塔中北坡奧陶系碳酸鹽巖酸巖反應動力學實驗研究及應用

龍 武，李春月，劉宇凡，劉 洋，熊勇富，王 榮

（1中國石化西北油田分公司2中國石油川慶鉆探公司井下作業公司）

龍 武等.塔中北坡奧陶系碳酸鹽巖酸巖反應動力學實驗研究及應用.鉆采工藝，2019，42（5）：115-117

隨著石油勘探開發技術的不斷發展，酸化以及酸壓技術成為碳酸鹽巖油氣藏常用的增產改造技術［1-2］，酸巖反應動力學實驗作為其中重要組成部分，其結果能夠為優化工程設計和優選酸液體系提供參考和依據［3］。

塔中北坡奧陶系地層條件復雜、儲層傷害嚴重、縫洞系統堵塞，目前該區塊施工井大多需要進行儲層改造施工來提高單井產量，在以往施工中，通常會使用交聯酸或膠凝酸兩種改造液體系，但是對具體哪種酸與巖石反應速度更慢、具有更深穿透能力，還缺乏深入研究。因此利用旋轉巖盤實驗儀［4-5］測試了不同酸液體系與儲層巖心的酸巖反應速度方程、表面反應活化能、氫離子有效傳質系數，根據實驗類型，分別考慮了濃度、溫度、轉速對結果的影響。最終通過實驗獲得兩種酸液體系在不同條件下三種參數變化規律，并以該實驗結果指導單井儲層改造設計中液體的優選。

一、理論基礎

碳酸鹽巖的主要礦物成分為碳酸鈣與碳酸鎂鈣，改造施工所用酸液通常為鹽酸，其反應方程式分別為：

當酸液通過對流或擴散到巖石表面時，酸與巖石之間將發生反應。酸巖反應動力學模擬試驗是獲取酸巖反應動力學模式、模擬H+有效傳質規律等方面最直接和最有效的途徑［6］。

1.反應速率方程

當溫度、壓力恒定時化學反應速度與反應物濃度的適當次方的乘積成正比［7］，可表示為：

式中：J—酸巖反應速度（mol／L）／s；K—反應速度常數，（mol／L）1-m／s；C—酸液濃度，mol／L；m—反應級數。

對式（1）兩邊取對數得：

反應速度常數K和反應級數m在一定條件下為常數，其中反應級數可以反映酸濃度對反應速度的影響程度。對lg J和lg C進行線性回歸處理，求得m和K值，從而確定酸巖反應動力學方程。

2.反應活化能

酸巖反應活化能用以表征酸巖發生反應的難易程度，表示普通分子變成可參與反應的活化分子需要吸收的最低能量。在多數情況下，其定量規律可由阿倫尼烏斯公式［8］來描述：

式中：C—反應速度常數，（mol／L）-m／s；K0—頻率因子，（mol／L）-m·L／（cm2·s）；Ea—酸巖反應活化能，kJ／mol；R—摩爾氣體常數，kJ／mol；T—熱力學溫度，K。

式（3）可以寫成：

兩邊再取對數得到：

于是，在其它條件相同時，用同一濃度的酸液在不同溫度下進行旋轉巖盤反應實驗。可得到不同溫度下的反應速度。由于lg J與1／T為線性關系，運用回歸或作圖處理便可求出酸巖反應活化能Ea。

3.H+有效傳質系數

酸壓時，酸液沿裂縫流動反應，濃度逐漸降低，H+有效傳質系數De將發生變化［9］。利用旋轉巖盤可以測定De值。在進行實驗時，高壓釜體內的酸液將作三維流動。基于奈維-斯托克斯方程和連續性方程［10］，求解定常條件下酸液旋轉流動反應時的對流擴散偏微分方程，可得到De的解析解為：

式中：ω—旋轉角速度，s-1；Ct—時間為t時酸液內部濃度，mol／L；ν—酸液平均運動黏度，cm2／s；J—反應速率（即單位時間流過單位巖石面積的物質量），mol／（cm2·s）。

二、實驗方案

實驗選用從S井目的層奧陶系取出巖心，采用旋轉巖盤實驗儀，選擇交聯酸、膠凝酸兩種區塊內常用酸液體系進行酸巖反應動力學實驗，獲得酸巖反應動力學方程、酸巖表面反應活化能、氫離子有效傳質系數。

基本實驗條件為：壓力5 MPa，反應用酸液體積1 L，單次實驗時間10 min，巖心加工成直徑2.5 cm，長5 cm的標準巖心柱。總共設計了28組實驗。主要考慮酸液濃度、反應溫度、圓盤轉速等因素，具體實驗內容設計如表1所示。

表1 酸巖反應動力學實驗設計表

參與實驗的兩種酸液配方分別為：

膠凝酸：8%～20%HCl+2.0%膠凝劑+2.0%緩蝕劑+1.0%助排劑+1.0%破乳劑+1.0%鐵離子穩定劑+清水。

交聯酸：8%～20%HCl+2.0%交聯劑+2.0%緩蝕劑+1.0%助排劑+1.0%鐵離子穩定劑+1.0%稠化劑+清水。

三、實驗結果

1.兩種酸液反應速度方程確定

60℃下，兩種酸液不同濃度與反應速度對應關系見圖1。

圖1 交聯酸與膠凝酸濃度與酸-巖反應速度關系曲線

由線性回歸曲線求得，當60℃時，交聯酸的反應速率方程：

膠凝酸的反應速率方程為：

在相同溫度下，不同濃度酸液反應速度比較來看，交聯酸反應速度變化幅度比膠凝酸更小，同時交聯酸的反應級數（0.791 4）小于膠凝酸（0.835 3），反應級數能反映酸濃度對反應速度的影響程度，說明交聯酸濃度的變化對反應速度影響更小，具有更好的緩速性能。

2.酸巖反應活化能測定

在一定的酸液濃度（20%）和轉速（500 r／mim）下，測定不同溫度下（30℃～90℃）兩種酸液的酸巖反應速度見圖2。

圖2 交聯酸與膠凝酸反應速度常數與溫度的關系曲線

由線性回歸曲線得到：膠凝酸活化能Ea＝23.748 kJ／mol，Ko＝0.013 58，反應動力學方程為J＝0.013 58e-23748／RT×C0.8353。交聯酸活化能Ea＝30.341 kJ／mol，Ko＝0.108 41，反應動力學方程為J＝0.108 41e-30341／RTC0.7914。

由實驗結果可知，交聯酸反應活化能高于膠凝酸，實驗結果說明交聯酸分子變成可參與反應的活化分子需要吸收的能量更高，即交聯酸緩速性能更好。同時溫度對反應速率有較大影響。實際施工時，應針對不同目的層溫度參考相應溫度條件下酸巖反應參數，建立實際地層條件下反應動力學方程。

3.H+有效傳質系數測定

氫離子有效傳質系數也是儲層改造設計的重要參考因素。在實驗條件下，膠凝酸與交聯酸的H+有效傳質系數測定結果見圖3。

由圖3可知，溫度確定的情況下，隨著轉速增加，膠凝酸和交聯酸都的H+有效傳質系數都呈現先下降后上升的趨勢，只是出現區間和大小差異。實驗結果說明H+有效傳質系數有最低值，這是因為對流傳遞和擴散傳遞兩者綜合作用所產生的。同時，實驗結果說明可以根據施工情況，找出最佳注酸速度，使得酸巖反應速度最小。

四、現場應用情況

1.典型井施工情況

S1井井深7 950.06 m，目的層為奧陶系。該井產量逐日遞減，推測原因可能為儲層傷害嚴重導致裂縫通道被封堵。需要進行酸壓施工疏通現有滲流通道，恢復地層產能。

該井作為S井鄰井，目的層與實驗所取巖心所在井深位置相近，酸液需要解除地層傷害，因此根據實驗結果，選擇反應速度慢、深穿透能力強的交聯酸來解除地層深部傷害。

圖4 S1井酸壓施工曲線

S1井酸壓采用滑溜水+交聯酸施工工藝，施工最高泵壓92.5MPa，注酸期間排量范圍0.5～3.6m3／min，擠入地層總液量450 m3。由施工曲線可知，在第二次正擠地面交聯酸期間，排量穩定，泵壓曲線下降趨勢明顯。說明酸液解除近井傷害，溝通滲流通道。停泵測壓降15 min，泵壓14.5↓12.7 MPa，泵壓較低且壓降明顯，進一步說明達到酸壓施工目的見圖4。

2.施工前后求產情況對比

該井酸壓前采用直徑為5 mm的油嘴自噴生產。油壓25.2 MPa，日產油4.1 m3，日產氣238 m3，施工后采用直徑3.5 mm的油嘴自噴生產，油壓25.3 MPa，日產油104.44 m3，含水1.82%，日產氣4 653 m3，測試結論：油層。比較生產情況，酸壓后產量提升明顯，表明交聯酸有效發揮了緩速、深穿透的能力，成功溝通遠井滲流通道。

五、結論

（1）對比同溫度同轉速下，不同濃度各酸液體系反應速度可知，在相同條件下，交聯酸反應速度比膠凝酸更慢。在該條件下交聯酸反應級數小于膠凝酸，說明膠凝酸濃度變化對反應速度的影響比交聯酸更加明顯。

（2）交聯酸活化能高于膠凝酸，表明交聯酸比膠凝酸在地層中更難發生反應，擁有更好的緩速性能。

（3）在相同溫度下，隨著轉速增大，兩種酸液體系H+離子傳質系數都呈現先下降后上升的趨勢，表明存在一個最小傳質系數，此情況下酸巖反應速度最小，這說明注酸速度有個最佳范圍可以控制酸巖反應速度盡量慢。

（4）運用實驗結果指導鄰井S1酸壓設計，采用交聯酸進行深穿透，施工后獲得很好的增產效果，達到改造目的。現場應用成果表明可在塔中北坡奧陶系未來單井儲層改造施工中繼續使用交聯酸。