采油工程第7章酸处理技术.ppt

第七章 酸处理技术,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。,是油气井增产、注入井增注的一项有效技术手段,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。,酸洗,基质酸化,压裂酸化,第一节 碳酸盐岩地层的盐酸处理,碳酸盐岩储集层是重要的储集层之一，据统计，到目前为止，碳酸盐岩中的油气储量已超过世界油气总储量的一半，而产量已达到总产量的60%以上。,碳酸盐岩地层主要成分：方解石（CaCO3）和白云石（CaMg(CO3)2）。其中方解石的含量高于50%的称为石灰岩，白云石含量高于50%的称为白云岩。,碳酸盐岩的储集空间,孔隙,裂缝,孔隙性碳酸盐岩油气层,裂缝性碳酸盐岩油气层,孔隙-裂缝性碳酸盐岩油气层,碳酸盐岩油气层酸处理的目的：,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+CO2 4HCl+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。,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。,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时间内岩石单位反应面积的溶蚀量。,酸岩反应是复相反应。其特点是反应只在酸岩界面上进行。,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，反应物和生成物就会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,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,盐酸的优点是溶蚀能力强，价格较低，但其与碳酸盐岩反应速度快，活性酸的作用范围小。,酸液在压裂裂缝中流动，仅需要几分钟到十几分钟，酸的活性就基本消耗完，活性酸的穿入深度一般只有十几米，最多也就几十米，盐酸在微孔中的流动，一般仅几十秒，最多不过1-2分钟，酸的活性就基本耗尽。因而如何延缓盐酸在地层中的反应速度是酸化工作的重要课题。,(一)酸岩复相反应速度表达式,由上式表明，酸岩反应速度与酸岩系统的面容比、H+的传质系数和垂直于边界层方向的酸浓度梯度有关。,（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（与酸溶液内部的H+浓度成正比）,4、盐酸的质量分数,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,相同质量分数条件下，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。,图7-3 盐酸质量分数对反应速度的影响,（这是由于HCl的电离度下降幅度超过HCl分子数目的增加幅度所造成的。）因此在酸化处理时常使用高质量分数的盐酸。,（当新鲜酸液变成余酸时，由于在酸液中已经存在大量的生产物，使酸溶液中的Ca2+及Cl-的浓度增加，从而使盐酸的离解度降低，H+的浓度变低，反应速度下降）,浓盐酸的初始反应速度虽然较快，但其活性耗完时间与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一些，酸化增产效果比较好。,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、酸液粘度等都影响盐酸的反应速度。,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。,（碳酸盐岩的泥质含量越高，反应速度相对较慢。碳酸盐岩油层面上粘有油膜，可减慢酸岩反应速度。增大酸液粘度如稠化盐酸，由于限制了H+传质速度，也可使反应速度减慢。）,第二节 酸化压裂技术,酸化压裂：,用酸液作为压裂液实施不加支撑剂的压裂,酸压过程中一方面靠水力作用形成裂缝，另一方面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。（都是为了产生有足够长度和导流能力的裂缝，减少油气水渗流阻力）,不同点：实现其导流性的方式不同。前者适用碳酸盐岩地层。后者适用于砂岩地层。,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,压裂液的滤失系数CI公式,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。(主要用于低温井50以上),大颗粒能够桥塞大的孔隙；而亲油的树脂形成更小的颗粒，变形后堵塞大颗粒的孔隙，从而有效地降低酸液的滤失。,粒径大小不等的油溶树脂混合物（最有效的降滤失剂）：,(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。,使用一定粘度的液体作为酸压的前置液，是国内外常用的降滤失方法。,所用的前置液一般为交联的植物粉（如瓜尔胶）溶液，也就是常用的压裂液，成胶剂质量浓度为4.8-9.6kg/m3，交联剂根据地层情况来定，以保证交联液的热稳定性和破胶性。,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的滤失。,(4)乳化酸和泡沫酸,(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。,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 注入速率对酸穿透距离影响,增加注入速率，可以增加石灰岩和白云岩地层中酸压的穿透距离，而且在白云岩地层中的穿透距离比在石灰岩中大，这是因为盐酸与白云岩的反应速度比石灰岩慢。,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,图7-8 温度及酸浓度与酸穿透距离关系,温度增加，穿透距离减小 浓度增加，穿透距离增加,酸压裂缝的有效长度将主要受酸岩反应速度的影响。控制反应速度最普遍和有效的方法是使用前置液酸压，前置液既可以降低地层温度，也可以形成较宽的裂缝，还可以促进裂缝内酸液的粘性指进。,在酸液中加入诸如烷基磺酸、烷基磷酸或烷基胺之类的阻滞剂（缓速剂），也可以降低酸岩反应速度。缓速剂在碳酸盐岩表面形成亲油的膜，减少了酸与岩石的接触机会。,采用乳化酸也可以延缓酸岩反应速度，用煤油或柴油作外相，一定浓度的盐酸作内相，通过表面活性剂的阻滞作用，使碳酸盐岩表面变成强亲油，达到降低反应速度的目的。,另外，使用乙酸和甲酸、胶化酸、泡沫酸等也可以减缓酸岩反应速度，起到降低酸液滤失的作用。,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；使酸岩在高压釜内静止反应；定时测量酸浓度和岩石溶蚀量，作酸压反应速度随时间的变化曲线。,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t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H+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方向任一横断面上的平均酸浓度为：,令x=L，则,4.H+有效传质系数曲线图,图7-12 H+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DH+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H+有效传质系数与流动雷诺数关系曲线，其它油气田的试验结果只能作为参考。,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,由于有指进现象，进入裂缝的酸液大约只与裂缝的30%-60%的表面接触。由于减少了接触面积，一方面降低了漏失量，另一方面又减缓了酸液反应速度。因此，能用较少的酸量造成较长的有效裂缝。,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。,砂岩的油气储集空间和渗流通道就是砂粒与砂粒之间未被胶结物完全充填的孔隙。,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,一般地，砂岩油气层骨架由硅酸盐颗粒、石英、长石、燧石及云母构成，骨架是原先沉积的砂粒，在原生孔隙空间沉淀的次生矿物是颗粒胶结物及自生粘土，这意味着岩石初期形成后，粘土即沉淀于孔隙空间，这些新沉淀的粘土以孔隙镶嵌或孔隙填充形式出现。,表7-1表示砂岩矿物的表面积及溶解度。,表7-2表示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,酸液浓度高，CaF2处于溶解状态；酸液浓度低，产生沉淀。,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。因此在酸处理过程中，应先将地层水顶替走，避免与氢氟酸接触，处理时一般用盐酸作为预冲洗液来实现这一目的。,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。,盐酸和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，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。,冲洗液量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。,根据公式计算。,（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HF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。（使氢氟酸在地层深处形成）,（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)。,（4）国外采用互溶剂土酸处理等技术提高酸化效果。,（3）使用替换酸，如氟硼酸。,第四节,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化处理范围。,(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