基于碳酸鹽巖酸化溶蝕形態(tài)的酸液最優(yōu)注入速度界限

齊 寧, 李柏楊, 方明君, 董長銀, 梁 沖, 陳國彬

(1.中國石油大學(xué)石油工程學(xué)院,山東青島 266580; 2.中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院,河北廊坊 065007)

基于碳酸鹽巖酸化溶蝕形態(tài)的酸液最優(yōu)注入速度界限

齊 寧1, 李柏楊1, 方明君1, 董長銀1, 梁 沖2, 陳國彬1

(1.中國石油大學(xué)石油工程學(xué)院,山東青島 266580; 2.中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院,河北廊坊 065007)

成功的碳酸鹽巖基質(zhì)酸化是在儲層中形成幾條主要的酸蝕孔道(蚓孔),穿過井筒附近污染帶形成油氣滲流的優(yōu)勢通道。儲層中蚓孔的分布形態(tài)決定酸液的穿透距離及其酸化效果,而酸液的注入速度又會直接影響到酸蝕蚓孔的擴展。選取碳酸鹽巖巖心,采用巖心驅(qū)替試驗研究不同注入速度對蚓孔擴展的影響,通過計算突破體積比尋找碳酸鹽巖酸化時酸液的最優(yōu)注入速度,并通過壓降曲線分析酸蝕蚓孔的生長過程。同時采用核磁共振成像技術(shù)分析酸化前后巖心端面及內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征,用于判斷酸液溶蝕類型,尋找到不同溶蝕形態(tài)所對應(yīng)的酸液注入速度界限。結(jié)果表明,鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時,開始形成酸蝕蚓孔時的注入速度為2 mL/min,注入速度為3～4 mL/min時酸化效果最佳。

蚓孔; 碳酸鹽巖; 鹽酸; 酸液注入速度; 溶蝕形態(tài)

在碳酸鹽巖儲層基質(zhì)酸化中,由于巖石由具有不同孔隙直徑的連通孔隙組成,絕大多數(shù)酸液趨于通過較大孔隙流動。鹽酸與巖石反應(yīng)迅速,流入孔隙的酸將有大部分被消耗,擴大孔隙尺寸。由于較大孔隙吸容更多的酸,導(dǎo)致較大孔隙比較小孔隙擴大的速度快得多。這種不穩(wěn)定的化學(xué)反應(yīng)過程將在儲層中產(chǎn)生幾條大的酸蝕孔道,稱為蚓孔。這些蚓孔直徑遠(yuǎn)大于天然孔隙,具有高導(dǎo)流能力,是地層流體的主要流動通道,對于酸化過程極為重要,在模擬碳酸鹽巖儲層酸化時這些蚓孔須予以考慮。酸化過程中,蚓孔的出現(xiàn)可以以最少的酸液消耗量達(dá)到改善儲層非均質(zhì)性的目的,這也是酸化施工最期望出現(xiàn)的結(jié)果。在酸化發(fā)展中期,發(fā)現(xiàn)在蚓孔形成條件下,碎屑性碳酸鹽巖酸化溶蝕驅(qū)替過程中,突破體積與注入速度存在一定關(guān)系,即存在最優(yōu)酸液注入速度。隨后諸多學(xué)者對這一現(xiàn)象進(jìn)行了研究,并以此為建模的依據(jù),開始定量研究酸化溶蝕的過程,這是人們試圖從定性研究向定量研究的又一次探索。盡管國內(nèi)外研究者已經(jīng)對蚓孔的擴展規(guī)律進(jìn)行了大量的研究,但是這些研究多以經(jīng)驗型或半經(jīng)驗型為主[1-6],對蚓孔的描述主要是通過一系列無量綱參數(shù)實現(xiàn),如戴姆科勒數(shù)Da[7]、佩克萊特數(shù)Pe等,而這些理論研究并不能直接應(yīng)用于指導(dǎo)酸化作業(yè)。同時,由于碳酸鹽巖油藏巖石礦物組成和結(jié)構(gòu)、酸巖反應(yīng)以及酸化處理過程的復(fù)雜性和隨機性,導(dǎo)致傳統(tǒng)的研究方法不能很好地對其進(jìn)行描述。研究者們多采用數(shù)值模擬研究酸液突破體積與注入速度之間的關(guān)系,通過物理模擬試驗研究巖石酸蝕形態(tài)與酸液注入速度之間關(guān)系尚未見報道。以往的工作根據(jù)溶蝕特點進(jìn)行簡單的分類,并沒有明確面溶蝕、蚓孔溶蝕和密集溶蝕3種形態(tài)之間的酸液注入速度界限。筆者通過酸化物理模擬試驗,結(jié)合壓降曲線分析及巖心孔隙結(jié)構(gòu)表征,明確實現(xiàn)蚓孔酸化時酸液注入速度的界限,以指導(dǎo)酸化工藝優(yōu)化設(shè)計。

1 蚓孔形成機制及蚓孔擴展影響因素

1.1 蚓孔形成機制

碳酸鹽巖孔隙介質(zhì)非均質(zhì)性較強,酸化過程中酸液與碳酸鹽巖反應(yīng)迅速,使地層發(fā)生不均勻溶蝕。同時,地層孔隙的大小和形狀有所不同,導(dǎo)致進(jìn)入各個孔隙的酸液量不同,酸液進(jìn)入孔隙主要靠對流作用,會優(yōu)先進(jìn)入阻力小的區(qū)域(如大孔隙、天然裂縫、溶洞),導(dǎo)致較多的酸液進(jìn)入天然發(fā)育的高滲通道,促使酸巖反應(yīng)加劇,溶蝕加快,滲透率更高,形成循環(huán)并逐漸擴展,最終形成酸蝕蚓孔[8-9]。

酸化過程中一直伴隨著H+傳質(zhì)和酸巖表面反應(yīng)兩個過程,兩個過程速度決定了酸化過程的溶蝕形態(tài)。當(dāng)表面反應(yīng)速度遠(yuǎn)大于傳質(zhì)速度時發(fā)生面溶蝕,此時H+較少,注入的酸液幾乎全在巖心入口端面上反應(yīng),僅對端面溶蝕;當(dāng)表面反應(yīng)速度遠(yuǎn)小于傳質(zhì)速度時發(fā)生密集溶蝕,此時巖心入口端大量堆積的H+可以與端面所有高滲區(qū)發(fā)生反應(yīng),進(jìn)而形成多個分支,最終形成密集溶蝕;當(dāng)傳質(zhì)速度與表面反應(yīng)速度接近時才會形成單一蚓孔[10]。

1.2 蚓孔擴展影響因素

影響蚓孔擴展的因素有多種,如面容比、溫度、壓力等,但主要是受酸液注入速度、酸液質(zhì)量分?jǐn)?shù)和酸液類型等因素的控制。

這些因素主要通過改變傳質(zhì)速度和表面反應(yīng)速度之間的關(guān)系對蚓孔擴展產(chǎn)生影響。傳質(zhì)速度主要受酸液注入速度控制,而表面反應(yīng)速度主要受酸液質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制,可以推測對于一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的酸液體系,低速注入時容易形成面溶蝕而高速注入時容易形成密集溶蝕[11]。

2 試 驗

2.1 材料與儀器

試驗材料:36%～38%鹽酸(分析純,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)、去離子水、人造巖心(巖石取自新疆露頭,碳酸鈣含量75%)。其中,人造巖心使用無機膠結(jié)劑膠結(jié),表現(xiàn)出親水性,直徑為2.50 cm,平均長度為5.65 cm,滲透率約為10×10-3μm2。

試驗儀器:多功能酸液流動及酸化評價系統(tǒng)(巖心驅(qū)替裝置),海安縣石油科研儀器有限公司;核磁共振設(shè)備,蘇州紐邁分析儀器股份有限公司;101-2A電熱鼓風(fēng)干燥箱,武漢亞華電爐有限公司;BSA423S精密電子天平,賽多利斯科學(xué)儀器有限公司;SHB-Ⅲ循環(huán)水式多用真空泵,鄭州長城科工貿(mào)有限公司。

2.2 試驗方法

2.2.1 試驗方案

室溫25 ℃條件下,將已飽和去離子水的巖心(表1)放置在驅(qū)替裝置的巖心夾持器中,加圍壓5 MPa,同時用去離子水配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的鹽酸溶液,置于中間容器備用。開啟平流泵,以2 mL/min的注入速度進(jìn)行酸液驅(qū)替,實時記錄入口端與出口端的壓力,當(dāng)巖心夾持器兩端壓差接近零時停止試驗;保持酸液質(zhì)量分?jǐn)?shù)不變,更換巖心,依次調(diào)整注入速度重復(fù)上述試驗步驟。

表1 巖心參數(shù)

2.2.2 評價方法

不同的酸液注入速度下主要表現(xiàn)為3種溶蝕形態(tài):一是在較低注入速度下易形成面溶蝕;二是在中等注入速度下可形成蚓孔體系;三是在較高注入速度下多出現(xiàn)密集溶蝕。通過對巖心入口端溶蝕形態(tài)的觀察可以粗略判斷出不同溶蝕形態(tài)形成時的注入速度界限。為準(zhǔn)確界定這一界限,采用酸液突破體積比、壓降曲線和巖心孔隙結(jié)構(gòu)表征3種方法綜合判定。

(1)酸液突破體積比。酸液突破體積比定義為蚓孔突破時消耗的酸液體積與巖心孔隙體積的比值[12],最小突破體積比所對應(yīng)的酸液注入速度被稱為該酸液質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的最優(yōu)注入速度[13]。通過計算各組試驗的突破體積比,可以得到酸液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時的最優(yōu)注入速度。

(2)壓降曲線。壓降曲線即壓差-時間關(guān)系曲線,它反映了酸化過程中巖心入口端和出口端之間壓差隨時間變化的情況。壓降曲線可以實時反映蚓孔的發(fā)育過程,通過對壓差曲線的解釋可以對蚓孔的發(fā)育進(jìn)行描述并獲取準(zhǔn)確的突破時間。

(3)巖心孔隙結(jié)構(gòu)表征。采用核磁共振成像(MRI)進(jìn)行巖心孔隙結(jié)構(gòu)表征,這是利用核磁共振原理對巖心內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析成像的一種研究方法[14-16]。如圖1所示,圖像中圓形亮色區(qū)域為巖心,周圍黑色區(qū)域是底色,巖心區(qū)域中的亮度反映了巖石中含水量的多少,亮度越高代表該位置水飽和度就越高,對于酸化后的巖心,連續(xù)的含水區(qū)域即為蚓孔位置。其中,MRI圖像圓周有高亮部分是因為試驗中巖心放置于充滿水的容器中。對沿巖心軸向方向上16個不同位置的MRI圖像(圖2)進(jìn)行建模,可以得到巖心核磁共振成像三維圖。通過對試驗前后的巖心進(jìn)行核磁共振成像,可以真實反映出巖心內(nèi)部情況,更直觀更充分地對蚓孔擴展規(guī)律進(jìn)行解釋。

圖1 MRI圖像及亮度標(biāo)尺Fig.1 MRI image and brightness scale

圖2 巖心沿軸向方向上16個不同位置的MRI圖像Fig.2 16 MRI images at different locations along core axis

3 試驗結(jié)果討論

3.1 酸液突破體積

根據(jù)式(1)計算出各組試驗的酸液突破體積比,繪制突破體積比與注入速度的關(guān)系曲線,如圖3所示。

(1)

式中,Vwh為酸液突破體積比;t為突破時間,s;Q為注入速度,mL/min;M1為巖心烘干后的重量,g;M2為巖心飽和蒸餾水后的重量,g;ρ為蒸餾水密度,取1 g/cm3。

圖3 酸液突破體積比與注入速度的關(guān)系曲線Fig.3 Relationship between acid breakthrough volume ratio and injection rate

3.2 壓降曲線

圖4為不同注入速度驅(qū)替時的壓降曲線。如圖4所示,壓差整體呈現(xiàn)出隨時間先緩慢上升后迅速下降的變化過程,這與以往文獻(xiàn)[17]所述基本一致。試驗發(fā)現(xiàn),壓差上升過程對應(yīng)蚓孔發(fā)育過程,在這個過程中,酸蝕通道的坍塌和顆粒的運移都會堵塞部分孔隙,使巖心滲透率變低,同時反應(yīng)生成的氣體進(jìn)入孔隙,引起賈敏效應(yīng),阻礙酸液流動。這些效應(yīng)都會使酸液流動變的困難,使端面處酸液迅速堆積,入口壓力不斷升高。壓差迅速下降則對應(yīng)壓力釋放即蚓孔突破過程,入口端與出口端壓差達(dá)到最大值時對應(yīng)著蚓孔突破的瞬間,此后壓差降低,最終為零。

圖4 不同注入速度下的壓降曲線Fig.4 Pressure drop curves under different injection rate

圖4(a)和(c)的壓差曲線存在波動的情況,這表明壓力迅速釋放但并不徹底,生成的蚓孔并非線性發(fā)育直至突破到巖心出口端,而是在擴展過程中發(fā)生轉(zhuǎn)向突破到了巖心側(cè)壁,此后蚓孔又轉(zhuǎn)向回到巖心中繼續(xù)生長。這一點可以通過酸化后巖心的核磁共振成像(MRI)加以證明,如圖5所示。

圖5為在3 mL/min的注入速度下酸化后巖心的MRI三維合成圖的某一截面。圖5中長方形亮色區(qū)域為巖心,周圍黑色區(qū)域是底色,巖心區(qū)域中的亮度反映了巖石中含水量的多少,亮度越高代表該位置含水量越高,對于酸化后的巖心,圖5中高亮的連續(xù)含水區(qū)域即為蚓孔,明顯發(fā)現(xiàn)蚓孔生長軌跡并非一條直線,而是彎曲生長,并且在蚓孔生長過程中有兩次發(fā)生轉(zhuǎn)向突破到了側(cè)壁上。這種現(xiàn)象一方面是由于試驗所用人工壓制的巖心是非均質(zhì)的(這一點跟碳酸鹽巖儲層相同),導(dǎo)致蚓孔總是沿著相對高滲孔隙擴展,因此蚓孔彎曲生長是一種正常現(xiàn)象;另一方面是由于人造巖心的強度不允許試驗過程中施加過高的圍壓,導(dǎo)致了蚓孔易轉(zhuǎn)向突破到巖心側(cè)壁。

3.3 巖心端面

圖6為不同注入速度驅(qū)替后巖心入口端端面圖像。

圖6 驅(qū)替后巖心入口端圖像Fig.6 Core inlet side after displacement

3.3.1 2 mL/min注入速度下的酸蝕情況

如圖6(a)所示,在2 mL/min的注入速度下,試驗結(jié)束后巖心入口端端面被大面積溶蝕且內(nèi)部發(fā)育較為粗大的蚓孔。分析認(rèn)為,試驗開始時的確不會形成蚓孔,酸液始終在端面進(jìn)行酸巖反應(yīng),而在溶蝕過程中伴隨著巖心的坍塌,溶蝕速度小于坍塌速度,發(fā)生面溶蝕;而隨著酸液的不斷注入,入口端壓力不斷增加,逐漸達(dá)到能使酸液在孔隙中流動所需的壓差,進(jìn)而形成蚓孔并最終突破。但在較長的突破時間內(nèi),伴隨著蚓孔的軸向延伸,酸液中更多的H+會擴散到蚓孔內(nèi)壁,使周向反應(yīng)加劇,導(dǎo)致蚓孔直徑變大。這一點通過MRI得到了證實,如圖7、8所示。由圖7可以看出,巖心入口端面上有大面積高亮區(qū)域,表明入口端被酸蝕嚴(yán)重,即發(fā)生面溶蝕;圖8是由包括圖7在內(nèi)的沿巖心軸向方向上16個不同位置的MRI圖像合成,可以明顯觀察到巖心內(nèi)發(fā)育有一條相對粗大的蚓孔。

2.3.3 土壤質(zhì)量評價因子權(quán)重確定 烤煙生產(chǎn)提倡優(yōu)質(zhì)適產(chǎn)，土壤肥力要求適中，土壤pH值和各養(yǎng)分指標(biāo)的最優(yōu)值均在某區(qū)間，根據(jù)曲線函數(shù)將數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理，標(biāo)準(zhǔn)化后值在[0,1]之間。根據(jù)各土壤養(yǎng)分指標(biāo)與煙葉品質(zhì)的關(guān)系，各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化函數(shù)可分為拋物型函數(shù)，具體的函數(shù)類型和指標(biāo)范圍詳見表5，其公式如下所示：

圖7 酸化后巖心入口端面MRI圖像Fig.7 Core inlet side MRI image after acidification

圖8 2 mL/min驅(qū)替后巖心MRI三維合成圖截圖Fig.8 A cross section of three dimensional MRI figure with injection rate of 2 mL/min

當(dāng)注入速度提高到2.5 mL/min時,巖心中發(fā)育有正常蚓孔。由此可知,注入速度小于2 mL/min時多出現(xiàn)面溶蝕,大于2 mL/min時可出現(xiàn)蚓孔溶蝕。

3.3.2 5 mL/min注入速度下的酸蝕情況

試驗發(fā)現(xiàn),在5 mL/min的注入速度下驅(qū)替后,巖心入口端蚓孔周圍分布著很多密集的溶蝕小孔。將該巖心從中部切開,發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部只有一條主蚓孔,如圖9所示。對該巖心進(jìn)行核磁共振成像,發(fā)現(xiàn)巖心內(nèi)部確實僅發(fā)育有一條蚓孔,如圖10所示。分析認(rèn)為,不能將這種現(xiàn)象歸結(jié)為文獻(xiàn)中所述的密集溶蝕體系,而是由于高注入速度下巖心入口端有富余H+,從而溶蝕端面形成密集小孔。這些密集的小孔并非全部具備進(jìn)一步形成蚓孔的能力,當(dāng)有一條主通道出現(xiàn)時,酸液就會集中到滲透率較高的通道內(nèi),沿著這一條主通道擴展,最終形成一條單一蚓孔。由此可以預(yù)見,隨著注入速度繼續(xù)升高,溶蝕形態(tài)將完全由蚓孔轉(zhuǎn)為密集溶蝕,因此可將這種密集小孔認(rèn)為是一種由蚓孔向密集溶蝕過渡的溶蝕狀態(tài)。由于試驗設(shè)備承壓能力的限制,無法進(jìn)一步提高注入速度,未能通過試驗確定出現(xiàn)密集溶蝕時的酸液注入速度界限。

圖9 酸化后巖心入口端和中部對比Fig.9 Comparison of core at inlet and middle after acidification

圖10 5 mL/min驅(qū)替后巖心MRI三維合成圖截圖Fig.10 A cross section of three dimensional MRI figure with injection rate of 5 mL/min

巖心酸蝕類型跟傳質(zhì)速度和表面反應(yīng)速度的相對值有關(guān),當(dāng)傳質(zhì)速度遠(yuǎn)大于表面反應(yīng)速度時發(fā)生密集溶蝕,若降低酸液質(zhì)量分?jǐn)?shù),兩個速度均隨之減小,但表面反應(yīng)速度減小的幅度大于傳質(zhì)速度,試驗更傾向于發(fā)生密集溶蝕。由此,建議使用低質(zhì)量分?jǐn)?shù)酸液更有利于觀察密集溶蝕現(xiàn)象以及尋找蚓孔和密集溶蝕之間的界限。

4 結(jié) 論

(1)在試驗設(shè)計的不同注入速度下,巖心驅(qū)替試驗最終都能形成蚓孔,但是低注入速度下會先發(fā)生面溶蝕,而后形成較粗的蚓孔;在高注入速度下巖心端面會產(chǎn)生密集的溶蝕小孔,且低質(zhì)量分?jǐn)?shù)酸液更有利于出現(xiàn)密集溶蝕。

(2)酸液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時,注入速度小于2 mL/min時多出現(xiàn)面溶蝕,大于2 mL/min時可出現(xiàn)蚓孔溶蝕,最優(yōu)注入速度為3～4 mL/min,此時酸液突破體積比最小,酸液消耗量最少。

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(編輯 李志芬)

Injectionrateoptimizationforacidizingprocessofcarbonaterocksbasedondissolutionmorphology

QI Ning1, LI Boyang1, FANG Mingjun1, DONG Changyin1, LIANG Chong2, CHEN Guobin1

(1.SchoolofPetroleumEngineeringinChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580,China; 2.LangfangBranchofResearchInstituteofPetroleumExploration&Development,PetroChina,Langfang065007,China)

During acidizing process of carbonate rocks, it is important to generate several main acid dissolution paths (i.e. wormholes), which can provide favourable oil and gas flow channels through the contaminated zone near the wellbore. The distribution and characteristics of the wormholes play a critical role on acid penetration distance and acidification effect, and the development of wormholes is directly influenced by the injection rate of acid fluid. In this study, typical carbonate rock cores were used for acid injection and displacement experiments, during which the effect of injection rate on the formation of wormholes was investigated. In the experiments, the breakthrough volume ratio was used to determine the optimum injection rate of acid fluid, the pressure drop crossing the core can be used for analyzing the development process of the wormholes. Meanwhile, a nuclear magnetic resonance (NMR) imaging technique was used to analyse the surface and internal structures of the cores before and after acidification, so as to reveal the acid dissolution types and morphology of the wormholes. For the coring injection testing, the acid breakthrough volume ratios at different injection rates were calculated and compared when a hydrochloric acid solution was used (with HCl of 20%), and the experimental results show that an injection rate of 2 mL/min can initiate the formation of wormholes, and injection rate of 3-4 mL/min can result in the optimum acidification effect.

wormhole; carbonate rocks; hydrochloric acid; acid injection rate; acidizing

2017-03-03

“十三五”國家科技重大專項(2017ZX005030005);山東省自然科學(xué)基金項目(ZR201702180073);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項(14CX05019A)

齊寧(1980-),男,副教授,博士,研究方向為采油工程及油田化學(xué)。E-mail:qining@upc.edu.cn。

1673-5005(2017)05-0117-06

10.3969/j.issn.1673-5005.2017.05.014

TE 357

A

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