酸压滤失体积表征与计算方法研究

王恒，王世彬，郭建春，张永春，秦玉英

（1.西南石油大学石油与天然气工程学院，四川 成都610500；2 中国石化华北油田分公司工程技术研究院，河南 郑州450006）

酸压滤失主要由化学滤失、物理滤失2 部分组成。化学滤失是酸液与裂缝壁面反应产生酸蚀蚓孔造成的，受蚓孔发育深度、密度控制；物理滤失为碳酸盐岩自身存在的天然裂缝与酸液反应控制的混合滤失。滤失量在作业过程中无法有效测定，目前室内实验也只能笼统判断酸压滤失量是否影响增产效果，不能对其进行量化。文中通过对滤失体积表征与计算方法进行研究，达到以实验数据支撑酸压方案设计的目的。

1 滤失体积表征

物理滤失受储层物性控制，无法用一种标准化方法对其进行表征和计算。化学滤失虽然可以通过室内实验确定，但是实验过程中如何表征、计算滤失量，国内外始终没有一个系统化的标准。

国内郭建春［1］在进行滤失实验时，以滤失流量表征API 标准岩柱的滤失量；国外Hill 团队［2］以及其他酸压方向研究实验［3-5］中，往往采用酸液突破体积表征滤失流量（pore breakthrough volume）。碳酸盐岩滤失实验过程中，由于其致密特性造成滤失效果不明显，导致以流量方式表征酸液滤失量时，实验结果无差异性；如果使用酸液突破体积方式表征，则实验结果可以明显区分。

酸液突破体积表征意义为注入酸液的体积与实验岩心孔隙体积之比，孔隙体积依据岩石孔隙体积测试方法（SY/T 5815—1993）确定。

2 滤失体积计算

2.1 滤失阶段划分

酸液进入地层后，立即发生酸岩反应，并存在一定滤失量，称为初滤失阶段，此时，随注酸时间增加滤失量线性增加； 酸刻蚀产生酸蚀蚓孔，滤失量呈指数增加，称为突破阶段，酸岩反应生成的蚓孔将迅速增大滤失面积或沟通深部裂缝，一旦沟通深部裂缝，滤失剧增且难以控制，这种情况下增加注酸量对增大有效作用距离意义不大；最后，滤失存在一个稳定阶段，随注酸时间的增加，由于受到酸液消耗的限制，鲜酸不能抵达更深部的裂缝区域，酸蚀蚓孔无法继续快速扩张，加之不溶物与CO2气泡的生成，使酸液滤失量保持恒定［6］。

图1 酸液滤失阶段示意

2.2 阶段滤失量计算

在初滤失阶段，酸液滤失主要受物理因素控制。

在突破阶段，以定流量注入酸液，酸岩反应溶蚀速率恒定，酸液流动状态为线性流，而且滤失受注入酸液体积控制：

式中：fD为酸溶蚀量，无量纲；DA为达姆科勒系数（酸岩反应动力学测定），无量纲；Qibt为酸液突破体积，无量纲；Ef为酸岩表面反应速率mol/（cm2·s）；Co为酸液初始浓度，mol/L；uwh为蚓孔中酸液流量，mL/min；m 为反应级数。

酸蚀蚓孔长度受注入酸液体积控制：

结合式（1）得

式中：Lwh（t）为蚓孔长度，mm；V（t）为注入酸液体积，mL；A 为岩心横截面积，mm2；φ 为孔隙度。

如果蚓孔发育形状近似线性，应用以上算法可以得到与真实值相近的算数解；若蚓孔发育不规则，则计算结果近似为发育蚓孔的总长度。酸液流量对蚓孔发育有着重要的影响。在突破阶段，由于酸液与不同岩性的岩石反应速率不同，流量对蚓孔发育影响产生的酸蚀效果也不同［7］。经实验证实，白云岩蚓孔发育较慢，流量对白云岩蚓孔发育以及滤失量影响较小，所以，以上提出的蚓孔长度计算公式适用于白云岩。

稳定阶段中，酸液呈黏性流体存在于蚓孔中，并且认为蚓孔处无压降。酸液滤失流量可由达西定律求得：

即

式中：uN为滤失流量，mm/min；K 为渗透率，10-3μm2；μ为残酸黏度，mPa·s；ps，pl，Δpc分别为蚓孔内压力、突破区边界压力、毛细管压力，MPa；Ll（t）为突破区域长度（蚓孔最长长度），mm。

突破区域长度可由酸液侵入储层总长L（t）减去蚓孔长度得到：

将式（3）、式（6）代入（5）得：

由此可见，酸液滤失流量uN可以通过酸液突破体积Qibt及酸液侵入储层总长L（t）求出［8-14］。忽略蚓孔发育后孔隙度变化，滤失流量与酸液侵入储层长度相关：

将式（7）代入式（8），得到酸液侵入长度L（t）与酸液突破体积Qibt的微分方程：

初始情况下，t=0，L（t）=0，得出酸液侵入长度关于时间的方程：

将式（10）代入式（9），得出滤失流量：

式中：当Qibt＞1 时，蚓孔穿透岩样，蚓孔有扩展发育的趋势，滤失量大；Qibt＜1 时，蚓孔在岩样内部，对酸液滤失影响小。

综上所述，室内实验过程中，蚓孔发育总长及酸液滤失流量可以通过酸液突破体积得出，说明采用酸液突破体积方式可以有效表征酸液滤失量，实现酸压过程中酸液滤失的量化描述。

3 实验验证

选取某气田深度为2 750～2 780 m 处API 标准岩心，利用Xradia 公司的MicroXCT-400 进行CT 扫描，观察其裂缝发育情况（见图2）。

图2 岩心CT 扫描图像

从图2可以看出，岩样内部有裂缝发育，但是没有高渗的裂缝通道，不存在严重的初滤失情况。

通过酸岩反应动力学设备测得实验岩心酸岩反应动力学系数。岩样尺寸为25.4 mm×30.8 mm，渗透率0.5×10-3μm2，孔隙度6.7%，采用15%HCl 胶凝酸，室温条件下最大压差2.758 MPa，岩心流动实验后岩样长度为36.6 mm，实验时间45 min，无酸液滤失，实验曲线见图3。

图3 实验过程压力变化

由图3可以看出，随压力升高，酸液突破体积增大，但是在试验时间内酸液突破体积不超过1，说明酸液为穿透岩样。

应用公式计算得出酸溶蚀量fD=0.191，相当于反应5.9 mm 厚岩样，蚓孔发育长度Lwh=88.367 mm，由于酸液突破体积最大值为0.955，所以uN=0，在该岩样内酸液无滤失；计算结果与真实结果接近，酸液反应溶蚀4.2 mm 厚岩样，并产生一定量的蚓孔。

4 结论

1）提出酸压中滤失受化学、物理滤失控制，重新定义了酸压滤失阶段，并在其基础上提出了相应滤失量的数学计算方法。

2）在碳酸盐岩储层酸压滤失实验中，应用酸液突破体积表征滤失量，不仅从实验角度说明了滤失情况，而且可以通过数学方法计算出滤失流量。并得到室内实验的验证。

3）运用酸液突破体积表征与计算酸液滤失量，对酸压施工方案设计具有很强的指导意义。

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