低渗透砂岩储层经工艺改造后油水井酸化解堵无效或不理想，返排出来的酸液较难处理，可能会造成环境污染。以组成油层架构的岩石矿物研究为基础，研发溶除黏土矿物和胶结物的酸液，配套超分子耐高温缓蚀剂及不返排工艺设计，并兼顾溶蚀外部机械杂质，为南部的油井解堵提供了切实有效的无返排酸化工艺技术方案。现场应用表明，选择超分子缓蚀阻垢剂，在金属表面形成优于纳米膜的超分子膜，缓蚀和阻垢的效果接近100%。

1研究区地质特征及生产现状

洼陷南部是洼陷油气运移的有利指向区和富集区。自西向东发育大正向构造单元，沙三下亚段是该区的主力含油层系，油气藏类型主要为构造–岩性油气藏。洼陷南部沙三段下亚段储层非常发育，岩石学特征具有成分成熟度和结构成熟度均低的特点，储集空间类型主要为大孔隙和微孔隙，储层物性为低孔低渗透-中孔低渗透。

2 无返排精细酸化技术原理

常规酸化要求快速返排是因为酸液在地层耗尽后产生一系列副产物，会二次伤害储层渗透性。例如，针对硅酸盐黏土杂基而使用的土酸和氢氟酸系列配液，酸性耗尽后会在8h之内逐渐形成六氟硅酸钾沉淀，至10h后可能完全再次堵塞孔喉，因此必须及时返排。新型分步酸液中，后置液中要视储层填堵类型而加入氟硅酸钾抑制剂和铁离子鳌合铁血盐等防沉淀的配剂，这种配剂在酸–岩反应后即刻起作用，酸耗尽后12h能达到最佳抑制作用，从而巩固好酸溶所溶开的空间。因此，新型酸液挤入地层后不能立刻返排，要有充分的候凝时间让抑制剂发挥作用。通常情况下，酸反应留12h，抑制反应留12h。此时，挤入液已基本没有酸性，因此挤酸完成后要留24h后投产。低渗油藏处理半径大、用酸量大、施工时间长、地层温度高，缓蚀速率的控制十分重要，选择超分子缓蚀阻垢剂。超分子缓蚀阻垢剂是通过药剂的超分子识别和选择性组装作用，在金属表面形成优于纳米膜的超分子膜，从而使缓蚀和阻垢的效果接近100%。

3储层酸化反应状况分析

3.1氢氟酸对矿物的溶解能力计算

氢氟酸对矿物的化学反应总体来说是较复杂的，除了与石英（SiO₂）和方解石（CaCO₃）的反应相对简单。硅铝酸岩（粘土矿物和长石含此成份）与氢氟酸反应其复杂性源于两点：一是其晶格中的晶体结构常会发生较大范围的取代作用而发生离子交换反应，故没有固定的分子式，其与HF间的化学反应不能用单一的化学反应计算方法表示。二是其反应产生的氟化物(如AlF₃、AlF₂^-、SiF₄等)其分布情况与固体和酸的比率有关，将影响到化学反应的平衡。

如果砂岩储层矿物成份能够用分子式表示，则就可以计算出氢氟酸的溶解能力。下表为通过化学表达式计算出的氢氟酸对矿物成份的溶解能力。

表1  氢氟酸溶解能力

β——溶解的岩石质量/已反应酸的质量

X——所溶解的岩石体积/已反应酸的体积

从氢氟酸的溶解能力来看，对石英、长石、高岭石的溶解能力是低于石灰岩、白云岩的。

3.2粘土矿物反应平衡状态分析

粘土、长石类硅铝酸盐矿物可与HF发生化学反应而生成氟化硅类和氟化铝类离子。但是，其反应产物并不是所形成的惟一化学反应产物，SiF₄ 、HSiF₅ 和H₂SiF₆ 也可以存在于反应液中，溶液中还存在着其他如：3Al³⁺，AlF²⁺、ALF₆^3-等铝离子。铝离子与氟化物中的硅竞争。当过量粘土存在时，氟化铝盐类化合物比氟化硅类化合物更稳定性，当HF 过量时，所形成的初始反应产物(H₂SiF⁶)开始释出氟而形成更稳定的铝化物。H2SiF6 先失去两个氟原子而形成SiF4，当反应一直持续进行时，开始形成Si(OH)₄。这种沉淀物可以形成水化胶体[Si(OH)₄.nH₂O]，将损害地层渗透滤，因此应尽量减少溶液析出胶体。

4 酸与储层矿物反应速率的影响

4.1酸与矿物成份反应的主要步骤

溶液中酸的消耗量发生在各种反应机理和过程中。实际上，酸的反应总速率主要受到三个步骤控制，缓慢反应步骤进行的速率决定了总反应速率。第一步是通过扩散作用、流动诱导强制对流作用、密度梯度自由对流作用或是滤失作用将酸传递到矿物反应表面。第二步是酸流至岩石表面反应动力学所能确定的反应速率。最后一步是反应产物从反应表面被携带走。第二步岩石表面反应动力学是重点分析内容。

4.2 长石与氢氟酸的反应速率

长石可以分成两类,即正长石(KAlSiO₃O₈ )和斜长石(由一组介于NaAlSiO₃O₈和CaAl₂Si₃0₈间的固溶体组成)。根据Fogler等人的研究，知道了长石的溶解反应速率为：

如果以m²/s产生的正长石量(kg mol)表示反应速率，则速率常数值为：

对于钠长石反应速率值为，

可以计算出不同温度、不同浓度条件下长石的反应速度。得出以下曲线。

图1 氢氟酸与正长石反应速率随温度变化曲线   图2 氢氟酸与钠长石反应速率随温度变化曲线

从曲线可以看出，随着温度的升高反应速率增加且增幅增大、随着酸液浓度的增加反应速率增加，同时正长石的反应速率明显高于钠长石的反应速率。

图3 氢氟酸与正长石反应速率随盐酸浓度变化曲线

从曲线可以看出，随着盐酸浓度的增加反应速率增加，说明盐酸的存在对反应速率有促进作用，但是促进作用不大。

4.4粘土与氢氟酸的反应速率

Kline与Fogler研究了粘土矿物与HF的反应。如果按照表面积数据，由于蒙脱石裸露于酸液中的表面积是高岭石的60倍以上，我们将可以预测出发生反应的单位质量的蒙脱石反应速率比相同质量的高岭石反应速率快近60倍。但是实际上，蒙脱石反应速率与高岭石反应速率相当。这主要原因在于其矿物晶格结构不同，粘土反应能力不与酸液接触的粘土表面积成正比。Kline 与Fogler得出HF-HCl溶液对粘土溶解的另一重要特性，即镁已被反应速率较慢的铝片所大量取代。如果，以所产生的铝来表示化学反应速率常数。粘土溶解速率表示为：

根据Kline与Fogler的研究结果，如果粘土矿物可以用化学式表示的话，可以推算出以下粘土矿物的反应速率常数。

表2 粘土矿物的反应速率 [摘自Kline与Fogler的研究结果]

图4  氢氟酸与粘土矿物反应速率随温度变化曲线

由曲线可以看出，粘土中各矿物成份的反应速率：蒙脱石>白云母>高岭石>伊利石。但远小于长石的反应速率。通过氢氟酸对地层矿物质的反应速率来看，长石的反应速率常数比基于同一反应表面积的粘土矿物与同种酸反应速率大两个数量级。故，长石的酸反应速率最快，其次是粘土和硅。同时，孔隙空间中的酸有效反应速率将取决于与酸接触的特定矿物的表面积。

5目标井室内岩心分析

5.1全岩分析

根据储层特点制定酸化液配方是提高酸化成功率的关键。X全岩衍射不仅能鉴定岩样中的晶态相，还能定量测定晶态相的含量，包括其中可能存在的无定形（非晶质）的含量。骨架颗粒与填隙物之间存在各种各样的接触关系，是影响酸化设计方案的关键因素之一。砂岩储层的骨架是由成分不同、性质各异、粒级不等的砂粒胶结而成的。骨架颗粒为孔隙流体提供了渗流空间和渗流通道，直观表现为孔隙度和渗透率，酸化改造后孔渗性能的高低主要由岩石构架来维持。分析取心井段2918.77-2920.85 m。储层刚性颗粒（长石和石英颗粒）含量较高，方解石含量少且大部分呈碎屑产出，有微弱支撑作用。铁白云石、黏土矿物和菱铁矿以簇状填充粒间孔隙，沿颗粒边缘占据部分孔吼。凝块状菱铁矿主要分布于孔隙中，喉道中较少。泥质一般与铁白云石混杂，或单独占据孔喉空间。黏土矿物以伊利石为主，有一定的孔隙度，但由于其“搭桥”特性易形成“桥堵”，因此渗透率较低，储层表现出较高的盐敏和碱敏特性。

5.2岩心酸化实验

根据实验岩矿分析，设定室内模拟实验：采用土酸、缓释酸交替挤入，达到深部酸化，改善地层渗流能力的目的。室内岩心溶离性实验设计的酸液能够较好处理铁白云石并携带与其混杂的黏土矿物，面孔率增至4倍左右，吼道半径增至原来5倍左右。平均渗透率增至10-17倍。室内实验证明该设计酸液溶离效果较好。 酸化解堵室内实验的方法是通过岩心流动性实验仪，模拟相应岩心所在储层的温度85℃和压力28MPa条件下，先用钻井泥浆通过岩心，使岩心堵塞，再用不同的酸液体系按地层水、前置液（羧酸氨+点触酸）、缓释液（潜在分离酸）、主体液（硅链酸 +氨胶酸）、后置液（微粒络合剂+无氟土酸+聚合酸）和顶替液（氯化铵）的顺序注入岩心，依据实验数据绘制岩心渗透率的变化曲线分析酸化解堵的效果。

6 现场酸化试验

将堵塞物从中心向外延溶蚀的顺序排列酸液，根据各种堵塞物的总含量设计酸的浓度及用量，同时配好各种抑制剂，实现无返排。结合室内实验优选出X1井（2918.70-2 923.30m）酸化解堵配方。由于目的层与上下含油水层的夹层较薄，因此，施工过程中应注意控制施工排量、压力，避免出现酸蚀裂缝压穿水层。油井酸化放喷后，采用44 mm泵转抽，初期日产油为6.42 m3，日产油最高达7.80 m3；措施后有效期内该井的含水率一直稳定在20%-30%，平均日产油为5.19m3，60d内累计产油311.51m3，酸化增产效果较好。

结论

（1）针对地层酸化后容易出现的二次沉淀问题， 在后置液中要视储层填堵类型而加入氟硅酸钾抑制剂和铁离子鳌合铁血盐等防沉淀的配剂，配剂在酸耗尽后一段时间内达到最佳抑制作用，从而巩固酸液溶蚀开的空间。选择超分子缓蚀阻垢剂，在金属表面形成优于纳米膜的超分子膜，使缓蚀和阻垢的效果接近100%。 （2）室内实验分析岩心微观结构和成分，有针对性地提出适合X1井的储层改造方案，用土酸、缓释酸交替注入进行岩心酸化解堵。（3）现场试验表明，在多敏低渗地层中，更需要针对储层成分和微观结构准确把握低渗储层的本质特性，从而制定合理的酸化措施，达到储层改造的目的，进而充分利用储层天然能量进行开采，改善低渗透储层难动用的现状，提高油井产能。

参考文献

[1]张守鹏，滕建彬．低渗透砂岩储层分步溶离酸化改造及实施效果——以洼陷夏463井为例[J]．油气地质与采收率，2012，19（2）：95–97．

[2]胡学军，冯建华，齐梅，等．砂岩气藏基质酸化残液返排影响因素研究[J]．石油钻采工艺，2011，33（2）：94–97．