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1、成都理工大学 硕士学位论文 高粘度酸液酸岩反应模拟试验新方法探索 姓名：李沁 申请学位级别：硕士 专业：油气田开发工程 指导教师：伊向艺 20100601 摘 要 I 高粘度酸液酸岩反应模拟试验新方法探索 高粘度酸液酸岩反应模拟试验新方法探索 作者简介：李沁，男，1985 年 3 月生，师从成都理工大学伊向艺教授，2010 年 7 月毕业于成都理工大学油气田开发工程专业，获得工学硕士学位。 摘摘 要要 随着石油勘探开发技术手段的不断发展， 越来越多的复杂致密油气藏投入开 发，酸化压裂成为储层改造的重要技术手段。为正确地指导酸压和优化设计及现 场施工，需要进行酸岩反应机理研究和相关模拟试验，以确
2、定设计和施工的各项 内容和参数。在酸压理论中，酸液体系的发展最快，越来越多的高粘度酸液体系 投入到实际储层改造应用中。目前对高粘度酸液的酸岩反应研究处于起步阶段， 还没有专门的一套理论和实验方法， 而研究认为常规的酸岩反应模拟试验方法并 不适用于高粘度酸液体系。真实、有效地对高粘度酸液体系的酸岩反应进行模拟 试验，研究高粘度酸液酸岩反应模拟试验的方法，对了解高粘度酸液的酸岩反应 机理， 准确测定其酸岩反应动力学参数和分析高粘度酸液以及其他类型酸液酸蚀 行为具有重要意义。本文在前人研究的基础上，总结了酸岩反应影响因素，重点 研究包括高粘度酸岩反应机理、酸岩反应动力学研究和酸蚀行为研究。在酸岩反
3、应模拟试验中合理地考虑和设计酸岩反应影响因素， 有效地进行酸岩反应的关键 因素研究。从酸岩反应模拟试验的测试内容和试验设备上，分析对比了常规酸岩 反应模拟试验的特点及其适应性， 并提出了应考虑酸液流向对酸岩反应影响的试 验内容。 为模拟酸液在地层裂缝中的流动特征， 分析酸岩反应模拟试验的准确性， 引入并改进了环空内幂律型非牛顿流体流态及稳定性判别方法， 模拟了常规施工 条件下不同类型的酸液流态及其稳定性。参与研究、设计新型高粘度酸岩反应模 拟试验装置，设计思路和工作原理已得到应用。利用该装置进行了稠化酸和交联 酸等多组高粘度酸液的酸岩反应模拟试验， 证实了常规酸和高粘度酸体系的酸岩 反应区别。
4、 从高粘度酸岩反应模拟试验获得的试验结果表明这种酸岩反应模拟方 式可操作性强，试验数据可信度高，稳定性好，为现场高粘度酸液体系实践和进 一步研究酸岩反应各项内容提供理论和实际指导。 关键词：酸化压裂 高粘度酸液 酸岩反应 模拟试验 流体流态 成都理工大学硕士学位论文 II Exploration on A New Lab Method of Simulation of High-Viscosity Acid-Rock Reaction Introdution of the author: Li qin, male, was born in March, 1985, whose tutor wa
5、s Prof. Yi Xiangyi. He graduated from Chengdu University of Technology in Oil 并 且由高浓度向低浓度方向运动一扩散作用。综合起来，酸岩反应时，H+的传递过 程实则对流扩散的过程。 运用旋转圆盘仪或裂缝流动装置皆可求出H+的有效传质系数De。由于两种 装置流场不同，计算公式亦不相同。 1）利用裂缝流动模拟装置求取De24 对裂缝流动实验。假定n与C无关。且假定在恒温、恒压、壁面无滤失情 况下进行稳定流动反应试验，井认为酸沿裂缝的粘性层流为柱塞流+即用平均流 速U (常量)代替流速U(y)，可得x方向任一断面上的平均酸浓
6、度： ( ) () () 2 0 e 2 12 0 22 WU D 12 18 xC 2xZ e nZ n n + = + = （2-13） 由于裂缝出口处(x=L)酸浓度C可直接测量，故上式可改写为： ( ) () () = + + = 0n S12 2 0 2 12 18 C LC n e n （2-14） 其中： e 2 a 2 D L S w = （2-15） 式中：( ) 0 C/LC缝出口酸浓度与初始酸液浓度的比值，无因次； n傅氏级数展开式中项数； S无因次参数团； L裂缝长，cm2； va酸液的流速，cm/s(缝入口排量与缝高、宽之比)； w平行板缝宽，cm； DeH+有效扩散
7、系数，cm2/s。 由式(2-14)可以看出。S与( ) 0 C/LC之间存在一定的函数关系。为便于计 算运用计算机将( ) 0 C/LC与的对应值作成数据表，供处理实验数据时使用。而 进行裂缝流动模拟实验时。在恒温、恒压下，将酸液以稳定排量注入裂缝。每隔 一定时问在裂缝出口处取样。测定酸液浓度C和Ca2+的浓度。根据各时刻Ca2+ 计算出溶解的CaCO3体积， 然后求出各时刻裂缝的平均缝宽W， 再根据( ) 0 C/LC 值查( ) 0 C/LC与S的关系表，得出S。然后由式(2-15)即可求出De。但由于酸液 与两边进行反应时为不规则的刻蚀， 不能用单一的根据Ca2+的浓度来计算平均缝 宽
8、W，因此该方法的结果误差较大。 成都理工大学硕士学位论文 22 2）利用旋转圆盘假装置求取De21 利用旋转岩盘试验，可以测定De值。旋转岩盘试验时，高压釜体内的酸液 作三维流动。基于奈维一斯托克斯方程和连续性方程，求解定常条件下酸液旋转 流动反应时的对流扩散偏微分方程，可得到De的解析解为： () 2/3 12/16/1 e 6129. 1JCD t = （2-16） 式中：旋转角速度，s-1； Ct时间为t时酸液内部浓度，mol/L， v酸液平均运动粘度，cm2/s， J反应速率（即单位时间流过单位岩石面积的物质量） ，mol/(cm2s) 由上式可知，H+有效传质系数与旋转角速度有关，即
9、与酸液流态有关。 为了应用方便， 常作不同温度下的一系列DeRe关系曲线。Re称为旋转雷诺数， 由下式确定： /Re 2 R= （2-17） 式中：Re旋转雷诺数； R岩盘半径，cm。 此处将旋转角速度与酸液流态联系在一起是对普通酸液体系来说的， 但对 于高粘度酸液的酸液流态是否与旋转角速度有关，还没有做进一步的证明。而且 笔者研究发现，旋转圆盘上的高粘度酸液流态不均匀，沿半径方向上不相同，关 于高粘度酸液的流态研究本文将在第4章做进一步阐述。 2.2.3 酸液溶蚀行为研究酸液溶蚀行为研究 随着酸岩反应研究逐渐地精细化，微观化，酸岩反应后岩石表面的刻蚀形态 成为当今研究的一个重要方面，它取决于
10、酸液溶蚀储层岩石的方式和方法。酸液 溶蚀行为研究就是通过研究酸岩反应后岩石表面形态的变化分析不同酸液体系 针对不同地层岩石的溶蚀方式。 解释酸液刻蚀岩石表面形成酸蚀裂缝或连通孔隙 喉道扩大渗流面积的根本原因。酸液溶蚀行为是酸岩反应结果的体现，其主要受 酸液特征、岩石特征及酸液与岩石的接触方式三个因素影响。 （1）酸液特征 酸液的物理化学特征都是影响酸岩反应的内在因素。 酸液依靠其化学性质与 岩石表面矿物进行反应，同样其物理性质也影响着化学反应的进行。粘度在酸液 溶蚀行为中起了重要作用，有一定粘度的酸液可以降低酸岩反应速率，同时避免 了因酸液滤失造成的在岩石内部区域集中酸岩反应。 （2）岩石特征
11、 第 2 章 酸岩反应研究概述 23 岩石的特征也是酸岩反应的内在因素。 不仅仅是岩石矿物组成决定着酸液溶 蚀的行为， 多次试验表明在相同岩石矿物组成中的岩石孔隙度和渗透率的差异也 是影响酸液溶蚀行为的重要因素。同时岩石的润湿性也有很大影响。 （3）酸液与岩石的接触方式 酸液与岩石的接触方式在一定程度上可以反映为酸液在岩石表面的流动情 况。酸液流动情况直接影响的是H+的吸附过程，由于在酸液流动时，H+的自然 对流作用远小于强迫对流作用，因此在酸液流线集中的地方必然出现较多的H+ 吸附反应作用。由试验验证可以得知，在酸液流线集中处的岩石表面被溶蚀的 部分较多。 成都理工大学硕士学位论文 24 第
12、 3 章 常规酸岩反应模拟试验方法研究 第 3 章 常规酸岩反应模拟试验方法研究 在酸化设计中，为了研究酸岩反应机理、酸岩反应动力学及酸液的溶蚀行为 需要用酸岩反应模拟试验来进行分析和解释。 目前国内外酸岩反应模拟试验研究 方法主要有两类，第一类是静态反应模拟试验，第二类是动态反应模拟试验，主 要包括流动反应模拟试验、平行板模拟试验和旋转岩盘模拟试验。本章对目前国 内外常规的酸岩反应模拟试验方法进行了简述和分析对比， 找出了这些试验方法 各自的应用范围， 对常规酸岩模拟试验方法是否能够应用于高粘度酸液体系的测 定进行了相关分析和评价。 3.1 静态酸岩反应模拟试验方法静态酸岩反应模拟试验方法
13、静态酸岩反应模拟试验是在一定温度、压力条件下，将反应面积一定的岩石 放置在酸液中，测定酸液浓度随时间的变化，研究酸岩反应速度及其影响因素。 这种方法使用的装置极其简单，不但操作简便、迅速，而且适于使用通常试验所 用的小岩样、常用于酸岩反应定性分析。由于酸液相对于岩面在反应过程中为静 止状态，测定的酸岩反应速度完全受酸向岩面传递的速度控制，而与真实地层中 的酸岩反应过程差异较大， 因此该试验方法不能用做高粘度酸液的酸岩反应速度 的定量分析。相较而言，动态酸岩反应模拟试验方法能较真实地模拟地层中酸岩 反应的模拟情况，下文将重点对动态酸岩反应模拟试验的几种方法进行讨论。 3.2 动态酸岩反应模拟试验
14、方法动态酸岩反应模拟试验方法 3.2.1 流动反应模拟试验流动反应模拟试验 动态酸岩反应模拟试验方法中最先发展起来的是流动反应模拟试验， 考虑到 地层裂缝中酸液是在流动过程中与岩石进行反应，其H+传质方式受对流传递影 响，因此流动状态下的酸岩反应显然较静态酸岩反应更真实，但是流动酸岩反应 模拟试验对装置要求比静态的酸岩反应模拟试验要复杂得多， 而且是否能够真实 模拟地层裂缝酸液的流动状态成为了流动反应模拟试验成功的关键。 （1）试验设备组成）试验设备组成 环空流动酸岩反应模拟试验测定系统主要由驱替泵、储酸容器、油浴缸、酸 岩反应釜、过滤器和分离器组成。 空心流动酸岩反应模拟试验测定系统主要由驱
15、替泵、稳压舱、过滤嘴、储酸 容器、水浴缸、空心岩石测试单元、回压调节器、压力传感器和取样绕管组成。 第 3 章 常规酸岩反应模拟试验 25 （2）流程示意图）流程示意图 环空流动酸岩反应模拟实验流程示意图27，如图3-1所示。 图 3-1 图 3-1 环空流动酸岩反应模拟试验流程示意图（据 NA Mumallah,1991） 空心流动酸岩反应模拟实验流程示意图28，如图3-2所示。 图 3-2 图 3-2 空心流动酸岩反应模拟试验流程示意图(据 R.D.Gdanshi，1986) （3）操作过程）操作过程 成都理工大学硕士学位论文 26 环空流动酸岩反应模拟试验的操作流程是将岩心加工成直径为3
16、.81cm，长 15.24cm的岩心柱。将其放入反应釜中，反应釜垂直放置使液体从底部进入由上 部流出，将基液压入反应釜后用酸液以一定的速率驱替基液，使之与岩石表面发 生反应或改变酸液驱替速率，定时测定反应釜后酸液浓度变化。 空心流动酸岩反应模拟试验的操作流程是将岩心加工成直径为4.45cm，长 度为10.5cm的岩心柱，每个岩心只能使用一次，圆心处钻有直径约为0.94cm的 孔洞穿过柱体，将岩心装入岩心测试单元中，用回压调节器和压力传感器调节， 液体的径向压力降，一般保持在7MPa左右，待径向上酸液滤失速率稳定后，测 取轴向流上的残酸浓度和Ca2+含量。 然后不断地改变轴向流压和滤失速率测定其 参数变化。 （4）流动反应模拟实验的不适应性分析）流动反应模拟实验的不适应性分析 流动反应模拟试验与静态反应模拟试验不同， 试验设计使酸液流动与岩心发 生反应，模拟了现场施工时
