伊拉克F油田为孔隙-裂缝型碳酸盐岩油藏，酸化是该油田主要的增产手段。酸处理后在储层岩石中形成有效的酸蚀蚓孔、提高油气渗流能力是酸化改造成功的关键。当酸液反应活性高而排量又低时，酸不能实现深穿透，仅能清洗井筒或射孔孔眼的壁面，解堵效果差。提高排量或降低酸岩反应速度，酸将溶蚀地层产生锥形通道，这一溶蚀方式主要在酸为未缓速的强酸如盐酸和高排量下发生。在高排量下注入缓速酸，这时形成的酸蚀孔细而长，在主溶蚀孔中产生一些分支，主溶蚀孔的形成表示注入排量和反应活性达到最佳组合，也是酸蚀孔穿透伤害带的最佳方式。若进一步再提高排量，主溶蚀孔将产生较多的分支，使得酸液更多地进入分支孔中，酸液消耗较大，经济性较差^[1-2]。

大量研究表明主蚓孔溶蚀形态时蚓孔的效率最高，此时用最少量的酸液便可实现增产最大化。然而，蚓孔的形成受地层压力、温度、和储层自身性质等因素影响^[3-6]。因此，有关基质酸化蚓孔的研究主要是在寻找各种条件下排量和酸液最优组合或者为寻找这个最佳组合提供更好的方法。尽管已经建立了大量关于存在最优速度的实验工作，理论工作也有从简单到极复杂的模型，但如何将室内实验结果外延到油田实际应用中，缺乏相应的研究。本文采用碳酸盐岩储层人造模拟岩心，通过岩心酸化流动实验仪和岩心微米CT扫描仪测定了3种酸液（常规酸、胶凝酸、转向酸）不同排量下的突破体积，确定酸液的最优注入速度和注入量，等效计算酸化最优排量和液量，与现场实际数据进行比对，为该油田碳酸盐岩酸化工艺参数的设计提供理论依据。

1.   实验设计

1.1   实验试剂和设备

常规酸、胶凝酸和转向酸，工业品，中海油田服务股份有限公司，配方及黏度见表1。岩心，储层模拟岩心，成分为碳酸钙。

表  1  酸液体系性能参数

Table  1.  Performance parameters of acid fluid system

体系	体系配方	黏度（170 s−1，25 ℃）
常规酸	20% HCl	1.6
胶凝酸	20% HCl+0.8% 胶凝剂	48.7
转向酸	20% HCl+6% VES转向剂	7.6

下载: 导出CSV 

| 显示表格

岩心酸化流动实验仪，美国岩心公司（Core Lab）；MicroXCT-400扫描仪，美国Xradia公司。

1.2   实验及设计方法

碳酸盐岩酸化最优排量和液量设计实验方法包括以下步骤。

（1）采用岩心酸化流动实验仪，测定常规酸、胶凝酸和转向酸在不同注酸速率下的岩心突破体积；酸液突破岩心的注入量可定义为：酸液突破岩心时注入酸液的体积与碳酸盐岩模拟岩心孔隙体积比^[7]。

确定方法如下：当主蚓孔形成时，由于蚓孔直径较孔隙尺度高出数个数量级，流动阻力可忽略，渗透率趋于无限大，根据径向流达西渗流公式可知，注入压差趋于0。

式中：p为油层压力，MPa；$P_{\mathrm{wf}}$为井底流动压力，MPa；q为油井原油产量，m³/d；μ为油层原油黏度，mPa·s；K为油层渗透率，10⁻³ μm²；h为油层有效厚度，m；r为油井泄流半径，m；r_w为井眼半径，m；S为表皮系数，无量纲。

因此将酸化岩心流动实验仪两端压差趋于0时的注入酸液体积$V_{\mathrm{Acid}}$记录为酸液突破体积，计算公式如下：

式中：Q为酸液突破体积，无量纲；$V_{\mathrm{Acid}}$为酸液突破体积，m³；$V_{\mathrm{p}}$为岩心孔隙体积，m³。

（2）确定酸液体系的最优注入速度$\nu_{\mathrm{op}}$。$\nu_{\mathrm{op}}$为酸液突破岩心使用酸量最少时对应的注入速度，对应的突破体积为最小突破体积。

（3）等效计算最优排量。根据室内实验测定的最优注入速度$\nu_{\mathrm{op}}$、酸化处理半径$r_{\mathrm{ac}}$和储层厚度H，采用蚓孔中点截面积公式等效计算碳酸盐岩酸化最优排量：

式中：$\nu_{\mathrm{op}'}$为等效最优排量，m³/min；$\nu_{\mathrm{op}}$为最优注入速度，mL/min；$r_{\mathrm{ac}}$为酸化处理半径，m；$r_{\mathrm{w}}$为井筒半径，m；H为储层厚度，m；A为岩心截面积，m²。

（4）等效计算最优排量对应最优液量。根据室内测定的最小突破体积$Q'$、酸化处理半径$r_{\mathrm{ac}}$、储层孔隙度$\phi$、储层厚度H，等效计算碳酸盐岩酸化最优液量：

式中：$V_{\mathrm{op}'}$为等效最优液量，m³；$Q'$为最小突破体积，无量纲；$r_{\mathrm{ac}}$为酸化处理半径，m；H为储层厚度，m；$\phi$为储层孔隙度，%。

2.   实验结果及分析

本文采用岩心酸化流动实验仪和CT扫描技术对常规酸、胶凝酸和转向酸的最优注入速度和突破体积进行了确定。

2.1   最优注入速度

实验结果表明，常规酸、胶凝酸和转向酸的最优注入速度均为1.00 mL/min（图1）。酸液突破体积随着注入速度增大呈现先降低后增加的趋势，在注入速度为1.00 mL/min时达到最小值。注入速度为最优注入速度时，可形成单一的主酸蚀蚓孔（图2）。三种酸液体系在1.00 mL/min的注酸速度下所需的酸液体积最少，主蚓孔最明显。主酸蚀蚓孔酸化效率最高，用较少的酸即可实现增产最大化^[8]。同时可以看出，三种酸的主蚓孔的形貌和大小存在一定的差异，常规酸酸岩反应速度较快，在主蚓孔端面产生较强的面溶蚀；胶凝酸通过添加胶凝剂增黏缓速，转向酸通过酸岩反应产生二价阳离子以及pH值上升，使黏弹性表面活性剂形成螺旋状胶束结构，黏度大幅增加，降低酸液消耗速度。胶凝酸和转向酸在形成主蚓孔时未观察到端面溶蚀，且贯穿岩心使用酸液体积远小于常规酸。酸液突破岩心后，岩心注入压差迅速降为0 MPa（图3），三种酸最优速度下的压差存在一定的差异，胶凝酸黏度最高，酸液突破岩心时压差最大；转向酸黏度次之，酸液突破岩心时压差居中；常规酸黏度最低，酸液突破岩心时压差最小。

图  1  三种酸液突破注入量测定

Figure  1.  Measurement of breakthrough injection volumes for three types of acid fluids

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图  2  注酸后岩心CT扫描

Figure  2.  Core CT scan after acid injection

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图  3  岩心流动实验归一化压降变化曲线

Figure  3.  Normalized pressure drop variation curves for core flow experiments

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.2   突破体积

实验结果表明（表2），注酸前后岩心孔隙度明显增大，孔隙度增大幅度和酸液突破体积成正比；其中常规酸孔隙度增大幅度最高，平均为22.9%，突破体积亦最大，平均为2.08 PV；胶凝酸和转向酸孔隙度增大幅度接近，分别为18.4%和16.4%；对应平均突破体积分别为1.67 PV和1.49 PV。胶凝酸和转向酸突破体积小于常规酸，胶凝酸和转向酸通过体系增黏可降低酸液滤失及酸岩反应速度，有利于降低突破体积。

表  2  岩心参数及三种酸液注入参数

Table  2.  Core parameters and injection parameters for three types of acid fluids

酸液类型	岩心编号	直径/cm	长度/cm	注酸前		注酸后			注入速度/ (mL∙min−1)	突破体积/ PV
				渗透率/ （10−3 μm2）	孔隙度/%	孔隙度/%	孔隙度增大 幅度	孔隙度增大 平均幅度
常规酸	1	2.541	7.017	1.039	21.30	26.01	22.1%	22.9%	0.5	2.01	2.08
	2	2.534	7.03	1.269	20.79	24.04	15.6%		1	1.42
	3	2.552	7.022	0.442	18.49	23.19	25.4%		2	2.31
	4	2.543	7.017	0.941	18.07	23.22	28.5%		4	2.59
胶凝酸	5	2.528	6.057	3.786	15.22	17.76	16.7%	18.4%	0.5	1.52	1.67
	6	2.534	5.606	2.7	13.64	15.10	10.7%		1	0.97
	7	2.538	6.271	3.72	14.17	18.11	27.8%		2	2.53
转向酸	9	2.552	6.269	1.84	13.73	15.59	13.5%	16.4%	0.5	1.23	1.49
	10	2.535	5.733	1.582	13.39	14.85	10.9%		1	0.99
	11	2.531	6.115	4.03	14.12	17.63	24.9%		2	2.26

下载: 导出CSV 

| 显示表格

从上述实验结果可以得出常规酸、胶凝酸和转向酸的注入速度最优值均为1 mL/min，常规酸的最小突破体积为1.42 $\mathrm{P}\mathrm{V}$，归一化注入压力为2.6；胶凝酸最小突破体积为0.97 $\mathrm{P}\mathrm{V}$，归一化注入压力为4.0；转向酸最小突破体积为0.99 $\mathrm{P}\mathrm{V}$，归一化注入压力为2.6。

常规酸黏度低，酸岩反应速度快，酸液有效作用距离短，形成贯穿型蚓孔所需要的酸液量较高。胶凝酸通过加入聚合物增黏，减缓酸岩反应速度，增加酸液有效作用距离，形成贯穿型蚓孔所需要的酸液量较低^[9]。转向酸在酸岩反应过程中形成二价金属阳离子(Ca²⁺、Mg²⁺)，二价金属阳离子使体系中黏弹性表面活性剂的结构发生变化，黏度剧增，减缓酸岩反应速度，增加酸液有效作用距离，形成贯穿型蚓孔所需要的酸液量较低^[10-16]。针对伊拉克F油田储层，优选胶凝酸和转向酸进行酸化。

3.   酸化最优排量和液量设计

3.1   酸化半径设计

假定碳酸盐岩储层酸化后表皮系数降低至S，且蚓孔穿透区域内的渗透率为无限大，在井筒半径一定的情况下（${{r}}_{\mathrm{w}}$=8.25''），根据达西渗流公式的转化公式可计算酸化半径${{r}}_{\mathrm{a}\mathrm{c}}={\mathrm{e}}^{-{S}}{{r}}_{\mathrm{w}}$。根据酸化半径与表皮系数的关系（图4），综合考虑酸化措施经济性，选取表皮系数为−3对应的酸化半径2.1 m作为酸化处理半径。

图  4  表皮系数与酸化半径及每米油层用酸量关系

Figure  4.  The relationship between skin factor, acidizing radius and acid consumption per meter of oil layer

下载: 全尺寸图片 幻灯片

3.2   酸化最优排量和液量设计

根据室内实验测定的最优注入速度（${\nu }_{{\mathrm{op}}}$）、酸化处理半径（${r}_{{\mathrm{ac}}}$）和储层厚度$H$，采用蚓孔中点截面积公式等效计算碳酸盐岩酸化最优排量：${\nu }_{{\mathrm{op}}'}={\nu }_{{\mathrm{op}}}\times \dfrac{\pi \left({r}_{{\mathrm{ac}}}+{r}_{{\mathrm{w}}}\right)H}{A}$。式中，${r}_{{\mathrm{w}}}$为井筒半径；$A$为岩心截面积。

等效面积计算方法：当室内酸液以1 mL/min的流量经过标准岩心，酸液流经岩心截面积为0.000 506 7 m²，单位截面积每分钟流量为1 973.52 mL/(m²·min)。蚓孔长度按2.1 m计算，酸液根据储层厚度，以圆柱体的方式向外推进，酸液流经储层的截面积以蚓孔中点进行等效计算，$\mathrm{A}'=2\pi \left({r}_{{\mathrm{ac}}}+{r}_{{\mathrm{w}}}\right)H$/2。酸化蚓孔扩展示意图见图5，碳酸盐岩酸化最优排量计算结果见表3。

图  5  酸化过程中蚓孔扩展示意图

Figure  5.  The schematic diagram of wormhole expansion during acidizing

下载: 全尺寸图片 幻灯片

表  3  碳酸盐岩酸化最优排量和液量计算结果

Table  3.  Calculation results of optimal displacement and liquid volume of carbonate acidizing

区块	井型	油层平均厚度/m	平均孔隙度/%	井筒半径/m	蚓孔长度/m	蚓孔中点截面积/m2	折算排量/（m3/min）	折算液量/m3
A	直井	49	11	0.1	2.1	339.40	0.67	74
B	直井	39	15	0.1	2.1	270.13	0.53	80

下载: 导出CSV 

| 显示表格

根据室内测定的最小突破体积（$Q$）、酸化处理半径$（{{r}}_{\mathrm{a}\mathrm{c}}）$、储层孔隙度${\phi }$、储层厚度${H}$，等效计算碳酸盐岩酸化最优液量：${V}_{{\mathrm{op}}'}=Q\times \pi {\left({r}_{{\mathrm{ac}}}\right)}^{2}H\phi$。碳酸盐岩酸化最优液量计算结果见表3，最优排量为0.5～0.7 m³/min，对应最优液量为74～80 m³。

3.3   现场实际数据对比

目前伊拉克F油田酸化解堵工作液体系主要为常规胶凝酸和转向酸，根据现场实际注酸排量和酸化后产量数据对本方法得到的数据进行对比，现场实际酸化排量和产量数据见图6。数据显示：酸化排量为0.2～0.3 m³/min时，产量偏低；酸化排量为0.5～0.7 m³/min时，产量大幅提升；继续提高酸化排量至1.0～1.2 m³/min时，产量并无明显变化。通过对比，显示本方法得出的碳酸盐岩酸化最优排量与现场反馈实际数据存在较好的对应关系。

图  6  现场酸化排量和产量数据

Figure  6.  Onsite acidizing displacement and production data

下载: 全尺寸图片 幻灯片

4.   结论

（1）使用岩心流动仪和CT扫描仪确定不同注入速度下酸液的突破体积，最优注入速度和注入体积，等效计算酸化最优排量和液量是一种较好的方法。

（2）常规酸、胶凝酸和转向酸的最优注入速度均为1 mL/min，常规酸、胶凝酸、转向酸的最小突破体积分别为1.42 $\mathrm{P}\mathrm{V}$、0.97 $\mathrm{P}\mathrm{V}$、0.99 $\mathrm{P}\mathrm{V}$，归一化注入压力分别为2.6、4.0、2.9，推荐使用胶凝酸和转向酸。

（3）采用本文设计方法计算出伊拉克F油田碳酸盐岩酸化最优排量为0.5～0.7 m³/min，对应最优液量为74～80 m³，与现场实际数据高度吻合。