印尼Kaji油田灰岩储层酸岩反应动力学实验研究

王 荣 刘平礼 徐 昆 赵立强 王 辽

(西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室， 成都 610500)

Kaji油田位于印度尼西亚苏门答腊南部Rimau区，主力产层Baturaja为灰岩地层[1]，以某井为例，岩石成分中方解石占83.02%～97%，微裂缝较发育。储层岩石受工作液伤害严重，拟采用基质酸化解除其污染。对于低渗致密的灰岩储层酸压是更好的选择。由于酸岩反应动力学参数是酸化设计的重要参数，不同油田、不同区块储层岩石类型及成分不同，选用的酸液配方不同，则酸岩反应规律及动力学参数也不尽相同[1]，需用室内试验方法确定。针对该储层岩性特点，用TEMCO公司制造的CRS-1000-35旋转岩盘腐蚀测定仪测定了该井酸岩反应力学方程、酸岩反应活化能、H+有效传质系数等，为酸化优化设计提供参考。

1 酸岩反应动力学

1.1 实验理论基础

(1)酸岩反应动力学参数的确定

配制不同初始浓度的酸液与储层岩心反应，测定每次反应前后酸浓度，然后利用作图法确定酸岩反应级数和反应速度常数。当温度、压力恒定时化学反应速度与反应物深度的适当次方的乘积成正比[2]，可表示为

J=KCm

(1)

(2)

式中：J— 反应速度，mol(s·cm2)；V— 参加反应的酸液体积，L；S— 岩盘反应表面积，cm2；K— 反应速度常数，(molL)-m·mols·cm2；C—t时刻的酸液内部酸浓度，molL；m— 反应级数，无因次。

方法一：微分法，对式(1)两边同时取对数即：

lgJ=lgK+mlgC

(3)

将式(3)作图得一直线，此直线的斜率为m，截距为lgK，从而确定酸岩反应动力学方程。

方法二：直接回归法，把J与C用幂函数回归即：

J=aCb

(4)

对比式(1)与式(4)，可以得出K与m值。

(2)酸岩反应活化能的确定

酸岩反应活化能表征酸岩发生反应的难易程度。在一定的酸液浓度和反应条件下，测定不同温度时的酸岩反应速度。利用阿伦乌尼斯(Arrielius)方程[3]求出酸岩反应活化能。考虑温度的反应动力学方程：

(5)

式中：K0— 频率因子，(molL)-m·mols·cm2；Ea— 反应活化能，Jmol；R— 气体常数，R=8.314 J(mol·K)；T— 温度，K。

在定压、定转速、定酸浓度条件下，利用旋转岩盘试验仪可测得一系列的C和J值。

方法一：微分法，对式(5)两边取对数得：

lgJ=lg(K0Cm)-(Ea2.303R)·(1T)

(6)

由式(6)可知，在浓度不变的条件下，将lgJ对1T作图应为一直线。直线斜率为-(Ea2.303R)，截距为lg(K0Cm)，从而可求出Ea、K0值。

方法二：直接回归法，把J与1T以常数e为底进行指数性回归即：

J=ced·1/T

(7)

对比式(5)与式(7)，c对应K0·Cm，d对应-EaR，从而可求出Ea、K0值。

(3)H+有效传质系数(De)的确定

H+有效传质系数[4]是酸压设计的重要参数。酸压时，酸液沿裂缝流动反应，浓度逐渐降低，H+有效传质系数De将发生变化[5]。要科学地指导酸压施工设计，必须确定不同酸液浓度和流动状态下的H+有效传质系数[6]。

酸液在注入地层流动中H+传递有两种方式：浓度差引起的扩散和流动引起的对流。在酸岩反应过程中，H+的运动既有扩散传质也有对流传质，而且以对流传质为主[4]。

酸液中H+有效传质系数：

(8)

(9)

(10)

式中：De— H+有效传质系数，cm2s；J— 反应速度，mol(s·cm2)；v— 酸液平均运动黏度，cm2s；ω— 旋转角速度，rads；Ct—t时刻酸液内部浓度，molL；n— 转速，rmin;μ— 黏度，mPa·s。

本文中由于3种酸液体系运动黏度差异较大，在相同转速下Re在不同的区间。

试验时，在给定的岩盘半径下，测定J、Ct、v和ω，计算出Re，利用式(8)～(10)可求出De值，从而作出De～n关系曲线。

1.2 实验步骤及实验酸液

1.2.1 实验步骤

(1)岩样的制备：标准岩样Φ3.81 cm，长3～5 cm。实验前用热收缩管及仪器实现3面密封；

(2)酸液配制：20%，16%，12%，8%浓度的酸液各600 mL，其中20%为鲜酸，其余为考虑同离子效应，加入适量的CaCO3制得的残酸；

(4)酸液初始浓度滴定，密度、黏度测量；

(5)酸液放入预热釜并预热到实验温度，同时反应釜也调至到实验温度；

(6)待温度达到预定温度时，调节转速，用CO2气瓶提供压力将预热釜酸液打入反应釜内开始计时，并调节压力至7 MPa；

(7)反应3～5 min，取酸样3～4个并滴定，由于酸岩反应时将产生很多气泡而无法测量酸液体积，本实验采用比重计测酸液密度，取样时称质量。

1.2.2 实验酸液

3种酸液体系配方见表1。

表1 3种酸液体系配方

2 反应动力学参数的测定结果

2.1 测定动力学方程

酸液浓度与反应速度的关系(60 ℃)见表2和图1。

表2 酸液浓度与反应速度的关系(60 ℃)

常规盐酸、胶凝酸和转向酸由线性回归曲线得到反应速度方程分别为：J=3.977 4×10-6C1.319 1；J=1.7×10-6C0.738 4；J=2.39×10- 6C0.869 5。由试验结果可知，在相同条件下，胶凝酸反应速度最慢，其次为转向酸，盐酸反应速度最快。

图1 酸液浓度与反应速度J关系图(60 ℃)

2.2 测定酸岩反应活化能

3种酸液体系反应速度与温度的关系见表3，3种酸液体系反应速度与1T的关系见图2。

表3 3种酸液体系反应速度与温度关系

图2 反应速度J与1T关系图

由线性回归曲线可以确定盐酸、胶凝酸、转向酸活化能分别为23.160，29.804，23.986 kJmol；并且可以确定不同温度和不同浓度下的反应速度方程(见表5)。

2.3 测定H+有效传质系数

在同一温度下，随转速的增大，3种酸液体系H+传质系数都呈现先下降后上升的趋势(表4，图3)，表明存在一个最小传质系数(转速约700 rmin)，此时系统的酸岩反应速度最小，这正是反应了对流传递和扩散传递综合作用的结果，同时说明注酸速度有个最佳范围使酸岩反应速度最小。

表4 60 ℃时转速与酸液的H+传质系数的关系

图3 3种酸液体系H+传质系数与转速关系曲线

3 结 论

以上3种酸液体系的酸岩反应动力学试验结果见表5。

表5 酸岩反应动力学试验结果

(1)活化能是酸岩反应发生难易程度的重要参数，反映普通分子变为可参与反应的活化分子所吸收的最低能量。3种酸液体系活化能高低顺序为：常规盐酸<转向酸<胶凝酸，表明胶凝酸在3种酸中最难发生反应，缓速性能最好，转向酸其次，常规盐酸反应最快。

(2)反应级数反映酸浓度对反应速度的影响程度。在试验温度60 ℃，转速为500 rmin时，常规盐酸、胶凝酸、转向酸的反应级数分别为1.319 1、0.738 4、0.869 5。说明常规盐酸浓度的变化对反应速度的影响最明显，其次是转向酸、胶凝酸。

(3)在同一温度下，随转速的增大，3种酸液体系H+传质系数都呈现先下降后上升的趋势，说明注酸速度有个最佳范围使酸岩反应速度最小。

通过酸岩反应动力学试验，用旋转岩盘腐蚀测定仪系统测定了某井常规盐酸、胶凝酸、转向酸的酸岩反应动力学方程，求取了反应活化能、酸岩反应速度常数、H+有效传质系数等酸岩反应动力学参数，为酸化优化设计提供参考。

[1] 邝聃，李勇明，曹军，等.塔中I号气田碳酸盐岩储层酸岩反应动力学实验[J].断块油气田，2009，16(6)：65-67.

[2] 王鸿勋，张琪.采油工艺原理[M].北京：石油工业出版社，1994.

[3] 张继周，蒋晓敏，韩晓强，等．RDA100高温高压动态腐蚀测定仪在酸岩反应研究中的应用[J]．新疆石油科技，2003，13(4)：39-42.

[4] 李颖川.采油工程[M].北京：北京工业出版社，2009：2.

[5] 张建利，孙忠杰，张泽兰，等.碳酸盐岩油藏酸岩反应动力学实验研究[J].油田化学，2003，20(3)：216-219.

[6] 赵立强.碳酸盐岩和盐酸反应动力学的试验研究[J].西南石油学院学报，1988，10(1)：34-41.