第2章　酸化

2.1　酸化增产原理

酸化是一种使油气井或注水井增注的有效方法。它是通过井眼向地层注入一种或几种酸液或酸液混合液，利用酸与地层中部分矿物的化学反应，溶蚀储层中的连通孔隙或天然裂缝壁面岩石，增加孔隙和裂缝的导流能力，从而使油气井增产或注水井增注的一种工艺措施。

与此同时，在常规酸化施工中也存在一些缺点对施工效果造成影响：

①酸岩反应速率较快，导致酸液有效穿透距离缩短，只能消除近井地带的地层伤害；

②提高酸的浓度可延长酸液的穿透距离，但同时高浓度酸对管壁、设备的腐蚀加重，给防腐带来困难；

③经土酸处理后的砂岩，黏土中其他微粒的运移会堵塞油流通道，造成酸化初期产量增加但后期产量递减的问题，导致酸化施工的增产有效期缩短。

因此在酸化工艺和技术发展的过程中，新型酸液及添加剂的应用着重是降低酸对金属管线和设备的腐蚀、控制酸岩反应速率、提高酸化效果、防止地层污染和降低施工成本。

2.1.1　酸处理工艺分类

酸化是利用酸液增产增注的一类工艺方法的统称。根据酸化施工的方式和目的，其工艺过程可分为酸洗、基质酸化和酸化压裂三种。

2.1.1.1　酸洗

酸洗是一种清除井筒中的酸溶性结垢或疏通射孔孔眼的工艺。它是将少量酸液定点注入预定井段，溶解井壁结垢物或射孔孔眼堵塞物并及时返排酸液，以防止酸不溶物重新堵塞孔眼和井壁，从而提高油气井产能。

2.1.1.2　基质酸化

基质酸化是指在低于地层破裂压力条件下将配方酸液注入地层孔隙空间，利用酸液溶蚀近井地带的堵塞物来恢复地层渗透率或者用酸液溶解孔隙中的细小颗粒、胶结物等来扩大孔隙空间、提高地层渗透率。

选用基质酸化的原因大体有以下几点：清楚地层堵塞；降低地层在压裂前的破裂压力；均匀疏通射孔孔眼；不破坏隔层；减少施工成本。

酸液在砂岩储层，通过径向渗入来溶解孔隙空间内的颗粒及堵塞物，扩大孔隙空间，破坏泥浆、水泥及岩石碎屑等堵塞物的结构，清除井筒附近污染，恢复或提高基质渗透率，从而达到恢复油气井产能和增产的目的。

对于碳酸盐岩储层，酸液则主要通过溶解微裂缝中堵塞物或溶蚀裂缝壁面来扩大裂缝。在某些情况下会形成类似于蚯蚓的孔道，简称为酸蚀蚓孔，从而改善地层渗流条件。

2.1.1.3　酸化压裂

酸化压裂（酸压）是指在高于储层破裂压力或天然裂缝的闭合压力下，将酸液挤入储层，在储层中形成裂缝，同时酸液与裂缝壁面岩石发生反应，非均匀刻蚀缝壁岩石，形成沟槽状或凹凸不平的刻蚀裂缝，施工结束裂缝不完全闭合，最终形成具有一定几何尺寸和导流能力的人工裂缝，改善油气井的渗流状况，从而使油气井增产。

酸压和水力压裂增产的基本原理和目的相同，都是为了产生有足够长度和导流能力的裂缝，减少油气水渗流阻力，主要差别在于如何实现其导流性。对于水力压裂，裂缝内的支撑剂阻止停泵后裂缝闭合；酸压一般不使用支撑剂，而是依靠酸液对裂缝壁面的非均匀刻蚀产生一定的导流能力，这种非均匀刻蚀是由岩石的矿物分布和渗透性的不均一所致。酸液沿着裂缝壁面流动反应，有些地方的矿物极易溶解（如方解石），有些地方则难以被酸所溶解，甚至不溶解（如石膏、砂等）。易溶解的地方刻蚀得厉害，形成较深的凹坑或沟槽，难溶解的地方则凹坑较浅，不溶解的地方保持原状。此外，渗透率好的壁面易形成较深的凹坑，甚至是酸蚀孔道，从而进一步加重非均匀刻蚀。酸化施工结束后，由于裂缝壁面凹凸不平，裂缝在许多支撑点的作用下，不能完全闭合，最终形成具有一定几何尺寸和导流能力的人工裂缝。

2.1.2　酸化增产原理

近井地带储层受污染后的表皮系数可用Hawkins（1956）公式表示。

S=K/Kd-ln（rd/rw）　　（2-1）

式中　 K——地层渗透率，10-3μm2；

　Kd——伤害渗透率，10-3μm2；

　 rd——伤害带半径，m；

　rw——井筒半径，m。

此式常用于评估渗透率污染的相对程度和污染深度。式（2-1）表明，渗透率污染对表皮系数的影响比污染深度的影响要大得多。由试井得到的表皮系数基本上是由近井地带的渗透率污染引起的。

2.1.2.1　基质酸化增产原理

基质酸化增产作用主要表现在：①酸液挤入孔隙或天然裂缝与其发生反应，溶蚀孔壁或裂缝壁面，增大孔径或扩大裂缝，提高储层的渗流能力；②溶蚀孔道或天然裂缝中的堵塞物质，破坏泥浆、水泥及岩石碎屑等堵塞物的结构，疏通流动通道，解除堵塞物的影响，恢复储层原有的渗流能力。

储层流体（油、气、水）从储层径向流入井内时，压力损耗在井底附近呈漏斗形状（俗称压力漏斗）。对于气井，由于气体随压力降低而膨胀，所以靠近井底其流速增加比油井更加显著，摩擦阻力更大，压力损耗也更大。一般距井筒周围10m以内，油气井的压力损耗要占全部压力降的80%～90%。因此，提高井底附近的渗流能力，降低压力损耗，在生产压差不变时，可显著提高油气产量。

如式（2-2）所示，介于井半径rw与污染半径rd之间的污染带渗透率为Kd，介于rd与泄流半径re之间的储层渗透率为K0（图2-1），Muskat（1947）给出了这类井的产能与储层渗透率为K0的同类井的产能之比：

　　（2-2）

式中　　　Xd——污染带渗透率与原始渗透率比值，Xd=Kd/K0；

　 J0、Jd——无污染井采油指数和污染井采油指数。

假设re为300m，rw为0.12m，污染深度rd-rw值为0～0.33m，上述关系如式（2-2）所示。已知污染半径及渗透率比值（图2-2），由式（2-2）中使可计算出消除污染后获得的增产量。

酸化后采油指数与酸化前采油指数之比称为酸化增产倍比，对于污染井：

　　（2-3）

对于未污染井：

　　（2-4）

式中　Xi——酸化后的渗透率与原始渗透率的比值，Xi=Ki/K0；

　 Ji——酸化后的采油指数。

假定严重污染井Xd为5%，表皮系数是26，由式（2-3）计算可知，当酸化解除污染时可使采油指数增加4.5倍。对未污染井，酸化处理使井筒周围0.4m半径范围的渗透率增加20倍，即Xi为20，表皮系数从0下降到-1.2左右，通过式（2-4）计算表明，采油指数只能增加21%。

由此可以看出，对于无污染地层，均匀地提高井底地层的渗透率可使油气井增产百分之几十到百分之一百以上，最多不超过百分之二百，从经济角度出发，均匀改善区的面积不应过大。

2.1.2.2　酸化压裂增产原理

酸化压裂是碳酸盐岩储层增产措施中应用最广的酸处理工艺。酸化压裂施工中酸液壁面的非均匀刻蚀是由于岩石的矿物分布和渗透性的不均一。渗透率好的壁面易形成较深的凹坑，甚至是酸蚀孔道，从而进一步加重非均匀刻蚀。酸化施工结束后，由于裂缝壁面凹凸不平，裂缝在许多支撑点的作用下不能完全闭合，最终形成具有一定几何尺寸和导流能力的人工裂缝，大大提高了储层的渗流能力。

与水力压裂技术类似，酸化压裂的增产原理主要表现在：

①酸化压裂裂缝增大油气向井内渗流的渗流面积，改善油气的流动方式，增大井附近油气层的渗流能力；

②消除井壁附近的储层污染；

③沟通远离井筒的高渗透带、储层深部裂缝系统及油气区。

无论是在近井污染带内形成通道，或改变储层中的流型都可获得增产效果。小酸量处理可消除井筒污染，恢复油气井天然产量，大规模深部酸压处理可使油气井大幅度增产。

酸压工艺不能用于砂岩储层，其原因是砂岩储层的胶结一般比较疏松，酸压可能由于大量溶蚀，致使岩石松散，引起油井过早出砂；可能压破储层边界以及水、气层边界，造成储层能量亏空或过早见水、见气；由于酸沿缝壁均匀溶蚀岩石，不能形成沟槽，酸压后裂缝大部分闭合，形成的裂缝导流能力低，且由于用土酸酸压可能产生大量沉淀物堵塞流道。因此，砂岩储层一般不能冒险进行酸压，要大幅度提高产能需采用水力压裂措施。

2.1.3　地层的伤害

由于油层岩石成分、结构及油层流体不同，酸化作业中产生的伤害也不相同。引起酸化伤害的主要原因是酸液与油层矿物不配伍产生二次沉淀；酸液与油层流体不配伍产生酸渣；使用添加剂不当；酸化设计施工不当。

（1）酸液与油层矿物不配伍

酸化是油田作业中比较典型的化学反应过程，在中、高渗透性油田，其作业目的主要是洗井、解堵（消除泥浆污染或注水井中的污染物、除垢等）。对低渗透油层则主要是基质酸化，在酸化解堵作业中，可能发生井筒中污物的溶解，在基质酸化作业中，将发生油层矿物的溶解，但与此同时，由于有害副反应的存在，酸化作业往往伴随沉淀堵塞造成地层伤害。

地层中铁离子最容易形成沉淀，堵塞孔隙。地层含铁矿物有碳酸盐岩（铁方解石、铁白云石等）、黑云母、黄铁矿、硫化铁、黏土矿物（绿泥石、蒙脱石、高岭石等）等。它们以Fe2+和Fe3+的状态存在，对酸化作用影响很大。

土酸与方解石、白云石等碳酸盐矿物容易生成CaF2，但如果油层有足量的Al3+可使CaF2溶解。土酸与地层矿物反应将产生氟硅酸和氟铝酸，它们与酸岩体系中的钾、钠等离子反应产生难溶的氟硅酸盐和氟铝酸盐沉淀，它们吸附在岩石表面，造成严重伤害。同时，土酸与砂岩矿物反应产生水化硅［Si（OH）4］沉淀。

（2）酸液与油层流体不配伍产生酸渣

当酸液与油层流体接触时，主要存在两种伤害机理，即微乳液的形成以及沥青烯淤泥的沉积。根据原油重质组分的特性，可将其划分为石蜡质原油或沥青质原油。沥青质原油中存在大量沥青烯，它们以胶态分散体系的形式存在，属非晶体。沥青烯胶束以胶溶的高分子量的聚芳烃分子为核心，并被分子量较低的中性树脂和芳香烃类化合物所环绕，每个胶束均由多个环圈层组成，5个圈层堆积起来就形成沥青烯颗粒。人们称酸处理作业中由原油与酸接触而产生的沥青烯淤泥为酸渣，这种酸渣与自然生成的沥青烯沉积不同，它是一种胶状的不溶性产物。酸渣一旦产生，会对油层带来永久性伤害，一般很难消除。酸渣形成的主要原因是使用高浓度酸液、油层中有三价铁离子等。当油层水中含有K+、Na+、Ca2+和Mg2+等离子时，酸液特别是含氢氟酸的土酸将与这些离子作用产生有害沉淀。

（3）添加剂选用不当

针对不同油层岩石和流体，酸液中应加入相应的添加剂，添加剂应在类型、配伍性和用量上认真筛选和实验。当酸液中的添加剂与油层矿物、油层流体不配伍，或添加剂与添加剂之间不配伍，将产生油层伤害，达不到酸化效果。

（4）酸化设计施工不当

酸化施工参数包括酸浓度、施工泵压、排量、酸液用量、关并时间等。这些参数使用不当，酸化效果大打折扣，特别是对低渗储层的基质酸化，应根据油层吸酸能力限制泵压，不能压破油层，如果压破油层后，酸要随新形成的裂缝流动，酸化结束后，裂缝闭合，不能形成酸蚀裂缝，导致产生的沉淀物和颗粒不能排出油层，造成新的伤害。