咼 義 劉平禮 吳 雙 夏勝淼 魏子超

(1.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，成都 610500;2.興隆臺區(qū)遼河油田興隆臺采油廠作業(yè)三區(qū)，遼寧 盤錦 124010;3.中國石油吉林油田分公司新木采油廠，吉林 松原 138000)

隨著石油勘探技術(shù)的進步，越來越多的碳酸鹽巖儲層被開發(fā)。酸化酸壓可為碳酸鹽巖儲層的有效開發(fā)提供技術(shù)支撐。優(yōu)化酸化酸壓設(shè)計和酸液體系可提高增產(chǎn)的有效性。酸巖反應(yīng)動力學(xué)實驗可為酸化酸壓設(shè)計和酸液的優(yōu)選提供理論依據(jù)。在前人［1－5］對酸巖反應(yīng)動力學(xué)實驗研究的基礎(chǔ)上，用Crsseries Corrison Reactor System儀器進行酸巖反應(yīng)動力學(xué)實驗，找出不同因素對目標儲層反應(yīng)的影響程度。

1 酸巖反應(yīng)動力學(xué)原理

1.1 酸巖反應(yīng)動力學(xué)方程的確定

在一定溫度、壓力條件下，酸巖反應(yīng)速率與酸液濃度的m次方成正比［6］?？杀硎緸?

式中:J—反應(yīng)速率(即單位時間流過單位巖石面積物質(zhì)的量)，mol(cm2·s)。

式(1)兩邊取對數(shù)得:

對式(2)作圖可求得K值，從而確定酸巖反應(yīng)動力學(xué)方程。

1.2 酸巖反應(yīng)活化能的確定

溫度對酸巖反應(yīng)速率有很大影響，特別是深井高溫酸壓施工設(shè)計時，常會用到不同溫度條件下的動力參數(shù)。根據(jù)阿倫尼烏斯(Arrhenius)理論，由恒溫下的反應(yīng)動力學(xué)方程得到:

式中:K —反應(yīng)速度常數(shù)，(molL)－m·s－1;K0—頻率因子，(molL)－m·L(cm2·s);Ea—酸巖反應(yīng)活化能，kJmol;R —摩爾氣體常數(shù)，kJ(mol·K);T—熱力學(xué)溫度，K。

則式(1)可寫為:

將式(4)兩邊取對數(shù)得:

由式(5)可知在同一酸液濃度下，lgJ與1T成線性關(guān)系，運用回歸或作圖處理，可求得酸巖反應(yīng)活化能。

1.3 H+有效傳質(zhì)系數(shù)的計算

在反應(yīng)釜中，酸液作三維流動。基于奈維－斯托克斯方程和連續(xù)性方程，求解酸液旋轉(zhuǎn)流動反應(yīng)時的對流擴散偏微分方程，得到De的解析解為:

式中:ω —旋轉(zhuǎn)角速度，s－1;Ct—t時刻酸液內(nèi)部濃度，molL;v —酸液平均運動黏度，cm2s。

2 酸巖反應(yīng)動力學(xué)實驗

2.1 酸巖反應(yīng)動力學(xué)實驗原理

酸巖反應(yīng)動力學(xué)實驗是在一定條件下，讓酸液與巖芯反應(yīng)，通過酸液反應(yīng)前后濃度的變化來測定反應(yīng)動力學(xué)方程和酸巖反應(yīng)活化能，以及H+有效傳質(zhì)系數(shù)。

2.2 酸巖反應(yīng)動力學(xué)實驗設(shè)計

實驗設(shè)計如表1所示，通過改變酸液濃度、反應(yīng)溫度、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等單一條件進行實驗。溫度根據(jù)目標儲層的溫度設(shè)定。

表1 酸巖反應(yīng)動力學(xué)測試實驗設(shè)計方案

3 酸巖反應(yīng)動力學(xué)實驗結(jié)果

3.1 求取酸巖反應(yīng)速度方程

反應(yīng)條件為壓力7 MPa，溫度100℃，轉(zhuǎn)速500 rmin，根據(jù)所測酸液類型進行調(diào)整，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪圖，得出了不同濃度下常規(guī)鹽酸、膠凝酸、自轉(zhuǎn)向酸與M油田白云巖反應(yīng)的速度。

常規(guī)鹽酸酸巖反應(yīng)關(guān)系如圖1所示。

圖1 常規(guī)鹽酸酸巖反應(yīng)關(guān)系圖

由線性回歸曲線得到常規(guī)鹽酸的反應(yīng)速度方程為:

同樣的方法得到膠凝酸的反應(yīng)速度方程為:

自轉(zhuǎn)向酸的反應(yīng)速度方程為:

3.2 求取反應(yīng)活化能

將實驗數(shù)據(jù)繪圖，得出了不同酸液類型(常規(guī)鹽酸、膠凝酸、自轉(zhuǎn)向酸)與M油田白云巖的反應(yīng)活化能。鹽酸反應(yīng)速度常數(shù)與溫度的關(guān)系曲線見圖2。

圖2 鹽酸反應(yīng)速度常數(shù)與溫度的關(guān)系曲線

由線性回歸曲線得到常規(guī)鹽酸與巖芯酸巖反應(yīng)活化能為:

反應(yīng)動力學(xué)方程:

同樣得到膠凝酸的酸巖反應(yīng)活化能為:

反應(yīng)動力學(xué)方程為:

自轉(zhuǎn)向酸的酸巖反應(yīng)活化能為:

反應(yīng)動力學(xué)方程為:

3.3 求取H+有效傳質(zhì)系數(shù)

(1)常規(guī)鹽酸體系

常規(guī)鹽酸H+有效傳質(zhì)系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系曲線見圖3。

圖3 常規(guī)鹽酸H+有效傳質(zhì)系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系曲線

(2)膠凝酸體系

膠凝酸H+有效傳質(zhì)系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系曲線見圖4。

(3)自轉(zhuǎn)向酸體系

自轉(zhuǎn)向酸H+有效傳質(zhì)系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系曲線見圖5。

圖5 自轉(zhuǎn)向酸H+有效傳質(zhì)系數(shù)與旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)的關(guān)系曲線

H+有效傳質(zhì)系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化過程中有個極小值，這是對流傳遞和擴散傳遞綜合作用的結(jié)果，說明注酸速度有個最佳值，使酸巖反應(yīng)速度最小。常規(guī)鹽酸、膠凝酸和自轉(zhuǎn)向酸都有同樣的變化規(guī)律，只是出現(xiàn)的區(qū)間和大小不同。

4 結(jié)論

(1)在試驗溫度為100℃，轉(zhuǎn)速為500 rmin時，常規(guī)鹽酸、膠凝酸、自轉(zhuǎn)向酸的反應(yīng)級數(shù)分別為1.3191、0.7384、0.8695，說明常規(guī)鹽酸酸濃度的變化對反應(yīng)速度的影響最明顯，其次是自轉(zhuǎn)向酸、膠凝酸。

(2)3種酸液體系活化能高低順序為:常規(guī)鹽酸＜自轉(zhuǎn)向酸＜膠凝酸，表明膠凝酸在3種酸中最難發(fā)生反應(yīng)，緩速性能最好，自轉(zhuǎn)向酸其次，較鹽酸也具有一定緩速性能。

(3)鹽酸的頻率因子最小，膠凝酸的最大。

(4)在同一溫度下，隨轉(zhuǎn)速的增大，3種酸液體系H+有效傳質(zhì)系數(shù)都呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢。這表明存在一個最小傳質(zhì)系數(shù)，此時系統(tǒng)的酸巖反應(yīng)速度最小，這是對流傳遞和擴散傳遞綜合作用的結(jié)果，說明注酸速度有個最佳范圍使酸巖反應(yīng)速度最小。

［1］鄺聃，李永明，曹軍.塔中I號氣田碳酸鹽巖儲層酸巖反應(yīng)動力學(xué)實驗［J］.斷塊油氣田，2009，16(6):65-67.

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