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1、第七章 酸处理技术,主要内容：,1、碳酸盐岩地层盐酸处理,2、酸化压裂技术,3、砂岩油气层的土酸处理,4、酸液及添加剂,5、酸处理工艺,酸化原理：,通过酸液对岩石胶结物或地层孔隙(裂缝)内堵塞物等的溶解和溶蚀作用，恢复或提高地层孔隙和裂缝的渗透性。,酸 洗,基质酸化,压裂酸化,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。,在低于岩石破裂压力下将酸注入地层，依靠酸液的溶蚀作用恢复或提高井筒附近较大范围内油层的渗透性。,在高于岩石破裂压力下将酸注入地层，在地层内形成裂缝，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。,第一节 碳酸盐岩地层的盐酸处理,碳酸
2、盐岩地层主要成分：方解石和白云石,目的：,解除孔隙、裂缝中的堵塞物质，或扩大沟通油气岩层原有的孔隙和裂缝，提高油气层的渗流性,一、盐酸与碳酸盐岩的化学反应,2HCl+CaCO3CaCl2+H2O+CO24HCl+MgCa(CO3)2CaCl2+MgCl2+2H2O+2CO2,生成物状态：氯化钙、氯化镁全部溶于残酸中。二氧化碳气体大部分呈游离状态的微小气泡，分散在残酸溶液中，有助于残酸溶液从油气层中排出。,图7-1 酸岩反应系统示意图,酸液中的H+传递到碳酸盐岩表面；,H+在岩面与碳酸盐进行反应；,反应生成物Ca2+、Mg2+和CO2气泡离开岩面。,酸岩反应速度：,指单位时间内酸浓度降低值或单位
3、时间内岩石单位反应面积的溶蚀量。,酸岩复相反应过程：,图7-2 扩散边界层的浓度分布,溶液内部：没有离子浓度差,边界层内部：存在离子浓度差,由于边界层内存在离子浓度差，反应物和生成物在各自的离子浓度梯度作用下向相反的方向传递。这种由于离子浓度差而产生的离子移动，称为离子的扩散作用。,酸液中H+的传递方式：,对流和扩散,H+的传质速度：,H+透过边界层达到岩面的速度。,影响反应速度因素：,H+传质速度、H+反应速度和生成物离开岩面速度,二、影响酸岩反应速度的因素,(一)酸岩复相反应速度表达式,根据菲克定律，导出表示酸岩反应速度和扩散边界层内离子浓度梯度的关系式：,面容比：,岩石反应表面积与酸液体
4、积之比,（二）影响酸岩复相反应速度的因素分析,1、面容比,面容比越大，反应速度也越快,2、酸液的流速,酸液流动速度增加，反应速度加快,3、酸液的类型,强酸反应速度快，弱酸反应速度慢,4、盐酸的质量分数,图7-3 盐酸质量分数对反应速度的影响,盐酸浓度增加，反应速度增加,盐酸浓度过高，反应速度反而降低,相同浓度条件下，初始浓度越大，余酸的反应速度越慢，因此浓酸的反应时间长，有效作用范围越大,高浓度盐酸处理的优点：,(1)浓度越高，其溶蚀能力越强，溶解一定体积的碳酸盐岩石所需要的浓酸体积较少，残酸溶液也较少，易于从油、气层中排出。,(2)能解决酸化中的腐蚀问题，可获得较好的酸化效果。,(3)高浓度
5、盐酸活性耗完时间相对长，酸液渗入油气层的深度也较大，酸化效果好。,5、温度,温度升高，H+热运动加剧，传质速度加快，酸岩反应速度加快,图7-4 温度对反应速度的影响,6、压力,压力增加，反应速度减慢,图7-5 压力对反应速度的影响,7、其它因素,岩石的化学组分、物理化学性质、酸液粘度等,提高酸化效果的措施：,降低面容比,提高酸液流速,使用稠化盐酸、高浓度盐酸和多组分酸，以及降低井底温度等。,第二节 酸化压裂技术,酸化压裂：,用酸液作为压裂液，不加支撑剂的压裂。,作用原理：,(1)靠水力作用形成裂缝；,(2)靠酸液的溶蚀作用把裂缝的壁面溶蚀成凹凸不平的表面，停泵卸压后，裂缝壁面不能完全闭合，具有
6、较高的导流能力，可达到提高地层渗透性的目的。,酸压与水力压裂相比：,相同点：基本原理和目的相同。,不同点：实现其导流性的方式不同。,裂缝有效长度,导流能力,酸液的滤失特性,取决于酸液对地层岩石矿物的溶解量以及不均匀刻蚀的程度,酸压效果,酸岩反应速度,裂缝内的流速控制,一、酸液的滤失,滤失主要受酸液的粘度控制,用压裂液的滤失系数CI公式计算,控制酸液的滤失常用的方法和措施,(1)固相防滤失剂,硅粉：添满或桥塞酸蚀孔道和天然裂缝。,刺梧桐胶质：在酸中膨胀并形成鼓起的小颗粒，在裂缝壁面形成桥塞，阻止酸蚀孔道的发展，降低滤失面积。,大颗粒桥塞大的孔隙；亲油的树脂形成更小的颗粒，变形后堵塞大颗粒的孔隙，
7、从而有效地降低酸液的滤失。,粒径大小不等的油溶树脂：,(2)前置液酸压,优点：,(1)采用前置液破裂地层形成裂缝，并在裂缝壁面形成滤饼，可以降低活性酸的滤失；,(2)冷却井筒和地层，减缓酸液对油管的腐蚀，降低酸岩反应速度，增大酸液有效作用距离。,(3)胶化酸,以某些表面活性剂作酸液的稠化剂，能够形成类似于链状结构的胶束稠化酸。,优点：,(1)受剪切后胶束链能很快重新形成,稳定性好；,(2)粘度大,在形成废酸前能有效地防止酸液滤失。,(4)乳化酸和泡沫酸,二、酸液的损耗,影响酸沿碳酸盐岩地层裂缝行进距离的因素：,酸液的类型、酸液浓度、注入速度、地层温度、裂缝宽度及地层矿物成分等,图7-6 注入速
8、率对酸穿透距离影响,注入速率增加，穿透距离增加,图7-8 温度及酸浓度与酸穿透距离关系,图7-7 裂缝宽度对酸穿透距离影响,裂缝宽度增加，穿透距离增加,温度增加，穿透距离减小,浓度增加，穿透距离增加,三、酸岩复相反应有效作用距离,残酸：,当酸浓度降低到一定浓度时，酸液基本上失去溶蚀能力。,活性酸的有效作用距离：,酸液由活性酸变为残酸之前所流经裂缝的距离。,裂缝的有效长度：,酸液由活性酸变为残酸之前所流经裂缝的距离。,(一)酸岩反应的室内试验方法简介,静态试验,动态试验,恒温、恒压、恒面容比；静止反应；定时测量酸浓度和岩石溶蚀量,流动模拟试验,动力模拟试验,模拟酸液在地下流动反应的情况,岩心转动
9、而酸液静止，利用相似模拟处理方法,(二)裂缝中酸浓度的分布规律,研究方法,数学模拟,求出裂缝中酸浓度分布的数学规律,物理模拟,确定H+传质系数DH+,1.酸液在裂缝中流动反应的偏微分方程,基本假设：,恒温恒压下，酸沿裂缝呈稳定层流状态；,酸液为不可压缩液体；,酸密度均一；,传质系数与浓度无关。,对流扩散偏微分方程：,2.酸浓度分布规律及计算图的应用,边界条件,裂缝入口端酸浓度为初始浓度C0,裂缝壁面处，对盐酸与石灰岩反应来说，表面反应速度与传质速度相比，可视为无限大，故壁面上的酸浓度C=0,裂缝中心位置且垂直于壁面的方向上，酸浓度梯度为零,图7-9 酸沿平板流动反应俯视示意图,图7-10 有滤
10、失情况下酸液有效作用距离计算图,图版应用方法：,方法一：（已知断面位置x）,1）根据物理参数计算皮克利特数NP,2）根据给定裂缝中任意断面的位置x，计算相应的无因次距离LD,3）利用计算图，两坐标位置的垂线相交，得到x位置的无因次酸浓度值，即任意断面位置x的酸浓度C值。,方法二：（已知C/C0）,根据皮克利特数NP,给定的C/C0值,利用图版查出相应的无因次距离LD;从而算出酸浓度降至预定的C/C0时,活性酸的有效作用距离x值。,破裂地层后某一时间时活性酸有效作用距离的步骤：,由滤失系数C计算酸液平均滤失速度；,计算时间t时的动态裂缝尺寸（长度L及平均缝宽W）；,根据排量Q、油层有效厚度h及缝
11、宽W求裂缝入口端平均流速u0；,根据H+有效传质系数求皮克利特数NP；,根据图版查无因次距离数LD；,求酸液有效作用距离x。,3.确定有效传质系数的物理模拟原理,物理模型的简化,图7-11 无滤失情况下酸沿裂缝流动反应示意图,假设岩板不滤失,对流扩散微分方程,简化偏微分方程的解,用分离变量法和傅立叶级数,得到x方向任一横断面上平均酸浓度为,令x=L,4.有效传质系数曲线图,图7-12 有效传质系数与雷诺数关系曲线图,注意事项：,1）必须选用实际产层温度条件下的曲线；,2）岩性不同，传质系数值不同。因此各油气田应用本产层的岩心作流动模拟试验，作出有效传质系数与流动雷诺数关系曲线，其它油气田的试验
12、结果只能作为参考。,增加酸液有效作用距离的方法或措施：,(1)在地层中产生较宽的裂缝,(2)较低的氢离子有效传质系数,(3)采用较高的排量,(4)尽可能降低滤失速度,矿场措施：,(1)采用泡沫酸、乳化酸或胶化酸等以减少氢离子传质系数,(2)采用前置液酸压的方法以增加裂缝宽度,(3)适当提高排量及添加防滤失剂以增加有效酸液深入缝中的能力,四、前置液酸压设计方法,前置液酸压：,在酸压过程中，用高粘液体当作前置液，先把地层压开裂缝，然后再注入酸液的这样一种压裂工艺。,优点：,粘度高，滤失量小，可形成较宽、较长的裂缝,作用机理：,减少裂缝的面容比，从而降低酸液的反应速度，增大酸的有效作用距离,预先冷却
13、地层，岩石温度下降，起缓蚀作用,酸液在高粘液体中指进现象。,图7-15 酸液指进示意图,设计步骤：,(1)计算裂缝几何尺寸,(2)计算缝中酸液温度,(3)计算酸液有效作用距离,(4)计算酸压后裂缝导流能力,(5)计算增产比,简化计算方法：认为缝的几何尺寸由注入的前置液造成。,简化为在某一平均温度下的酸的反应。,用上一节的酸液有效作用距离计算方法。,先求出在壁面上均匀溶蚀的缝宽和缝的理论导流能力，再考虑裂缝在应力作用下的导流能力。,课本中(p314)用一例题说明了酸压的计算步骤(自学)。,第三节 砂岩油气层的土酸处理,砂岩,砂 粒,粒间胶结物,石英和长石,硅酸盐类(如粘土)和碳酸盐类物质,砂岩油
14、气层的酸处理,通过酸液溶解砂粒之间的胶结物和部分砂粒,或孔隙中的泥质堵塞物,或其它酸溶性堵塞物以恢复、提高井底附近地层的渗透率。,一、砂岩地层土酸处理原理,影响砂岩反应的因素,一是化学组成，二是表面积,表7-2 典型砂岩矿物的化学组成,酸化原理：,1)氢氟酸与硅酸盐类以及碳酸盐类反应时,其生成物中有气态物质和可溶性物质,也会生成不溶于残酸液的沉淀。,2HF+CaCO3=CaF2+CO2+H2O,16HF+CaAl2Si2O8=CaF2+2AlF3+2SiF4+8H2O,酸浓度高，CaF2处于溶解状态；酸浓度低，产生沉淀。所以在氢氟酸中加入盐酸，可以提高CaF2的溶解度，使CaF2处于溶解状态。
15、,氢氟酸与石英的反应：,6HF+SiO2=H2SiF6+2H2O,氟硅酸(H2SiF6)在水中可解离为H+和SiF62+；后者与Ca2+、Na+、K+、NH4+等离子相结合，生成的CaSiF6、(NH4)2SiF6易溶于水，而Na2SiF6及K2SiF6均为不溶物质，会堵塞地层。,2)氢氟酸与砂岩中各种成分的反应速度各不相同。,氢氟酸与碳酸盐的反应速度最快，其次是硅酸盐(粘土)，最慢是石英；盐酸与碳酸盐的反应速度比氢氟酸还要快，因此土酸中的盐酸成分可先把碳酸盐类溶解掉，从而能充分发挥氢氟酸溶蚀粘土和石英成分的作用。,二、土酸处理设计,1015的HCl及38的HF混合成的土酸,当泥质含量较高时，
16、氢氟酸浓度取上限，盐酸浓度取下限；当碳酸盐含量较高时，盐酸浓度取上限，氢氟酸浓度取下限。,逆土酸：氢氟酸浓度超过盐酸浓度(如6HF+3HCl)。,（一）土酸酸化设计步骤,1.确信处理井是由于油气层损害造成的低产或低注入量,2.选择适宜的处理液配方,3.确定注入压力或注入排量，以便在低于破裂压力下施工,4.确定处理液量,前置液(预冲洗液）,酸化液,替置液(后冲洗液),避免地层水与HF接触，防止HF与碳酸盐反应生成沉淀，以提高HF的酸化效果。,根据损害半径来确定,用经验方法确定,将正规处理酸液驱离井筒半径1215倍以外。,（二）提高土酸处理效果的方法,影响土酸处理效果的因素：,在高温油气层内由于H
17、F的急剧消耗，导致处理的范围很少；,土酸的高溶解能力可能局部破坏岩石的结构造成出砂；,反应后脱落下来的石英和粘土等颗粒随液流运移，堵塞地层。,提高酸处理效果的方法,（1）同时将氟化铵水溶液与有机脂(乙酸甲脂)注入地层，一定时间后有机脂水解生成有机酸(甲酸)，有机酸与氟化铵作用生成氢氟酸。,（2）利用粘土矿物的离子交换性质，在粘土颗粒上就地产生氢氟酸(自生土酸)。,（3）使用替换酸，如氟硼酸。,第四节 酸液及添加剂,一、常用酸液种类及性能,(一)盐酸,高浓度盐酸处理的优点,酸岩反应速度相对变慢，有效作用范围增大；,单位体积盐酸可产生较多的CO2，利于废酸的排出；,单位体积盐酸可产生较多氯化钙、氯
18、化镁，提高了废酸的粘度，控制了酸岩反应速度，并有利于悬浮、携带固体颗粒从地层中排出；,受到地层水稀释的影响较小。,主要缺点：,与石灰岩反应速度快，特别是高温深井，由于地层温度高，盐酸与地层作用太快，因而处理不到地层深部；,盐酸会使金属坑蚀成许多麻点斑痕，腐蚀严重；,H2S含量较高的井，盐酸处理易引起钢材的氢脆断裂。,(二)甲酸和乙酸,优点,有机弱酸，反应速度比同浓度的盐酸要慢几倍到十几倍，适用于高温深井。,(三)多组分酸,多组分酸是一种或几种有机酸与盐酸的混合物,主要起缓速作用,可以得到较大的有效酸处理范围。,(四)乳化酸,乳化酸即为油包酸型乳状液，其外相为原油。,要求：,在地面条件下稳定(不
19、易破乳)和在地层条件下不稳定(能破乳)。,主要作用（或优点）,粘度较高，能形成较宽的裂缝，减少裂缝的面容比，有利于延缓酸岩的反应速度。,酸滴不会立即与岩石接触，油酸乳状液可把活性酸携带到油气层深部，扩大了酸处理的范围。,酸液并不与井下金属设备直接接触，可很好地解决防腐问题。,主要缺点,摩阻较大，施工注入排量受到限制,(五)稠化酸,指在盐酸中加入增稠剂(或称胶凝剂)，使酸液粘度增加。,主要作用,降低氢离子向岩石壁面的传递速度；,由于胶凝剂的网状分子结构，束缚了氢离子的活动，从而起到缓速的作用。,主要优点,能压成宽裂缝、滤失量小、摩阻低、悬浮固体微粒的性能好等特性。,(六)泡沫酸,用少量泡沫剂将气
20、体(一般用氮气)分散于酸液中所制成。,主要优点,由于滤失量低而相对增加了酸液的溶蚀能力；,排液能力大，减少了对油气层的损害；,粘度高，在排液中可携带出对导流能力有害的微粒。,(七)土酸,泥质含量高，碳酸盐岩含量少，油井泥浆堵塞较为严重而泥饼中碳酸盐含量又较低的油井。,适用范围,二、酸液添加剂,(一)缓蚀剂,主要作用,减缓局部的电池的腐蚀,作用机理,抑制阴极腐蚀；,抑制阳极腐蚀；,在金属表面形成一层保护膜。,(二)表面活性剂,主要作用,可以降低酸液的表面张力；,减少注酸和排出残酸时的毛细管阻力；,防止在地层中形成油水乳状物,便于残酸的排出。,(三)稳定剂,主要作用,防止氢氧化铁沉淀，避免发生地层
21、堵塞现象,(四)增粘剂和减阻剂,主要作用,延缓酸岩反应速度，增大活性酸的有效作用范围,可使稠化酸的摩阻损失低于水的摩阻损失。,(五)暂时堵塞剂,主要作用,堵塞高渗透层段孔道，溶蚀低渗透层段。,第五节 酸处理工艺,酸处理效果影响因素,井层选择、酸化技术选择、酸化工艺参数选择及施工质量等。,一、酸处理井层的选择,应优先选择在钻井过程中油气显示好、而试油效果差的井层。,应优先选择邻井高产而本井低产的井层。,对于多产层的井，一般应进行选择性(分层)处理，首先处理低渗透地层。对于生产历史较长的老井，应临时堵塞开采程度高、油藏压力已衰减的层位，选择处理开采程度低的层位。,靠近油气或油水边界的井，或存在气水
22、夹层的井，一般只进行常规酸化，不宜进行酸压。,对套管破裂变形，管外串槽等井况不适宜酸处理的井，应先进行修复，待井况改善后再处理。,二、酸处理方式,分类,常规酸化(又称孔隙酸化)与酸压,(1)常规酸化：,在低于地层破裂压力、不压开裂缝的情况下，把酸液挤入地层的一种酸处理方式。,主要作用,解除井底附近地层的堵塞,主要缺点,面容比很大，酸岩反应速度很快，酸的有效作用范围很小。不适用于堵塞范围较大的油气层以及对于低产油井。,(2)酸压：,在高于地层破裂下进行的一种酸化作业工艺。,一般应用于碳酸盐岩地层，其核心问题是提高酸液的有效作用距离和裂缝的导流能力,三、酸处理井的排液,剩余压力(井底压力)大于井筒液柱压力,自喷方式,剩余压力(井底压力)小于井筒液柱压力,人工排液法,人工排液法,以降低液柱高度或密度的抽汲、气举法,以助喷为主的增注液体二氧化碳或液氮法,(结),
