關于碳酸鹽巖基質酸化最優注酸速度的認識與思考

符揚洋，陳冀嵋，鄧 科，鄒 亮，屈 江

（1.油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室·西南石油大學，四川成都610500；2.中石油西南油氣田分公司川東北氣礦，四川達州635000）

關于碳酸鹽巖基質酸化最優注酸速度的認識與思考

符揚洋*1，陳冀嵋1，鄧 科2，鄒 亮2，屈 江2

（1.油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室·西南石油大學，四川成都610500；2.中石油西南油氣田分公司川東北氣礦，四川達州635000）

最優注酸速度的研究是研究碳酸鹽巖基質酸化的一個重要方向，以實驗和無因次模型為出發點調研了預測最優注酸速度的方法；預測最優注酸速度的常用實驗方法是線性巖芯流動實驗，由于巖芯尺寸和流態的影響，大尺度巖芯流動實驗和徑向巖芯流動實驗得到的最優注酸速度更為合理；巖芯流動實驗的不足使得使用通過巖芯流動實驗得到的最優注酸速度時需十分謹慎；調研了三個最優注酸速度的判別準則，并分析了它們的優缺點。

最優注酸速度；流動實驗；判別準則；碳酸鹽巖；基質酸化；蚓孔

基質酸化是碳酸鹽巖增產的常用手段。碳酸鹽巖基質酸化的關鍵在于形成有效穿通傷害帶的蚓孔，達到增產目的。在油田實際中，總是希望用最少量的酸液產生穿透傷害帶、使得表皮系數下降到一定負值的蚓孔。

研究發現酸液用量與注酸速度密切相關[1-2]，注酸速度較低時，蚓孔擴展速度由于酸的對流速度較慢而受阻，反之注酸速度較高時，蚓孔的延伸主要受反應速度限制。C.N.Fredd和M.J.Miller[3]通過線性巖芯流動實驗發現隨著注入鹽酸排量的增大，他們將酸蝕形態（圖1）分為端面溶蝕、錐形通道、主蚓孔、分枝型蚓孔、均勻溶蝕，主蚓孔酸蝕形態時對應的注酸速度為最優注酸速度。最優注酸速度時用最少量的酸液便可以形成穿透巖芯的蚓孔，此時蚓孔效率最高。

國外研究者對最優注酸速度做了大量實驗和模擬研究，而國內對這方面的研究較少。本文從實驗和無因次判別準則2方面調研并討論了關于碳酸巖鹽基質酸化中最優注酸速度的研究進展。

1 最優注酸速度實驗研究的認識

1.1 預測最優注酸速度的實驗方法——線性巖芯流動實驗

巖芯流動實驗是石油工業常用的實驗方法，它能為油藏模擬和油田生產分析提供重要參數。在碳酸鹽巖基質酸化中，常常通過線性巖芯流動實驗做出突破孔容曲線圖（也稱蚓孔效率曲線圖）來預測最優注酸速度[4-5]。

圖1 不同鹽酸注入排量對應的酸蝕形態（C.N.Fredd等）

以恒定排量注入酸液，當巖芯出口端壓力為入口段壓力的1%時認為酸液已突破巖芯[6]，根據巖芯突破的用時和排量可以計算得到酸液用量；引入突破孔容PVBT，將突破孔容PVBT定義為巖芯流動實驗中蚓孔穿透巖芯時酸液累計注入體積與巖芯孔隙體積之比。

當以不同注酸速度注入時，巖芯突破所需時間不相同，酸液用量也不相同，因此不同注酸速度對應不同突破孔容PVBT；以注酸速度為x軸或y軸，以突破孔容PVBT為y軸或x軸，不同注酸速度可以描出不同點，通過曲線擬合這些點可以得到突破孔容PVBT隨注酸速度變化的突破孔容曲線，曲線最低點對應的注酸速度便是最優注酸速度[7-8]。

1.2 線性巖芯流動實驗的改進

（1）大尺寸巖芯流動實驗。研究發現[9-10]最優注酸速度隨著巖芯直徑的增大而減小，隨著巖芯長度的增大而增大，巖芯尺寸對最優注酸速度存在影響。Cohen[11]將這種現象稱作“幾何效應”，也就是由于巖芯尺寸較小，巖芯流動實驗并不能反映油藏條件下蚓孔擴展時“無限制邊界”的現象。大尺度巖芯流動實驗得到的最優注酸速度更加合理，當巖芯尺寸達到一定值后能夠消除“幾何效應”。然而，對于巖芯尺寸的長度和直徑達到多大后能夠消除“幾何效應”并沒有統一的認識，這是需要研究人員未來解決的一個問題。

進行大尺寸巖芯流動實驗遇到最大的挑戰是現有技術條件無法獲得大尺寸的地下巖芯，僅有的一些大尺寸巖芯流動實驗也只是采用露頭巖芯，可考慮用性質相似的大尺寸露頭巖芯替代地下巖芯。

由于酸液總是沿著阻力最小的通路流動，孔隙空間分布和孔洞裂縫空間的連通性會嚴重影響蚓孔擴展路徑和碳酸鹽巖基質酸化結果。M Ziauddin等[12]做了探索性研究，通過不同成像方法以孔隙空間分布為標準將巖芯劃分為不同巖石類型，發現同一種類型的巖樣在酸蝕現象和突破孔容上表現出了相似趨勢，認為露頭巖芯代替地下巖芯具有可行性，但需要進一步驗證。

（2）巖芯徑向流動實驗。線性巖芯流動實驗中壓降和蚓孔長度幾乎與時間線性相關并且在最優注入速度下形成一條單一的主蚓孔，而酸液通過井筒注入實際是徑向注入，徑向流動實驗中蚓孔的長度與時間不具備線性相關性，并且不同于線性巖芯流動實驗中得到的最優注酸速度是一個恒定值，徑向巖芯流動實驗中最優注酸速度隨著注酸的進行而逐漸增大；徑向流動實驗更能真實反映酸蝕蚓孔結構和最優注酸速度[13]。

研究者對于酸液徑向流做了大量研究，但是限于經濟成本，大部分研究都是針對理論模型的研究，徑向流動實驗研究較少。隨著對地層最優注酸速度認識的進步和實驗條件的改進，徑向巖芯流動實驗會得到更廣泛的應用。

1.3 巖芯流動實驗的不足

對于使用巖芯流動實驗預測的最優注酸速度需要十分謹慎，因為巖芯流動實驗存在以下不足：

（1）巖芯只是地層中一個很小的部分，巖芯的物性特征和巖性特征不一定能夠代表整個儲層中的物性特征和巖性特征，尤其在強非均質性的儲層中，巖芯流動實驗得到的最優注酸速度外延應用并不準確。

（2）巖芯流動實驗條件并不能真正代表酸液注入儲層后的實際情況，研究[14-15]發現油田酸巖反應后殘酸積累引起的殘酸鎖，儲層酸化前殘余的有機物質對于基質酸化結果都有影響。巖芯流動實驗并不能反映這些外在條件引起的儲層性質變化。

2 最優注酸速度判別準則

國外研究者對于最優注酸速度做了很多理論研究，幾位研究者都嘗試用無因次判別準則來預測最優注酸速度。

2.1 Fredd—Frogler準則

Fredd—Frogler準則使用Damkohler（Da）數判斷蚓孔的生長過程[16]。不同Da值反映傳質控制和反應動力學控制對反應的影響，并認為Damkohler等于0.29時便能用最少量的酸液突破巖芯。Da的定義如下：

式中：q——蚓孔中的液體流量；

d——蚓孔直徑；

L——蚓孔長度；

K——總溶解速度常數。

Damkohler數是在實驗后計算出來的，要求已知蚓孔的尺寸，對于不同酸液/巖石反應的最優注酸速度無法預判，不適于外延到油田實際應用。

2.2 Panga準則

Panga[17]提出了一個巖芯流動條件下關于最優注酸速度的準則，這個準則使用參數Λ來預測最優注酸速度，參數Λ通過另外兩組無因次組Φ2和Sh來聯系Pe和Da數。參數Λ的值能判斷是形成哪種溶蝕形態。Λ的定義如下：

用無因次數Damkohler數Da和Peclet數PeL表示為：

式中：Det——傳質系數；

Ks——反應速率常數；

Kc——孔隙尺度傳質系數；

utip——蚓孔尖端速度；

ɑv——界面面積；

當Λ＜＜1時，酸蝕形態為均勻溶蝕；當Λ＞＞1時，酸蝕形態為端面溶蝕；當Λ大約為1時，酸蝕形態為主蚓孔形態；最優注酸速度與任何長度尺度無關，而取決于主要反應和流動的控制機理，適用于高縱橫比的區域，因此在油田實際情況下是適用的。

2.3 Talbot—Gdanski準則

Talbot—Gdanski準則[18]以Buijse和Glasbergen的半經驗公式為基礎提出了HCl與CaCO3反應的判別準則，可以預測在不考慮縱橫比的情況下的最優注酸速度。

式中：PVBT——突破孔容；

Weff——蚓孔的效率因子；

Φ——形態參數；

Vi——孔隙速度。

Talbot-Gdanski模型能夠與實驗較好匹配，輸入參數都是能夠得到的典型參數，將這個模型運用到油田實際比較簡單，但是式子中的系數僅適用與HCl與石灰巖反應系統，需要擴大使用條件。

3 結論與認識

（1）實驗室常常通過線性巖芯流動實驗作出突破孔容曲線來預測最優注酸速度。

（2）巖芯尺寸對于最優注酸速度的預測有影響，當巖芯尺寸達到一定值以后便能消除這種影響；然而，對于巖芯長度和直徑達到多大后能消除這種影響并沒有統一認識，這是需要研究人員未來解決的一個問題。

（3）大尺寸巖芯流動實驗對于最優注酸速度的預測更加合理，由于無法獲得大尺寸地下巖芯，可以嘗試采用孔隙空間分布類似的露頭巖芯替代。

（4）巖芯徑向流動實驗相比線性巖芯流動實驗更能真實反映酸蝕蚓孔結構和最優注酸速度。

（5）由于巖芯的物性特征和巖性特征不一定能夠代表整個儲層中的物性特征和巖性特征，巖芯流動實驗條件并不能真正代表酸液注入儲層后的實際情況，使用巖芯流動實驗預測的最優注酸速度需要十分謹慎。

（6）Panga判別準則和Talbot—Gdanski判別準則預測最優注入速度時優于Fredd—Frogler判別準則；Talbot—Gdanski判別準則運用到油田實際比較簡單，但是式子中的系數僅適用與HCl與石灰巖反應系統，需要擴大使用條件。

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TE357.46

A

1004-5716(2015)12-0035-03

2014-12-26

2015-11-05

符揚洋（1988-），男（漢族），四川內江人，西南石油大學油氣田開發工程專業在讀碩士研究生，研究方向：油氣藏增產。