酸化增产原理.ppt

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1、第第16章章 酸酸 化化 原原 理理油气藏增产系列讲座主讲人：陈主讲人：陈主讲人：陈主讲人：陈 红红红红 军军军军 博博博博 士士士士 石油石油石油石油软件下载软件下载软件下载软件下载16.1 酸化历史回顾酸化历史回顾 酸化是油气井增产或注水井增注的重要措施，酸化是油气井增产或注水井增注的重要措施，在油田生产中发挥了巨大作用在油田生产中发挥了巨大作用 至今有至今有100多年的历史多年的历史:1895 standard oil Co.Ohio 1896 Herman Frasch专利专利 20世纪世纪30年代，专门从事酸化作业的年代，专门从事酸化作业的 公司公司 20世纪世纪70、80年代，酸化

2、理论深入研究，实验手年代，酸化理论深入研究，实验手段加强（段加强（1976年，年，Fogler，旋转圆盘装置）旋转圆盘装置）16.2 酸化分类酸化分类 按作业工艺分：按作业工艺分：按作业工艺分：按作业工艺分：酸洗酸洗酸洗酸洗 (acid washingacid washingacid washingacid washing)基质酸化基质酸化基质酸化基质酸化 (matrix(matrix(matrix(matrix acidizingacidizingacidizingacidizing)酸压酸压酸压酸压 (acid fracturingacid fracturingacid fracturin

3、gacid fracturing)普通酸压、前置液酸压、交替注入酸压、闭合酸压、普通酸压、前置液酸压、交替注入酸压、闭合酸压、平衡酸压等平衡酸压等 按酸液类型分：按酸液类型分：按酸液类型分：按酸液类型分：普通酸酸化普通酸酸化普通酸酸化普通酸酸化常规盐酸、土酸酸化常规盐酸、土酸酸化常规盐酸、土酸酸化常规盐酸、土酸酸化 缓速酸酸化缓速酸酸化缓速酸酸化缓速酸酸化混合酸酸化、泡沫酸酸化、乳化酸酸化、胶凝酸酸混合酸酸化、泡沫酸酸化、乳化酸酸化、胶凝酸酸化、降阻酸酸化、指进酸酸化、延迟酸酸化等化、降阻酸酸化、指进酸酸化、延迟酸酸化等16.3 酸化酸化基本原理基本原理 低于低于 地层破裂压力下注酸，使酸液尽

4、可能沿径地层破裂压力下注酸，使酸液尽可能沿径向流动，溶解岩石或外来固相颗粒，增加近井向流动，溶解岩石或外来固相颗粒，增加近井地带的渗透率地带的渗透率 酸液与岩石发生化学反应，部分溶解岩石、矿酸液与岩石发生化学反应，部分溶解岩石、矿物，生成可溶性的盐和气体，增大孔隙体积物，生成可溶性的盐和气体，增大孔隙体积 溶蚀孔壁或缝壁溶蚀孔壁或缝壁，增大孔隙体积，扩大裂缝宽增大孔隙体积，扩大裂缝宽度，改善流体渗流条件度，改善流体渗流条件 酸液溶蚀孔道或裂缝中的堵塞物，或破坏堵塞酸液溶蚀孔道或裂缝中的堵塞物，或破坏堵塞物的结构使之解体，然后随残酸液一起排出地物的结构使之解体，然后随残酸液一起排出地层，起到疏通

5、流道的作用，层，起到疏通流道的作用，恢复地层原始渗透恢复地层原始渗透能力能力 16.3.1基质酸化增产原理基质酸化增产原理MuskatMuskat 理论计算公式理论计算公式：其中：其中：Jo-无污染地层的产能无污染地层的产能 Js-酸化处理后的产能酸化处理后的产能 Fk-污染地层和原始渗透率污染地层和原始渗透率的比值，的比值，Fk=ks/ko k-地层原始渗透率，地层原始渗透率，10-3 m2 ks-污染带等效渗透率，污染带等效渗透率，10-3 m2 re-泄油半径，泄油半径，m rs-污染带半径，污染带半径，mrerd,kdkoPdPerw封闭油藏污染井示意图封闭油藏污染井示意图图 污染程度

6、、污染半径对增产倍比的影响计算结果表明计算结果表明：污染地层污染地层：在污染半径一定时，污染程度由轻到重，在酸化在污染半径一定时，污染程度由轻到重，在酸化解除污染后，所获得的增产倍比值也在逐渐增大。解除污染后，所获得的增产倍比值也在逐渐增大。这说明这说明基质酸化对存在污染的井是极有效的基质酸化对存在污染的井是极有效的。无污染地层无污染地层：进行基质酸化处理，效果不大。进行基质酸化处理，效果不大。研究课题储层伤害原因及伤害程度分析16.3.2 16.3.2 酸压增产原理酸压增产原理 酸压是在高于地层破裂压力下，将酸液挤入地层，酸压是在高于地层破裂压力下，将酸液挤入地层，形成裂缝并与裂缝壁面反应，

7、非均匀刻蚀岩石形成凹形成裂缝并与裂缝壁面反应，非均匀刻蚀岩石形成凹凸不平或沟槽状刻蚀缝。凸不平或沟槽状刻蚀缝。酸溶蚀压开的人工裂缝，形成大大高于地层原始渗透酸溶蚀压开的人工裂缝，形成大大高于地层原始渗透率的酸蚀裂缝，提高油气渗流能力。率的酸蚀裂缝，提高油气渗流能力。酸蚀裂缝沟通高渗透裂缝带，扩大泄流面积。酸蚀裂缝沟通高渗透裂缝带，扩大泄流面积。酸液进入裂缝壁面孔隙或裂隙与岩石发生反应，溶蚀酸液进入裂缝壁面孔隙或裂隙与岩石发生反应，溶蚀孔壁或微缝壁，改善流体向裂缝渗流条件。孔壁或微缝壁，改善流体向裂缝渗流条件。酸液溶蚀孔道或裂缝中的堵塞物，或破坏堵塞物的结酸液溶蚀孔道或裂缝中的堵塞物，或破坏堵塞

8、物的结构使之解体，疏通流道，恢复地层原始渗透能力。构使之解体，疏通流道，恢复地层原始渗透能力。16.4 16.4 酸酸岩的化学反应岩的化学反应16.4.1 16.4.1 盐酸与岩石的反应盐酸与岩石的反应 盐酸与灰岩的反应盐酸与灰岩的反应：盐酸与白云岩的反应盐酸与白云岩的反应：2HCl2HClCaCOCaCO3 3 CaClCaCl2 2+H+H2 2O+COO+CO2 24HCl+CaMg4HCl+CaMg(CO(CO3 3)2 2 CaClCaCl2 2+MgCl+MgCl2 2 +2H+2H2 2O+2COO+2CO2 216.4.2 16.4.2 HClHCl-HF-HF与岩石的反应与岩

9、石的反应 氢氟酸对硅质成分具有强的溶解能力，对氢氟酸对硅质成分具有强的溶解能力，对砂岩砂岩常常常常采用采用HClHCl-HF-HF体系：体系：氢氟酸与砂岩的一次反应氢氟酸与砂岩的一次反应：SiOSiO2 2+4HF SiF+4HF SiF4 4+2H+2H2 2O O SiF SiF4 4+2HF H+2HF H2 2SiFSiF6 6 粘土矿物粘土矿物+HF SiF+HF SiF4 4+氟铝化物氟铝化物 如钾长石如钾长石(KAlSi(KAlSi3 3O O8 8)与与HFHF的反应：的反应：KAlSiKAlSi3 3O O8 8+(n+3m)HF+(16-n-3m)H+(n+3m)HF+(1

10、6-n-3m)H+K K+AlF+AlFn n(3-n)(3-n)+3SiF+3SiFm m(4-m)(4-m)+8H+8H2 2O O (0 (0n n6;46;4m m6 6）氢氟酸与砂岩的二次反应氢氟酸与砂岩的二次反应：氢氟酸与砂岩的二次反应主要是指一次反应中氢氟酸与砂岩的二次反应主要是指一次反应中生成的氟硅酸与粘土矿物的反应。生成的氟硅酸与粘土矿物的反应。与钾长石的二次反应：与钾长石的二次反应：SiFSiF6 62-2-+6KAlSi+6KAlSi3 3O O8 8+18H+18H+10H+10H2 2O O 6K 6K+6AlF+6AlF2+2+18H+18H2 2SiOSiO3 3

11、+H+H4 4SiOSiO4 4（硅胶沉淀）硅胶沉淀）与伊利石的二次反应：与伊利石的二次反应：SiFSiF6 62-2-+KAl+KAl3 3SiSi3 3O O1010(OH)(OH)2 2+6H+6H+4H+4H2 2O O K K+3AlF+3AlF2 2+4H+4H4 4SiOSiO4 4（硅胶沉淀）硅胶沉淀）氢氟酸与砂岩的三次反应氢氟酸与砂岩的三次反应：氢氟酸与砂岩的三次反应过程为氢氟酸与砂岩的三次反应过程为F/AlF/Al降低的过程，降低的过程，直到土酸中活性直到土酸中活性HClHCl消耗完毕。消耗完毕。AlFAlF2 2+KAlSi+KAlSi3 3O O8 8+4H+4H+4H

12、+4H2 2O O K K+2AlF+2AlF2+2+3H+3H4 4SiOSiO4 4（硅胶沉淀）硅胶沉淀）砂岩土酸酸化的几点认识：砂岩土酸酸化的几点认识：（1 1）1919FNMRFNMR谱证明谱证明AlFAlFn n(3-n)(3-n)在溶液中存在局部平衡，在溶液中存在局部平衡，n=0n=0 6 6，即，即AlAl3+3+，AlFAlF2+2+，AlFAlF6 63-3-保持一定比例。保持一定比例。（2 2）二次、三次反应产物容易沉淀，对储层产生新二次、三次反应产物容易沉淀，对储层产生新的伤害。的伤害。（3 3）氢氟酸与砂岩的化学反应很复杂，难于模拟。氢氟酸与砂岩的化学反应很复杂，难于模

13、拟。16.4.3 16.4.3 酸对岩石的溶解力酸对岩石的溶解力 酸对岩石的溶解力指给定质量或体积的酸所能溶解岩石的量。质量溶解力：15%盐酸对CaCO3的溶解力为：15=0.15100=0.212HCl2HClCaCOCaCO3 3 CaClCaCl2 2+H+H2 2O+COO+CO2 2体积溶解力X X：X与的关系：15%盐酸密度为盐酸密度为1.07g/cm3，(CaCO3)密度为密度为2.71g/cm3则则15%盐酸对石灰岩的体积溶解力盐酸对石灰岩的体积溶解力 X=0.211.07 g/cm3 2.71 g/cm3=0.0829运用酸液对岩石或矿物的溶解能力可对运用酸液对岩石或矿物的溶

14、解能力可对基质酸化作基质酸化作基质酸化作基质酸化作业最小用酸量进行估算业最小用酸量进行估算业最小用酸量进行估算业最小用酸量进行估算。16.5 酸岩反应动力学酸岩反应动力学 化学反应动力学是是研究化学反应机理的核心内容。化学反应动力学需要定量研究的重要内容是反应速率。组元浓度组元浓度 反应随时间的进展反应随时间的进展 酸岩反应为复相反应，反应只在液固界面上进行，液固两相界面的性质和大小都会影响复相反应的进行。酸岩反应机理确定必须借助化学反应动力学的研究成果。16.5.1 酸岩反应理论酸岩反应理论 酸与岩石的反应为复相反应，反应只在液固界酸与岩石的反应为复相反应，反应只在液固界面上进行。经典的面上

15、进行。经典的酸岩反应理论将酸岩反应理论将酸岩反应理论将酸岩反应理论将反应历程描述反应历程描述为：为：H H+岩面岩面滤失滤失(1)(1)H H+向岩石表面传质；向岩石表面传质；(2)(2)H H+被吸附于岩石表面；被吸附于岩石表面；(3)(3)被吸附的被吸附的H H+在岩石表面反应；在岩石表面反应；(4)(4)反应产物在岩石表面解吸；反应产物在岩石表面解吸；(5)(5)反应产物扩散离开岩石表面。反应产物扩散离开岩石表面。上述五个步骤中速度最慢的一步为整个反应的控制步上述五个步骤中速度最慢的一步为整个反应的控制步骤，它决定着总反应速率的快慢骤，它决定着总反应速率的快慢。任书泉教授通过试验提出了任

16、书泉教授通过试验提出了(2)(2)、(4)(4)两步不是控制步骤。即两步不是控制步骤。即酸岩反应或者是由传质控制，或者是由表面反应控制。酸岩反应或者是由传质控制，或者是由表面反应控制。很多研究者都认为酸与白云岩的反应属于传质表面反应混很多研究者都认为酸与白云岩的反应属于传质表面反应混合控制，即在合控制，即在低温、高流速条件下为表面反应控制，而在高低温、高流速条件下为表面反应控制，而在高温、低流速条件下为传质控制温、低流速条件下为传质控制。传质控制动力学传质控制动力学 酸岩酸岩系统系统反应动力学反应动力学 酸岩表面反应动力学酸岩表面反应动力学16.5.2 16.5.2 酸岩系统反应动力学酸岩系统

17、反应动力学 在传质控制范围内，采用旋仪装置在传质控制范围内，采用旋仪装置,在定温度、定转速和一在定温度、定转速和一定压力下，求得反应速率与浓度关系，可确定酸岩系统反应定压力下，求得反应速率与浓度关系，可确定酸岩系统反应动力学方程动力学方程。a.反应釜与岩盘 b.圆盘表面 c.圆盘表面上方示意图 流线分布 流线分布系统反应动力学测定方法系统反应动力学测定方法 酸岩反应速率可用单位时间内酸液浓度的降低值酸岩反应速率可用单位时间内酸液浓度的降低值来表示。来表示。-=KCm 上式改写为上式改写为:式式中中：J J反反应应速速率率(物物流流量量)，表表示示单单位位时时间间流流到到单单位位岩石面积上的物质

18、量岩石面积上的物质量(mol(mol/s.cms.cm2 2)；V V参加反应的酸液体积，参加反应的酸液体积，L L；S S岩盘反应表面积，岩盘反应表面积，cmcm2 2；K K反应速率常数，反应速率常数，(molmol/L L)-m-mmolmol/s.cms.cm2 2 C C t t 时刻的酸液内部酸浓度，时刻的酸液内部酸浓度，molmol/L L；m m反应级数，无因次。反应级数，无因次。J=(-)J=KCmlgJ=lgK+mlgC 用用lgJlgJ和和lgClgC作图得一作图得一直线直线，采用最小二乘法，对，采用最小二乘法，对lgJlgJ和和lgClgC进行线性回归处理，求得进行线性

19、回归处理，求得m m和和K K值，从而确值，从而确定酸岩反应动力学方程。定酸岩反应动力学方程。16.5.3 5.3 表面反应动力学的测定方法表面反应动力学的测定方法 酸岩表面反应控制判据酸岩表面反应控制判据 酸液消耗速度受两个因素的影响，即酸液消耗速度受两个因素的影响，即表面反应表面反应速率和传质速率速率和传质速率。表面反应速率是在岩石裂缝表面表面反应速率是在岩石裂缝表面酸岩反应过程中反应速率的量度；传质速率是衡量酸岩反应过程中反应速率的量度；传质速率是衡量酸从酸液内部向裂缝壁面传输的速度。酸从酸液内部向裂缝壁面传输的速度。控制活性酸的穿透距离控制活性酸的穿透距离 指导酸化设计指导酸化设计 临

20、界流速法临界流速法 在一定压力、一定酸浓度下，固定反应温度，改变旋转在一定压力、一定酸浓度下，固定反应温度，改变旋转圆盘的转速，测量反应速率与转速的关系圆盘的转速，测量反应速率与转速的关系当系统反应速率不当系统反应速率不随酸液流速变化时，反应进入表面反应控制区。随酸液流速变化时，反应进入表面反应控制区。AndersonAnderson采用采用KastaKasta白云岩分别在白云岩分别在2626和和4949、酸浓度、酸浓度为为0.480.48N N和和0.980.98N N HClHCl条件下，改变转速条件下，改变转速5050500500rpmrpm，得得出出KastaKasta白云岩的反应速率

21、与转速平方根的关系曲线，白云岩的反应速率与转速平方根的关系曲线，确定出确定出KastaKasta白云岩在转速为白云岩在转速为120120rpmrpm 时，酸岩进入表面时，酸岩进入表面反应控制区，建立酸岩的反应动力学方程。反应控制区，建立酸岩的反应动力学方程。表面反应浓度数值解法表面反应浓度数值解法 由物理化学流体动力学理论可推得，酸与旋转岩盘反应由物理化学流体动力学理论可推得，酸与旋转岩盘反应的对流扩散微分方程为：的对流扩散微分方程为：试试验验中中确确定定出出J Js s、D De e，便便可可求求解解出出酸酸液液表表面面反反应应浓浓度度。根根据据不不同同浓浓度度试试验验点点，解解出出相相应应

22、的的表表面面浓浓度度，即即可可确确定定表表面面反反应应动动力力学学参参数数m ms s和和K Ks s值，建立该条件下的表面反应动力学方程。值，建立该条件下的表面反应动力学方程。16.6.1 16.6.1 一酸、两矿物模型一酸、两矿物模型1 1）介绍）介绍目前应用最普遍的是两矿物模型（Hill等，1977；Hekui等，1982；Taha等，1989）。a)该模型将矿物分为两种模型快反应矿物和慢反应矿物：Schechter(1992)将长石、自生粘土和无定形硅作为快反应矿物、次生粘土和石英作为基本慢反应矿物；b)假设流动为线性，如线性驱替。16.6 砂岩酸化模型砂岩酸化模型16.6.1 一酸、

23、两矿物一酸、两矿物模型模型 化学反应式可简单表示如下：化学反应式可简单表示如下：其中：其中：M M1 1快反应矿物（长石、粘土和其它胶结物）；快反应矿物（长石、粘土和其它胶结物）；M M2 2慢反应矿物（石英、硅质岩屑）；慢反应矿物（石英、硅质岩屑）；1 1，2 2酸岩反应的化学计量系数。酸岩反应的化学计量系数。2 2）数学模型）数学模型将物质平衡模型应用于氢氟酸和反应矿物，其模型为：将物质平衡模型应用于氢氟酸和反应矿物，其模型为：16.6 砂岩酸化模型砂岩酸化模型16.6.1 一酸、两矿物一酸、两矿物模型模型其中：其中：C CHFHF是氢氟酸浓度；是氢氟酸浓度；MWMWHFHF为氢氟酸分子量

24、；为氢氟酸分子量；u u为酸液流速；为酸液流速；S S为距离；为距离；S SF F*和和S SS S*为固体比表面积；为固体比表面积；V VF F和和V VS S为体积百分数；为体积百分数；E Ef,Ff,F和和E Ef,Sf,S是反应速度常数（基于氢氟酸的消耗速度）；是反应速度常数（基于氢氟酸的消耗速度）；MWMWF F和和MWMWS S是快、慢反应矿物的相对分子质量；是快、慢反应矿物的相对分子质量；F F和和S S是是100%100%氢氟酸对快、慢反应矿氢氟酸对快、慢反应矿 物的溶解能力；物的溶解能力；F F和和S S分别是快慢反应矿物的密度。分别是快慢反应矿物的密度。16.6 砂岩酸化模

25、型砂岩酸化模型16.6.1 一酸、两矿物一酸、两矿物模型模型3 3）模型处理）模型处理假设孔隙度为常数，将方程无量纲化为：假设孔隙度为常数，将方程无量纲化为：16.6 砂岩酸化模型砂岩酸化模型式中无量纲定义为：式中无量纲定义为：其中：其中：为无量纲氢氟酸浓度；为无量纲氢氟酸浓度；为无量纲矿物浓度；为无量纲矿物浓度；为无量纲距离；为无量纲距离；为无量纲时间（孔隙度体积）；为无量纲时间（孔隙度体积）；下表下表o o代表酸处理前的初值。代表酸处理前的初值。16.6 砂岩酸化模型砂岩酸化模型4 4）a.Damkohlera.Damkohler数和酸能力数数和酸能力数A Ac c这两个无量纲数用于描述氢

26、氟酸这两个无量纲数用于描述氢氟酸矿物的反应动力学和化学平衡。矿物的反应动力学和化学平衡。DamkohlerDamkohler数是酸反应速度与酸传质速度之比。对于快反应矿物：数是酸反应速度与酸传质速度之比。对于快反应矿物：酸能力数是酸占有单位岩石孔隙空间的体积溶解矿物的量与单位体积岩石存酸能力数是酸占有单位岩石孔隙空间的体积溶解矿物的量与单位体积岩石存在矿物的量之比，对于快反应矿物：在矿物的量之比，对于快反应矿物：对于慢反应矿物，对于慢反应矿物，DamkohlerDamkohler数和酸能力数定义类似。数和酸能力数定义类似。16.6 砂岩酸化模型砂岩酸化模型b.Damkohlerb.Damkoh

27、ler数的数的讨论：讨论：当酸注入到砂岩地层，反应前缘通过氢氟酸和快反应矿物的当酸注入到砂岩地层，反应前缘通过氢氟酸和快反应矿物的反应建立。这一前缘的形态依赖于反应建立。这一前缘的形态依赖于D Da a(F(F)，当，当D Da a较小时，传质较小时，传质速度（对流）高于反应速度，前缘比较平缓。当速度（对流）高于反应速度，前缘比较平缓。当D Da a较大时，较大时，由于反应速度大于传质速度，反应前缘相对陡。图由于反应速度大于传质速度，反应前缘相对陡。图16.4(16.4(dada MottaMotta等等19921992）表明了对于高）表明了对于高DaDa(F(F)和低和低DaDa(F(F)的

28、典型剖面。的典型剖面。16.6 砂岩酸化模型砂岩酸化模型16.6.1 一酸、两矿物一酸、两矿物模型模型图图16.4 酸与快反应矿物的浓度剖面酸与快反应矿物的浓度剖面（da Motta等，等，1992a）16.6 砂岩酸化模型砂岩酸化模型16.6.1 一酸、两矿物一酸、两矿物模型模型 5 5）模型解）模型解a.a.数值解数值解方程方程16.516.716.516.7可用统一方式求得数值解。数值模型提供了以上方可用统一方式求得数值解。数值模型提供了以上方程组的解法，如程组的解法，如TahaTaha等（等（19891989）所提出的解法已经广泛应用于酸）所提出的解法已经广泛应用于酸化设计。化设计。b

29、.b.解析解解析解解析模型对于特定简单条件是可得的。解析模型对于特定简单条件是可得的。Schechter(1992)Schechter(1992)对相对较对相对较高的高的D Da a(D(Da a(F(F)10)10)提出的近似解法是有效的。提出的近似解法是有效的。解法假设氢氟酸解法假设氢氟酸快反应矿物有一个陡的前缘，在前缘之后所快反应矿物有一个陡的前缘，在前缘之后所有的快反应矿物溶解，在前缘之前，不发生反应。慢反应矿物和有的快反应矿物溶解，在前缘之前，不发生反应。慢反应矿物和前缘后氢氟酸之间的反应将减小到前缘氢氟酸的浓度。前缘后氢氟酸之间的反应将减小到前缘氢氟酸的浓度。16.6 砂岩酸化模型

30、砂岩酸化模型16.6.1 一酸、两矿物一酸、两矿物模型模型这上述假设条件下，前缘的位置为：这上述假设条件下，前缘的位置为：上式将无量纲前缘位置上式将无量纲前缘位置ff定义为前缘位置除以线性流岩定义为前缘位置除以线性流岩心长度，在前缘后的无量纲酸浓度为：心长度，在前缘后的无量纲酸浓度为：16.6 砂岩酸化模型砂岩酸化模型16.6.1 一酸、两矿物一酸、两矿物模型模型c.c.解析解特点解析解特点这种处理方法优点在于它可以将无量纲量采用类似的定这种处理方法优点在于它可以将无量纲量采用类似的定义应用于线性流、径向流和椭圆流态。径向流主要代表义应用于线性流、径向流和椭圆流态。径向流主要代表裸眼、砾石充填

31、或割缝衬管完井的酸流动态，也可以是裸眼、砾石充填或割缝衬管完井的酸流动态，也可以是足够多射孔密度的射孔完井的近似；椭圆流动几何形态足够多射孔密度的射孔完井的近似；椭圆流动几何形态是一个射孔孔眼周围的流动的近似（是一个射孔孔眼周围的流动的近似（图图16.516.5）。）。16.6 砂岩酸化模型砂岩酸化模型16.6.1 一酸、两矿物一酸、两矿物模型模型图16.5 射孔周围的椭圆流动（Schechter，1992）16.6 砂岩酸化模型砂岩酸化模型16.6.1 一酸、两矿物一酸、两矿物模型模型三种流态的无量纲量见表三种流态的无量纲量见表16.616.6，对于射孔的几何形态，前缘的位置，对于射孔的几何

32、形态，前缘的位置f f依赖于射孔位置。在表依赖于射孔位置。在表16.616.6中，给出了酸从射孔尖端的前缘位置和酸中，给出了酸从射孔尖端的前缘位置和酸沿井筒穿透的表达式。沿井筒穿透的表达式。表16.6 砂岩酸化模型的无量纲量16.6 砂岩酸化模型砂岩酸化模型16.6.1 一酸、两矿物一酸、两矿物模型模型在表在表16.616.6中：中：LL岩心长度；岩心长度；r rw w井筒半径；井筒半径；l lp p射孔长度；射孔长度；uu岩心线性流动的流速；岩心线性流动的流速；q qi i/h/h每英尺裸眼井段酸的体积流量；每英尺裸眼井段酸的体积流量；q qerferf每单位时间进入射孔眼的体积；每单位时间

33、进入射孔眼的体积；DaDa的定义必须根据几何形态考虑，的定义必须根据几何形态考虑，F F和和C C同同上面的上面的定义相同，可应用于所有形态。定义相同，可应用于所有形态。说明：表说明：表16.616.6给出的两个穿透距离用于设计是足够的，读者可参给出的两个穿透距离用于设计是足够的，读者可参照照Schechter(1992)Schechter(1992)提出的这一形态计算完全穿透距离剖面的方法。提出的这一形态计算完全穿透距离剖面的方法。16.6 砂岩酸化模型砂岩酸化模型16.6.1 一酸、两矿物一酸、两矿物模型模型16D 16D 径向流和射孔孔眼流动的用量比较径向流和射孔孔眼流动的用量比较解除孔

34、眼尖端以外污染所需酸量明显大于解除径向流同样距离所需酸量。举解除孔眼尖端以外污染所需酸量明显大于解除径向流同样距离所需酸量。举一个采用一个采用Schetchter(1992)Schetchter(1992)模型去求解对以上两种形态穿透距离所需酸量的模型去求解对以上两种形态穿透距离所需酸量的实例。实例。考虑一个含考虑一个含10%10%快反应矿物（长石、粘土或两者都有），快反应矿物（长石、粘土或两者都有），5%5%碳酸钙，碳酸钙，85%85%石英石英的地层，一个的地层，一个6in6in的伤害区域（在射孔以外的伤害区域（在射孔以外6in6in的径向距离），由污染导致的的径向距离），由污染导致的初始表

35、皮系数为初始表皮系数为1010，井筒的径向距离为，井筒的径向距离为0.328ft0.328ft，以射孔井为例，每英尺有以射孔井为例，每英尺有4 4孔，射孔井段为孔，射孔井段为6in6in，0.50.5的径向距离。在注入足够的的径向距离。在注入足够的15%15%盐酸溶解碳酸盐后，盐酸溶解碳酸盐后，以以0.1bbl/min/ft0.1bbl/min/ft注入注入12%12%盐酸盐酸3%3%氢氟酸溶液。酸用量由酸穿透距离的常氢氟酸溶液。酸用量由酸穿透距离的常数和径向流和孔眼几何形态的表皮系数来确定。井底处理温度为数和径向流和孔眼几何形态的表皮系数来确定。井底处理温度为125125（。F F）5050

36、。对于上述条件，在径向流中慢反应矿物对于上述条件，在径向流中慢反应矿物DamkohlerDamkohler数数DaDa为为0.0130.013。16.6 砂岩酸化模型砂岩酸化模型解：解：从表从表16.616.6两种几何形态的无量纲量近似定义采用方程两种几何形态的无量纲量近似定义采用方程16.2516.25，酸能，酸能力数对于每种形态都是一样的，力数对于每种形态都是一样的，DamkohlerDamkohler数之比为：数之比为：式中：式中：SPFSPF为射孔密度，单位为射孔密度，单位spfspf。孔眼流动下，慢反应矿物的孔眼流动下，慢反应矿物的DaDa为为0.120.12，AcAc为为0.021

37、0.021，此例中，此例中DaDa和和AcAc的值是根据的值是根据EconomdidesEconomdides等等19941994提出的岩心流动测试得到的。提出的岩心流动测试得到的。16.6 砂岩酸化模型砂岩酸化模型在在方程方程16.2516.25中使用以上数据，取酸穿透距离为中使用以上数据，取酸穿透距离为06in06in。可可得到得到16D.116D.1和图和图16D.216D.2所示结果。当酸穿透距离大于所示结果。当酸穿透距离大于2in2in，射射孔孔眼几何形态比径向流需要更多的酸液。表皮系数的评孔孔眼几何形态比径向流需要更多的酸液。表皮系数的评估表明穿透伤害带射孔流态所需的酸量大于径向流

38、所需酸估表明穿透伤害带射孔流态所需的酸量大于径向流所需酸量。量。16.6 砂岩酸化模型砂岩酸化模型图16D.1 径向流和射孔的酸穿透距离图 16D.2 径向流和射孔流的表皮系数的减少16.6 砂岩酸化模型砂岩酸化模型16D 16D 解法讨论解法讨论慢反应矿物慢反应矿物DaDa和快反应矿物和快反应矿物AcAc调节到达前缘的活性氢氟酸的量，如调节到达前缘的活性氢氟酸的量，如果对慢反应比对流快，几乎没有酸能扩展到快反应矿物的反应前缘，果对慢反应比对流快，几乎没有酸能扩展到快反应矿物的反应前缘，慢反应矿物的慢反应矿物的AcAc是极为重要的，因为在反应前缘后慢反应矿物几乎是极为重要的，因为在反应前缘后慢

39、反应矿物几乎为常数。快反应矿物为常数。快反应矿物AcAc(F)(F)直接影响前缘扩展速度，快反应矿物越多，直接影响前缘扩展速度，快反应矿物越多，前缘移动的速度越慢。因为假设了一个陡的反应前缘，因此前缘移动的速度越慢。因为假设了一个陡的反应前缘，因此DaDa(F(F)在在解法中未出现，假设表明解法中未出现，假设表明DaDa(F(F)为无限大。这种解法可以估算除去给为无限大。这种解法可以估算除去给定的进井地带或孔眼周围快反应矿物的酸用量。定的进井地带或孔眼周围快反应矿物的酸用量。无量纲数无量纲数DaDa(S(S)和和AcAc(F)(F)可以用方程可以用方程16.2316.23和和16.2416.2

40、4分别计算，表分别计算，表16.616.6以以岩石矿物组分为基础，可以从实验获得。岩石矿物组分为基础，可以从实验获得。16.6 砂岩酸化模型砂岩酸化模型16.6.1 一酸、两矿物一酸、两矿物模型模型3.2 3.2 两酸、三矿物模型两酸、三矿物模型a)a)介介 绍绍近年来，近年来，Bryant(1997)Bryant(1997)和和MottaMotta等等(1992b)(1992b)提出的证据表明，提出的证据表明，采用一酸、两矿物模型是不妥当的，尤其是在高温下。研究采用一酸、两矿物模型是不妥当的，尤其是在高温下。研究表明氟硅酸与铝硅酸盐（快反应矿物）的反应十分重要。两表明氟硅酸与铝硅酸盐（快反应

41、矿物）的反应十分重要。两酸、三矿物模型酸、三矿物模型综合了传统的综合了传统的“一酸、两矿物一酸、两矿物”模型，即氢模型，即氢氟酸与快反应矿物、慢反应矿物之间的反应氟酸与快反应矿物、慢反应矿物之间的反应,同时又考虑了反同时又考虑了反应中间产物应中间产物氟硅酸和硅胶的影响：氢氟酸可以溶解反应氟硅酸和硅胶的影响：氢氟酸可以溶解反应过程产生的硅胶，氟硅酸在高温情况下可溶解快反应矿物过程产生的硅胶，氟硅酸在高温情况下可溶解快反应矿物（其反应速度的数量级同氢氟酸的数量级相当）。（其反应速度的数量级同氢氟酸的数量级相当）。16.6 砂岩酸化模型砂岩酸化模型16.6.2 两酸、三矿物两酸、三矿物模型模型可以用

42、下述反应式来表述它们之间的反应关系：可以用下述反应式来表述它们之间的反应关系：其中：其中：M3M3表示第三类硅胶矿物；表示第三类硅胶矿物；3 3，4 4，7 7，8 8酸岩反应的化学计量系数。酸岩反应的化学计量系数。这一全局反应实际表明消耗同样体积的快反应矿物需要更少的氢这一全局反应实际表明消耗同样体积的快反应矿物需要更少的氢氟酸，因为硅氟酸将与这些矿物发生反应，并产生硅胶（氟酸，因为硅氟酸将与这些矿物发生反应，并产生硅胶（Si(OH)Si(OH)4 4）沉淀。这一反应允许活性酸在地层中穿透的更远。然而，存在沉淀。这一反应允许活性酸在地层中穿透的更远。然而，存在形成沉淀伤害的潜在危险性。形成沉

43、淀伤害的潜在危险性。16.6 砂岩酸化模型砂岩酸化模型16.6.2 两酸、三矿物两酸、三矿物模型模型b)b)运用实例运用实例Sumotarto(1995)Sumotarto(1995)提出一个实例表明采用两酸、三矿物比一酸提出一个实例表明采用两酸、三矿物比一酸量矿物有更好的预测结果。量矿物有更好的预测结果。图图16.616.6所示为向所示为向17%17%粘土和长石（快反应矿物），以及粘土和长石（快反应矿物），以及83%83%石石英（慢反应矿物）的砂岩地层注入英（慢反应矿物）的砂岩地层注入12%12%盐酸盐酸3%3%氢氟酸后两氢氟酸后两种模型的预测结果比较。在本图中，矿物种模型的预测结果比较。在

44、本图中，矿物1 1是粘土和长石，矿是粘土和长石，矿物物2 2是石英，矿物是石英，矿物3 3是硅胶。注入是硅胶。注入100gal/ft100gal/ft后，根据两酸、三后，根据两酸、三矿物模型溶解了井筒周围矿物模型溶解了井筒周围6in6in的长石和粘土，而采用一酸、两的长石和粘土，而采用一酸、两矿物只溶解了矿物只溶解了2in2in。16.6 砂岩酸化模型砂岩酸化模型16.6.2 两酸、三矿物两酸、三矿物模型模型图图16.6 不同用酸量下的不同用酸量下的 无量纲矿物浓度无量纲矿物浓度16.6 砂岩酸化模型砂岩酸化模型16.6.2 两酸、三矿物两酸、三矿物模型模型图图16.6 不同用酸量下的不同用酸

45、量下的 无量纲矿物浓度无量纲矿物浓度16.6 砂岩酸化模型砂岩酸化模型16.6.2 两酸、三矿物两酸、三矿物模型模型2 2）渗透率和孔隙度的比较）渗透率和孔隙度的比较采用两酸、三矿物模型预测到了一个硅沉积的伤害带。采用渗采用两酸、三矿物模型预测到了一个硅沉积的伤害带。采用渗透率变化模型去预测矿物的溶解和沉淀，在图透率变化模型去预测矿物的溶解和沉淀，在图16.716.7和图和图16.816.8中中对每个模型进行了渗透率和表皮系数变化的预测和比较。尽管对每个模型进行了渗透率和表皮系数变化的预测和比较。尽管两酸、三矿物模型将预测出沉淀，但因为氟硅酸的继续反应，两酸、三矿物模型将预测出沉淀，但因为氟硅

46、酸的继续反应，两酸、三矿物预测的渗透率增加大于一酸、两矿物模型。两酸、三矿物预测的渗透率增加大于一酸、两矿物模型。16.6 砂岩酸化模型砂岩酸化模型16.6.2 两酸、三矿物两酸、三矿物模型模型 图16.7 不同用酸量下的渗透率变化16.6 砂岩酸化模型砂岩酸化模型16.6.2 两酸、三矿物两酸、三矿物模型模型图16.8 一酸两矿物模两酸、三矿物模型计算得到的平均渗透率随用酸量变化图16.8 一酸两矿物模两酸、三矿物模型计算得到的表皮系数随用酸量变化16.6 砂岩酸化模型砂岩酸化模型16.6.2 两酸、三矿物两酸、三矿物模型模型3 3）渗透率响应渗透率响应为预测地层对酸化的响应，需要预测随着酸

47、溶解一些矿物和为预测地层对酸化的响应，需要预测随着酸溶解一些矿物和其它矿物沉淀的渗透率的变化。渗透率的变化是酸化效果的其它矿物沉淀的渗透率的变化。渗透率的变化是酸化效果的一个重要方面。一个重要方面。渗透率被孔隙介质中一些不同的，有时是竞争现象所影响。渗透率被孔隙介质中一些不同的，有时是竞争现象所影响。随着孔隙度和孔喉的矿物溶解，渗透率上升。同时，随着固随着孔隙度和孔喉的矿物溶解，渗透率上升。同时，随着固井材料被溶解，小的颗粒被释放，这些颗粒中的部分（可能井材料被溶解，小的颗粒被释放，这些颗粒中的部分（可能是暂时的）位于孔喉中，降低了渗透率。形成的任何沉淀也是暂时的）位于孔喉中，降低了渗透率。形

48、成的任何沉淀也有减小渗透率的趋势。这些负效应使岩心驱替的渗透率最初有减小渗透率的趋势。这些负效应使岩心驱替的渗透率最初下降，随着酸液的注入，最终渗透率大大高于初始渗透率。下降，随着酸液的注入，最终渗透率大大高于初始渗透率。16.6.3 渗透率响应渗透率响应4 4）渗透率的预测）渗透率的预测由于对真实的砂岩，渗透率响应的复杂特性使理论预测无法实现。由于对真实的砂岩，渗透率响应的复杂特性使理论预测无法实现。作为结果，酸化进程中通常使用渗透率增加与孔隙度变化的经验相作为结果，酸化进程中通常使用渗透率增加与孔隙度变化的经验相关式。最普遍的相关式关式。最普遍的相关式为为Labrid(1975)Labri

49、d(1975)，LandLand和和Fogler(1976)Fogler(1976)和和Lanbert(1981)Lanbert(1981)相关式。相关式。（1 1）LabridLabrid相关式为：相关式为：式中：式中：K Ko o，o o初始渗透率和孔隙度；初始渗透率和孔隙度；K K，酸化后的渗透率和孔隙度；酸化后的渗透率和孔隙度；M M，nn经验常数，对经验常数，对FontainebleauFontainebleau砂岩为砂岩为1 1和和3 3。16.6.3 渗透率响应渗透率响应（2 2）Lund Lund 和和 FoglerFogler相关式相关式 式中：式中：M=7.5M=7.5，对

50、于对于PhacoidesPhacoides砂岩的拟合数据，最大孔隙度为砂岩的拟合数据，最大孔隙度为maxmax=0.08=0.08。（3 3）LambertLambert相关式相关式当当M/M/maxmax=47.5=47.5时，时，LambertLambert表达式与表达式与LundLund和和FoglerFogler相关式一致。相关式一致。16.6.3 渗透率响应渗透率响应三相关式的使用三相关式的使用 LabridLabrid预测了最小的渗透率增值，其次为预测了最小的渗透率增值，其次为LanbertLanbert，Lund Lund 和和FoglerFogler相关式。如果可能的话，使用这