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      酸巖反應(yīng)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)影響因素研究

      2014-09-21 11:57:18劉平禮夏勝淼魏子超
      關(guān)鍵詞:反應(yīng)速度酸液傳質(zhì)

      咼 義 劉平禮 吳 雙 夏勝淼 魏子超

      (1.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610500;2.興隆臺(tái)區(qū)遼河油田興隆臺(tái)采油廠作業(yè)三區(qū),遼寧 盤錦 124010;3.中國石油吉林油田分公司新木采油廠,吉林 松原 138000)

      隨著石油勘探技術(shù)的進(jìn)步,越來越多的碳酸鹽巖儲(chǔ)層被開發(fā)。酸化酸壓可為碳酸鹽巖儲(chǔ)層的有效開發(fā)提供技術(shù)支撐。優(yōu)化酸化酸壓設(shè)計(jì)和酸液體系可提高增產(chǎn)的有效性。酸巖反應(yīng)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)可為酸化酸壓設(shè)計(jì)和酸液的優(yōu)選提供理論依據(jù)。在前人[1-5]對(duì)酸巖反應(yīng)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上,用Crsseries Corrison Reactor System儀器進(jìn)行酸巖反應(yīng)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn),找出不同因素對(duì)目標(biāo)儲(chǔ)層反應(yīng)的影響程度。

      1 酸巖反應(yīng)動(dòng)力學(xué)原理

      1.1 酸巖反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程的確定

      在一定溫度、壓力條件下,酸巖反應(yīng)速率與酸液濃度的m次方成正比[6]??杀硎緸?

      式中:J—反應(yīng)速率(即單位時(shí)間流過單位巖石面積物質(zhì)的量),mol(cm2·s)。

      式(1)兩邊取對(duì)數(shù)得:

      對(duì)式(2)作圖可求得K值,從而確定酸巖反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程。

      1.2 酸巖反應(yīng)活化能的確定

      溫度對(duì)酸巖反應(yīng)速率有很大影響,特別是深井高溫酸壓施工設(shè)計(jì)時(shí),常會(huì)用到不同溫度條件下的動(dòng)力參數(shù)。根據(jù)阿倫尼烏斯(Arrhenius)理論,由恒溫下的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程得到:

      式中:K —反應(yīng)速度常數(shù),(molL)-m·s-1;K0—頻率因子,(molL)-m·L(cm2·s);Ea—酸巖反應(yīng)活化能,kJmol;R —摩爾氣體常數(shù),kJ(mol·K);T—熱力學(xué)溫度,K。

      則式(1)可寫為:

      將式(4)兩邊取對(duì)數(shù)得:

      由式(5)可知在同一酸液濃度下,lgJ與1T成線性關(guān)系,運(yùn)用回歸或作圖處理,可求得酸巖反應(yīng)活化能。

      1.3 H+有效傳質(zhì)系數(shù)的計(jì)算

      在反應(yīng)釜中,酸液作三維流動(dòng)。基于奈維-斯托克斯方程和連續(xù)性方程,求解酸液旋轉(zhuǎn)流動(dòng)反應(yīng)時(shí)的對(duì)流擴(kuò)散偏微分方程,得到De的解析解為:

      式中:ω —旋轉(zhuǎn)角速度,s-1;Ct—t時(shí)刻酸液內(nèi)部濃度,molL;v —酸液平均運(yùn)動(dòng)黏度,cm2s。

      2 酸巖反應(yīng)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)

      2.1 酸巖反應(yīng)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)原理

      酸巖反應(yīng)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)是在一定條件下,讓酸液與巖芯反應(yīng),通過酸液反應(yīng)前后濃度的變化來測(cè)定反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程和酸巖反應(yīng)活化能,以及H+有效傳質(zhì)系數(shù)。

      2.2 酸巖反應(yīng)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

      實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如表1所示,通過改變酸液濃度、反應(yīng)溫度、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等單一條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。溫度根據(jù)目標(biāo)儲(chǔ)層的溫度設(shè)定。

      表1 酸巖反應(yīng)動(dòng)力學(xué)測(cè)試實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

      3 酸巖反應(yīng)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

      3.1 求取酸巖反應(yīng)速度方程

      反應(yīng)條件為壓力7 MPa,溫度100℃,轉(zhuǎn)速500 rmin,根據(jù)所測(cè)酸液類型進(jìn)行調(diào)整,根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪圖,得出了不同濃度下常規(guī)鹽酸、膠凝酸、自轉(zhuǎn)向酸與M油田白云巖反應(yīng)的速度。

      常規(guī)鹽酸酸巖反應(yīng)關(guān)系如圖1所示。

      圖1 常規(guī)鹽酸酸巖反應(yīng)關(guān)系圖

      由線性回歸曲線得到常規(guī)鹽酸的反應(yīng)速度方程為:

      同樣的方法得到膠凝酸的反應(yīng)速度方程為:

      自轉(zhuǎn)向酸的反應(yīng)速度方程為:

      3.2 求取反應(yīng)活化能

      將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪圖,得出了不同酸液類型(常規(guī)鹽酸、膠凝酸、自轉(zhuǎn)向酸)與M油田白云巖的反應(yīng)活化能。鹽酸反應(yīng)速度常數(shù)與溫度的關(guān)系曲線見圖2。

      圖2 鹽酸反應(yīng)速度常數(shù)與溫度的關(guān)系曲線

      由線性回歸曲線得到常規(guī)鹽酸與巖芯酸巖反應(yīng)活化能為:

      反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程:

      同樣得到膠凝酸的酸巖反應(yīng)活化能為:

      反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程為:

      自轉(zhuǎn)向酸的酸巖反應(yīng)活化能為:

      反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程為:

      3.3 求取H+有效傳質(zhì)系數(shù)

      (1)常規(guī)鹽酸體系

      常規(guī)鹽酸H+有效傳質(zhì)系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系曲線見圖3。

      圖3 常規(guī)鹽酸H+有效傳質(zhì)系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系曲線

      (2)膠凝酸體系

      膠凝酸H+有效傳質(zhì)系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系曲線見圖4。

      (3)自轉(zhuǎn)向酸體系

      自轉(zhuǎn)向酸H+有效傳質(zhì)系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系曲線見圖5。

      圖5 自轉(zhuǎn)向酸H+有效傳質(zhì)系數(shù)與旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)的關(guān)系曲線

      H+有效傳質(zhì)系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化過程中有個(gè)極小值,這是對(duì)流傳遞和擴(kuò)散傳遞綜合作用的結(jié)果,說明注酸速度有個(gè)最佳值,使酸巖反應(yīng)速度最小。常規(guī)鹽酸、膠凝酸和自轉(zhuǎn)向酸都有同樣的變化規(guī)律,只是出現(xiàn)的區(qū)間和大小不同。

      4 結(jié)論

      (1)在試驗(yàn)溫度為100℃,轉(zhuǎn)速為500 rmin時(shí),常規(guī)鹽酸、膠凝酸、自轉(zhuǎn)向酸的反應(yīng)級(jí)數(shù)分別為1.3191、0.7384、0.8695,說明常規(guī)鹽酸酸濃度的變化對(duì)反應(yīng)速度的影響最明顯,其次是自轉(zhuǎn)向酸、膠凝酸。

      (2)3種酸液體系活化能高低順序?yàn)?常規(guī)鹽酸<自轉(zhuǎn)向酸<膠凝酸,表明膠凝酸在3種酸中最難發(fā)生反應(yīng),緩速性能最好,自轉(zhuǎn)向酸其次,較鹽酸也具有一定緩速性能。

      (3)鹽酸的頻率因子最小,膠凝酸的最大。

      (4)在同一溫度下,隨轉(zhuǎn)速的增大,3種酸液體系H+有效傳質(zhì)系數(shù)都呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)。這表明存在一個(gè)最小傳質(zhì)系數(shù),此時(shí)系統(tǒng)的酸巖反應(yīng)速度最小,這是對(duì)流傳遞和擴(kuò)散傳遞綜合作用的結(jié)果,說明注酸速度有個(gè)最佳范圍使酸巖反應(yīng)速度最小。

      [1]鄺聃,李永明,曹軍.塔中I號(hào)氣田碳酸鹽巖儲(chǔ)層酸巖反應(yīng)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)[J].斷塊油氣田,2009,16(6):65-67.

      [2]童智燕.碳酸鹽巖自轉(zhuǎn)向酸酸巖反應(yīng)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究[J].石油化工應(yīng)用,2012,31(3):96-99.

      [3]張黎明,任書泉,陳冀嵋.用旋轉(zhuǎn)圓盤儀研究酸巖表面反應(yīng)動(dòng)力學(xué)[J].化學(xué)反應(yīng)工程與工藝,1996,12(3):138-246.

      [4]張磊,趙鳳蘭,舒俊峰,等.碳酸鹽巖油藏用新型乳化酸酸巖反應(yīng)研究[J].鉆井液與完井液,2013,30(1):63-65.

      [5]李瑩,盧淵,伊向藝,等.碳酸鹽巖儲(chǔ)層不同酸液體系酸巖反應(yīng)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2012,12(33):9010-9033.

      [6]李穎川.采油工程[M].北京:石油工業(yè)出版社,2002:266-276.

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