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。
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。
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。
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。
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)。
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
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:
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:
(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。
(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。
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