵塞物质，或者沟通(扩大)地层原有孔隙或 裂缝，提高地层渗透率，从而实现增产增注。
9．按选出的最佳施工方案编写施工设计任务书
（二）砂岩基质酸化设计
1～3．同“碳酸盐岩基质酸化设计步骤”
4．确定酸液类型 5．确定酸液浓度及用量
按储集层岩心的室内实验结果选择 配伍好的土酸、泥酸等酸液体系。
1） 酸液浓度确定
实际处理时，所用酸量、土酸液的成分主要是依岩石成分和性质而定。实践 表明，由10％～15％ 的HCI及3％～8％ 的HF混合成的土酸足以溶解不同成分 的砂岩地层以及堵塞物。当碳酸岩含量少，泥质含量较高且胶结致密的砂岩时， 用10％左右的盐酸和8％左右的氢氟酸混合成的土酸；当碳酸盐含量较高、泥 质含量较低且胶结疏松的砂岩时，用15％左右的盐酸和3％左右的氢氟酸混合 成的土酸处理。 酸液浓度是由酸液配方确定的，酸液配方是经过室内试验，包括溶蚀试验、 配伍试验、缓蚀试验、岩心伤害试验等得到的。 土酸配比：施工时土酸中盐酸浓度和氢氟酸浓度之比叫土酸配比。例如配比 为10:8的土酸，表示土酸中的盐酸浓度10％，氢氟酸浓度8％。 逆土酸：氢氟酸浓度超过盐酸浓度(如6%HF+3%HCI)，现场称其为逆土酸。
6．计算预计的增产量 7．计算回报率
先计算完成施工应投入的资金总量净现值 (含设备、材料和施工费用)，并 用净现值方法折算增产油 (气) 实物量的收益净现值，从而计算出投资回报 率。一般情况下，以完成施工油井投产1～2年的增产量作为经济评价收益量。
8．优选施工方案
改变施工参数 (如酸液类型、浓度、排量和用酸量等)，重复5～7步的计算， 得出不同施工参数的投资回报率，并可根据回报率优选出最佳施工方案。
( P瞬 Ph ) / H
式中
——压裂施工瞬时关井压力，kPa
Ph——井筒内液柱压力，kPa；
P瞬 ——地层破裂梯度，kPa／m；
H ——储集层深度，m。
Ps （ 0 a） （3）估算公式： a H
式中
——地层破裂梯度，kPa／m； a ——经验系数，10～12kPa／m；
反应生成的氟硅酸(H2SiF6)在水中可解离为 H 和SiF6² ¯ ，SiF6² ¯和地层水 中的Ca 2、Na 、K 、NH 等离子相结合，生成的CaSiF6、(NH4)2SiF6易溶于 水，而生成的Na2SiF6及K2SiF6均为不溶物质，会堵塞地层。因此在酸处理 过程中，应先将地层水顶替走，避免与氢氟酸接触，一般用盐酸作为预冲 洗液来实现这一目的。
H+的传质速度：在酸岩反应中，H+ 透过边界层达 到岩面的速度。H+ 的传质速度与流动条件有密切关系。 在流动条件下酸岩反应时(H+扩散传质和对流传质)， H+ 传质速度增快，酸岩反应也加快。
3．影响酸处理效果的因素（酸岩反应速度）
（1）面容比
指单位体积酸液与所接触的岩石表面积之比。 当其它条件不变时，面容比越大，单位体积酸液中的H+ 传递到岩石表面的 数量就越多，反应速度也就越快。
（1）主要矿 物成分
胶结物
砂 岩
杂质
（2）储集空间：孔隙（毛细管） （3）酸化目的：通过酸液溶解砂粒间的胶结物和部分砂粒，或孔
隙中的泥质堵塞物及其它结垢物，以恢复提高井底附近地层的渗透率。
二．酸化机理
（一）碳酸盐岩酸化机理
1．酸液类型：盐酸HCL
其浓度由地层性质而定。
2．碳酸盐岩地层的盐酸处理机理：
通过控制（或延缓）酸化速度，来解除孔隙、裂缝中的堵塞物 质，扩大沟通油气岩层原有的孔隙和裂缝，提高油气层渗透性。
1）盐酸与碳酸盐岩的化学反应
2HCl + CaCO3 ═ CaCl2 + H2O + CO2↑ 4HCl + CaMg(CO3)2 ═ CaCl2 + MgCI2 + 2H2O + 2CO2↑
为安全起见，挤酸排量不高于0.9Qmax。
3．确定最大施工压力 (泵压)
以不压裂储集层为基本原则，注液初期可适当提高泵压。一旦注酸成功， 应降低排量以控制泵压。通常，最大注入压力按破裂压力与酸液静液柱压 力之差估计。
4．确定酸液类型 5．确定酸液用量
酸液类型应按储层岩性室内实验结果确定。
一般为每米处理层用酸0.4～2.5m3。使用经验方法时，合理的用酸量应按 有效作用距离推算，一般为酸液穿透距离内地层孔隙体积的2～4倍。
离子扩散作用： 由于离子浓度差而产生的离子移动。由于在边界层内存 在着上述的离子浓度差，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。 自然对流作用：在离子交换过程中因密度差异而产生的自然 对流作用。 结论：酸液中的H+ 是通过对流和扩散两种方式，透过边界 层传递到岩面的。
（3）传质速度
概念：是在高于底层破裂压力下将酸液注入地层，在 地层中形成裂缝，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。
§ 5 —1 一 油 层 岩 石 的 类 型
碳 酸 盐 岩
酸化增产增注原理
（1）主要矿物成分：方解石（CaCO3）、 白云石CaMg(CO3)2 （2）储集空间：溶洞、裂缝、孔隙。 （3）酸化目的：解除堵塞、扩大和沟通原 有裂缝和孔隙，提高采收率。
（3）酸液的类型
酸岩反应速度与酸溶液内部的H+ 浓度成正比，强酸反应速度快，弱酸反应 速度慢。不同类型酸液，离解程度相差很大，离解的H+ 数量也相差很大。
（4）盐酸的质量分数
如图5—3所示。图中实线表示各种质量分数的 新鲜酸液的初始反应速度，如15％的新鲜酸初 始反应速度为69mg／(cm2·s)，28％的新鲜酸 初始反应速度为72mg／(cm2·s)。 由酸反应曲线可看到：盐酸质量分数在24％～ 25％之前，随盐酸质量分数的增加，反应速度 也增加；之后，随盐酸质量分数的增加，反应 速度反而降低。原因（流动过程）：由于HCL 电离度下降幅度超过HCL分子数目增加的幅度 所造成的，因此在酸化处理时常使用高质量分 数的盐酸。
盐酸质量分数对反应速度的影响
相对而言，浓盐酸的初始反应速度虽然较快，但其活性耗完时间与低 质量分数盐酸相比相对较长(如在相同条件下，28％的盐酸活性耗完时间将 比15％的盐酸高一倍以上)，浓盐酸活性耗完前穿入地层的深度相对远些， 酸化增产效果比较好。
（5）温度
温度升高，H+热运动加剧，H+传质速度加快，酸岩反应速度加快。