前置缓速酸加砂压裂中酸岩反应模拟研究

刘飞，赵立强（油气藏地质及开发工程国家重点实验室（西南石油大学），四川 成都 610500）

孟向丽（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452）

马旭，赵振峰（中石油长庆油田分公司油气工艺研究院低渗透油气田国家工程实验室，陕西 西安 710021）

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，常规水力压裂由于压裂液破胶不彻底、压裂液残渣滞留、压裂液滤液伤害、压裂液滤饼伤害等不能充分发挥水力裂缝的增产改造效果①赵立强，等 .前置酸酸液体系优化 .西南石油大学，2011.［1，2］，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［3］，前置酸加砂压裂工艺［4～8］在这方面做了主要尝试，并已在现场取得了较好的应用效果。前期研究成果表明：前置酸通过溶蚀或稳定滤失区黏土矿物，改善近缝基岩孔隙度和渗透率，减少后续压裂液滤液造成的水锁伤害、返排期间促使压裂液破胶、溶解压裂液残渣、清洗支撑裂缝等，可在常规水力压裂的基础上增产10%～23%；而前置酸通常采用有机土酸、多氢酸、氟硼酸、复合酸等缓速酸液体系，确保压裂施工结束后滤失区酸液仍具有一定反应活性。目前对砂岩与缓速酸液体系的酸岩反应模拟理论尚不完善，前置酸加砂压裂工艺设计带有极强的主观经验性。笔者基于缓速酸液体系缓速机理、缓速酸液与砂岩矿物的反应机理，结合前置酸加砂压裂工艺，建立水力裂缝内酸浓度分布模型和滤失区酸岩反应的 “三酸三矿物”模型。以HCl＋HBF4＋HF的复合缓速酸液体系为例，通过模拟计算裂缝内酸液浓度分布，作为计算滤失区酸液浓度的内边界条件，模拟滤失区酸岩反应过程可确定出滤失区酸浓度分布、矿物浓度分布以及基岩孔隙度和渗透率的改善程度。本研究完善了前置酸加砂压裂理论，模拟计算结果为优选缓速酸液类型、优化前置酸用量提供数据支撑，并能指导前置酸加砂压裂工艺设计。

1 裂缝内酸岩反应模拟

在前置酸压裂中，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：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，如图1所示。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。

图1 裂缝微元示意图

式中：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为缓速酸反应速度，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；λ1为1mol缓速酸反应生成 HF的物质量，mol／mol；λ2为1mol HF反应生成 H2SiF6的物质量，mol／mol。

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：

缓速酸反应生成HF的反应速度R0可表示为［9～13］：

式中：k0为反应速度常数，（mol／m3）－1·s－1；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。

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：

式中：Ef，i，j为酸液i与矿物j的反应速度常数，mol·（m2·s·mol／m3）；Ea，i，j为酸液i与矿物j的反应活化能，J／mol；n为与酸液i发生反应的矿物数；为矿物j的比表面积，m2／m3；Vj为矿物j的体积分数，m3／m3；Ci，eqm为酸液i与矿物反应的平衡浓度（常取0），mol／m3。

2 滤失区酸岩反应模拟

在酸液滤失侵入区，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［14］，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的HF。采用酸液质量守恒可以建立相应的 “三酸三矿物模型”：

3 计算实例分析

在前置酸加砂压裂中，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［15，16］。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2～6所示，其中HBF4和H2SiF6的无量纲浓度为其实际浓度与HBF4的注入浓度的比值，而HF的无量纲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

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

图2 不同注酸量时裂缝内酸液浓度分布

滤失区内酸液浓度分布如图3所示。总体而言，随滤失深度的增加，HBF4和HF的无量纲浓度整体呈现降低趋势，HBF4仅在缝口较小的滤失区内维持较高的无量纲浓度，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可维持较高无量纲浓度，整个滤失区HF无量纲浓度维持在0.5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，无量纲浓度可达到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3 前置酸150m3时滤失区酸液无量纲浓度

图4 前置酸150m3时滤失区矿物体积分数

滤失区矿物体积分数分布如图4所示。随滤失深度增加，快反应矿物和慢反应矿物体积分数先减小后增大，直至等于原始体积分数，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，体积分数数量级为10－4，产生的二次沉淀伤害微不足道。

施工结束时滤失区孔隙度和渗透率分布如图5、6所示。孔隙度和渗透率均随滤失深度增加而减小，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32%，而渗透率从初始4mD增加至40mD，滤失区孔渗物性得到显著改善。

图5 施工结束时滤失区孔隙度分布

图6 施工结束时滤失区渗透率分布

4 结论

1）用HBF4与HF的复合缓速酸液体系进行前置酸加砂压裂时，裂缝内HF浓度先增加后降低，酸液缓速性能较好。

2）缓速酸液体系可维持酸液滤失区在施工结束后保持相对较高的HF浓度，返排阶段能促使压裂液破胶、溶解压裂液残渣和清洗支撑裂缝，改善常规水力压裂效果。

3）滤失区酸岩反应可显著改善基岩孔隙度和渗透率，对降低油气流体向支撑裂缝汇聚的渗流阻力、提高压裂井产能具有积极作用。

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