伊拉克油田巖心酸化反應動力學參數研究

王 貴，丁文剛，唐 婧，陳 凱，陳 軍

（中海油田服務股份有限公司油田生產研究院，天津 300459）

伊拉克X油田儲層巖石屬于含粉屑生物碎屑灰巖，巖石具顆粒結構，巖石主要成分為藻類化石、有孔蟲化石、粉屑及0.031 3 mm~0.003 9 mm微晶方解石，微晶方解石具重結晶現象，溶孔為不規則狀，少許鐵泥質、有機質不均勻污染狀分布，其中方解石含量高達95%以上，該儲層巖心氣測滲透率為0.1 mD~2.2 mD，最大孔喉半徑0.332 μm~9.348 μm，其中微裂縫、溶孔、溶洞較為豐富，具有酸化儲層改造措施物質基礎。

筆者通過使用TEMCO公司CRS-500-35旋轉巖盤實驗儀對伊拉克X油田天然巖心進行酸巖反應動力學實驗參數測定，通過對應速度常數、反應級數、H+有效傳質系數等動力學參數研究,定量描述酸巖反應過程不同時刻、不同溫度酸巖反應速度，確定酸的消耗時間及穿透距離，對酸壓設計優化和酸液體系優選具有重要的指導意義。

1 實驗部分

1.1 實驗儀器及藥品

實驗儀器：CRS-500-35旋轉巖盤實驗儀（TEMCO公司）。實驗材料：天然巖心（伊拉克X油田）、鹽酸（分析純）、氫氧化鈉（分析純）及酚酞指示劑等。

1.2 實驗方法

1.2.1 反應動力學常數K等參數確定 碳酸鹽巖油氣層，其主要礦物成分為碳酸鈣和碳酸鈣鎂。碳酸鹽巖油氣層通常用鹽酸酸化，其酸巖反應方程式為：

白云巖：

酸巖反應速度可用單位時間內酸液濃度降低值表示，根據質量作用定律：當溫度、壓力恒定時，化學反應速度與反應物濃度m次方的乘積成正比。由于酸巖反應為復相反應，巖石反應物濃度可視為定值。因此，酸巖反應速度可表示為：

式（3）中：J－反應速度，表示單位時間流到單位巖石面積上的物流量，mol/s·cm2；V－參加反應的酸液體積，L；S－巖盤反應表面積，cm2；K－反應速度常數，［（mol/L）-m·mol/s·cm2］；C－t時刻酸液內部酸濃度，mol/L；m－反應級數，無因次。

對J=KCm式兩邊取對數，得：

因此，用lgJ和lgC作圖得一直線，此直線斜率為m，截距為lgK，從而確定酸巖反應動力學方程[1]。

1.2.2 H+有效傳質系數確定 酸巖反應時，氫離子的傳遞是對流擴散過程，根據對流擴散偏微分方程，利用邊界條件求得其解析解為[2]：

式（5）中：De-H+有效傳質系數，cm2/s；μ-酸液平均運動黏度，cm2/s；ω-旋轉角速度，s-1；Ct-時間為 t時酸液內部濃度，mol/L。

1.2.3 酸巖反應活化能確定 根據阿倫尼烏斯（Arrhenius）理論，反應速度常數和溫度變化規律可表示為[3-5]：

將其代入J=KCm得：

其中：K0－頻率因子；Ea－反應活化能，kJ/mol；R－氣體常數，8.314 J/mol·K；T-絕對溫度，K。

對式（7）中 J=K0exp（-Ea/RT）Cm兩邊取自然對數可得：lnJ=ln（K0Cm）-（Ea/R）1/T。實驗中，使用同一濃度酸液在不同溫度下進行反應，得到不同溫度下的反應速度，在半對數坐標中繪制lnJ~1/T關系曲線，曲線為一直線，直線斜率為-（Ea/R），截距為 ln（K0Cm），用圖解法或用線性回歸分析法即可確定Ea、K0值。

使用15%HCl對直徑為2.54 cm的伊拉克X天然巖心進行酸巖反應實驗。酸巖反應為固液非均相反應，理論上反應速度與壓力無關，但是酸巖反應的生成物有CO2，低壓條件下CO2在巖心表面生成并逸出，影響酸巖反應速度。根據CO2溶解方程，當壓力大于7 MPa時，生成的CO2溶解在酸液中，酸巖反應成為固相液相反應，壓力變化對反應速率不再產生大的影響，因此實驗壓力選擇7 MPa。對于直徑為2.54 cm的巖盤，經計算轉速為500 r/min時，反應酸液的流動狀態與施工排量為4 m3/min時注入液的流動狀態相近，因此，實驗在測定反應動力學參數時，巖盤轉速設定為500 r/min。

2 結果與討論

2.1 實驗結果

使用CRS-500-35旋轉巖盤實驗儀，測試了15%鹽酸與該天然巖心90℃、120℃、140℃溫度下反應的相關參數，實驗結果（見表1，表2，表3）。

使用上述實驗方法，同時結合90℃、120℃及140℃的酸巖反應測試數據，對氫離子傳質系數、反應動力學方程及反應活化能進行計算，結果（見表4，表5）。

2.2 結果分析

H+有效傳質系數數據分析：通過實驗可看出，無論是90℃，還是120℃，或者是140℃，隨著酸巖反應時間不斷推進，氫離子有效傳質速率都是逐漸降低的，這是因為隨著酸巖反應的進行，巖石表面氫離子逐漸消耗，氫離子擴散至巖石表面需要一定時間，且有部分反應產物在巖石表面富集，影響了氫離子擴散速度；隨著溫度上升，氫離子有效傳質速率增加，尤其從120℃至140℃時，溫度對氫離子有效傳質速率影響更加顯著。

表1 90℃酸巖反應實驗結果Tab.1 The date of acid-rock reaction of 90℃

表2 120℃酸巖反應實驗結果Tab.2 The date of acid-rock reaction of 120℃

表3 140℃酸巖反應實驗結果Tab.3 The date of acid-rock reaction of 140℃

表4 H+有效傳質系數Tab.4 H+effective mass transfer coefficient

反應速率常數K分析：反應速率常數K其數值與反應物濃度或壓力無關，與溫度、反應介質和催化劑等因素有關，是體現反應速率快慢和反應發生難易程度的動力學參數，從以上數據可知，隨著溫度升高，反應速率常數不斷升高，反應速率加快。

表5 酸鹽反應動力學方程及反應活化能測試結果Tab.5 Acid reaction kinetic equation and reaction activation energy test results

反應級數m分析：反應級數m是反應速率方程中各反應物濃度項的指數代數和，其數值表示反應物濃度對反應速率的影響程度，從數據可知，隨著溫度升高，溫度對酸巖反應難易的影響程度逐漸增加，而濃度對酸巖反應難易影響程度逐漸變小。

反應活化能分析：反應活化能是指活化分子的平均能量與反應物分子的平均能量之差，其大小可以體現反應速度的快慢和反應發生的難易程度。由實驗結果可知15%鹽酸與本天然巖心的反應活化能Ea為4 361.7 J/mol。

3 結論

（1）無論是90℃，還是120℃，或者是140℃，隨著酸巖反應時間不斷推進，氫離子有效傳質速率都是逐漸降低的；隨著溫度升高，反應速率常數不斷升高，反應速率加快。

（2）隨著溫度升高，溫度對酸巖反應難易的影響程度逐漸增加，而濃度對酸巖反應難易影響程度逐漸變小；15%鹽酸與伊拉克X油田天然巖心的反應活化能為4 361.7 J/mol。