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1、第五章 酸 化 概述一酸化概念 酸化：利用酸液的溶蚀作用及向地层挤酸时的水利作用，解 除油气层堵塞，扩大和连通油层孔隙，恢复和提高油气层近井 地带的渗透率，从而提高采收率。 二酸处理的目的和作用1目的：油水井增产增注。2作用：解除生产井和注水井井底附近的污染，清除孔隙 或裂缝中的堵塞物质，或者沟通(扩大)地层原有孔隙或 裂缝，提高地层渗透率，从而实现增产增注。三酸化工艺类型 （一）酸洗 概念：将少量酸液注入井筒内，清除井筒孔眼中酸溶 性颗粒和钻屑及结垢等，并疏通射孔孔眼。主要用来 清除井筒表面或炮眼上沉积的酸溶性污垢。 （二）常规酸化（基质酸化） 概念：是在低于地层破裂压力条件下泵注酸液，依靠
2、 酸液的溶蚀作用解除近井地带的污染和堵塞，提高渗 透率。 （三）酸压（酸化压裂） 概念：是在高于底层破裂压力下将酸液注入地层，在 地层中形成裂缝，通过酸液对裂缝壁面物质的不均匀 溶蚀，形成高导流能力的裂缝。51 酸化增产增注原理一油 层 岩 石 的 类 型碳 酸 盐 岩砂 岩（1）主要矿物成分：方解石（CaCO3）、白云石CaMg(CO3)2 （2）储集空间：溶洞、裂缝、孔隙。（3）酸化目的：解除堵塞、扩大和沟通原有裂缝和孔隙，提高采收率 。其中： CaCO3含量 超过50%叫 石灰岩， CaMg(CO3)2 含量超过 50%叫白云 岩。（3）酸化目的：通过酸液溶解砂粒间的胶结物和部分砂粒，或
3、孔 隙中的泥质堵塞物及其它结垢物，以恢复提高井底附近地层的渗透率。主要由长石（如 NaAISi3O8 钠长石） 和石英（SiO2）组成。（1）主要矿物成分砂粒胶结物杂质主要由粘土（高岭石Al4(Si4O10)(HO)8、 伊利石、蒙脱石等）和碳酸盐矿物组成。主要由Fe3+ Fe2+的氧化物及盐类组成。 （2）储集空间：孔隙（毛细管）二酸化机理（一）碳酸盐岩酸化机理2碳酸盐岩地层的盐酸处理机理： 通过控制（或延缓）酸化速度，来解除孔隙、裂缝中的堵塞物 质，扩大沟通油气岩层原有的孔隙和裂缝，提高油气层渗透性 。 1）盐酸与碳酸盐岩的化学反应2HCl + CaCO3 CaCl2 + H2O + CO
4、24HCl + CaMg(CO3)2 CaCl2 + MgCI2 + 2H2O + 2CO2反应物：氯化钙、氯化镁全部溶于残酸中，二氧化碳气体小部 分溶解到地层液体中，大部分分散在残酸溶液中一起排出。盐酸的浓度越高，其溶蚀能力越强，但腐蚀也越厉害。解决了 腐蚀问题，使用高浓度盐酸酸化效果较好。酸化是盐酸被消耗 的过程，其进行的快慢可用酸岩反应速度表示。1酸液类型：盐酸HCL 其浓度由地层性质而定。酸岩反应是复相反应（复相：是指固液反应系统。）其 特点是反应只在酸岩界面上进行，反应的实质是酸液中的氢离 子与岩石矿物反应生成金属离子。如图51所示，其反应过程 可看成由以下三个步骤组成：反应生成物
5、CO2气泡离开岩面。（1）酸岩反应速度概念（2）酸岩反应过程2）酸岩反应速度酸液中的 传递到碳酸盐岩表面； 在岩面与碳酸盐岩进行反应；单位时间内酸浓度的降低值，单位 mol/L S 。或单位 时间内岩石单位反应面积的溶蚀量，单位 mg/ cm S 。图51 酸岩反应系统示意图 图52 扩散边界层的浓度分布H+ 在岩面上与碳酸盐岩的反应。特点：速度快，H+接触岩面 ，立刻完成。H+ 在岩面上反应后，就在接近岩面的液层里堆积 起生成物Ca2+、Mg2+和CO2气泡。岩面附近这一堆积 生成物的微薄液层，称为扩散边界层。边界层与溶 液内部的性质不同。溶液内部垂直于岩面的方向上 ，没有离子浓度差，边界层
6、内部垂直于岩面的方向 上存在离子浓度差。如图52所示。扩散边界层:表面反应:H+的传质速度：在酸岩反应中，H+ 透过边界层达 到岩面的速度。H+ 的传质速度与流动条件有密切关系 。在流动条件下酸岩反应时(H+扩散传质和对流传质) ，H+ 传质速度增快，酸岩反应也加快。 （3）传质速度结论：酸液中的H+ 是通过对流和扩散两种方式，透过边界 层传递到岩面的。自然对流作用：在离子交换过程中因密度差异而产生的自然 对流作用。 离子扩散作用：由于离子浓度差而产生的离子移动。由于在边界层内存 在着上述的离子浓度差，反应物和生成物就会在各自的离子 浓度梯度作用下，向相反的方向传递。3影响酸处理效果的因素（酸
7、岩反应速度）（1）面容比（2） 酸液的流速指单位体积酸液与所接触的岩石表面积之比。 当其它条件不变时，面容比越大，单位体积酸液中的H+ 传递到岩石表面的 数量就越多，反应速度也就越快。 酸岩的反应速度随酸液流动速度的增加而加快。原因：酸液流动可能会由 层流变为紊流，导致H+ 的传质速度显著增加，反应速度也相应增加。 随着酸液流速的增加，酸岩反应速度的增加小于流速的增加。原因：酸液来 不及反应完已经流人地层深处。因此，提高注酸排量可以增加活性酸的有效 作用范围。 酸岩的反应速度随酸液流动速度的增加而加快。（3）酸液的类型酸岩反应速度与酸溶液内部的H+ 浓度成正比，强酸反应速度快，弱酸反应 速度慢
8、。不同类型酸液，离解程度相差很大，离解的H+ 数量也相差很大。盐酸质量分数对反应速度的影响（4）盐酸的质量分数如图53所示。图中实线表示各种质量分数的 新鲜酸液的初始反应速度，如15的新鲜酸初 始反应速度为69mg(cm2s)，28的新鲜酸 初始反应速度为72mg(cm2s)。由酸反应曲线可看到：盐酸质量分数在24 25之前，随盐酸质量分数的增加，反应速度 也增加；之后，随盐酸质量分数的增加，反应 速度反而降低。原因（流动过程）：由于HCL电 离度下降幅度超过HCL分子数目增加的幅度所造 成的，因此在酸化处理时常使用高质量分数的 盐酸。相对而言，浓盐酸的初始反应速度虽然较快，但其活性耗完时间与
9、低质 量分数盐酸相比相对较长(如在相同条件下，28的盐酸活性耗完时间将比 15的盐酸高一倍以上)，浓盐酸活性耗完前穿入地层的深度相对远些，酸 化增产效果比较好。 （5）温度 温度升高，H+热运动加剧，H+传质速度加快，酸岩反应速度加快。 （6）压力 压力对反应速度的影响不大。 （二）砂岩酸化机理 1酸液类型：土酸：为HCL+HF的混合酸液 2砂岩岩层土酸处理机理 ： 1）土酸与碳酸盐矿物反应 （1）HCL： 盐酸和碳酸盐矿物反应 CaMg(CO3)2(白云石)+ 4HCLCaCL2+Mg CL2+ CO2+H2O 盐酸和铁质矿物反应：Fe2O3(三氧化二铁)+6HCL2FeCL3+3H2O砂岩
10、油层 酸化处理 时，为何 不能单独 用氢氟酸?CaCO3（方解石或石灰石）+2HCLCaCL2+CO2+H2OFeS（硫化亚铁）+2HCLFeCL2+H2S（2）HF（氢氟酸） 氢氟酸与碳酸盐类矿物反应： 上述反应中生成的CaF2、MgF2，当酸液浓度高时，处于溶解状 态；当酸液浓度降低后，即会沉淀。因此，酸液中依靠HCI将 酸液维持在较低(酸性）的pH值，以提高CaF2的溶解度。 HL有两个作用：CaMg(CO3)2+4HFCaF2+MgF2+2CO2+H2OCaCO3+2HFCaF2+ CO2+H2O一是首先同碳酸盐矿物和铁质反应，溶解碳酸盐和铁质。 二是平衡酸化过程中酸液的浓度，防止硅酸
11、盐二次沉淀。2）土酸与石英、硅酸盐类矿物反应： （1）氢氟酸与砂粒反应 SiO2（石英）+4HFSiF4+2H2O SiF4+2HFH2SiF6H+ + SiF6 NaALSi3O8(钠长石)+22HFNaF+ALF3+3H2SiF6+8H2O （2）氢氟酸与胶结物（粘土）反应 AL4(Si4O10)(HO)8（高岭石）+36HF4H2SiF6+4ALF3+18H2O反应生成的氟硅酸(H2SiF6)在水中可解离为 和SiF6 ，SiF6和地层水 中的 等离子相结合，生成的CaSiF6、(NH4)2SiF6易溶于 水，而生成的Na2SiF6及K2SiF6均为不溶物质，会堵塞地层。因此在酸处理过
12、程中，应先将地层水顶替走，避免与氢氟酸接触，一般用盐酸作为预冲洗液 来实现这一目的。综上所述，如果单独用氢氟酸处理沙岩油层，一是氢氟酸与地层中的碳酸 盐类矿物反映的生成物，在酸浓度较低时容易沉淀；二是如果单独用氢氟酸酸 化，酸浓度消耗在碳酸盐和铁质成分上，而达不到酸化砂岩的目的。依靠土酸 液中的盐酸成分溶蚀碳酸盐类物质，并维持酸液在较低的pH值，依靠氢氟酸成 分溶蚀泥质成分和部分石英颗粒，从而达到清除井壁的泥饼及地层中的粘土堵 塞，恢复和增加近井地带渗透率的目的。52 酸化工艺设计 一、酸化施工设计内容 1酸化施工设计目的 是在综合考虑储层及流体、工作液的性质和相互间物理化学作 用的基础上，计
13、算酸化的有效距离，优化方案，达到最好效果 和最大投入产出比。 2酸化施工设计书的内容（1）油水井基本数椐：酸化井基本数椐、酸化层位数椐、生产数椐。 （2）施工目的及依据 （3）施工参数的计算及方案优化结果：污染指数、酸化半经、施工压力 、 预测效果。 （4）工作液的配方及主要性能：主要成分及用量、溶蚀能力、腐蚀情况 。 （5）施工步骤 （6）施工准备及分工 （7）安全注意事项 （8）设备材料及施工费用预算 （9）附图 井下管柱图、设备摆放流程图二、基质酸化设计根据酸化井层段的岩石物性和储层特征、堵塞情况，室内实验 数据，选用合适的酸液、添加剂及其浓度；然后制定切实可行 的施工工艺，一般分为前置
14、液处理液顶替液，依次由 油管注入。其设计步骤如下： （一）碳酸盐岩基质酸化设计1.确定地层破裂梯度（1）按邻近井层资料确定。（2）按压裂施工瞬时关井压力估算：压压裂施工瞬时时关井压压力，kPaPh井筒内液柱压压力，kPa；地层破裂梯度，kPam；H 储储集层层深度，m。式中 （3）估算公式：式中 地层层破裂梯度，kPam；经验经验 系数，1012kPam；0上覆岩层压层压 力梯度，2428kPam； Ps储储集层压层压 力，kPa； H 储储集层层深度，m。2确定挤酸排量式中 Qmax不压开地层的最大排量，mmin；K地层平均渗透率，1/10；h油层有效厚度，m；re 油井的供油（泄油）边缘半
15、径，m；rw 井筒半径，m；酸液粘度，mPas。为安全起见，挤酸排量不高于0.9Qmax。3确定最大施工压力 (泵压) 以不压裂储集层为基本原则，注液初期可适当提高泵压。一旦注酸成功， 应降低排量以控制泵压。通常，最大注入压力按破裂压力与酸液静液柱压 力之差估计。 4确定酸液类型酸液类型应按储层岩性室内实验结果确定。 5确定酸液用量 一般为每米处理层用酸0.42.5m3。使用经验方法时，合理的用酸量应按 有效作用距离推算，一般为酸液穿透距离内地层孔隙体积的24倍。 6计算预计的增产量 7计算回报率 先计算完成施工应投入的资金总量净现值 (含设备、材料和施工费用)，并用 净现值方法折算增产油 (气) 实物量的收益净现值，从而计算出投资回报率 。一般情况下，以完成施工油井投产12年的增产量作为经济评价收益量。8优选施工方案 改变施工参数 (如酸液类型、浓度、排量和用酸量等)，重复57步的计算 ，得出不同施工参数的投资回报率，并可根据回报率优选出最佳施工方案。9按选出的最佳施工方案编写施工设计任务书（二）砂岩基质酸化设计13同“碳酸盐岩基质酸化设计步骤” 4确定酸液类型按储集层岩心的室内实验结果选择 配伍好的土酸、泥酸等酸液体系。 5确定酸液浓度及用量 1） 酸液浓度确定实际处理时，所用酸量、土酸液的成分主
