王恒，王世彬，郭建春，張永春，秦玉英

（1.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，四川 成都610500；2 中國石化華北油田分公司工程技術(shù)研究院，河南 鄭州450006）

酸壓濾失主要由化學(xué)濾失、物理濾失2 部分組成。化學(xué)濾失是酸液與裂縫壁面反應(yīng)產(chǎn)生酸蝕蚓孔造成的，受蚓孔發(fā)育深度、密度控制；物理濾失為碳酸鹽巖自身存在的天然裂縫與酸液反應(yīng)控制的混合濾失。濾失量在作業(yè)過程中無法有效測定，目前室內(nèi)實(shí)驗(yàn)也只能籠統(tǒng)判斷酸壓濾失量是否影響增產(chǎn)效果，不能對(duì)其進(jìn)行量化。文中通過對(duì)濾失體積表征與計(jì)算方法進(jìn)行研究，達(dá)到以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐酸壓方案設(shè)計(jì)的目的。

1 濾失體積表征

物理濾失受儲(chǔ)層物性控制，無法用一種標(biāo)準(zhǔn)化方法對(duì)其進(jìn)行表征和計(jì)算?；瘜W(xué)濾失雖然可以通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)確定，但是實(shí)驗(yàn)過程中如何表征、計(jì)算濾失量，國內(nèi)外始終沒有一個(gè)系統(tǒng)化的標(biāo)準(zhǔn)。

國內(nèi)郭建春［1］在進(jìn)行濾失實(shí)驗(yàn)時(shí)，以濾失流量表征API 標(biāo)準(zhǔn)巖柱的濾失量；國外Hill 團(tuán)隊(duì)［2］以及其他酸壓方向研究實(shí)驗(yàn)［3-5］中，往往采用酸液突破體積表征濾失流量（pore breakthrough volume）。碳酸鹽巖濾失實(shí)驗(yàn)過程中，由于其致密特性造成濾失效果不明顯，導(dǎo)致以流量方式表征酸液濾失量時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果無差異性；如果使用酸液突破體積方式表征，則實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以明顯區(qū)分。

酸液突破體積表征意義為注入酸液的體積與實(shí)驗(yàn)巖心孔隙體積之比，孔隙體積依據(jù)巖石孔隙體積測試方法（SY/T 5815—1993）確定。

2 濾失體積計(jì)算

2.1 濾失階段劃分

酸液進(jìn)入地層后，立即發(fā)生酸巖反應(yīng)，并存在一定濾失量，稱為初濾失階段，此時(shí)，隨注酸時(shí)間增加濾失量線性增加； 酸刻蝕產(chǎn)生酸蝕蚓孔，濾失量呈指數(shù)增加，稱為突破階段，酸巖反應(yīng)生成的蚓孔將迅速增大濾失面積或溝通深部裂縫，一旦溝通深部裂縫，濾失劇增且難以控制，這種情況下增加注酸量對(duì)增大有效作用距離意義不大；最后，濾失存在一個(gè)穩(wěn)定階段，隨注酸時(shí)間的增加，由于受到酸液消耗的限制，鮮酸不能抵達(dá)更深部的裂縫區(qū)域，酸蝕蚓孔無法繼續(xù)快速擴(kuò)張，加之不溶物與CO2氣泡的生成，使酸液濾失量保持恒定［6］。

圖1 酸液濾失階段示意

2.2 階段濾失量計(jì)算

在初濾失階段，酸液濾失主要受物理因素控制。

在突破階段，以定流量注入酸液，酸巖反應(yīng)溶蝕速率恒定，酸液流動(dòng)狀態(tài)為線性流，而且濾失受注入酸液體積控制：

式中：fD為酸溶蝕量，無量綱；DA為達(dá)姆科勒系數(shù)（酸巖反應(yīng)動(dòng)力學(xué)測定），無量綱；Qibt為酸液突破體積，無量綱；Ef為酸巖表面反應(yīng)速率mol/（cm2·s）；Co為酸液初始濃度，mol/L；uwh為蚓孔中酸液流量，mL/min；m 為反應(yīng)級(jí)數(shù)。

酸蝕蚓孔長度受注入酸液體積控制：

結(jié)合式（1）得

式中：Lwh（t）為蚓孔長度，mm；V（t）為注入酸液體積，mL；A 為巖心橫截面積，mm2；φ 為孔隙度。

如果蚓孔發(fā)育形狀近似線性，應(yīng)用以上算法可以得到與真實(shí)值相近的算數(shù)解；若蚓孔發(fā)育不規(guī)則，則計(jì)算結(jié)果近似為發(fā)育蚓孔的總長度。酸液流量對(duì)蚓孔發(fā)育有著重要的影響。在突破階段，由于酸液與不同巖性的巖石反應(yīng)速率不同，流量對(duì)蚓孔發(fā)育影響產(chǎn)生的酸蝕效果也不同［7］。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，白云巖蚓孔發(fā)育較慢，流量對(duì)白云巖蚓孔發(fā)育以及濾失量影響較小，所以，以上提出的蚓孔長度計(jì)算公式適用于白云巖。

穩(wěn)定階段中，酸液呈黏性流體存在于蚓孔中，并且認(rèn)為蚓孔處無壓降。酸液濾失流量可由達(dá)西定律求得：

即

式中：uN為濾失流量，mm/min；K 為滲透率，10-3μm2；μ為殘酸黏度，mPa·s；ps，pl，Δpc分別為蚓孔內(nèi)壓力、突破區(qū)邊界壓力、毛細(xì)管壓力，MPa；Ll（t）為突破區(qū)域長度（蚓孔最長長度），mm。

突破區(qū)域長度可由酸液侵入儲(chǔ)層總長L（t）減去蚓孔長度得到：

將式（3）、式（6）代入（5）得：

由此可見，酸液濾失流量uN可以通過酸液突破體積Qibt及酸液侵入儲(chǔ)層總長L（t）求出［8-14］。忽略蚓孔發(fā)育后孔隙度變化，濾失流量與酸液侵入儲(chǔ)層長度相關(guān)：

將式（7）代入式（8），得到酸液侵入長度L（t）與酸液突破體積Qibt的微分方程：

初始情況下，t=0，L（t）=0，得出酸液侵入長度關(guān)于時(shí)間的方程：

將式（10）代入式（9），得出濾失流量：

式中：當(dāng)Qibt＞1 時(shí)，蚓孔穿透巖樣，蚓孔有擴(kuò)展發(fā)育的趨勢，濾失量大；Qibt＜1 時(shí)，蚓孔在巖樣內(nèi)部，對(duì)酸液濾失影響小。

綜上所述，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)過程中，蚓孔發(fā)育總長及酸液濾失流量可以通過酸液突破體積得出，說明采用酸液突破體積方式可以有效表征酸液濾失量，實(shí)現(xiàn)酸壓過程中酸液濾失的量化描述。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

選取某氣田深度為2 750～2 780 m 處API 標(biāo)準(zhǔn)巖心，利用Xradia 公司的MicroXCT-400 進(jìn)行CT 掃描，觀察其裂縫發(fā)育情況（見圖2）。

圖2 巖心CT 掃描圖像

從圖2可以看出，巖樣內(nèi)部有裂縫發(fā)育，但是沒有高滲的裂縫通道，不存在嚴(yán)重的初濾失情況。

通過酸巖反應(yīng)動(dòng)力學(xué)設(shè)備測得實(shí)驗(yàn)巖心酸巖反應(yīng)動(dòng)力學(xué)系數(shù)。巖樣尺寸為25.4 mm×30.8 mm，滲透率0.5×10-3μm2，孔隙度6.7%，采用15%HCl 膠凝酸，室溫條件下最大壓差2.758 MPa，巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)后巖樣長度為36.6 mm，實(shí)驗(yàn)時(shí)間45 min，無酸液濾失，實(shí)驗(yàn)曲線見圖3。

圖3 實(shí)驗(yàn)過程壓力變化

由圖3可以看出，隨壓力升高，酸液突破體積增大，但是在試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)酸液突破體積不超過1，說明酸液為穿透巖樣。

應(yīng)用公式計(jì)算得出酸溶蝕量fD=0.191，相當(dāng)于反應(yīng)5.9 mm 厚巖樣，蚓孔發(fā)育長度Lwh=88.367 mm，由于酸液突破體積最大值為0.955，所以u(píng)N=0，在該巖樣內(nèi)酸液無濾失；計(jì)算結(jié)果與真實(shí)結(jié)果接近，酸液反應(yīng)溶蝕4.2 mm 厚巖樣，并產(chǎn)生一定量的蚓孔。

4 結(jié)論

1）提出酸壓中濾失受化學(xué)、物理濾失控制，重新定義了酸壓濾失階段，并在其基礎(chǔ)上提出了相應(yīng)濾失量的數(shù)學(xué)計(jì)算方法。

2）在碳酸鹽巖儲(chǔ)層酸壓濾失實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)用酸液突破體積表征濾失量，不僅從實(shí)驗(yàn)角度說明了濾失情況，而且可以通過數(shù)學(xué)方法計(jì)算出濾失流量。并得到室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。

3）運(yùn)用酸液突破體積表征與計(jì)算酸液濾失量，對(duì)酸壓施工方案設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

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