處理方法
油層酸處理, 是油田上廣泛用於改造油層、提高滲透率的措施。 它是利用酸液能溶解岩層中所含鹽類的特性, 達到提高近井地帶的油層滲透率, 改善油、氣、水流動狀況, 從而增加油、氣產量和水井注入量的目的。目前, 我國各油田在油層酸處理方面, 廣泛套用的有鹽酸處理和土酸處理兩種方法。有些油田還套用了“王水” 處理、“熱酸” 處理與“ 熱化學”處理等方法。
原理
酸處理是依靠向油層擠入酸液並與油層孔隙孔道起化學溶蝕作用, 以擴大油流通道, 提高油層滲透率; 或溶解井壁附近的堵塞物( 如泥漿、泥餅、各種雜質、沉澱物和細菌等) ,以排除堵塞來提高井的生產能力。由於油層岩石性質不同, 堵塞物不同, 所用酸液的種類也是不同的, 廣泛使用的是鹽酸和土酸兩種。
鹽酸處理主要用於石灰岩、白雲岩和灰質膠結的砂岩等碳酸鹽含量高的地層, 鹽酸與地層內的碳酸鹽作用時, 其反應如下。
對於石灰岩:
CaCO + 2HCl → CaCl + CO ↑ + HO
對於白雲岩:
CaMg(CO ) + 4HCl → CaCl + MgCl + 2CO ↑ + 2HO
以上反應生成的鈣鹽和鎂鹽都易溶於水, 生成的CO也溶於水。對於油井, 酸化後可套用抽汲或自噴方法將反應的廢酸排出地面, 以提高油井酸處理效果。根據室內試驗和生產實踐得知, 當地層中所含碳酸鹽類大於50% , 如裂縫性石灰岩、白雲岩, 套用鹽酸處理效果較好。對於井底堵塞, 應根據堵塞物的物化性質, 決定是否用鹽酸處理。
砂岩的成分與碳酸鹽大不相同。它主要以石英和長石為主, 經膠結物膠結而成。膠結物多為粘土或碳酸鹽類, 膠結物數量變化幅度很大, 膠結物中的碳酸鹽類占百分之幾到十幾都有。鹽酸同石英及其他矽酸鹽類基本上不起反應, 但氫氟酸( HF ) 對砂岩中的主要成分都有溶解作用。其反應式如下。
石英與HF 的反應:
SiO + 4HF → SiF ↑ + 2HO
(粘土) 與HF 的反應:
AlSiO(OH) + 36HF → 4HSiF + 12HO + 2HAlF
碳酸鹽與HF 的反應:
CaCO + 2HF = CaF↓ + HCO
CaMg(CO) + 4HF = CaF↓+ MgF↓ + 2HCO
從以上的反應來看, 氫氟酸對於石英、矽酸鹽、碳酸鹽都有溶解能力, 但反應生成物中的CaF 與MgF 會產生沉澱, 堵塞地層。所以, 砂岩酸化多用土酸, 土酸就是鹽酸與氫氟酸的混合酸液, 兼有鹽酸與氫氟酸的優點, 故砂岩的酸處理又稱為土酸處理。
根據玉門地區對岩心所進行的實驗室研究表明: 對於石英含量占55% , 長石占10% ,粘土占15% , 氧化鐵占10% , 碳酸鹽占10%的含油岩心, 套用11.4%的鹽酸加3%～5%氫氟酸配製的土酸進行浸泡, 其溶解度比單獨用鹽酸高4～6 倍。由於土酸中含有氫氟酸, 它們對於粘土、泥漿顆粒和泥餅的溶解能力均大於鹽酸。
預處理工作
(1 ) 酸必須稀釋後再向地層中擠壓, 否則會造成金屬設備的嚴重腐蝕;
(2 ) 當酸中含有的硫酸根大於0.2%時, 必須加氯化鋇處理;
(3 ) 當地層需要進行土酸處理時, 若井底附近碳酸鹽含量大於2% ～4% 時, 應預先用稀鹽酸處理後, 再進行土酸處理;
(4 ) 在含有大量瀝青、膠質的稠油層中進行注水時, 由於岩層表面吸附了環烷酸、瀝青、膠質而形成一層厚膜, 影響酸處理效果, 所以在酸處理前應當先用溶劑( 汽油) 沖洗地層;
(5 ) 當地層間隙水中含有大量的鈉、鉀離子時, 在土酸處理前, 應先用鹽酸加以處理,以免產生矽酸鹽或氟化物沉澱, 堵塞油層。
所用的添加劑
1. 防腐劑(緩蝕劑)
其作用是避免或減輕鹽酸對地面設備及井下管柱的腐蝕。常用的防腐劑有福馬林( 即含有甲醛38%～40%的液體)、烷基苯磺酸鈉、油酸乳化物等。在高溫下, 使用3% 甲醛+2% 〔7623 (2—烷基吡啶)〕+ 0.3%碘化鈉+ 0.04%氯化亞銅等復配緩蝕劑也很有效。
2. 穩定劑
鹽酸與金屬氧化物作用後所生成的鹽類與水化合可生成氫氧化物的膠質沉澱, 如:Fe + 3OH → Fe(OH)↓。這些膠質沉澱很容易堵塞地層孔道。為了消除或減輕這種堵塞現象, 需要在鹽酸中加穩定劑, 以抑制氫氧化物沉澱的生成。最常用的穩定劑是醋酸, 它和鐵離子形成在高pH 值下也不沉澱的絡合物, 如:
Fe + 6CH3COO →〔Fe (CHCOO) 〕
生成物為能溶於水的六乙酸合鐵( Ⅲ) 絡離子。因為鐵離子和醋酸根的結合能力比鐵離子和氫氧根的結合能力強, 從而減少了產生Fe 沉澱的機會。醋酸的用量一般為酸液量的1%左右。另外, 還有其他穩定劑如: 草酸、檸檬酸、乙二胺四乙酸( EDTA) 等。
3. 活性劑
添加表面活性劑的作用是降低酸液的表面張力和調節反應速度。常用的表面活性劑有平平加、PP 、烷基苯磺酸鈉、亞硫酸紙漿廢液(CCT) 、酒精、雜醇等。具體用量及活性劑類型視被處理井的具體情況而定。
4. 緩速劑
為了使酸液不致在剛進入地層時就發生反應而降低酸度, 除了在工藝上採取快速高壓擠入酸液外, 在酸液中加入緩速劑會有更大的緩速效果。緩速劑有氯化鈣、烷基苯磺酸鈉。其中以烷基苯磺酸鈉效果較好, 只要在酸中加入0.5% , 即可使反應速度降低1/ 2。
提高途徑
實驗室研究指出: 酸液注入地層中並非均勻推進, 而是沿油層中某些裂縫或孔道向油層縱深延伸。所以酸處理的增產作用實質上是: 在高壓下將酸液注入油層, 溶解油層岩石孔道(裂縫) 內的可溶性物質, 並不斷向油層內部延伸, 溝通了其他油流通道(或裂縫網) , 從而大大提高油層的滲透率。因此, 提高酸處理效果的主要途徑是設法增加侵蝕孔道的延伸深度。反應速度快時, 酸液很快消耗完畢, 侵蝕孔道無法向縱深延伸, 因此必須研究影響反應速度的因素, 並設法控制反應速度。影響反應速度的因素有:
(1 ) 酸液濃度。通常套用最廣的酸液濃度為15%。濃度大於15% , 將使一般緩蝕劑的防腐效果變差。近年來, 由於解決了設備防腐蝕問題, 趨向使用高濃度酸液。當HCl 的濃度增到25%以前, 隨著濃度的增加, 酸反應速度亦增加。這是由於酸液中氫離子濃度增高之故。但當濃度繼續增長, 超過25%以後, 由於氫離子活性減少, 反應速度反而越來越慢。這將有利於侵蝕孔道的延伸, 從而提高酸處理的效果。
(2 ) 溫度和壓力。隨著溫度的增加, 防蝕困難, 酸與岩石的反應速度加快, 酸消耗得很快, 酸處理的作用僅在井眼附近, 不易做到深度酸化。目前對深井高溫地層, 為了減緩酸的反應速度, 一般可向油層預注大量冷水, 以降低井底溫度, 或向酸中加入緩速劑。實踐證明, 隨著壓力的增加, 反應生成的CO 溶於殘酸中使反應速度變慢。為此可以在酸液中添加一定量的液態二氧化碳, 使反應速度變慢, 以提高酸處理效果。壓力對反應速度影響不大, 一般不考慮。
(3 ) 面容比。HCl 與石灰岩之間的反應速度和面容比有關。面容比是指單位體積的酸液在縫隙中與之相反應的岩石表面積之比, 即:
油層酸處理式中
S———面容比;
A———岩石表面積;
V———酸液體積。
顯而易見, 面容比與孔隙直徑或裂縫寬度成反比。孔隙直徑或裂縫寬度愈小, 單位體積的酸液與岩石接觸面積就愈大, 反應速度就愈快。
(4 ) 岩石的組成與結構。岩石的組成不同, 酸液對它的溶解速度也不同, 低溫下石灰岩的反應速度是白雲岩的1.5 倍, 高溫下它們的反應速度幾乎是相同的。這是因為在白雲岩的晶體表面上常常沉積著一層石英薄膜與鹽酸隔絕, 使白雲岩的面容比小於石灰岩。另外, MgCO 與HCl 的反應不及CaCO 的快。
(5 ) 添加劑。酸中添加CO2 、CaCl2 及反應速度慢的酸液( 甲酸、乙酸) 均會降低酸的反應速度。
綜上所述, 為了提高酸處理效果, 必須根據所處理井的地層條件及酸處理目的, 正確選擇酸液種類、酸液濃度和酸的用量。為了減慢酸反應速度, 增大酸液滲入油層的深度, 應採用大排量注酸, 控制反應速度。酸處理後應及時排出反應過後的廢酸液, 以免反應產物重新堵塞地層。
工藝分類
在礦場實踐中, 針對酸處理的目的不同, 其工藝方法也不同, 大體可歸納為三類。
1. 解堵酸化
其主要目的是解除井壁附近的各種堵塞。如果只在井壁形成泥餅, 一般要用酸泡, 以便將泥餅溶解掉。如果泥漿侵入地層, 考慮到泥漿可能均勻地分布在井底附近地層的孔隙或裂縫中, 多採用小型酸處理的辦法。特點是酸液量小, 壓力和排量不要求很高, 希望酸液能在縱向上均勻地進入地層。處理前根據情況儘可能地排出污物, 以提高酸化效果。
2. 層內酸化
其主要目的是溶解井底周圍油層孔道( 或裂縫) 表面的礦物或砂粒間的膠結物, 形成深的侵蝕孔道, 以提高井底周圍的滲透率, 多採用大型酸化的方法。特點是用酸量大, 要求大排量注酸, 使具有足夠濃度的酸液進入油層深處, 以擴大酸液有效作用範圍。
3. 壓裂酸化
其主要針對滲透性極低、岩性緻密的石灰岩地層。先用一般壓裂液造縫, 然後在高於地層壓力下向地層內擠酸, 在縫面腐蝕成溝槽, 增加縫的導流能力, 擴大原有裂縫。裂縫是靠縫面上被侵蝕後的高點來支撐, 故一般可以不加砂。
