一种基于残酸极限评价酸液有效作用距离的方法

摘要

本发明提供的基于残酸极限评价酸液有效作用距离的方法是根据测定酸液体系中H

说明书

技术领域

本发明涉及一种酸液有效距离的评价方法，具体涉及一种基于残酸极 限评价酸液有效作用距离的方法。

背景技术

酸压是碳酸盐岩储层改造的主要技术手段，该工艺是在高于储层破裂 压力的情况下注入酸液，压开裂缝，酸液会对裂缝面的不均匀刻蚀，且在 停泵卸压后，酸蚀裂缝面不会完全闭合，形成具有一定导流能力的酸蚀裂 缝。由于酸压的酸蚀裂缝面具有较高的导流能力、净压力低、裂缝高度增 长小、无脱砂和支撑剂回流等问题，使得其在碳酸盐岩储层广泛应用。

碳酸盐岩酸压过程中，由于酸岩反应速率过快，酸液滤失严重等因素 影响，常规酸液体系并不能刻蚀出一条具有一定导流能力的酸蚀裂缝，而 且仅仅在井筒附近进行反应。为了减缓酸岩反应速率，防止酸液滤失，许 多缓速酸液体系被应用于酸压中。这些酸液体系中比较具有代表性的包括 交联酸，胶凝酸和转向酸，其特性分别是：

(1)交联酸，是酸性环境下交联的稠化剂和交联剂，通过高分子植物 胶的交联，形成立体网状链,降低酸岩反应速度和酸液的大量滤失，克服前 置液酸压、多级注入酸压、乳化酸酸压、胶凝酸酸压、泡沫酸酸压等酸压 工艺酸蚀缝长短的不足之处，形成长缝，提高酸压效果。交联酸及其增产 技术正是这一研究的阶段成果，最近几年成为储层改造的热点技术。但由 于交联酸存在交联条件苛刻，不同材料的性质变化大，酸液性能不稳定等 特点，交联酸的研究经历了较长时间，形成了不同的类型。一般根据酸液 的功能或性质、特征进行命名，包括“变粘酸”、“滤失控制酸”、“温控交 联酸”、“地面交联酸”等。目前根据交联酸交联发生的位置主要分为地下 交联酸(交联发生在储层)和地面交联酸(交联发生在井筒或地面)两大类，都 是在酸性环境下交联,但性质和功能差异较大。

(2)胶凝酸，又称稠化酸，加入稠化剂提高酸的粘度。稠化酸能控制 滤失速率、增加裂缝宽度、有效保持层流最终实现深部酸化的优点。该酸 液体系的酸压是通过增加酸液粘度来达到降低滤失速率的，而其基质酸化 是通过清洗高渗透的通道和减少液体进入低渗透地层中。该酸液体系的作 用原理是：由于酸液粘度提高了，所以H+的扩散速度减慢，其向岩石骨架 表面扩散的速率也会跟着减慢，这样酸液的消耗速率就会降低，流体在储 层中的滤失速率也会降低，酸液与岩石的反应速率得到了控制，从而增加 了裂缝的宽度，提高了储层的渗透率，最终导致穿透距离增加，起到缓速 酸化的作用。目前常用的稠化剂有：黄原胶、PAM及能在酸溶液中形成杆 状胶束的活性剂。

(3)转向酸，是指由长链烷基季胺盐和长链烷基卤化物、硝酸盐及有 机盐(如水杨酸钠、对甲基苯磺酸盐)等按一定比例混合形成的溶液。这 些体系在低浓度时就具有很高的粘度和很强的弹性，一些特殊结构的双子 表面活性剂很容易形成粘弹性溶液，它们在低浓度时，不加其它组分也能 形成粘弹性溶液。粘弹性表面活性剂转向酸在被高压挤入地层之后，首先 会沿着较大的孔道，进入渗透率较大的储层，与碳酸盐岩发生反应。由于 反应，酸液pH值升高并产生Ca2+。自转向酸中的表面活性剂通常是双子 季铵盐类表面活性剂，其特点就是在pH值较小，Ca2+浓度较低时，粘度很 小(接近水的粘度)；当酸液pH值增大，并且Ca2+浓度也较大时，自转向 酸的粘度会自动增大。变粘后的残酸还可以进入较大渗透率地层，对大孔 道和高渗透地层进行堵塞，迫使注入酸液压力上升，由于压力上升，新注 入的鲜酸会进入渗透率较小的储层，并与储层岩石进行反应，发生粘度升 高，注入酸压力升高。这样，酸液会对所有储层进行暂堵，缩小各储层间 的层间非均质性，达到均匀布酸的目的。自转向酸的另一个特点是：当酸 液遇到地层中的烃类时，自转向酸会自动迅速地降低其粘度，直至其粘度 再次接近水的粘度，因此返排较为彻底，不会对储层造成伤害和污染。

要评价以上三种缓速酸液体系，有效作用距离是一个很重要的评价方 面。酸压时，酸液沿裂缝向地层深部流动，酸液浓度不断降低；当酸液浓 度降至一定浓度后，酸液基本失去溶蚀能力，称之残酸。酸液由活性酸变 为残酸之前所流经裂缝的距离，称为有效作用距离。依据酸液浓度和有效 作用距离的模拟图可以看出，残酸极限对酸液作用距离有较大的影响，确 定酸液体系的残酸极限能客观上指导酸压设计，预测酸压效果。

酸岩反应的本质是酸液中的氢离子与岩石矿物中的碳酸根离子进行反 应。反应方程式如下：

目前常规的室内残酸极限评测方法为：取实验反应残酸放置于实验容 器中，用已知浓度的氢氧化钠溶液滴定。当残酸pH值达到7时，说明残酸 中的H+被中和完毕，则利用消耗的氢氧化钠的摩尔数计算出残酸中剩余的 酸液摩尔数，从而计算出残酸极限浓度。

该室内评测方法存在问题：一是实验反应残酸并不一定完全失活，直 接对该残酸进行滴定容易造成残酸极限偏大的误差；二是当酸液反应至后 期，氢离子浓度下降，酸岩反应主要以公式(2)为主。碳酸氢钙的溶解度 16.60/100g纯水，故残酸中含有一定量HCO3-离子。HCO3-离子不电离出 H+离子，不影响酸液的残酸极限，但能够与OH-离子进行反应，导致测出 的残酸极限偏大。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有方法的缺点和不足，提出一种根据测 定酸液体系中H⁺离子浓度的方法评价交联酸、胶凝酸和转向酸残酸极限从 而评价酸液有效作用距离的方法。

为此，本发明提供了一种基于残酸极限评价酸液有效作用距离的方法， 包括以下步骤：

(a)建立酸液浓度和有效作用距离的模拟图；

(b)在地层温度条件下，分别配制交联酸、胶凝酸、转向酸，交联酸、 胶凝酸、转向酸均取50～100ml，并分别放置在实验容器中；

(c)利用pH计测量交联酸、胶凝酸、转向酸的pH值，根据pH值计 算三种酸的酸液摩尔浓度并记录，该酸液摩尔浓度为初始酸液摩尔浓度；

(d)分别向实验容器中加入30～50g的碳酸盐岩岩心柱，碳酸盐岩岩 心柱被完全淹没，置于40℃的水浴中，水浴时间为24h；反应完毕后进行 过滤，收集滤液，该滤液即为残酸，在地层温度条件下利用pH计分别测量 残酸的pH值并记录；

(e)将残酸pH值分别折算为摩尔浓度，与对应的初始酸液摩尔浓度 的比值为酸液失活时的残酸极限；

(f)将残酸极限分别带入步骤(a)中的酸液浓度和有效作用距离的模 拟图得到该酸液体系的有效作用距离。

所述地层温度为40℃。

所述岩心柱为均规则圆柱体，高2cm，底直径2.5cm，选用大牛地77号 井碳酸盐岩，其中白云石含量81.22％。

按照质量百分数计，所述交联酸中HCL占20％，交联剂占1％，缓蚀 剂占2％，缓蚀增效剂占0.5％，铁离子稳定剂占1％，防膨剂占1％，助排 剂占1％，余量为蒸馏水。

按照质量百分数计，所述胶凝酸中HCL占20％，胶凝剂占0.7％，缓 蚀剂占2％，缓蚀增效剂占0.5％，铁离子稳定剂占1％，防膨剂占1％，助 排剂占1％，余量为蒸馏水。

按照质量百分数计，所述转向酸中HCL占20％，转向酸用表面活性剂 占4.5％，缓蚀剂占1％，铁离子稳定剂占1％，粘土稳定剂占0.5％，余量为 蒸馏水。

所述的交联剂是过氧化二异丙苯，缓蚀剂是2-膦酸丁烷1,2,4-三羧酸， 缓蚀增效剂是苯并三唑，铁离子稳定剂是氮川三乙酸，防膨剂是季铵盐， 助排剂是烷基酚聚氧乙烯醚。

所述的胶凝剂是明胶，缓蚀剂是2-膦酸丁烷1,2,4-三羧酸，缓蚀增效剂 是苯并三唑，铁离子稳定剂是氮川三乙酸，防膨剂是季铵盐，助排剂是烷 基酚聚氧乙烯醚。

所述的转向酸用表面活性剂是油酸甜菜碱，缓蚀剂是2-膦酸丁烷1,2,4- 三羧酸，铁离子稳定剂是氮川三乙酸，粘土稳定剂是氯化二甲基二烯丙基 铵。

步骤(c)中所述的根据pH值计算三种酸的酸液摩尔浓度并记录，和 步骤(e)中所述的将残酸pH值分别折算为摩尔浓度，均通过以下公式计 算：

C＝10^-pH

其中，C为酸液摩尔浓度。

本发明采用上述技术方案，具有以下优点：

本发明提供的基于残酸极限评价酸液有效作用距离的方法是根据测定 酸液体系中H⁺离子浓度的方法评价交联酸、胶凝酸和转向酸残酸极限从而 评价酸液有效作用距离的方法。制备残酸时，模拟地层酸岩反应条件使用 过量岩石与酸充分反应，所得残酸性质与实际施工时地层反排残酸相近； 通过测量鲜酸与残酸在地层温度下的pH值能够快速准确评测交联酸、胶凝 酸和转向酸酸液体系的残酸极限，能消除常规滴定评测法的误差，通过带 入残酸极限到酸液浓度和有效作用距离的模拟图中可以得到酸液的有效作 用距离，且评价时间短，评价成本低，为酸压设计提供理论支持。

附图说明

图1为交联酸、胶凝酸和转向酸酸液体系的酸液浓度和有效作用距离 的模拟图。

图2为将残酸极限带入后得到的交联酸、胶凝酸和转向酸有效作用距 离。

具体实施方式

下面结合实施例进一步对一种基于残酸极限评价酸液有效作用距离的 方法进行详细的说明。

实施例1：

本发明提供了一种基于残酸极限评价酸液有效作用距离的方法，包括以 下步骤：

(a)建立酸液浓度和有效作用距离的模拟图；

(b)在地层温度条件下，分别配制交联酸、胶凝酸、转向酸，交联酸、 胶凝酸、转向酸均取50～100ml，并分别放置在实验容器中；

(c)利用pH计测量交联酸、胶凝酸、转向酸的pH值，根据pH值计 算三种酸的酸液摩尔浓度并记录，该酸液摩尔浓度为初始酸液摩尔浓度；

(d)分别向实验容器中加入30～50g的碳酸盐岩岩心柱，碳酸盐岩岩 心柱被完全淹没，置于40℃的水浴中，水浴时间为24h；反应完毕后进行 过滤，收集滤液，该滤液即为残酸，在地层温度条件下利用pH计分别测量 残酸的pH值并记录；

(e)将残酸pH值分别折算为摩尔浓度，与对应的初始酸液摩尔浓度 的比值为酸液失活时的残酸极限；

(f)将残酸极限分别带入步骤(a)中的酸液浓度和有效作用距离的模 拟图得到该酸液体系的有效作用距离。

需要特别说明的是，步骤(a)中所述的建模，得到交联酸、胶凝酸和 转向酸酸液体系的酸液浓度和有效作用距离的模拟图，所得过程如下：

把裂缝视为等宽度W和等高度h的理想裂缝。设裂缝入口处的酸液初 始浓度C0为常数，随着酸液在裂缝中的流动反应，酸液浓度逐点降低；在 裂缝高度上，设酸液浓度梯度为0，故酸浓度是坐标x，y的函数。设裂缝 入口处酸液初始速度u₀是常数，由于在垂直裂缝壁面方向存在滤失现象， 又设在裂缝高度方向上速度分量为0，故酸液只沿裂缝高度方向和垂直方向 流动，流速也为坐标x，y的函数。因此可简化酸液的三维流动至在渗透性 平行岩板间的二维流动。在裂缝中取微元体，根据微元体中氢离子质量守 恒定律，可建立描述以上酸液沿裂缝流动反应对扩散偏微分方程。主要假 设条件如下：

酸液沿裂缝做二维层流流动和稳定流动反应；

酸液为不可压缩流体；

酸液密度均一，忽略自然对流对酸岩反应的影响。

考虑同离子效应和温度场影响的酸岩反应数学模型为

$\mu \left(x\right)\frac{\partial C}{\partial x}+\upsilon \left(y\right)\frac{\partial C}{\partial y}=\frac{\partial }{\partial y}\left(D_e\frac{\partial C}{\partial y}\right)$

式中C——裂缝任意位置的酸浓度[＝C(x，y)]；

u(x)，v(y)——x，y方向的酸液流速分量。

边界条件：

$\left(\begin{array}{cc}C=C_0& (x=0)\\ \frac{\partial C}{\partial y}=0& (y=0)\\ D_e\frac{\partial C}{\partial y}=k(1-\phi )C_S^m& (y=\pm W/2)\end{array}\right)$

交联酸、胶凝酸和转向酸酸液体系的酸液浓度和有效作用距离的模拟 图如图1所示。

将残酸极限带入后得到的交联酸、胶凝酸和转向酸有效作用距离为图2 所示。具体的，将得到的残酸极限乘以交联酸、胶凝酸、转向酸的初始质 量分数，得到其残酸质量分数。将得到的值分别带入图1中的Y轴，所对 应曲线上的点所在的X坐标即是交联酸、胶凝酸和转向酸有效作用距离， 如图2所示。

由上述步骤得出的实验数据如下表所示：

由上表可知：交联酸的残酸极限为4.578％，对应的有效作用距离为 110.526m；胶凝酸的残酸极限为6.035％，对应的有效作用距离为89.0526m； 转向酸的残酸极限为4.080％，对应的有效作用距离为95.1579m。

本发明所采用的残酸是与地层岩石充分反应后所得，且直接以测定残 酸中H⁺的浓度折算残酸浓度，消除了误差，相比常规测定方法更为精确。

实施例2：

在实施例1的基础上，所述岩心柱为均规则圆柱体，高2cm，底直径 2.5cm，选用大牛地77号井碳酸盐岩，其中白云石含量81.22％。按照质量 百分数计，所述交联酸中HCL占20％，交联剂占1％，缓蚀剂占2％，缓蚀 增效剂占0.5％，铁离子稳定剂占1％，防膨剂占1％，助排剂占1％，余量 为蒸馏水。按照质量百分数计，所述胶凝酸中HCL占20％，胶凝剂占0.7％， 缓蚀剂占2％，缓蚀增效剂占0.5％，铁离子稳定剂占1％，防膨剂占1％， 助排剂占1％，余量为蒸馏水。按照质量百分数计，所述转向酸中HCL占 20％，转向酸用表面活性剂占4.5％，缓蚀剂占1％，铁离子稳定剂占1％， 粘土稳定剂占0.5％，余量为蒸馏水。

实施例3：

在实施例2的基础上，所述的交联剂是过氧化二异丙苯，缓蚀剂是2- 膦酸丁烷1,2,4-三羧酸，缓蚀增效剂是苯并三唑，铁离子稳定剂是氮川三乙 酸，防膨剂是季铵盐，助排剂是烷基酚聚氧乙烯醚。所述的胶凝剂是明胶， 缓蚀剂是2-膦酸丁烷1,2,4-三羧酸，缓蚀增效剂是苯并三唑，铁离子稳定剂 是氮川三乙酸，防膨剂是季铵盐，助排剂是烷基酚聚氧乙烯醚。所述的转 向酸用表面活性剂是油酸甜菜碱，缓蚀剂是2-膦酸丁烷1,2,4-三羧酸，铁离 子稳定剂是氮川三乙酸，粘土稳定剂是氯化二甲基二烯丙基铵。步骤(c) 中所述的根据pH值计算三种酸的酸液摩尔浓度并记录，和步骤(e)中所 述的将残酸pH值分别折算为摩尔浓度，均通过以下公式计算：

C＝10^-pH

其中，C为酸液摩尔浓度。

以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围 的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。 本实施例没有详细叙述的部件和结构属本行业的公知部件和常用结构或常 用手段，这里不一一叙述。