[科普中国]-油层酸处理

简介

油层酸处理, 是油田上广泛用于改造油层、提高渗透率的措施。1它是利用酸液能溶解岩层中所含盐类的特性, 达到提高近井地带的油层渗透率, 改善油、气、水流动状况, 从而增加油、气产量和水井注入量的目的。目前, 我国各油田在油层酸处理方面, 广泛应用的有盐酸处理和土酸处理两种方法。有些油田还应用了“王水” 处理、“热酸” 处理与“ 热化学”处理等方法。2

原理酸处理是依靠向油层挤入酸液并与油层孔隙孔道起化学溶蚀作用, 以扩大油流通道, 提高油层渗透率; 或溶解井壁附近的堵塞物( 如泥浆、泥饼、各种杂质、沉淀物和细菌等) ,以排除堵塞来提高井的生产能力。由于油层岩石性质不同, 堵塞物不同, 所用酸液的种类也是不同的, 广泛使用的是盐酸和土酸两种。

盐酸处理主要用于石灰岩、白云岩和灰质胶结的砂岩等碳酸盐含量高的地层, 盐酸与地层内的碳酸盐作用时, 其反应如下。

对于石灰岩:

CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + CO2 ↑ + H2O

对于白云岩:

CaMg(CO3 )2 + 4HCl → CaCl2 + MgCl2 + 2CO2 ↑ + 2H2O

以上反应生成的钙盐和镁盐都易溶于水, 生成的CO2也溶于水。对于油井, 酸化后可应用抽汲或自喷方法将反应的废酸排出地面, 以提高油井酸处理效果。根据室内试验和生产实践得知, 当地层中所含碳酸盐类大于50% , 如裂缝性石灰岩、白云岩, 应用盐酸处理效果较好。对于井底堵塞, 应根据堵塞物的物化性质, 决定是否用盐酸处理。

砂岩的成分与碳酸盐大不相同。它主要以石英和长石为主, 经胶结物胶结而成。胶结物多为粘土或碳酸盐类, 胶结物数量变化幅度很大, 胶结物中的碳酸盐类占百分之几到十几都有。盐酸同石英及其他硅酸盐类基本上不起反应, 但氢氟酸( HF ) 对砂岩中的主要成分都有溶解作用。其反应式如下。

石英与HF 的反应:

SiO2 + 4HF → SiF4 ↑ + 2H2O

(粘土) 与HF 的反应:

Al2Si4O10(OH)2 + 36HF → 4H2SiF6 + 12H2O + 2H6AlF6

碳酸盐与HF 的反应:

CaCO3 + 2HF = CaF2↓ + H2CO3

CaMg(CO3)2 + 4HF = CaF2↓+ MgF2↓ + 2H2CO3

从以上的反应来看, 氢氟酸对于石英、硅酸盐、碳酸盐都有溶解能力, 但反应生成物中的CaF2 与MgF2 会产生沉淀, 堵塞地层。所以, 砂岩酸化多用土酸, 土酸就是盐酸与氢氟酸的混合酸液, 兼有盐酸与氢氟酸的优点, 故砂岩的酸处理又称为土酸处理。

根据玉门地区对岩心所进行的实验室研究表明: 对于石英含量占55% , 长石占10% ,粘土占15% , 氧化铁占10% , 碳酸盐占10%的含油岩心, 应用11.4%的盐酸加3%～5%氢氟酸配制的土酸进行浸泡, 其溶解度比单独用盐酸高4～6 倍。由于土酸中含有氢氟酸, 它们对于粘土、泥浆颗粒和泥饼的溶解能力均大于盐酸。2

预处理工作(1 ) 酸必须稀释后再向地层中挤压, 否则会造成金属设备的严重腐蚀;

(2 ) 当酸中含有的硫酸根大于0.2%时, 必须加氯化钡处理;

(3 ) 当地层需要进行土酸处理时, 若井底附近碳酸盐含量大于2% ～4% 时, 应预先用稀盐酸处理后, 再进行土酸处理;

(4 ) 在含有大量沥青、胶质的稠油层中进行注水时, 由于岩层表面吸附了环烷酸、沥青、胶质而形成一层厚膜, 影响酸处理效果, 所以在酸处理前应当先用溶剂( 汽油) 冲洗地层;

(5 ) 当地层间隙水中含有大量的钠、钾离子时, 在土酸处理前, 应先用盐酸加以处理,以免产生硅酸盐或氟化物沉淀, 堵塞油层。2

所用的添加剂1. 防腐剂(缓蚀剂)

其作用是避免或减轻盐酸对地面设备及井下管柱的腐蚀。常用的防腐剂有福尔马林( 即含有甲醛38%～40%的液体)、烷基苯磺酸钠、油酸乳化物等。在高温下, 使用3% 甲醛+2% 〔7623 (2—烷基吡啶)〕+ 0.3%碘化钠+ 0.04%氯化亚铜等复配缓蚀剂也很有效。

2. 稳定剂

盐酸与金属氧化物作用后所生成的盐类与水化合可生成氢氧化物的胶质沉淀, 如:Fe3++ 3OH-→ Fe(OH)3↓。这些胶质沉淀很容易堵塞地层孔道。为了消除或减轻这种堵塞现象, 需要在盐酸中加稳定剂, 以抑制氢氧化物沉淀的生成。最常用的稳定剂是醋酸, 它和铁离子形成在高pH 值下也不沉淀的络合物, 如:

Fe3++ 6CH3COO-→〔Fe (CH3COO) 6〕3-

生成物为能溶于水的六乙酸合铁( Ⅲ) 络离子。因为铁离子和醋酸根的结合能力比铁离子和氢氧根的结合能力强, 从而减少了产生Fe2+沉淀的机会。醋酸的用量一般为酸液量的1%左右。另外, 还有其他稳定剂如: 草酸、柠檬酸、乙二胺四乙酸( EDTA) 等。

3. 活性剂

添加表面活性剂的作用是降低酸液的表面张力和调节反应速度。常用的表面活性剂有平平加、PP2 、烷基苯磺酸钠、亚硫酸纸浆废液(CCT) 、酒精、杂醇等。具体用量及活性剂类型视被处理井的具体情况而定。

4. 缓速剂

为了使酸液不致在刚进入地层时就发生反应而降低酸度, 除了在工艺上采取快速高压挤入酸液外, 在酸液中加入缓速剂会有更大的缓速效果。缓速剂有氯化钙、烷基苯磺酸钠。其中以烷基苯磺酸钠效果较好, 只要在酸中加入0.5% , 即可使反应速度降低1/ 2。2

提高酸处理效果的途径实验室研究指出: 酸液注入地层中并非均匀推进, 而是沿油层中某些裂缝或孔道向油层纵深延伸。所以酸处理的增产作用实质上是: 在高压下将酸液注入油层, 溶解油层岩石孔道(裂缝) 内的可溶性物质, 并不断向油层内部延伸, 沟通了其他油流通道(或裂缝网) , 从而大大提高油层的渗透率。因此, 提高酸处理效果的主要途径是设法增加侵蚀孔道的延伸深度。反应速度快时, 酸液很快消耗完毕, 侵蚀孔道无法向纵深延伸, 因此必须研究影响反应速度的因素, 并设法控制反应速度。影响反应速度的因素有:

(1 ) 酸液浓度。通常应用最广的酸液浓度为15%。浓度大于15% , 将使一般缓蚀剂的防腐效果变差。近年来, 由于解决了设备防腐蚀问题, 趋向使用高浓度酸液。当HCl 的浓度增到25%以前, 随着浓度的增加, 酸反应速度亦增加。这是由于酸液中氢离子浓度增高之故。但当浓度继续增长, 超过25%以后, 由于氢离子活性减少, 反应速度反而越来越慢。这将有利于侵蚀孔道的延伸, 从而提高酸处理的效果。

(2 ) 温度和压力。随着温度的增加, 防蚀困难, 酸与岩石的反应速度加快, 酸消耗得很快, 酸处理的作用仅在井眼附近, 不易做到深度酸化。目前对深井高温地层, 为了减缓酸的反应速度, 一般可向油层预注大量冷水, 以降低井底温度, 或向酸中加入缓速剂。实践证明, 随着压力的增加, 反应生成的CO2 溶于残酸中使反应速度变慢。为此可以在酸液中添加一定量的液态二氧化碳, 使反应速度变慢, 以提高酸处理效果。压力对反应速度影响不大, 一般不考虑。

(3 ) 面容比。HCl 与石灰岩之间的反应速度和面容比有关。面容比是指单位体积的酸液在缝隙中与之相反应的岩石表面积之比, 即:

式中

S———面容比;

A———岩石表面积;

V———酸液体积。

显而易见, 面容比与孔隙直径或裂缝宽度成反比。孔隙直径或裂缝宽度愈小, 单位体积的酸液与岩石接触面积就愈大, 反应速度就愈快。

(4 ) 岩石的组成与结构。岩石的组成不同, 酸液对它的溶解速度也不同, 低温下石灰岩的反应速度是白云岩的1.5 倍, 高温下它们的反应速度几乎是相同的。这是因为在白云岩的晶体表面上常常沉积着一层石英薄膜与盐酸隔绝, 使白云岩的面容比小于石灰岩。另外, MgCO3 与HCl 的反应不及CaCO3 的快。

(5 ) 添加剂。酸中添加CO2 、CaCl2 及反应速度慢的酸液( 甲酸、乙酸) 均会降低酸的反应速度。

综上所述, 为了提高酸处理效果, 必须根据所处理井的地层条件及酸处理目的, 正确选择酸液种类、酸液浓度和酸的用量。为了减慢酸反应速度, 增大酸液渗入油层的深度, 应采用大排量注酸, 控制反应速度。酸处理后应及时排出反应过后的废酸液, 以免反应产物重新堵塞地层。

工艺简介在矿场实践中, 针对酸处理的目的不同, 其工艺方法也不同, 大体可归纳为三类。

1. 解堵酸化

其主要目的是解除井壁附近的各种堵塞。如果只在井壁形成泥饼, 一般要用酸泡, 以便将泥饼溶解掉。如果泥浆侵入地层, 考虑到泥浆可能均匀地分布在井底附近地层的孔隙或裂缝中, 多采用小型酸处理的办法。特点是酸液量小, 压力和排量不要求很高, 希望酸液能在纵向上均匀地进入地层。处理前根据情况尽可能地排出污物, 以提高酸化效果。

2. 层内酸化

其主要目的是溶解井底周围油层孔道( 或裂缝) 表面的矿物或砂粒间的胶结物, 形成深的侵蚀孔道, 以提高井底周围的渗透率, 多采用大型酸化的方法。特点是用酸量大, 要求大排量注酸, 使具有足够浓度的酸液进入油层深处, 以扩大酸液有效作用范围。

3. 压裂酸化

其主要针对渗透性极低、岩性致密的石灰岩地层。先用一般压裂液造缝, 然后在高于地层压力下向地层内挤酸, 在缝面腐蚀成沟槽, 增加缝的导流能力, 扩大原有裂缝。裂缝是靠缝面上被侵蚀后的高点来支撑, 故一般可以不加砂。2