劉建忠 賈云林 劉平禮 劉雙行 劉 飛 鄭 華

1．中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司 2．“油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)3．中國(guó)石油華北油田公司第二采油廠(chǎng)

復(fù)雜巖性、非常規(guī)、特殊油氣藏的勘探開(kāi)發(fā)對(duì)常規(guī)增產(chǎn)技術(shù)提出了巨大挑戰(zhàn)，將酸化和壓裂工藝相結(jié)合是未來(lái)增產(chǎn)改造技術(shù)的重要發(fā)展方向［1］，砂巖儲(chǔ)層酸壓［2－4］和前置酸加砂壓裂工藝［5－9］在這方面做了主要嘗試，并在現(xiàn)場(chǎng)取得了較好效果。雖然砂巖儲(chǔ)層一般不冒險(xiǎn)進(jìn)行酸壓改造，但只要能形成具有較高導(dǎo)流能力的酸蝕裂縫，在優(yōu)選酸液配方體系和酸壓工藝的基礎(chǔ)上，也能取得比較理想的改造效果，同時(shí)，酸液濾失進(jìn)入地層對(duì)基質(zhì)孔隙度和滲透率的改善也能提高增產(chǎn)改造效果。目前對(duì)砂巖酸蝕裂縫導(dǎo)流能力和酸液濾失區(qū)孔滲改善的模擬理論尚不完善，砂巖儲(chǔ)層酸壓工藝設(shè)計(jì)存在盲目性。在砂巖酸壓中，為了盡量減少二次沉淀，減輕對(duì)巖石骨架的破壞和穩(wěn)定易運(yùn)移微粒，常采用氟硼酸、多氫酸、有機(jī)酸等緩速酸液體系。筆者基于緩速酸液體系緩速機(jī)理、酸巖反應(yīng)機(jī)理，建立了砂巖酸蝕裂縫內(nèi)酸濃度分布模型和濾失區(qū)酸巖反應(yīng)“三酸三礦物”模型，完善了砂巖酸壓理論，模擬計(jì)算結(jié)果為優(yōu)化砂巖酸壓工藝設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)。

1 裂縫內(nèi)酸巖反應(yīng)模擬

在砂巖酸壓中，采用緩速酸液體系壓開(kāi)儲(chǔ)層，形成并延伸裂縫，酸液在裂縫內(nèi)的濃度分布是計(jì)算酸蝕裂縫導(dǎo)流能力的基礎(chǔ)，同時(shí)也是計(jì)算酸液濾失區(qū)酸液濃度分布的內(nèi)邊界條件。

假設(shè)條件為：①酸液不可壓縮；②HF／H2SiF6與縫壁巖石的酸巖反應(yīng)受表面反應(yīng)控制；③碳酸鹽巖礦物優(yōu)先與注入酸液中的HCl反應(yīng)；④裂縫內(nèi)酸巖反應(yīng)符合一次反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。

取一個(gè)裂縫微元段（圖1），根據(jù)酸液質(zhì)量守恒可以建立酸液在裂縫內(nèi)的濃度分布偏微分方程組。即

由于酸液不可壓縮，裂縫內(nèi)流體的質(zhì)量守恒可以轉(zhuǎn)化為體積守恒，則裂縫內(nèi)流體的連續(xù)性方程為：

緩速酸通過(guò)水解反應(yīng)生成HF的反應(yīng)速度（R0）可表示為［10－14］：

圖1 裂縫微元示意圖

由于酸液與縫壁巖石的酸巖反應(yīng)受表面反應(yīng)控制，故R1和R2可以表示為：

2 濾失區(qū)酸巖反應(yīng)模擬

對(duì)于酸液濾失侵入?yún)^(qū)，假設(shè)酸液流動(dòng)符合一維線(xiàn)性單相流動(dòng)。緩速酸濃度分布可根據(jù)水解反應(yīng)動(dòng)力學(xué)得到；HF和H2SiF6的濃度分布可以采用兩酸三礦物模型模擬［15］，其區(qū)別在于HF的來(lái)源除了濾液本身之外，還存在緩速酸液水解反應(yīng)生成。采用酸液質(zhì)量守恒可以建立相應(yīng)的“三酸三礦物模型”。即

3 計(jì)算實(shí)例分析

在砂巖酸壓中，裂縫內(nèi)酸液濃度分布是計(jì)算濾失區(qū)內(nèi)酸液濃度分布的內(nèi)邊界條件，而裂縫內(nèi)酸液濃度分布又需要裂縫幾何尺寸作為基礎(chǔ)參數(shù)，同時(shí)，裂縫內(nèi)及濾失區(qū)溫度場(chǎng)又決定了緩速酸水解反應(yīng)和酸巖反應(yīng)速度的快慢［16－19］。因此，模型的求解需要耦合多個(gè)方程組。具體求解步驟如下：①計(jì)算井筒溫度場(chǎng)；②計(jì)算某一注酸時(shí)刻形成裂縫的幾何尺寸參數(shù)；③計(jì)算裂縫溫度場(chǎng)；④計(jì)算裂縫內(nèi)酸液濃度分布；⑤計(jì)算濾失區(qū)內(nèi)的酸液及礦物濃度分布；⑥計(jì)算濾失區(qū)內(nèi)由于酸巖反應(yīng)引起的孔隙度和滲透率變化。

儲(chǔ)層及酸巖反應(yīng)基礎(chǔ)參數(shù)見(jiàn)表1，緩速酸液體系采用10%HCl＋10%HBF4＋1%HF，模擬計(jì)算結(jié)果如圖2～9所示，其中HBF4和H2SiF6的無(wú)因次濃度為其實(shí)際濃度與HBF4的注入濃度的比值，而HF的無(wú)因次濃度為其實(shí)際濃度與HF注入濃度之比。

表1 儲(chǔ)層及酸巖反應(yīng)基礎(chǔ)參數(shù)表

圖2 裂縫內(nèi)酸液濃度分布圖

裂縫內(nèi)酸液濃度分布如圖2所示，從圖2中可以看出：裂縫內(nèi)HBF4濃度因水解反應(yīng)生成HF而緩慢降低；而HF濃度先升高后緩慢降低，雖然縫口段HBF4濃度高但溫度較低，水解反應(yīng)相對(duì)較慢，HF濃度緩慢增加，裂縫中前段的HBF4和溫度均較高，故HF增加速度較快，裂縫尖端的溫度較高但HBF4濃度低，HF與巖石的反應(yīng)速度大于HBF4水解生成HF的速度，故HF濃度開(kāi)始緩慢降低；H2SiF6濃度總體較低，但持續(xù)增加。

根據(jù)立方定律，不同時(shí)刻酸蝕裂縫導(dǎo)流能力如圖3所示?？傮w而言，酸蝕裂縫導(dǎo)流能力較低，這主要是由于酸液溶蝕總體能力較??；同一時(shí)刻，酸蝕裂縫導(dǎo)流能力在整個(gè)裂縫長(zhǎng)度上呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，這與HF在裂縫內(nèi)的濃度分布規(guī)律一致；隨著注酸時(shí)間的增加，酸蝕裂縫導(dǎo)流能力增加。

圖3 不同時(shí)刻酸蝕裂縫導(dǎo)流能力圖

濾失區(qū)內(nèi)酸液濃度分布如圖4～6所示?？傮w而言，隨濾失深度的增加，HBF4和HF整體呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，HBF4僅在縫口較小的濾失區(qū)內(nèi)維持較高濃度，并隨濾失深度增加快速降低；對(duì)于HF而言，由于存在HBF4水解作用，HF可維持較高濃度，整個(gè)濾失區(qū)HF無(wú)因次濃度維持在0．6以上，縫口段濾失區(qū)HF濃度幾乎維持為注入濃度，而裂縫中前段濾失區(qū)濃度均大于HF的注入濃度；H2SiF6僅在裂縫尖端濾失區(qū)出現(xiàn)較高濃度，無(wú)因次濃度在0．2左右，能溶解一定量的快反應(yīng)礦物，對(duì)改善基巖孔隙度和滲透率具有一定積極作用。

圖4 HBF4無(wú)因次濃度分布圖

圖5 HF無(wú)因次濃度分布圖

圖6 H2SiF6無(wú)因次濃度分布圖

濾失區(qū)礦物體積濃度分布如圖7～9所示，隨濾失深度增加，快反應(yīng)礦物和慢反應(yīng)礦物體積濃度先減小后增大，直至等于原始體積濃度，且快反應(yīng)礦物變化幅度遠(yuǎn)大于慢反應(yīng)礦物。說(shuō)明酸液主要溶蝕黏土類(lèi)快反應(yīng)礦物，對(duì)石英等慢反應(yīng)礦物骨架溶蝕能力較?。还枘z沉淀僅出現(xiàn)在裂縫中前段的濾失區(qū)內(nèi)，即HF高濃度區(qū)域，說(shuō)明HF濃度增加會(huì)導(dǎo)致二次沉淀的急劇增大，但總體濃度極小，體積濃度數(shù)量級(jí)為10－4，產(chǎn)生的二次沉淀傷害微不足道。

圖7 快反應(yīng)礦物體積濃度圖

圖8 慢反應(yīng)礦物體積濃度圖

圖9 硅膠體積濃度圖

濾失區(qū)孔隙度和滲透率分布如圖10～11所示，孔隙度和滲透率均隨濾失深度增加而先增大后減小，最終降低至原始值，近裂縫壁面濾失區(qū)孔隙度從初始15%增加至2 5%，而滲透率從初始4mD增加至2 0 mD，濾失區(qū)孔隙度和滲透率得到顯著改善。

圖10 濾失區(qū)孔隙度分布圖

圖11 濾失區(qū)滲透率分布圖

4 結(jié)論

1）HBF4與HF的復(fù)合酸酸壓時(shí)，酸蝕裂縫內(nèi)HF濃度隨裂縫長(zhǎng)度增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，而HBF4隨裂縫長(zhǎng)度增加而減小，H2SiF6濃度隨裂縫長(zhǎng)度增加而增加，有利于提高酸液有效作用距離和保證巖石礦物溶蝕量。

2）緩速酸酸壓酸蝕裂縫導(dǎo)流能力隨裂縫長(zhǎng)度增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，注酸時(shí)間增加可增大酸蝕裂縫導(dǎo)流能力，但總體較小，為保障酸液有效作用距離、酸蝕裂縫導(dǎo)流能力和減少二次傷害，可考慮采用多種酸液多級(jí)交替注入酸壓工藝。

3）緩速酸液體系可保證較大范圍的酸液濾失區(qū)具有相對(duì)較高的HF濃度，增加濾失區(qū)酸液穿透深度，但HF濃度過(guò)高會(huì)產(chǎn)生明顯的二次傷害。

4）濾失區(qū)酸巖反應(yīng)可顯著改善基巖孔隙度和滲透率，對(duì)降低油氣流體向酸蝕裂縫匯聚滲流阻力、提高產(chǎn)能有積極作用。

符 號(hào) 說(shuō) 明

A為距井筒x處的裂縫截面積，m2；C0為緩速酸濃度，mol／m3；C1為 HF濃度，mol／m3；C2為 H2SiF6濃度，mol／m3；u為距井筒x處裂縫內(nèi)的酸液流速，m／s；R0為緩速酸水解速度，mol／（m3·s）；R1為 HF與巖石的表面反應(yīng)速度，mol／（m3·s）；R2為 H2SiF6與巖石的表面反應(yīng)速度，mol／（m3·s）；H為裂縫高度，m；ula為酸液濾失速度，m／s；v1、v2分別為化學(xué)計(jì)量系數(shù)，無(wú)因次；k0為反應(yīng)速度常數(shù)，（mol／m3）－1／s；CH＋ 為酸液中 H＋濃度，mol／m3；Ea為水解活化能，J／mol；R為通用氣體常數(shù)，8．314J／（mol·K）；T為溫度，K；k0，i，j為酸液i與礦物j的反應(yīng)速度常數(shù)，s－1；Ea，i，j為酸液i與礦物j的反應(yīng)活化能，J／mol；Ci，eqm為酸液i與礦物反應(yīng)的平衡濃度，mol／m3；φ為孔隙度，小數(shù)；Ef，i，j為酸液i與礦物j的反應(yīng)速度常數(shù)，mol（m2·s·mol／m3）；Sj＊為礦物j的比表面積，m2／m3；Vj為礦物j的體積分?jǐn)?shù)，m3／m3；βi，j為酸液i對(duì)礦物j的體積溶解能力，m3／m3；ρj為礦物j的密度，kg／m3；Mmj為礦物j的分子質(zhì)量，kg／mol；Mai為酸液i的分子質(zhì)量，kg／mol；vj為化學(xué)計(jì)量系數(shù)，j＝1～8。

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