刘建忠 贾云林 刘平礼 刘双行 刘 飞 郑 华

1．中海石油（中国）有限公司天津分公司 2．“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室·西南石油大学3．中国石油华北油田公司第二采油厂

复杂岩性、非常规、特殊油气藏的勘探开发对常规增产技术提出了巨大挑战，将酸化和压裂工艺相结合是未来增产改造技术的重要发展方向［1］，砂岩储层酸压［2－4］和前置酸加砂压裂工艺［5－9］在这方面做了主要尝试，并在现场取得了较好效果。虽然砂岩储层一般不冒险进行酸压改造，但只要能形成具有较高导流能力的酸蚀裂缝，在优选酸液配方体系和酸压工艺的基础上，也能取得比较理想的改造效果，同时，酸液滤失进入地层对基质孔隙度和渗透率的改善也能提高增产改造效果。目前对砂岩酸蚀裂缝导流能力和酸液滤失区孔渗改善的模拟理论尚不完善，砂岩储层酸压工艺设计存在盲目性。在砂岩酸压中，为了尽量减少二次沉淀，减轻对岩石骨架的破坏和稳定易运移微粒，常采用氟硼酸、多氢酸、有机酸等缓速酸液体系。笔者基于缓速酸液体系缓速机理、酸岩反应机理，建立了砂岩酸蚀裂缝内酸浓度分布模型和滤失区酸岩反应“三酸三矿物”模型，完善了砂岩酸压理论，模拟计算结果为优化砂岩酸压工艺设计提供了理论指导。

1 裂缝内酸岩反应模拟

在砂岩酸压中，采用缓速酸液体系压开储层，形成并延伸裂缝，酸液在裂缝内的浓度分布是计算酸蚀裂缝导流能力的基础，同时也是计算酸液滤失区酸液浓度分布的内边界条件。

假设条件为：①酸液不可压缩；②HF／H2SiF6与缝壁岩石的酸岩反应受表面反应控制；③碳酸盐岩矿物优先与注入酸液中的HCl反应；④裂缝内酸岩反应符合一次反应动力学。

取一个裂缝微元段（图1），根据酸液质量守恒可以建立酸液在裂缝内的浓度分布偏微分方程组。即

由于酸液不可压缩，裂缝内流体的质量守恒可以转化为体积守恒，则裂缝内流体的连续性方程为：

缓速酸通过水解反应生成HF的反应速度（R0）可表示为［10－14］：

图1 裂缝微元示意图

由于酸液与缝壁岩石的酸岩反应受表面反应控制，故R1和R2可以表示为：

2 滤失区酸岩反应模拟

对于酸液滤失侵入区，假设酸液流动符合一维线性单相流动。缓速酸浓度分布可根据水解反应动力学得到；HF和H2SiF6的浓度分布可以采用两酸三矿物模型模拟［15］，其区别在于HF的来源除了滤液本身之外，还存在缓速酸液水解反应生成。采用酸液质量守恒可以建立相应的“三酸三矿物模型”。即

3 计算实例分析

在砂岩酸压中，裂缝内酸液浓度分布是计算滤失区内酸液浓度分布的内边界条件，而裂缝内酸液浓度分布又需要裂缝几何尺寸作为基础参数，同时，裂缝内及滤失区温度场又决定了缓速酸水解反应和酸岩反应速度的快慢［16－19］。因此，模型的求解需要耦合多个方程组。具体求解步骤如下：①计算井筒温度场；②计算某一注酸时刻形成裂缝的几何尺寸参数；③计算裂缝温度场；④计算裂缝内酸液浓度分布；⑤计算滤失区内的酸液及矿物浓度分布；⑥计算滤失区内由于酸岩反应引起的孔隙度和渗透率变化。

储层及酸岩反应基础参数见表1，缓速酸液体系采用10%HCl＋10%HBF4＋1%HF，模拟计算结果如图2～9所示，其中HBF4和H2SiF6的无因次浓度为其实际浓度与HBF4的注入浓度的比值，而HF的无因次浓度为其实际浓度与HF注入浓度之比。

表1 储层及酸岩反应基础参数表

图2 裂缝内酸液浓度分布图

裂缝内酸液浓度分布如图2所示，从图2中可以看出：裂缝内HBF4浓度因水解反应生成HF而缓慢降低；而HF浓度先升高后缓慢降低，虽然缝口段HBF4浓度高但温度较低，水解反应相对较慢，HF浓度缓慢增加，裂缝中前段的HBF4和温度均较高，故HF增加速度较快，裂缝尖端的温度较高但HBF4浓度低，HF与岩石的反应速度大于HBF4水解生成HF的速度，故HF浓度开始缓慢降低；H2SiF6浓度总体较低，但持续增加。

根据立方定律，不同时刻酸蚀裂缝导流能力如图3所示。总体而言，酸蚀裂缝导流能力较低，这主要是由于酸液溶蚀总体能力较小；同一时刻，酸蚀裂缝导流能力在整个裂缝长度上呈现先增大后减小的趋势，这与HF在裂缝内的浓度分布规律一致；随着注酸时间的增加，酸蚀裂缝导流能力增加。

图3 不同时刻酸蚀裂缝导流能力图

滤失区内酸液浓度分布如图4～6所示。总体而言，随滤失深度的增加，HBF4和HF整体呈现降低趋势，HBF4仅在缝口较小的滤失区内维持较高浓度，并随滤失深度增加快速降低；对于HF而言，由于存在HBF4水解作用，HF可维持较高浓度，整个滤失区HF无因次浓度维持在0．6以上，缝口段滤失区HF浓度几乎维持为注入浓度，而裂缝中前段滤失区浓度均大于HF的注入浓度；H2SiF6仅在裂缝尖端滤失区出现较高浓度，无因次浓度在0．2左右，能溶解一定量的快反应矿物，对改善基岩孔隙度和渗透率具有一定积极作用。

图4 HBF4无因次浓度分布图

图5 HF无因次浓度分布图

图6 H2SiF6无因次浓度分布图

滤失区矿物体积浓度分布如图7～9所示，随滤失深度增加，快反应矿物和慢反应矿物体积浓度先减小后增大，直至等于原始体积浓度，且快反应矿物变化幅度远大于慢反应矿物。说明酸液主要溶蚀黏土类快反应矿物，对石英等慢反应矿物骨架溶蚀能力较小；硅胶沉淀仅出现在裂缝中前段的滤失区内，即HF高浓度区域，说明HF浓度增加会导致二次沉淀的急剧增大，但总体浓度极小，体积浓度数量级为10－4，产生的二次沉淀伤害微不足道。

图7 快反应矿物体积浓度图

图8 慢反应矿物体积浓度图

图9 硅胶体积浓度图

滤失区孔隙度和渗透率分布如图10～11所示，孔隙度和渗透率均随滤失深度增加而先增大后减小，最终降低至原始值，近裂缝壁面滤失区孔隙度从初始15%增加至2 5%，而渗透率从初始4mD增加至2 0 mD，滤失区孔隙度和渗透率得到显著改善。

图10 滤失区孔隙度分布图

图11 滤失区渗透率分布图

4 结论

1）HBF4与HF的复合酸酸压时，酸蚀裂缝内HF浓度随裂缝长度增加呈现先增加后降低的趋势，而HBF4随裂缝长度增加而减小，H2SiF6浓度随裂缝长度增加而增加，有利于提高酸液有效作用距离和保证岩石矿物溶蚀量。

2）缓速酸酸压酸蚀裂缝导流能力随裂缝长度增加呈现先增加后降低的趋势，注酸时间增加可增大酸蚀裂缝导流能力，但总体较小，为保障酸液有效作用距离、酸蚀裂缝导流能力和减少二次伤害，可考虑采用多种酸液多级交替注入酸压工艺。

3）缓速酸液体系可保证较大范围的酸液滤失区具有相对较高的HF浓度，增加滤失区酸液穿透深度，但HF浓度过高会产生明显的二次伤害。

4）滤失区酸岩反应可显著改善基岩孔隙度和渗透率，对降低油气流体向酸蚀裂缝汇聚渗流阻力、提高产能有积极作用。

符 号 说 明

A为距井筒x处的裂缝截面积，m2；C0为缓速酸浓度，mol／m3；C1为 HF浓度，mol／m3；C2为 H2SiF6浓度，mol／m3；u为距井筒x处裂缝内的酸液流速，m／s；R0为缓速酸水解速度，mol／（m3·s）；R1为 HF与岩石的表面反应速度，mol／（m3·s）；R2为 H2SiF6与岩石的表面反应速度，mol／（m3·s）；H为裂缝高度，m；ula为酸液滤失速度，m／s；v1、v2分别为化学计量系数，无因次；k0为反应速度常数，（mol／m3）－1／s；CH＋ 为酸液中 H＋浓度，mol／m3；Ea为水解活化能，J／mol；R为通用气体常数，8．314J／（mol·K）；T为温度，K；k0，i，j为酸液i与矿物j的反应速度常数，s－1；Ea，i，j为酸液i与矿物j的反应活化能，J／mol；Ci，eqm为酸液i与矿物反应的平衡浓度，mol／m3；φ为孔隙度，小数；Ef，i，j为酸液i与矿物j的反应速度常数，mol（m2·s·mol／m3）；Sj＊为矿物j的比表面积，m2／m3；Vj为矿物j的体积分数，m3／m3；βi，j为酸液i对矿物j的体积溶解能力，m3／m3；ρj为矿物j的密度，kg／m3；Mmj为矿物j的分子质量，kg／mol；Mai为酸液i的分子质量，kg／mol；vj为化学计量系数，j＝1～8。

［1］KALFAYAN L J．Fracture acidizing：History，present state，and future［C］∥paper 106371－MS presented at the SPE Hydraulic Fracturing Technology Conference，29－31 January 2007，College Station，Texas，USA．New York：SPE，2007．

［2］罗云，刘爱华，王俊明，等．交联酸加砂酸化压裂技术在复杂岩性油藏的应用［J］．石油学报，2008，29（2）：266－269．LUO Yun，LIU Aihua，WANG Junming，et al．Application of the crosslinked acid sand－adding acid－fracturing technique in complex lithologic reservoir［J］．Acta Petrolei Sinica，2008，29（2）：266－269．

［3］杨永华．砂岩储层酸压可行性研究［D］．成都：西南石油学院，2004．YANG Yonghua．Feasibility research of acid fracturing for sandstone reservoir［D］．Chengdu：Southwest Petroleum Institute，2004．

［4］王文东，赵立强，刘平礼，等．酸化加砂压裂复合增产技术［J］．断块油气田，2009，16（5）：113－115．WANG Wendong，ZHAO Liqiang，LIU Pingli，et al．Comprehensive stimulation technology of sand－adding acid fracturing［J］．Fault－Block Oil ＆ Gas Field，2009，16（5）：113－115．

［5］ROZO R，PAEZ J，MENDOZA A，et al．Combining acidand hydraulic－fracturing technologies is the key to successfully stimulating the Orito Formation［C］∥paper 104610－MS presented at the SPE Hydraulic Fracturing Technology Conference，2007．

［6］WANG Xugang，ZOU Honglan，CHEN Yandong，et al．Development of a novel alcoholic acid system for removal damage resulting from hydraulic fracturing in the tight gas reservoir［C］∥paper 86552－MS presented at the SPE International Symposium and Exhibition on Formation Damage Control，18－20February 2004，Lafayette，Louisiana，USA，New York：SPE，2004．

［7］王国峰，张立贵，李边生，等．前置酸压裂工艺技术研究与应用［J］．石油钻采工艺．1997，19（增刊1）：102－104．WANG Guofeng，ZHANG Ligui，LI Biansheng，et al．Research and application of pad－acid hydraulic fracturing technology［J］．Oil Drilling ＆ Production Technology，1997，19（S1）：102－104．

［8］刘红现，赵立强，刘平礼，等．前置酸改善水力压裂效果机理分析［J］．石油与天然气学报：江汉石油学院学报，2008，30（1）：332－334．LIU Hongxian，ZHAO Liqiang，LIU Pingli，et al．Mechanism analyze of pad－acid improving stimulation effect of hydraulic fracturing［J］．Journal of Oil and Gas Technology－Journal of Jianghan Petroleum Institute，2008，30（1）：332－334．

［9］赵立强，李年银，刘平礼，等．前置酸酸液体系优化［R］．成都：西南石油大学，2011．ZHAO Liqiang，LI Nianyin，LIU Pingli，et al．Optimize of pad－acid system［R］．Chengdu：Southwest Petroleum University，2011．

［10］王宝峰，赵忠扬，薛芳渝．砂岩基质酸化中的化学平衡研究［J］．西南石油学院学报，2000，22（2）：57－61．WANG Baofeng，ZHAO Zhongyang，Xue Fangyu．Study on chemical equilibrium in sandstone matrix aciding［J］．Journal of Southwest Petroleum Institute，2000，22（2）：57－61．

［11］王宝峰，赵忠扬，薛芳渝．砂岩基质酸化中HF与硅铝酸盐的二次、三次反应研究［J］．西南石油学院学报，2002，24（5）：61－64．WANG Baofeng，ZHAO Zhongyang，Xue Fangyu．Study of the second and the third reaction of HF on alumina silicate during sandstone matrix aciding［J］．Journal of Southwest Petroleum Institute，2002，24（5）：61－64．

［12］李年银，赵立强，刘平礼，等．多氢酸酸化技术及其应用［J］．西南石油大学学报：自然科学版，2009，31（6）：131－134．LI Nianyin，ZHAO Liqiang，LIU Pingli，et al．The acidizing technology and application of multi－hydrogen acid［J］．Journal of Southwest Petroleum University：Science＆ Technology Edition，2009，31（6）：131－134．

［13］邢希金，唐洪明，赵峰，等．伊利石与土酸／氟硼酸反应实验研究［J］．西南石油大学学报，2007，29（6）：29－31．XING Xijin，TANG Hongming，ZHAO Feng，et al．Reaction experiment of illite with mud acid and fluorboric［J］．Journal of Southwest Petroleum University，2007，29（6）：29－31．

［14］曾凡辉，郭建春，赵金洲．酸损伤降低砂岩储层破裂压力实验研究［J］．西南石油大学学报：自然科学版，2009，31（6）：93－96．ZENG Fanhui，GUO Jianchun，ZHAO Jinzhou．The experiment research of acid damage to reduce sandstone reservoirs fracture pressure［J］．Journal of Southwest Petroleum University：Science ＆ Technology Edition，2009，31（6）：93－96．

［15］CHUNLOU LI．Fine scale sandstone acidizing core flood simulation［D］．Austin：University of Texas，2004．

［16］马新仿，黄少云，张士诚．全三维水力压裂过程中裂缝及近缝地层的温度计算模型［J］．石油大学学报：自然科学版，2001，25（5）：38－41．MA Xinfang，HUANG Shaoyun，ZHANG Shicheng．A model for calculating temperature in the formation fractures and adjacent area during full 3Dhydraulic fracturing［J］．Journal of China University of Petroleum：Natural Sciences Edition，2001，25（5）：38－41．

［17］叶登胜，尹丛彬，蒋海，等．四川盆地南部页岩气藏大型水力压裂作业先导性试验［J］．天然气工业，2011，31（4）：48－50．YE Dengsheng，YIN Congbin，JIANG Hai，et al．A pilot test of large scale hydraulic fracturing in shale gas reservoir of the southern Sichuan Basin［J］．Natural Gas Industry，2011，31（4）：48－50．

［18］王鸿勋，张士诚．水力压裂设计数值计算方法［M］．北京：石油工业出版社，1998．WANG Hongxun，ZHANG Shicheng．Hydraulic fracturing design and numerical calculation method［M］．Beijing：Petroleum Industry Press，1998．

［19］沈建新，周福建，张福祥，等．一种新型高温就地自转向酸在塔里木盆地碳酸盐岩油气藏酸化酸压中的应用［J］．天然气工业，2012，32（5）：28－30．SHEN Jianxin，ZHOU Fujian，ZHANG Fuxiang，et al．Application of a new type of in situ diverting acid system in high temperature acidizing and acid fracturing in the carbonate hydrocarbon reservoirs of the Tarim Basin［J］．Natural Gas Industry，2012，32（5）：28－30．