第2章　酸化

2.1　酸化增產原理

酸化是一種使油氣井或注水井增注的有效方法。它是通過井眼向地層注入一種或幾種酸液或酸液混合液，利用酸與地層中部分礦物的化學反應，溶蝕儲層中的連通孔隙或天然裂縫壁面巖石，增加孔隙和裂縫的導流能力，從而使油氣井增產或注水井增注的一種工藝措施。

與此同時，在常規酸化施工中也存在一些缺點對施工效果造成影響：

①酸巖反應速率較快，導致酸液有效穿透距離縮短，只能消除近井地帶的地層傷害；

②提高酸的濃度可延長酸液的穿透距離，但同時高濃度酸對管壁、設備的腐蝕加重，給防腐帶來困難；

③經土酸處理后的砂巖，黏土中其他微粒的運移會堵塞油流通道，造成酸化初期產量增加但后期產量遞減的問題，導致酸化施工的增產有效期縮短。

因此在酸化工藝和技術發展的過程中，新型酸液及添加劑的應用著重是降低酸對金屬管線和設備的腐蝕、控制酸巖反應速率、提高酸化效果、防止地層污染和降低施工成本。

2.1.1　酸處理工藝分類

酸化是利用酸液增產增注的一類工藝方法的統稱。根據酸化施工的方式和目的，其工藝過程可分為酸洗、基質酸化和酸化壓裂三種。

2.1.1.1　酸洗

酸洗是一種清除井筒中的酸溶性結垢或疏通射孔孔眼的工藝。它是將少量酸液定點注入預定井段，溶解井壁結垢物或射孔孔眼堵塞物并及時返排酸液，以防止酸不溶物重新堵塞孔眼和井壁，從而提高油氣井產能。

2.1.1.2　基質酸化

基質酸化是指在低于地層破裂壓力條件下將配方酸液注入地層孔隙空間，利用酸液溶蝕近井地帶的堵塞物來恢復地層滲透率或者用酸液溶解孔隙中的細小顆粒、膠結物等來擴大孔隙空間、提高地層滲透率。

選用基質酸化的原因大體有以下幾點：清楚地層堵塞；降低地層在壓裂前的破裂壓力；均勻疏通射孔孔眼；不破壞隔層；減少施工成本。

酸液在砂巖儲層，通過徑向滲入來溶解孔隙空間內的顆粒及堵塞物，擴大孔隙空間，破壞泥漿、水泥及巖石碎屑等堵塞物的結構，清除井筒附近污染，恢復或提高基質滲透率，從而達到恢復油氣井產能和增產的目的。

對于碳酸鹽巖儲層，酸液則主要通過溶解微裂縫中堵塞物或溶蝕裂縫壁面來擴大裂縫。在某些情況下會形成類似于蚯蚓的孔道，簡稱為酸蝕蚓孔，從而改善地層滲流條件。

2.1.1.3　酸化壓裂

酸化壓裂（酸壓）是指在高于儲層破裂壓力或天然裂縫的閉合壓力下，將酸液擠入儲層，在儲層中形成裂縫，同時酸液與裂縫壁面巖石發生反應，非均勻刻蝕縫壁巖石，形成溝槽狀或凹凸不平的刻蝕裂縫，施工結束裂縫不完全閉合，最終形成具有一定幾何尺寸和導流能力的人工裂縫，改善油氣井的滲流狀況，從而使油氣井增產。

酸壓和水力壓裂增產的基本原理和目的相同，都是為了產生有足夠長度和導流能力的裂縫，減少油氣水滲流阻力，主要差別在于如何實現其導流性。對于水力壓裂，裂縫內的支撐劑阻止停泵后裂縫閉合；酸壓一般不使用支撐劑，而是依靠酸液對裂縫壁面的非均勻刻蝕產生一定的導流能力，這種非均勻刻蝕是由巖石的礦物分布和滲透性的不均一所致。酸液沿著裂縫壁面流動反應，有些地方的礦物極易溶解（如方解石），有些地方則難以被酸所溶解，甚至不溶解（如石膏、砂等）。易溶解的地方刻蝕得厲害，形成較深的凹坑或溝槽，難溶解的地方則凹坑較淺，不溶解的地方保持原狀。此外，滲透率好的壁面易形成較深的凹坑，甚至是酸蝕孔道，從而進一步加重非均勻刻蝕。酸化施工結束后，由于裂縫壁面凹凸不平，裂縫在許多支撐點的作用下，不能完全閉合，最終形成具有一定幾何尺寸和導流能力的人工裂縫。

2.1.2　酸化增產原理

近井地帶儲層受污染后的表皮系數可用Hawkins（1956）公式表示。

S=K/Kd-ln（rd/rw）　　（2-1）

式中　 K——地層滲透率，10-3μm2；

　Kd——傷害滲透率，10-3μm2；

　 rd——傷害帶半徑，m；

　rw——井筒半徑，m。

此式常用于評估滲透率污染的相對程度和污染深度。式（2-1）表明，滲透率污染對表皮系數的影響比污染深度的影響要大得多。由試井得到的表皮系數基本上是由近井地帶的滲透率污染引起的。

2.1.2.1　基質酸化增產原理

基質酸化增產作用主要表現在：①酸液擠入孔隙或天然裂縫與其發生反應，溶蝕孔壁或裂縫壁面，增大孔徑或擴大裂縫，提高儲層的滲流能力；②溶蝕孔道或天然裂縫中的堵塞物質，破壞泥漿、水泥及巖石碎屑等堵塞物的結構，疏通流動通道，解除堵塞物的影響，恢復儲層原有的滲流能力。

儲層流體（油、氣、水）從儲層徑向流入井內時，壓力損耗在井底附近呈漏斗形狀（俗稱壓力漏斗）。對于氣井，由于氣體隨壓力降低而膨脹，所以靠近井底其流速增加比油井更加顯著，摩擦阻力更大，壓力損耗也更大。一般距井筒周圍10m以內，油氣井的壓力損耗要占全部壓力降的80%～90%。因此，提高井底附近的滲流能力，降低壓力損耗，在生產壓差不變時，可顯著提高油氣產量。

如式（2-2）所示，介于井半徑rw與污染半徑rd之間的污染帶滲透率為Kd，介于rd與泄流半徑re之間的儲層滲透率為K0（圖2-1），Muskat（1947）給出了這類井的產能與儲層滲透率為K0的同類井的產能之比：

　　（2-2）

式中　　　Xd——污染帶滲透率與原始滲透率比值，Xd=Kd/K0；

　 J0、Jd——無污染井采油指數和污染井采油指數。

假設re為300m，rw為0.12m，污染深度rd-rw值為0～0.33m，上述關系如式（2-2）所示。已知污染半徑及滲透率比值（圖2-2），由式（2-2）中使可計算出消除污染后獲得的增產量。

酸化后采油指數與酸化前采油指數之比稱為酸化增產倍比，對于污染井：

　　（2-3）

對于未污染井：

　　（2-4）

式中　Xi——酸化后的滲透率與原始滲透率的比值，Xi=Ki/K0；

　 Ji——酸化后的采油指數。

假定嚴重污染井Xd為5%，表皮系數是26，由式（2-3）計算可知，當酸化解除污染時可使采油指數增加4.5倍。對未污染井，酸化處理使井筒周圍0.4m半徑范圍的滲透率增加20倍，即Xi為20，表皮系數從0下降到-1.2左右，通過式（2-4）計算表明，采油指數只能增加21%。

由此可以看出，對于無污染地層，均勻地提高井底地層的滲透率可使油氣井增產百分之幾十到百分之一百以上，最多不超過百分之二百，從經濟角度出發，均勻改善區的面積不應過大。

2.1.2.2　酸化壓裂增產原理

酸化壓裂是碳酸鹽巖儲層增產措施中應用最廣的酸處理工藝。酸化壓裂施工中酸液壁面的非均勻刻蝕是由于巖石的礦物分布和滲透性的不均一。滲透率好的壁面易形成較深的凹坑，甚至是酸蝕孔道，從而進一步加重非均勻刻蝕。酸化施工結束后，由于裂縫壁面凹凸不平，裂縫在許多支撐點的作用下不能完全閉合，最終形成具有一定幾何尺寸和導流能力的人工裂縫，大大提高了儲層的滲流能力。

與水力壓裂技術類似，酸化壓裂的增產原理主要表現在：

①酸化壓裂裂縫增大油氣向井內滲流的滲流面積，改善油氣的流動方式，增大井附近油氣層的滲流能力；

②消除井壁附近的儲層污染；

③溝通遠離井筒的高滲透帶、儲層深部裂縫系統及油氣區。

無論是在近井污染帶內形成通道，或改變儲層中的流型都可獲得增產效果。小酸量處理可消除井筒污染，恢復油氣井天然產量，大規模深部酸壓處理可使油氣井大幅度增產。

酸壓工藝不能用于砂巖儲層，其原因是砂巖儲層的膠結一般比較疏松，酸壓可能由于大量溶蝕，致使巖石松散，引起油井過早出砂；可能壓破儲層邊界以及水、氣層邊界，造成儲層能量虧空或過早見水、見氣；由于酸沿縫壁均勻溶蝕巖石，不能形成溝槽，酸壓后裂縫大部分閉合，形成的裂縫導流能力低，且由于用土酸酸壓可能產生大量沉淀物堵塞流道。因此，砂巖儲層一般不能冒險進行酸壓，要大幅度提高產能需采用水力壓裂措施。

2.1.3　地層的傷害

由于油層巖石成分、結構及油層流體不同，酸化作業中產生的傷害也不相同。引起酸化傷害的主要原因是酸液與油層礦物不配伍產生二次沉淀；酸液與油層流體不配伍產生酸渣；使用添加劑不當；酸化設計施工不當。

（1）酸液與油層礦物不配伍

酸化是油田作業中比較典型的化學反應過程，在中、高滲透性油田，其作業目的主要是洗井、解堵（消除泥漿污染或注水井中的污染物、除垢等）。對低滲透油層則主要是基質酸化，在酸化解堵作業中，可能發生井筒中污物的溶解，在基質酸化作業中，將發生油層礦物的溶解，但與此同時，由于有害副反應的存在，酸化作業往往伴隨沉淀堵塞造成地層傷害。

地層中鐵離子最容易形成沉淀，堵塞孔隙。地層含鐵礦物有碳酸鹽巖（鐵方解石、鐵白云石等）、黑云母、黃鐵礦、硫化鐵、黏土礦物（綠泥石、蒙脫石、高嶺石等）等。它們以Fe2+和Fe3+的狀態存在，對酸化作用影響很大。

土酸與方解石、白云石等碳酸鹽礦物容易生成CaF2，但如果油層有足量的Al3+可使CaF2溶解。土酸與地層礦物反應將產生氟硅酸和氟鋁酸，它們與酸巖體系中的鉀、鈉等離子反應產生難溶的氟硅酸鹽和氟鋁酸鹽沉淀，它們吸附在巖石表面，造成嚴重傷害。同時，土酸與砂巖礦物反應產生水化硅［Si（OH）4］沉淀。

（2）酸液與油層流體不配伍產生酸渣

當酸液與油層流體接觸時，主要存在兩種傷害機理，即微乳液的形成以及瀝青烯淤泥的沉積。根據原油重質組分的特性，可將其劃分為石蠟質原油或瀝青質原油。瀝青質原油中存在大量瀝青烯，它們以膠態分散體系的形式存在，屬非晶體。瀝青烯膠束以膠溶的高分子量的聚芳烴分子為核心，并被分子量較低的中性樹脂和芳香烴類化合物所環繞，每個膠束均由多個環圈層組成，5個圈層堆積起來就形成瀝青烯顆粒。人們稱酸處理作業中由原油與酸接觸而產生的瀝青烯淤泥為酸渣，這種酸渣與自然生成的瀝青烯沉積不同，它是一種膠狀的不溶性產物。酸渣一旦產生，會對油層帶來永久性傷害，一般很難消除。酸渣形成的主要原因是使用高濃度酸液、油層中有三價鐵離子等。當油層水中含有K+、Na+、Ca2+和Mg2+等離子時，酸液特別是含氫氟酸的土酸將與這些離子作用產生有害沉淀。

（3）添加劑選用不當

針對不同油層巖石和流體，酸液中應加入相應的添加劑，添加劑應在類型、配伍性和用量上認真篩選和實驗。當酸液中的添加劑與油層礦物、油層流體不配伍，或添加劑與添加劑之間不配伍，將產生油層傷害，達不到酸化效果。

（4）酸化設計施工不當

酸化施工參數包括酸濃度、施工泵壓、排量、酸液用量、關并時間等。這些參數使用不當，酸化效果大打折扣，特別是對低滲儲層的基質酸化，應根據油層吸酸能力限制泵壓，不能壓破油層，如果壓破油層后，酸要隨新形成的裂縫流動，酸化結束后，裂縫閉合，不能形成酸蝕裂縫，導致產生的沉淀物和顆粒不能排出油層，造成新的傷害。