16章第3節(jié)砂巖酸化

1、油氣藏增產(chǎn)系列講座1.砂巖酸化程序介紹砂巖酸化程序介紹首先注入首先注入50gal/ft的鹽酸前置液，隨后注入的鹽酸前置液，隨后注入50200gal/ft的鹽酸的鹽酸氫氟酸，氫氟酸， 然后采用柴油、鹽水或鹽酸后置液頂替出油管或井筒內(nèi)的酸液。一旦施工完然后采用柴油、鹽水或鹽酸后置液頂替出油管或井筒內(nèi)的酸液。一旦施工完成，應(yīng)立即返排殘酸以減少反應(yīng)沉淀生成的污染。成，應(yīng)立即返排殘酸以減少反應(yīng)沉淀生成的污染。a)首先要選擇酸液的類型和濃度，其次要確定前置液、鹽酸首先要選擇酸液的類型和濃度，其次要確定前置液、鹽酸氫氟酸和氫氟酸和后置液用量和注入排量；后置液用量和注入排量；b)在所有的酸化處理中，擠酸是一個(gè)

2、重要的過(guò)程，它需要仔細(xì)設(shè)計(jì)以確保在所有的酸化處理中，擠酸是一個(gè)重要的過(guò)程，它需要仔細(xì)設(shè)計(jì)以確保酸與處理層的充分接觸，是酸化成功與否的關(guān)鍵；酸與處理層的充分接觸，是酸化成功與否的關(guān)鍵；c)同時(shí)還需詳細(xì)地安排將酸擠入地層的設(shè)備，設(shè)計(jì)酸化過(guò)程的監(jiān)測(cè)方法。同時(shí)還需詳細(xì)地安排將酸擠入地層的設(shè)備，設(shè)計(jì)酸化過(guò)程的監(jiān)測(cè)方法。d)最后，許多不同的添加劑需要加入到酸液中。添加劑的類型和數(shù)量必須最后，許多不同的添加劑需要加入到酸液中。添加劑的類型和數(shù)量必須根據(jù)完井、地層和油藏流體而定；根據(jù)完井、地層和油藏流體而定；3.1 介介 紹紹 3.2 酸酸 液液 選選 擇擇2. 酸液選擇酸液選擇 砂巖酸化過(guò)程中酸液的類型和強(qiáng)

3、度（濃度）是基于現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)和地層特性選定的。v污染物質(zhì)必須在所選酸液中是可溶的；v多年來(lái)，砂巖酸化的基礎(chǔ)配方為15%鹽酸前置液，12%鹽酸3%氫氟酸組成。由于12%鹽酸3%氫氟酸普遍使用，通常稱之為土酸；v近年來(lái)，酸化朝著使用低濃度氫氟酸方向發(fā)展（Brannon等，1987），其優(yōu)勢(shì)在于減少了沉淀的傷害和近井地層的出砂；v只要確定了地層污染的組分，地化模型可指導(dǎo)酸液的選擇。3.1 一酸、兩礦物模型一酸、兩礦物模型1）介紹）介紹目前應(yīng)用最普遍的是兩礦物模型（Hill等，1977；Hekui等，1982；Taha等，1989）。a) 該模型將礦物分為兩種模型快反應(yīng)礦物和慢反應(yīng)礦物：Schechter

4、(1992) 將長(zhǎng)石、自生粘土和無(wú)定形硅作為快反應(yīng)礦物、次生粘土和石英作為基本慢反應(yīng)礦物；b) 假設(shè)流動(dòng)為線性，如線性驅(qū)替。3.3 砂巖酸化模型砂巖酸化模型3.1 一酸、兩礦物模型一酸、兩礦物模型化學(xué)反應(yīng)式可簡(jiǎn)單表示如下：化學(xué)反應(yīng)式可簡(jiǎn)單表示如下：其中：其中：M1快反應(yīng)礦物（長(zhǎng)石、粘土和其它膠結(jié)物）；快反應(yīng)礦物（長(zhǎng)石、粘土和其它膠結(jié)物）； M2慢反應(yīng)礦物（石英、硅質(zhì)巖屑）；慢反應(yīng)礦物（石英、硅質(zhì)巖屑）；1，2酸巖反應(yīng)的化學(xué)計(jì)量系數(shù)。酸巖反應(yīng)的化學(xué)計(jì)量系數(shù)。 氟鋁絡(luò)合物氟鋁絡(luò)合物6262262511SiFHMHFSiFHMHF3.3 砂巖酸化模型砂巖酸化模型3.1 一酸、兩礦物模型一酸、兩礦物模

5、型2）數(shù)學(xué)模型）數(shù)學(xué)模型將物質(zhì)平衡模型應(yīng)用于氫氟酸和反應(yīng)礦物，其模型為：將物質(zhì)平衡模型應(yīng)用于氫氟酸和反應(yīng)礦物，其模型為：(16.14) 1t(16.13) 1t(16.12) 1,*,*,*,*SHFSfSSSHFSFHFFfFFFHFFHFFfSSFfFFHFHFCEVSMWVCEVSMWVCEVSEVSxCUtC3.3 砂巖酸化模型砂巖酸化模型3.1 一酸、兩礦物模型一酸、兩礦物模型其中： CHF是氫氟酸濃度；MWHF為氫氟酸分子量；u為酸液流速；S為距離； SF*和SS*為固體比表面積； VF和VS為體積百分?jǐn)?shù)； Ef,F和Ef,S是反應(yīng)速度常數(shù)（基于氫氟酸的消耗速度）； MWF和MWS

6、是快、慢反應(yīng)礦物的相對(duì)分子質(zhì)量；F和S是100%氫氟酸對(duì)快、慢反應(yīng)礦 物的溶解能力；F和S分別是快慢反應(yīng)礦物的密度。3.3 砂巖酸化模型砂巖酸化模型3.1 一酸、兩礦物模型一酸、兩礦物模型3）模型處理）模型處理假設(shè)孔隙度為常數(shù)，將方程無(wú)量綱化為：(16.17) (16.16) (16.15) 0)()()()()()(SSCSSFFCFFSSFFADaADaDaDa3.3 砂巖酸化模型砂巖酸化模型3.1 一酸、兩礦物模型一酸、兩礦物模型式中無(wú)量綱定義為：其中： 為無(wú)量綱氫氟酸濃度；為無(wú)量綱礦物濃度；為無(wú)量綱距離；為無(wú)量綱時(shí)間（孔隙度體積）；下表o代表酸處理前的初值。；LutVVVVCCoOSS

7、OFFOHFHFLx FF3.3 砂巖酸化模型砂巖酸化模型3.1 一酸、兩礦物模型一酸、兩礦物模型4）a. Damkohler數(shù)和酸能力數(shù)數(shù)和酸能力數(shù)Ac這兩個(gè)無(wú)量綱數(shù)用于描述氫氟酸礦物的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和化學(xué)平衡。Damkohler數(shù)是酸反應(yīng)速度與酸傳質(zhì)速度之比。對(duì)于快反應(yīng)礦物：酸能力數(shù)是酸占有單位巖石孔隙空間的體積溶解礦物的量與單位體積巖石存在礦物的量之比，對(duì)于快反應(yīng)礦物：對(duì)于慢反應(yīng)礦物，Damkohler數(shù)和酸能力數(shù)定義類似。uLSEVFDaFFfoFo*)()1 ()(FoFoHFoHFFoVMWCFAc)1()(3.3 砂巖酸化模型砂巖酸化模型3.1 一酸、兩礦物模型一酸、兩礦物模型b.

8、Damkohler數(shù)的討論：數(shù)的討論：當(dāng)酸注入到砂巖地層，反應(yīng)前緣通過(guò)氫氟酸和快反應(yīng)礦物的反應(yīng)建立。這一前緣的形態(tài)依賴于Da(F)，當(dāng)Da較小時(shí)，傳質(zhì)速度（對(duì)流）高于反應(yīng)速度，前緣比較平緩。當(dāng)Da較大時(shí)，由于反應(yīng)速度大于傳質(zhì)速度，反應(yīng)前緣相對(duì)陡。圖16.4 (da Motta等1992）表明了對(duì)于高Da(F)和低Da(F)的典型剖面。3.3 砂巖酸化模型砂巖酸化模型3.1 一酸、兩礦物模型一酸、兩礦物模型圖圖16.4 酸與快反應(yīng)礦物的濃度剖面酸與快反應(yīng)礦物的濃度剖面（da Motta等，等，1992a）3.3 砂巖酸化模型砂巖酸化模型3.1 一酸、兩礦物模型一酸、兩礦物模型 5）模型解）模型解

9、a.數(shù)值解數(shù)值解方程16.516.7可用統(tǒng)一方式求得數(shù)值解。數(shù)值模型提供了以上方程組的解法，如Taha等（1989）所提出的解法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于酸化設(shè)計(jì)。b. 解析解解析解解析模型對(duì)于特定簡(jiǎn)單條件是可得的。Schechter(1992)對(duì)相對(duì)較高的Da(Da(F)10)提出的近似解法是有效的。解法假設(shè)氫氟酸快反應(yīng)礦物有一個(gè)陡的前緣，在前緣之后所有的快反應(yīng)礦物溶解，在前緣之前，不發(fā)生反應(yīng)。慢反應(yīng)礦物和前緣后氫氟酸之間的反應(yīng)將減小到前緣氫氟酸的濃度。3.3 砂巖酸化模型砂巖酸化模型3.1 一酸、兩礦物模型一酸、兩礦物模型這上述假設(shè)條件下，前緣的位置為：上式將無(wú)量綱前緣位置f定義為前緣位置除以線性流巖

10、心長(zhǎng)度，在前緣后的無(wú)量綱酸濃度為：(16.25) 1exp)()()(fsFcSDaADaf)(expSDa3.3 砂巖酸化模型砂巖酸化模型3.1 一酸、兩礦物模型一酸、兩礦物模型c. 解析解特點(diǎn)解析解特點(diǎn)這種處理方法優(yōu)點(diǎn)在于它可以將無(wú)量綱量采用類似的定義應(yīng)用于線性流、徑向流和橢圓流態(tài)。徑向流主要代表裸眼、礫石充填或割縫襯管完井的酸流動(dòng)態(tài)，也可以是足夠多射孔密度的射孔完井的近似；橢圓流動(dòng)幾何形態(tài)是一個(gè)射孔孔眼周圍的流動(dòng)的近似（ 圖16.5）。3.3 砂巖酸化模型砂巖酸化模型3.1 一酸、兩礦物模型一酸、兩礦物模型圖16.5 射孔周圍的橢圓流動(dòng)（Schechter，1992）3.3 砂巖酸化模型

11、砂巖酸化模型3.1 一酸、兩礦物模型一酸、兩礦物模型三種流態(tài)的無(wú)量綱量見表16.6，對(duì)于射孔的幾何形態(tài)，前緣的位置f依賴于射孔位置。在表16.6中，給出了酸從射孔尖端的前緣位置和酸沿井筒穿透的表達(dá)式。表16.6 砂巖酸化模型的無(wú)量綱量3.3 砂巖酸化模型砂巖酸化模型3.1 一酸、兩礦物模型一酸、兩礦物模型在表16.6中：L巖心長(zhǎng)度；rw井筒半徑；lp射孔長(zhǎng)度；u巖心線性流動(dòng)的流速；qi/h每英尺裸眼井段酸的體積流量；qerf每單位時(shí)間進(jìn)入射孔眼的體積；Da的定義必須根據(jù)幾何形態(tài)考慮，F(xiàn)和C同上面的定義相同，可應(yīng)用于所有形態(tài)。說(shuō)明：表16.6給出的兩個(gè)穿透距離用于設(shè)計(jì)是足夠的，讀者可參照Sche

12、chter(1992)提出的這一形態(tài)計(jì)算完全穿透距離剖面的方法。3.3 砂巖酸化模型砂巖酸化模型3.1 一酸、兩礦物模型一酸、兩礦物模型16D 徑向流和射孔孔眼流動(dòng)的用量比較徑向流和射孔孔眼流動(dòng)的用量比較解除孔眼尖端以外污染所需酸量明顯大于解除徑向流同樣距離所需酸量。舉一個(gè)采用Schetchter(1992) 模型去求解對(duì)以上兩種形態(tài)穿透距離所需酸量的實(shí)例。 考慮一個(gè)含10%快反應(yīng)礦物（長(zhǎng)石、粘土或兩者都有），5%碳酸鈣，85%石英的地層，一個(gè)6in的傷害區(qū)域（在射孔以外6in的徑向距離），由污染導(dǎo)致的初始表皮系數(shù)為10，井筒的徑向距離為0.328ft，以射孔井為例，每英尺有4孔，射孔井段為6

13、in，0.5的徑向距離。在注入足夠的15%鹽酸溶解碳酸鹽后，以0.1bbl/min/ft注入12%鹽酸3%氫氟酸溶液。酸用量由酸穿透距離的常數(shù)和徑向流和孔眼幾何形態(tài)的表皮系數(shù)來(lái)確定。井底處理溫度為125（。F）50。對(duì)于上述條件，在徑向流中慢反應(yīng)礦物Damkohler數(shù)Da為0.013。3.3 砂巖酸化模型砂巖酸化模型3.1 一酸、兩礦物模型一酸、兩礦物模型解：解：從表16.6兩種幾何形態(tài)的無(wú)量綱量近似定義采用方程16.25，酸能力數(shù)對(duì)于每種形態(tài)都是一樣的，Damkohler數(shù)之比為：式中：SPF為射孔密度，單位spf。孔眼流動(dòng)下，慢反應(yīng)礦物的Da為0.12，Ac為0.021，此例中Da和Ac

14、的值是根據(jù)Economdides等1994提出的巖心流動(dòng)測(cè)試得到的。(16D.1) 93)328. 0(4)126)(2()(22323wperfradperfrSPFlDaDa3.3 砂巖酸化模型砂巖酸化模型3.1 一酸、兩礦物模型一酸、兩礦物模型在方程16.25中使用以上數(shù)據(jù)，取酸穿透距離為06in。可得到16D.1和圖16D.2所示結(jié)果。當(dāng)酸穿透距離大于2in，射孔孔眼幾何形態(tài)比徑向流需要更多的酸液。表皮系數(shù)的評(píng)估表明穿透?jìng)淇琢鲬B(tài)所需的酸量大于徑向流所需酸量。3.3 砂巖酸化模型砂巖酸化模型3.1 一酸、兩礦物模型一酸、兩礦物模型圖16D.1 徑向流和射孔的酸穿透距離圖 16D.2

15、 徑向流和射孔流的表皮系數(shù)的減少3.3 砂巖酸化模型砂巖酸化模型3.1 一酸、兩礦物模型一酸、兩礦物模型16D 解法討論解法討論慢反應(yīng)礦物Da和快反應(yīng)礦物Ac調(diào)節(jié)到達(dá)前緣的活性氫氟酸的量，如果對(duì)慢反應(yīng)比對(duì)流快，幾乎沒(méi)有酸能擴(kuò)展到快反應(yīng)礦物的反應(yīng)前緣，慢反應(yīng)礦物的Ac是極為重要的，因?yàn)樵诜磻?yīng)前緣后慢反應(yīng)礦物幾乎為常數(shù)?？旆磻?yīng)礦物Ac(F)直接影響前緣擴(kuò)展速度，快反應(yīng)礦物越多，前緣移動(dòng)的速度越慢。因?yàn)榧僭O(shè)了一個(gè)陡的反應(yīng)前緣，因此Da(F)在解法中未出現(xiàn)，假設(shè)表明Da(F)為無(wú)限大。這種解法可以估算除去給定的進(jìn)井地帶或孔眼周圍快反應(yīng)礦物的酸用量。無(wú)量綱數(shù)Da(S)和Ac(F)可以用方程16.23和1

16、6.24分別計(jì)算，表16.6以巖石礦物組分為基礎(chǔ)，可以從實(shí)驗(yàn)獲得。3.3 砂巖酸化模型砂巖酸化模型3.1 一酸、兩礦物模型一酸、兩礦物模型3.2 兩酸、三礦物模型兩酸、三礦物模型a) 介介 紹紹近年來(lái)，Bryant(1997) 和Motta等( 1992b)提出的證據(jù)表明，采用一酸、兩礦物模型是不妥當(dāng)?shù)?，尤其是在高溫下。研究表明氟硅酸與鋁硅酸鹽（快反應(yīng)礦物）的反應(yīng)十分重要。兩酸、三礦物模型綜合了傳統(tǒng)的“一酸、兩礦物”模型，即氫氟酸與快反應(yīng)礦物、慢反應(yīng)礦物之間的反應(yīng),同時(shí)又考慮了反應(yīng)中間產(chǎn)物氟硅酸和硅膠的影響：氫氟酸可以溶解反應(yīng)過(guò)程產(chǎn)生的硅膠，氟硅酸在高溫情況下可溶解快反應(yīng)礦物（其反應(yīng)速度的數(shù)量

17、級(jí)同氫氟酸的數(shù)量級(jí)相當(dāng)）。3.3 砂巖酸化模型砂巖酸化模型3.1 兩酸、三礦物模型兩酸、三礦物模型可以用下述反應(yīng)式來(lái)表述它們之間的反應(yīng)關(guān)系：其中：M3表示第三類硅膠礦物； 3，4，7，8酸巖反應(yīng)的化學(xué)計(jì)量系數(shù)。這一全局反應(yīng)實(shí)際表明消耗同樣體積的快反應(yīng)礦物需要更少的氫氟酸，因?yàn)楣璺釋⑴c這些礦物發(fā)生反應(yīng)，并產(chǎn)生硅膠（Si(OH)4）沉淀。這一反應(yīng)允許活性酸在地層中穿透的更遠(yuǎn)。然而，存在形成沉淀傷害的潛在危險(xiǎn)性。氟鋁絡(luò)合物硅膠81624262733MSiFHOHSiFHMHF3.3 砂巖酸化模型砂巖酸化模型3.1 兩酸、三礦物模型兩酸、三礦物模型b) 運(yùn)用實(shí)例運(yùn)用實(shí)例Sumotarto(1995)

18、提出一個(gè)實(shí)例表明采用兩酸、三礦物比一酸量礦物有更好的預(yù)測(cè)結(jié)果。圖16.6所示為向17%粘土和長(zhǎng)石（快反應(yīng)礦物），以及83%石英（慢反應(yīng)礦物）的砂巖地層注入12%鹽酸3%氫氟酸后兩種模型的預(yù)測(cè)結(jié)果比較。在本圖中，礦物1是粘土和長(zhǎng)石，礦物2是石英，礦物3是硅膠。注入100gal/ft后，根據(jù)兩酸、三礦物模型溶解了井筒周圍6in的長(zhǎng)石和粘土，而采用一酸、兩礦物只溶解了2in。3.3 砂巖酸化模型砂巖酸化模型3.1 兩酸、三礦物模型兩酸、三礦物模型圖圖16.6 不同用酸量下的不同用酸量下的 無(wú)量綱礦物濃度無(wú)量綱礦物濃度3.3 砂巖酸化模型砂巖酸化模型3.1 兩酸、三礦物模型兩酸、三礦物模型圖圖16.6

19、 不同用酸量下的不同用酸量下的 無(wú)量綱礦物濃度無(wú)量綱礦物濃度3.3 砂巖酸化模型砂巖酸化模型3.1 兩酸、三礦物模型兩酸、三礦物模型2）滲透率和孔隙度的比較）滲透率和孔隙度的比較采用兩酸、三礦物模型預(yù)測(cè)到了一個(gè)硅沉積的傷害帶。采用采用兩酸、三礦物模型預(yù)測(cè)到了一個(gè)硅沉積的傷害帶。采用滲透率變化模型去預(yù)測(cè)礦物的溶解和沉淀，在圖滲透率變化模型去預(yù)測(cè)礦物的溶解和沉淀，在圖16.7和圖和圖16.8中對(duì)每個(gè)模型進(jìn)行了滲透率和表皮系數(shù)變化的預(yù)測(cè)和比較。中對(duì)每個(gè)模型進(jìn)行了滲透率和表皮系數(shù)變化的預(yù)測(cè)和比較。盡管兩酸、三礦物模型將預(yù)測(cè)出沉淀，但因?yàn)榉杷岬睦^續(xù)盡管兩酸、三礦物模型將預(yù)測(cè)出沉淀，但因?yàn)榉杷岬睦^續(xù)反

20、應(yīng)，兩酸、三礦物預(yù)測(cè)的滲透率增加大于一酸、兩礦物模反應(yīng)，兩酸、三礦物預(yù)測(cè)的滲透率增加大于一酸、兩礦物模型。型。3.3 砂巖酸化模型砂巖酸化模型3.1 兩酸、三礦物模型兩酸、三礦物模型 圖16.7 不同用酸量下的滲透率變化3.3 砂巖酸化模型砂巖酸化模型3.1 兩酸、三礦物模型兩酸、三礦物模型圖16.8 一酸兩礦物模兩酸、三礦物模型計(jì)算得到的平均滲透率隨用酸量變化圖16.8 一酸兩礦物模兩酸、三礦物模型計(jì)算得到的表皮系數(shù)隨用酸量變化3.3 砂巖酸化模型砂巖酸化模型3.1 兩酸、三礦物模型兩酸、三礦物模型3）滲透率響應(yīng)滲透率響應(yīng)為預(yù)測(cè)地層對(duì)酸化的響應(yīng)，需要預(yù)測(cè)隨著酸溶解一些礦物和其它礦物沉淀的滲透率的變化。滲透率的變化是酸化效果的一個(gè)重要方面。滲透率被孔隙介質(zhì)中一些不同的，有時(shí)是競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象所影響。隨著孔隙度和孔喉的礦物溶解，滲透率上升。同時(shí)，隨著固井材料被溶解，小的顆粒被釋放，這些顆粒中的部分（可能是暫時(shí)的）位于孔喉中，降低了滲透率。形成的任何沉淀也有減小滲透率的趨勢(shì)。這些負(fù)效應(yīng)使巖心驅(qū)替的滲透率最初下降，隨著酸液的注入，最終滲透率大大高于初始滲透率。3.4 滲透率響應(yīng)