前置緩速酸加砂壓裂中酸巖反應模擬研究

劉飛，趙立強（油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室（西南石油大學），四川 成都 610500）

孟向麗（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452）

馬旭，趙振峰（中石油長慶油田分公司油氣工藝研究院低滲透油氣田國家工程實驗室，陜西 西安 710021）

復雜巖性、非常規(guī)、特殊油氣藏的勘探開發(fā)對常規(guī)增產技術提出了巨大挑戰(zhàn)，常規(guī)水力壓裂由于壓裂液破膠不徹底、壓裂液殘渣滯留、壓裂液濾液傷害、壓裂液濾餅傷害等不能充分發(fā)揮水力裂縫的增產改造效果①趙立強，等 .前置酸酸液體系優(yōu)化 .西南石油大學，2011.［1，2］，將酸化和壓裂工藝相結合是未來增產改造技術的重要發(fā)展方向［3］，前置酸加砂壓裂工藝［4～8］在這方面做了主要嘗試，并已在現場取得了較好的應用效果。前期研究成果表明：前置酸通過溶蝕或穩(wěn)定濾失區(qū)黏土礦物，改善近縫基巖孔隙度和滲透率，減少后續(xù)壓裂液濾液造成的水鎖傷害、返排期間促使壓裂液破膠、溶解壓裂液殘渣、清洗支撐裂縫等，可在常規(guī)水力壓裂的基礎上增產10%～23%；而前置酸通常采用有機土酸、多氫酸、氟硼酸、復合酸等緩速酸液體系，確保壓裂施工結束后濾失區(qū)酸液仍具有一定反應活性。目前對砂巖與緩速酸液體系的酸巖反應模擬理論尚不完善，前置酸加砂壓裂工藝設計帶有極強的主觀經驗性。筆者基于緩速酸液體系緩速機理、緩速酸液與砂巖礦物的反應機理，結合前置酸加砂壓裂工藝，建立水力裂縫內酸濃度分布模型和濾失區(qū)酸巖反應的 “三酸三礦物”模型。以HCl＋HBF4＋HF的復合緩速酸液體系為例，通過模擬計算裂縫內酸液濃度分布，作為計算濾失區(qū)酸液濃度的內邊界條件，模擬濾失區(qū)酸巖反應過程可確定出濾失區(qū)酸濃度分布、礦物濃度分布以及基巖孔隙度和滲透率的改善程度。本研究完善了前置酸加砂壓裂理論，模擬計算結果為優(yōu)選緩速酸液類型、優(yōu)化前置酸用量提供數據支撐，并能指導前置酸加砂壓裂工藝設計。

1 裂縫內酸巖反應模擬

在前置酸壓裂中，采用緩速酸液體系壓開儲層，形成并延伸裂縫，酸液在裂縫內的濃度分布是計算酸蝕裂縫導流能力的基礎，同時也是計算酸液濾失區(qū)酸液濃度分布的內邊界條件。

假設條件：①酸液不可壓縮；②HF／H2SiF6與縫壁巖石的酸巖反應受表面反應控制；③碳酸鹽巖礦物優(yōu)先與注入酸液中的HCl反應；④裂縫內酸巖反應符合一次反應動力學。

取一個裂縫微元段，如圖1所示。根據酸液質量守恒可以建立酸液在裂縫內的濃度分布偏微分方程組。

圖1 裂縫微元示意圖

式中：A 為距井筒x 處的裂縫截面積，m2；C0為緩速酸濃度，mol／m3；C1為 HF濃度，mol／m3；C2為 H2SiF6濃度，mol／m3；u為距井筒x處裂縫內的酸液流速，m／s；R0為緩速酸反應速度，mol／（m3·s）；R1為HF與巖石的表面反應速度，mol／（m3·s）；R2為H2SiF6與巖石的表面反應速度，mol／（m3·s）；H 為裂縫高度，m；ula為酸液濾失速度，m／s；λ1為1mol緩速酸反應生成 HF的物質量，mol／mol；λ2為1mol HF反應生成 H2SiF6的物質量，mol／mol。

由于酸液不可壓縮，裂縫內流體的質量守恒可以轉化為體積守恒，則裂縫內流體的連續(xù)性方程為：

緩速酸反應生成HF的反應速度R0可表示為［9～13］：

式中：k0為反應速度常數，（mol／m3）－1·s－1；CH＋ 為酸液中H＋濃度，mol／m3；Ea為水解活化能，J／mol；R為通用氣體常數，8.314J／（mol·K）；T 為溫度，K。

由于酸液與縫壁巖石的酸巖反應受表面反應控制，故R1和R2可以表示為：

式中：Ef，i，j為酸液i與礦物j的反應速度常數，mol·（m2·s·mol／m3）；Ea，i，j為酸液i與礦物j的反應活化能，J／mol；n為與酸液i發(fā)生反應的礦物數；為礦物j的比表面積，m2／m3；Vj為礦物j的體積分數，m3／m3；Ci，eqm為酸液i與礦物反應的平衡濃度（常取0），mol／m3。

2 濾失區(qū)酸巖反應模擬

在酸液濾失侵入區(qū)，假設酸液流動符合一維線性單相流動。緩速酸濃度分布可根據水解反應動力學得到；HF和H2SiF6的濃度分布可以采用兩酸三礦物模型模擬［14］，其區(qū)別在于HF的來源除了濾液本身之外，還存在緩速酸液水解反應生成的HF。采用酸液質量守恒可以建立相應的 “三酸三礦物模型”：

3 計算實例分析

在前置酸加砂壓裂中，裂縫內酸液濃度分布是計算濾失區(qū)內酸液濃度分布的內邊界條件，而裂縫內酸液濃度分布又需要裂縫幾何尺寸作為基礎參數，同時，裂縫內及濾失區(qū)溫度場又決定了緩速酸水解反應和酸巖反應速度的快慢［15，16］。因此，模型的求解需要耦合多個方程組。具體求解步驟如下：①計算井筒溫度場；②計算某一注酸時刻形成裂縫的幾何尺寸參數；③計算裂縫溫度場；④計算裂縫內酸液濃度分布；⑤計算濾失區(qū)內的酸液及礦物濃度分布；⑥計算濾失區(qū)內由于酸巖反應引起的孔隙度和滲透率變化。

儲層及酸巖反應基礎參數見表1，緩速酸液體系采用10%HCl＋10%HBF4＋1%HF，模擬計算結果如圖2～6所示，其中HBF4和H2SiF6的無量綱濃度為其實際濃度與HBF4的注入濃度的比值，而HF的無量綱濃度為其實際濃度與HF注入濃度之比。

表1 儲層及酸巖反應基礎參數

裂縫內酸液濃度分布如圖2所示。從圖2可以看出：裂縫內HBF4無量綱濃度因水解反應生成HF而緩慢降低；而HF無量綱濃度先升高后緩慢降低，雖然縫口段HBF4無量綱濃度高但溫度較低，水解反應相對較慢，HF無量綱濃度緩慢增加，裂縫中前段的HBF4濃度和流體溫度均較高，故HF濃度增加速度較快，裂縫尖端的溫度較高但HBF4無量綱濃度低，HF與巖石的反應速度大于HBF4水解生成HF的速度，故HF無量綱濃度開始緩慢降低。

圖2 不同注酸量時裂縫內酸液濃度分布

濾失區(qū)內酸液濃度分布如圖3所示。總體而言，隨濾失深度的增加，HBF4和HF的無量綱濃度整體呈現降低趨勢，HBF4僅在縫口較小的濾失區(qū)內維持較高的無量綱濃度，并隨濾失深度增加快速降低；對于HF而言，由于存在HBF4水解作用，HF可維持較高無量綱濃度，整個濾失區(qū)HF無量綱濃度維持在0.5以上，縫口段濾失區(qū)HF濃度幾乎維持為注入濃度，而裂縫中前段濾失區(qū)濃度均大于HF的注入濃度；H2SiF6僅在裂縫尖端濾失區(qū)出現較高濃度，無量綱濃度可達到0.2左右，能溶解一定量的快反應礦物，對改善基巖孔隙度和滲透率具有一定積極作用。

圖3 前置酸150m3時濾失區(qū)酸液無量綱濃度

圖4 前置酸150m3時濾失區(qū)礦物體積分數

濾失區(qū)礦物體積分數分布如圖4所示。隨濾失深度增加，快反應礦物和慢反應礦物體積分數先減小后增大，直至等于原始體積分數，且快反應礦物變化幅度遠大于慢反應礦物。說明酸液主要溶蝕黏土類快反應礦物，對石英等慢反應礦物骨架溶蝕能力較?。还枘z沉淀僅出現在裂縫中前段的濾失區(qū)內，即HF高濃度區(qū)域，說明HF濃度增加會導致二次沉淀的急劇增大，但總體濃度極小，體積分數數量級為10－4，產生的二次沉淀傷害微不足道。

施工結束時濾失區(qū)孔隙度和滲透率分布如圖5、6所示?？紫抖群蜐B透率均隨濾失深度增加而減小，最終降低至原始值，近裂縫壁面濾失區(qū)孔隙度從初始15%增加至32%，而滲透率從初始4mD增加至40mD，濾失區(qū)孔滲物性得到顯著改善。

圖5 施工結束時濾失區(qū)孔隙度分布

圖6 施工結束時濾失區(qū)滲透率分布

4 結論

1）用HBF4與HF的復合緩速酸液體系進行前置酸加砂壓裂時，裂縫內HF濃度先增加后降低，酸液緩速性能較好。

2）緩速酸液體系可維持酸液濾失區(qū)在施工結束后保持相對較高的HF濃度，返排階段能促使壓裂液破膠、溶解壓裂液殘渣和清洗支撐裂縫，改善常規(guī)水力壓裂效果。

3）濾失區(qū)酸巖反應可顯著改善基巖孔隙度和滲透率，對降低油氣流體向支撐裂縫匯聚的滲流阻力、提高壓裂井產能具有積極作用。

［1］Liu Pingli，Liu Fei，Zhao Liqiang，et al.Predicting productivity of hydraulic fracturing with pre－pad acid ［A］.ARMA 13－500Presented at 47thUS Rock Mechanics／Geomechanics Symposium ［C］.San Francisco，2013.

［2］劉飛 .前置酸壓裂工藝模擬研究 ［D］.成都：西南石油大學，2012.

［3］Kalfayan L J.Fracture acidizing：history，present state and future ［J］.SPE106371－MS，2007.

［4］劉紅現，趙立強，劉平禮，等 .前置酸改善水力壓裂效果機理分析 ［J］.石油與天然氣學報（江漢石油學院學報），2008，30（1）：332～334.

［5］王國峰，張立貴，李邊生，等 .前置酸壓裂工藝技術研究與應用 ［J］.石油鉆采工藝.1997，19（增）：102～104.

［6］羅云，劉愛華，王俊明，等 .交聯酸加砂酸化壓裂技術在復雜巖性油藏的應用 ［J］.石油學報，2008，29（2）：266～269.

［7］王文東，趙立強，劉平禮，等 .酸化加砂壓裂復合增產技術 ［J］.斷塊油氣田，2009，16（5）：113～115.

［8］Rozo R，Paez J，Mendoza A，et al.Combining acid and hydraulic－fracturing technologies is the key to successfully stimulating the Orito Formation ［J］.SPE104610－MS，2007.

［9］王寶峰，趙忠揚，薛芳渝 .砂巖基質酸化中的化學平衡研究 ［J］.西南石油學院學報，2000，22（2）：57～61.

［10］王寶峰，趙忠揚，薛芳渝 .砂巖基質酸化中HF與硅鋁酸鹽的二次、三次反應研究 ［J］.西南石油學院學報，2002，24（5）：61～64.

［11］李年銀，趙立強，劉平禮，等 .多氫酸酸化技術及其應用 ［J］.西南石油大學學報，2009，31（6）：131～134.

［12］邢希金，唐洪明，趙峰，等 .伊利石與土酸／氟硼酸反應實驗研究 ［J］.西南石油大學學報，2007，29（6）：29～31.

［13］曾凡輝，郭建春，趙金洲 .酸損傷降低砂巖儲層破裂壓力實驗研究 ［J］.西南石油大學學報，2009，31（6）：93～96.

［14］Li Chunlou.Fine scale sandstone acidizing core flood simulation ［D］ .Austin：University of Texas，2004.

［15］馬新仿，黃少云，張士誠，等.全三維水力壓裂過程中裂縫及近縫地層的溫度計算模型 ［J］.石油大學學報，2001，25（5）：38～41.

［16］王鴻勛，張士誠 .水力壓裂設計數值計算方法 ［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1998.