羅 雄 焦國(guó)盈 孟 偉 高義評(píng) 解修權(quán)

(重慶科技學(xué)院， 重慶 401331)

碳酸鹽巖儲(chǔ)層的壓裂酸化常用的酸液體系為鹽酸體系。鹽酸與碳酸鹽巖的反應(yīng)速度很快。為了降低鹽酸與近井地帶地層巖石的反應(yīng)速度、提高遠(yuǎn)井地帶酸蝕長(zhǎng)度，常用的方法是在酸液中加入適量膠凝劑，延長(zhǎng)酸巖反應(yīng)時(shí)間，增加活性酸的穿透深度，增強(qiáng)酸化對(duì)遠(yuǎn)井地帶的酸蝕效果[1]。川深1井鉆遇的寒武系龍王廟組、仙女洞組及震旦系燈影組，巖心分析表明，其主要成分為碳酸鹽巖。在壓裂酸化設(shè)計(jì)階段，需要了解川深1井儲(chǔ)層巖石的酸巖反應(yīng)特性。為此，針對(duì)川深1井的巖樣進(jìn)行了酸巖反應(yīng)實(shí)驗(yàn)，希望能夠?yàn)榇ㄉ?井的壓裂酸化施工供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及有關(guān)參數(shù)

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

此次實(shí)驗(yàn)使用到的設(shè)備，除了常規(guī)的巖心取芯、切割、磨片裝置外，主要還有：酸巖反應(yīng)參數(shù)測(cè)定儀，用于測(cè)試酸巖反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)、活化能和氫離子有效傳質(zhì)系數(shù)；頁(yè)巖高溫高壓多功能驅(qū)替系統(tǒng)，用于模擬地層條件下的酸液、壓裂液濾失實(shí)驗(yàn)及酸蝕裂縫導(dǎo)流能力測(cè)試；裂縫面激光掃描系統(tǒng)，用于酸蝕裂縫面掃描，表征酸蝕裂縫。

1.2 酸液體系

參考現(xiàn)場(chǎng)酸化施工中的酸液配方[2]，本次實(shí)驗(yàn)所用酸液，采用濃度為20%的工業(yè)鹽酸，加入一定比例的緩速劑、膠凝劑、鐵離子穩(wěn)定劑及助排劑。酸液具體配方為：20%鹽酸+5.5%緩蝕劑(液體 ∶固體=4 ∶1)+0.8%膠凝劑+1.0%鐵離子穩(wěn)定劑+1.0%助排劑。

2 實(shí)驗(yàn)方案

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，測(cè)試計(jì)算溶蝕率、氫離子傳質(zhì)系數(shù)、酸液動(dòng)態(tài)濾失系數(shù)、酸刻蝕效果及酸蝕裂縫導(dǎo)流能力。

2.1 測(cè)試溶蝕率

將一定量的巖粉與一定體積的酸液混合，放入數(shù)顯恒溫油浴鍋中，使巖粉與過(guò)量酸液充分反應(yīng)。待反應(yīng)完成后，將反應(yīng)殘?jiān)脼V紙過(guò)濾、烘干，稱量反應(yīng)前后的巖粉，計(jì)算巖粉溶蝕率。

Rc=(m1-m2)÷m1×100%

(1)

式中：Rc—— 巖粉溶蝕率，%；

m1—— 溶蝕前的巖粉量，g；

m2—— 溶蝕后的巖粉量，g。

2.2 測(cè)定氫離子傳質(zhì)系數(shù)

氫離子傳質(zhì)系數(shù)實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備為酸巖反應(yīng)參數(shù)

測(cè)定儀，流體壓力設(shè)置為7 MPa，溫度為80 ℃，旋轉(zhuǎn)巖盤(pán)轉(zhuǎn)速設(shè)置為500、800 rmin。

根據(jù)奈維-斯托克斯方程和連續(xù)性方程，求解定常條件下酸液旋轉(zhuǎn)流動(dòng)反應(yīng)時(shí)的對(duì)流擴(kuò)散偏微分方程[3-5]，可得酸巖反應(yīng)時(shí)的De的解析解。

(2)

式中：De—— 氫離子有效傳質(zhì)系數(shù)，cm2s；

ν—— 酸液平均運(yùn)動(dòng)黏度，cm2s；

ω—— 巖盤(pán)旋轉(zhuǎn)角速度，s-1；

Ct—— 時(shí)間為t時(shí)酸液內(nèi)部濃度，molL；

J—— 反應(yīng)速度，即單位時(shí)間流到巖石單位面積上的物流量，mol(s·cm2)；

V—— 參加反應(yīng)的酸液體積，cm3；

S—— 巖盤(pán)反應(yīng)表面積，cm2。

采用旋轉(zhuǎn)巖盤(pán)試驗(yàn)裝置，測(cè)定J、Ct、ν、ω，根據(jù)式(2)即可計(jì)算出氫離子有效傳質(zhì)系數(shù)。

2.3 測(cè)定酸液濾失系數(shù)

通過(guò)酸液動(dòng)態(tài)濾失實(shí)驗(yàn)測(cè)定酸液濾失體積與濾失時(shí)間的關(guān)系，作累計(jì)濾失量和濾失時(shí)間平方根的關(guān)系曲線，計(jì)算濾失系數(shù)。

(3)

式中：C3—— 受濾餅控制的濾失系數(shù)，mmin0.5；

M—— 濾失曲線的斜率，mLmin0.5；

A—— 濾失面積，cm2。

2.4 測(cè)試裂縫形態(tài)變化

在實(shí)驗(yàn)室模擬酸液對(duì)地層的酸蝕情況。將圓柱形巖心切成兩半，組裝為人工裂縫，使一定流量的酸液流過(guò)裂縫，與壁面巖石反應(yīng)，刻蝕裂縫。然后掃描裂縫面，觀察裂縫形態(tài)。

2.5 測(cè)試裂縫導(dǎo)流能力

當(dāng)測(cè)試液流過(guò)人工裂縫時(shí)，記錄液體前后壓差和液體流量，計(jì)算酸蝕裂縫導(dǎo)流能力。

(5)

式中：wkf—— 酸蝕裂縫導(dǎo)流能力，μm2·cm；

μ—— 液體黏度，mPa·s；

L—— 縫長(zhǎng)，cm；

Δp—— 液體壓差，Pa；

W—— 裂縫面寬度，cm。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 溶蝕率

溶蝕實(shí)驗(yàn)采用取自川深1井的巖心。對(duì)制成的巖心粉進(jìn)行了4組溶蝕實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 溶蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4組溶蝕實(shí)驗(yàn)得到的溶蝕率最小值為94.7%，最大值為99.3%，平均值為96.83%。川深1井目的層的碳酸鹽巖含量非常高，采用此配方的酸液體系，可取得良好的酸蝕效果。酸溶蝕后還存在4%左右的不溶物，是潛在的傷害物，應(yīng)將其懸浮后帶出地層，避免造成對(duì)地層的二次污染。

3.2 氫離子傳質(zhì)系數(shù)

采用川深1井龍王廟、仙女洞、燈影組(Z2dy4)的巖心制成實(shí)驗(yàn)巖樣，實(shí)驗(yàn)測(cè)試氫離子傳質(zhì)系數(shù)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算得到的氫離子有效傳質(zhì)系數(shù)如表2所示。

表2 巖樣的氫離子有效傳質(zhì)系數(shù)

在配方酸液作用下，巖樣的氫離子有效傳質(zhì)系數(shù)較小，對(duì)遠(yuǎn)井地帶的溝通能力較強(qiáng)。比較而言，在巖盤(pán)轉(zhuǎn)速較低(500 rmin)時(shí)，各種巖樣的氫離子有效傳質(zhì)系數(shù)都較大，說(shuō)明這時(shí)的酸巖反應(yīng)更強(qiáng)烈，對(duì)巖樣的酸蝕作用更強(qiáng)。在低速條件下，碳酸鹽巖更易與酸液反應(yīng)，對(duì)氫離子消耗更多。在壓裂酸化施工過(guò)程中應(yīng)加大施工速率，避免酸液在井筒附近快速反應(yīng)。

3.3 酸液動(dòng)態(tài)濾失系數(shù)

酸液動(dòng)態(tài)濾失實(shí)驗(yàn)采用仙女洞組巖樣，實(shí)驗(yàn)溫度為80 ℃。動(dòng)態(tài)濾失結(jié)果如圖1所示。根據(jù)酸液動(dòng)態(tài)濾失曲線，求得斜率M=0.328 mLmin0.5，濾失面積A=4.956 cm2。計(jì)算求得濾失系數(shù)C3=3.31×10-4mmin0.5。

圖1 酸液動(dòng)態(tài)濾失曲線

對(duì)龍王廟組的巖心進(jìn)行酸刻蝕實(shí)驗(yàn)。酸刻蝕前后裂縫面的形態(tài)如圖2所示。龍王廟組的巖心物質(zhì)含量大致相同，巖心整體刻蝕相對(duì)均勻，刻蝕深度大部分在0.8～1.4 mm，酸蝕深度最深達(dá)1.9 mm。酸液出口端的刻蝕程度比進(jìn)口端的刻蝕程度高，說(shuō)明該配方酸液緩蝕效果較好，對(duì)巖心刻蝕效果很好。

圖2 實(shí)驗(yàn)巖心的裂縫面形態(tài)

對(duì)龍王廟、仙女洞、Z2dy4組的巖心進(jìn)行酸蝕裂縫導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，閉合壓力按照5、10、15、20、25、30、35 MPa的順序逐漸增加。測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

隨著閉合壓力的增加，各儲(chǔ)層巖心裂縫的導(dǎo)流能力都呈下降趨勢(shì)。其中，龍王廟組巖心裂縫導(dǎo)流能力下降趨勢(shì)緩慢；仙女洞、Z2dy4組巖心裂縫在酸液作用后導(dǎo)流能力快速下降，在閉合壓力達(dá)到35 MPa左右時(shí)其導(dǎo)流能力最低。

圖3 巖心酸蝕裂縫的導(dǎo)流能力

4 結(jié)論及建議

利用酸巖反應(yīng)參數(shù)測(cè)定儀、頁(yè)巖高溫高壓多功能驅(qū)替系統(tǒng)、裂縫面激光掃描系統(tǒng)等設(shè)備，針對(duì)川深1 井的碳酸鹽巖儲(chǔ)層巖心，配制酸液體系進(jìn)行了酸巖反應(yīng)實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所配制的含膠凝劑的酸液體系，對(duì)碳酸鹽巖的溶蝕效果較好，溶蝕率可達(dá)96%。酸液動(dòng)態(tài)濾失系數(shù)為3.31×10-4mmin0.5。在低速條件下，碳酸鹽巖更易與酸液反應(yīng)，對(duì)氫離子消耗更多。因此，在施工過(guò)程中應(yīng)加大施工排量，避免酸液在井筒附近快速反應(yīng)。

在酸巖反應(yīng)過(guò)程中，巖心整體刻蝕相對(duì)均勻，刻蝕深度大部分在0.8～1.4 mm。酸蝕深度最深達(dá)1.9 mm，而酸液出口端比進(jìn)口端刻蝕程度高，這說(shuō)明配制的酸液體系對(duì)巖心具有緩蝕作用，刻蝕效果較好。另外，酸蝕裂縫的導(dǎo)流能力會(huì)隨著閉合壓力的升高而下降，在閉合壓力為35 MPa左右，裂縫的有效導(dǎo)流能力降到相對(duì)最低水平。