碳酸盐岩储层深度酸化的酸液体系实验研究

罗 雄 焦国盈 孟 伟 高义评 解修权

(重庆科技学院， 重庆 401331)

碳酸盐岩储层的压裂酸化常用的酸液体系为盐酸体系。盐酸与碳酸盐岩的反应速度很快。为了降低盐酸与近井地带地层岩石的反应速度、提高远井地带酸蚀长度，常用的方法是在酸液中加入适量胶凝剂，延长酸岩反应时间，增加活性酸的穿透深度，增强酸化对远井地带的酸蚀效果[1]。川深1井钻遇的寒武系龙王庙组、仙女洞组及震旦系灯影组，岩心分析表明，其主要成分为碳酸盐岩。在压裂酸化设计阶段，需要了解川深1井储层岩石的酸岩反应特性。为此，针对川深1井的岩样进行了酸岩反应实验，希望能够为川深1井的压裂酸化施工供基础数据。

1 实验设备及有关参数

1.1 实验设备

此次实验使用到的设备，除了常规的岩心取芯、切割、磨片装置外，主要还有：酸岩反应参数测定仪，用于测试酸岩反应动力学参数、活化能和氢离子有效传质系数；页岩高温高压多功能驱替系统，用于模拟地层条件下的酸液、压裂液滤失实验及酸蚀裂缝导流能力测试；裂缝面激光扫描系统，用于酸蚀裂缝面扫描，表征酸蚀裂缝。

1.2 酸液体系

参考现场酸化施工中的酸液配方[2]，本次实验所用酸液，采用浓度为20%的工业盐酸，加入一定比例的缓速剂、胶凝剂、铁离子稳定剂及助排剂。酸液具体配方为：20%盐酸+5.5%缓蚀剂(液体 ∶固体=4 ∶1)+0.8%胶凝剂+1.0%铁离子稳定剂+1.0%助排剂。

2 实验方案

通过实验，测试计算溶蚀率、氢离子传质系数、酸液动态滤失系数、酸刻蚀效果及酸蚀裂缝导流能力。

2.1 测试溶蚀率

将一定量的岩粉与一定体积的酸液混合，放入数显恒温油浴锅中，使岩粉与过量酸液充分反应。待反应完成后，将反应残渣用滤纸过滤、烘干，称量反应前后的岩粉，计算岩粉溶蚀率。

Rc=(m1-m2)÷m1×100%

(1)

式中：Rc—— 岩粉溶蚀率，%；

m1—— 溶蚀前的岩粉量，g；

m2—— 溶蚀后的岩粉量，g。

2.2 测定氢离子传质系数

氢离子传质系数实验所用设备为酸岩反应参数

测定仪，流体压力设置为7 MPa，温度为80 ℃，旋转岩盘转速设置为500、800 rmin。

根据奈维-斯托克斯方程和连续性方程，求解定常条件下酸液旋转流动反应时的对流扩散偏微分方程[3-5]，可得酸岩反应时的De的解析解。

(2)

式中：De—— 氢离子有效传质系数，cm2s；

ν—— 酸液平均运动黏度，cm2s；

ω—— 岩盘旋转角速度，s-1；

Ct—— 时间为t时酸液内部浓度，molL；

J—— 反应速度，即单位时间流到岩石单位面积上的物流量，mol(s·cm2)；

V—— 参加反应的酸液体积，cm3；

S—— 岩盘反应表面积，cm2。

采用旋转岩盘试验装置，测定J、Ct、ν、ω，根据式(2)即可计算出氢离子有效传质系数。

2.3 测定酸液滤失系数

通过酸液动态滤失实验测定酸液滤失体积与滤失时间的关系，作累计滤失量和滤失时间平方根的关系曲线，计算滤失系数。

(3)

式中：C3—— 受滤饼控制的滤失系数，mmin0.5；

M—— 滤失曲线的斜率，mLmin0.5；

A—— 滤失面积，cm2。

2.4 测试裂缝形态变化

在实验室模拟酸液对地层的酸蚀情况。将圆柱形岩心切成两半，组装为人工裂缝，使一定流量的酸液流过裂缝，与壁面岩石反应，刻蚀裂缝。然后扫描裂缝面，观察裂缝形态。

2.5 测试裂缝导流能力

当测试液流过人工裂缝时，记录液体前后压差和液体流量，计算酸蚀裂缝导流能力。

(5)

式中：wkf—— 酸蚀裂缝导流能力，μm2·cm；

μ—— 液体黏度，mPa·s；

L—— 缝长，cm；

Δp—— 液体压差，Pa；

W—— 裂缝面宽度，cm。

3 实验结果与讨论

3.1 溶蚀率

溶蚀实验采用取自川深1井的岩心。对制成的岩心粉进行了4组溶蚀实验，实验结果如表1所示。

表1 溶蚀实验结果

4组溶蚀实验得到的溶蚀率最小值为94.7%，最大值为99.3%，平均值为96.83%。川深1井目的层的碳酸盐岩含量非常高，采用此配方的酸液体系，可取得良好的酸蚀效果。酸溶蚀后还存在4%左右的不溶物，是潜在的伤害物，应将其悬浮后带出地层，避免造成对地层的二次污染。

3.2 氢离子传质系数

采用川深1井龙王庙、仙女洞、灯影组(Z2dy4)的岩心制成实验岩样，实验测试氢离子传质系数。根据实验结果，计算得到的氢离子有效传质系数如表2所示。

表2 岩样的氢离子有效传质系数

在配方酸液作用下，岩样的氢离子有效传质系数较小，对远井地带的沟通能力较强。比较而言，在岩盘转速较低(500 rmin)时，各种岩样的氢离子有效传质系数都较大，说明这时的酸岩反应更强烈，对岩样的酸蚀作用更强。在低速条件下，碳酸盐岩更易与酸液反应，对氢离子消耗更多。在压裂酸化施工过程中应加大施工速率，避免酸液在井筒附近快速反应。

3.3 酸液动态滤失系数

酸液动态滤失实验采用仙女洞组岩样，实验温度为80 ℃。动态滤失结果如图1所示。根据酸液动态滤失曲线，求得斜率M=0.328 mLmin0.5，滤失面积A=4.956 cm2。计算求得滤失系数C3=3.31×10-4mmin0.5。

图1 酸液动态滤失曲线

对龙王庙组的岩心进行酸刻蚀实验。酸刻蚀前后裂缝面的形态如图2所示。龙王庙组的岩心物质含量大致相同，岩心整体刻蚀相对均匀，刻蚀深度大部分在0.8～1.4 mm，酸蚀深度最深达1.9 mm。酸液出口端的刻蚀程度比进口端的刻蚀程度高，说明该配方酸液缓蚀效果较好，对岩心刻蚀效果很好。

图2 实验岩心的裂缝面形态

对龙王庙、仙女洞、Z2dy4组的岩心进行酸蚀裂缝导流能力实验。实验中，闭合压力按照5、10、15、20、25、30、35 MPa的顺序逐渐增加。测试结果如图3所示。

随着闭合压力的增加，各储层岩心裂缝的导流能力都呈下降趋势。其中，龙王庙组岩心裂缝导流能力下降趋势缓慢；仙女洞、Z2dy4组岩心裂缝在酸液作用后导流能力快速下降，在闭合压力达到35 MPa左右时其导流能力最低。

图3 岩心酸蚀裂缝的导流能力

4 结论及建议

利用酸岩反应参数测定仪、页岩高温高压多功能驱替系统、裂缝面激光扫描系统等设备，针对川深1 井的碳酸盐岩储层岩心，配制酸液体系进行了酸岩反应实验。

实验结果表明，所配制的含胶凝剂的酸液体系，对碳酸盐岩的溶蚀效果较好，溶蚀率可达96%。酸液动态滤失系数为3.31×10-4mmin0.5。在低速条件下，碳酸盐岩更易与酸液反应，对氢离子消耗更多。因此，在施工过程中应加大施工排量，避免酸液在井筒附近快速反应。

在酸岩反应过程中，岩心整体刻蚀相对均匀，刻蚀深度大部分在0.8～1.4 mm。酸蚀深度最深达1.9 mm，而酸液出口端比进口端刻蚀程度高，这说明配制的酸液体系对岩心具有缓蚀作用，刻蚀效果较好。另外，酸蚀裂缝的导流能力会随着闭合压力的升高而下降，在闭合压力为35 MPa左右，裂缝的有效导流能力降到相对最低水平。