摘要
中国大部分灰岩储层埋藏深、低孔隙低渗透，受高温、高闭合压力、强非均质性等因素影响，常规盐酸酸压不易对其形成非均匀刻蚀，且改造效果差，影响了该类储层的高效开发。多级交替注入酸压技术可以通过酸液在前置液中多次形成黏性指进的方式来更好地实现裂缝壁面的非均匀刻蚀，但多级交替注入酸压酸蚀规律尚不清晰，注酸级数的界限尚不明确，目前酸压设计多依靠经验方法进行。针对以上问题，在双尺度连续酸化模型的基础上，综合考虑黏度变化与注酸级数的影响，建立了灰岩储层多级交替注入酸压模型。基于多级交替注入酸压模型，将酸岩反应动力学、酸蚀裂缝实验数据、酸蚀数值模拟研究结果相结合，分析了酸液黏度、注酸排量及注酸级数等因素对酸压改造效果的影响，明确了灰岩储层多级交替注入酸压的酸蚀规律与注酸级数界限，通过引入酸液突破体积对现场优化提供依据。研究结果表明，为改善裂缝壁面的非均匀刻蚀程度，获得酸蚀裂缝的高导流能力，在地层温度为90 ℃时纯灰岩储层采用盐酸与稠化酸交替注入工艺，在注酸排量为5 m³/min时加入0.4%非离子型聚丙烯酰胺的稠化酸。在此基础上，最佳注酸级数以不超过三级为宜，此时酸液突破体积最小，适用于现场施工。
中国大部分灰岩储层埋藏深、低孔隙低渗透，具有高温、高闭合压力、强非均质性等特
针对上述难题，结合物理模拟和数值模拟方法建立了灰岩储层多级交替注入酸压模型，通过酸蚀裂缝实验，模拟了不同酸液黏度、注酸排量及注酸级数下灰岩壁面酸蚀过程，分析灰岩储层多级交替注入酸压酸蚀规律。将旋转岩盘实验获取的动力学参数与酸压模型相结合，对不同级数交替注酸进行数值模拟，研究灰岩储层的最佳注酸级数界限，以期为灰岩储层酸化压裂方案的设计与优化提供理论依据。
1 物理模拟实验
1.1 实验目的
通过酸蚀裂缝实验，评价不同酸液黏度、注酸排量及注酸级数影响下的酸蚀裂缝壁面非均匀刻蚀程度。使用激光扫描仪获取裂缝壁面酸化前后三维形态的点云数
1.2 实验设备和材料
实验仪器包括多功能酸液流动驱替实验装置、SYF-3型酸岩反应旋转岩盘仪、手持式激光三维扫描仪、恒温水浴锅、BSA423S精密电子天平、电热恒温干燥箱。
实验岩样为来自四川隆昌的露头岩心，加工标准为 2.50 cm×5.00 cm，将岩心从中间纵向线切割。全岩分析显示方解石平均含量为89.25%，气测孔隙度为0.049%～0.118%，气测渗透率为0.32～0.90 mD。
实验材料包括：质量分数为36%的盐酸，分析纯；相对分子质量为500×1
1.3 实验结果与讨论
1.3.1 酸蚀裂缝实验
评价方法 对于岩心竖直缝两侧的同一壁面，导出所有反应前后同一部位的表面高程变化值，其绝对值即为酸液刻蚀深度。该绝对值的平均值越大，则酸液刻蚀越显著；该绝对值的方差越大，则酸液刻蚀的非均匀程度越强，刻蚀深度方差公式为：
| （1） |
排量转换 为了使实验室条件与现场施工环境相吻合，基于酸液流速参数相似性准则，将矿场试验时裂缝端面排量转换为等效的实验室模拟排量，转换公式为：
| （2） |
对于中深层灰岩储层，假设地层裂缝高度为30 m，裂缝宽度为0.02 m；实验室裂缝高度为0.025 m，裂缝宽度为0.02 m。实际注酸排量分别为4，5，6，7 m³/min；实验室注酸排量分别为17，21，25，29 mL/min。
不同浓度稠化剂对酸压刻蚀的影响 室内实验温度为90 ℃，酸液选择质量分数为15%的盐酸和15%盐酸中加入不同质量分数的稠化酸（0.2%，0.4%HPAM）。通过分析裂缝壁面在不同注入条件下的酸蚀情况，优选出最佳的酸液黏度与注酸排量。设计不同级数的交替注入实验，确保每级酸液消耗量相同的情况下，进行注入工艺的优化，研究不同施工参数下的裂缝壁面非均匀刻蚀程度的影响规律。
目前现场施工常采用在盐酸中加入质量分数为0.2%和0.4%HPAM的稠化酸，稠化剂的加量会影响酸液的流变性，进而影响酸压非均匀刻蚀程度。室内实验选用100 mL 质量分数为15%的盐酸和100 mL不同稠化剂（质量分数分别为0.2%，0.4%，0.6%，0.8%）的质量分数为15%稠化酸组合体系交替注入岩心，对应黏度分别为8.75，10，12.5，15 mPa·s，实验结束后观察岩心刻蚀形态，评价不同浓度稠化剂对酸压刻蚀的影响，实验结果如
图1 不同稠化剂质量分数下的刻蚀深度方差均值
Fig.1 Mean variances of etching depths at different concentrations of thickeners
不同黏度稠化酸和盐酸单级交替注入的刻蚀深度方差均值均大于常规盐酸酸压，对于致密灰岩，常规盐酸酸压表面易形成均匀刻蚀，交替注入酸压效果明显优于常规盐酸酸压。随着稠化剂浓度的增加，裂缝壁面非均匀刻蚀程度增加，加入0.4%HPAM体系的非均匀刻蚀程度明显优于0.2% HPAM体系。这表明在适量的范围内，随着酸液的黏度增加，酸液向岩石表面的传递速率变快，岩心的酸蚀量降低，促使酸岩反应速率减缓，由于2种酸液之间的黏度差，盐酸在稠化酸中形成了黏性指进作用进而增强了酸液对裂缝壁面的非均匀刻蚀，因此优选质量分数为0.4%的稠化剂作为后面体系酸液配方。
不同注酸排量对酸压刻蚀的影响 注酸排量是裂缝壁面非均匀刻蚀程度的主要影响因素，因此在室内条件下对注酸排量进行优化，为现场施工提供借鉴和指导。将现场常用注酸排量转换为实验室注酸排量，选用盐酸（质量分数为15%，100 mL）+稠化酸组合体系（15%盐酸+0.4%HPAM，100 mL）单级交替注入，评价不同注酸排量对酸压刻蚀的影响，实验结果如图2所示。
结果表明，注酸排量为21 mL/min时刻蚀深度方差达到最高值，裂缝壁面出现明显的深色刻蚀沟槽，之后随着注酸排量的增加，刻蚀深度方差反而出现下降的趋势；这是由于注酸排量越大会减少酸液与裂缝壁面的接触时间，进而减少酸液与表面的反应时间，降低氢离子的传质速度，导致表面出现较均匀的溶蚀，但并非排量越大刻蚀程度越好，而是存在一个最佳的注酸排量。针对现场常用的4种注酸排量，现场注酸排量为5
不同注酸级数对酸压刻蚀的影响 酸液在前置液中多次形成黏性指进会更好地实现裂缝壁面的非均匀刻蚀，选用盐酸（质量分数为15%，100 mL）+稠化酸组合体系（15%盐酸+0.4%HPAM，100 mL）交替注入，注酸排量为21 mL/min，评价不同注酸级数对酸压刻蚀的影响，实验结果如图3所示。
图3 不同注酸级数刻蚀深度方差均值
Fig.3 Comparison of etching depth variances for different acid injection stages
与单级交替注入相比，二级注入刻蚀深度方差变大，非均匀刻蚀程度提高；三级注入时非均匀刻蚀程度最好，深色刻蚀沟槽更多，这是由于盐酸在稠化酸中形成多次的黏性指进作用，更好地对裂缝壁面进行非均匀刻蚀，且由于稠化酸的酸岩反应速率低于盐酸，能够延伸在岩石表面的反应距离，更好地实现对裂缝的深穿透；采用四级注入时，多为浅色刻蚀沟槽，此时方差最小，更倾向于均匀刻蚀，原因可能是高闭合压力导致闭合时支撑处的岩石破裂，岩屑堵塞了裂缝间的流动通道。研究结果表明灰岩储层存在最佳注酸级数界限，注酸级数超过此界限，不但工艺更加复杂、成本更高，实施难度更大，储层改造效果也会变差。最终优选出注酸级数为三级，这也是通过酸压物理模拟实验得出的灰岩储层的最佳注酸级数界限。
1.3.2 酸岩反应动力学实验
当酸岩反应为表面控制模式时，酸岩反应速率的计算方程
| （3） |
一般采用微分法求反应速率与反应级数，将（3）式边取对
| （4） |
实验测出反应速率和酸液浓度数据，作图，直线斜率即为反应级数n，截距为lgk，这样就可以利用直线回归求解出k和n的
反应速率控制阶段 要获得2种酸液与灰岩的酸岩反应速率、反应级数，必须保证实验时的酸岩反应速率是由酸液与岩石的表面反应所控制，应该首先判断酸岩反应的控制阶段。将实验温度控制在90 ℃，改变转速，通过测定反应中岩心的质量差求得盐酸、稠化酸与灰岩反应达到表面反应速率控制阶段时的转速。
由
图4 90 ℃时盐酸与灰岩的反应速率随转速的变化
Fig.4 Variation of reaction rate with rotational speed of hydrochloric acid and limestones at 90 °C
参数确定 使用5%，10%，15%，20%的酸液与灰岩岩心进行实验，通过计算反应前后质量差，线性回归结果求解得到盐酸与灰岩的反应级数n=0.605 9，90 ℃时酸岩反应动力学方程为J=1.31×1
图5 盐酸与稠化酸动态酸岩反应速率求取结果
Fig.5 Dynamic acid-rock reaction rate of hydrochloric acid and thickened acid
2 数值模拟研究
2.1 模型设计
PANGA等曾提出多孔介质反应中的双尺度连续酸化模
本研究将以该模型为基础，通过在基质岩块中间设置酸液流动边界以模拟酸压中的人造裂缝，进行多级交替注入酸压数值模拟。
数值模拟所用参数见
| 参数 | 数值 |
|---|---|
| 基质岩块长度/m | 0.1 |
| 基质岩块宽度/m | 0.05 |
| 孔隙结构常量 | 0.5 |
| 极限舍伍德数 | 3.66 |
| 环境压力/MPa | 3 |
| 横向孔隙结构系数 | 0.5 |
| 纵向孔隙结构系数 | 0.1 |
| 初始孔隙度/% | 1.16 |
| 孔隙度上限/% | 99.99 |
| 孔隙度下限/% | 0.01 |
| 初始渗透率/mD |
1.58×1 |
|
基质岩块密度/（g•c | 2.68 |
| 平均孔隙半径/m |
1×1 |
|
基质岩块初始比面/（ | 0.5 |
|
氢离子扩散系数/（ |
3×1 |
|
酸液密度/（g•c | 1.07 |
|
氢离子初始浓度/（mol• | 4.397 |
|
酸液溶蚀能力/（g•mo | 50 |
| 稠化酸黏度/（mPa•s） | 10 |
| 盐酸黏度/（mPa•s） | 4.10 |
|
稠化酸表面反应速率常数/（m• |
5.14×1 |
|
盐酸表面反应速率常数/（m• |
1.31×1 |
除了对比酸压后孔隙度场的变化外，还采用酸液突破时所耗费的酸液体积与岩心孔隙体积之比——孔隙突破体积（PVBT）来定量表征酸蚀效果。若其值较小即代表在酸液消耗较少的情况下取得较好的酸蚀效果，孔隙突破体积
| （5） |
2.2 多级交替注入与单级交替注入对比
常规盐酸的酸压结果见
图6 常规盐酸酸压与单级交替注入酸压对比
Fig.6 Comparison of conventional hydrochloric acid fracturing and single-stage alternating injection
由数值模拟结果可知，相比于常规盐酸酸压，盐酸和稠化酸单级交替注入后，裂缝壁面刻蚀程度明显优于常规盐酸酸压，减少了孔隙突破体积。由于两种不同黏度酸液形成黏性指进作用，实现了酸液对储层的深穿透来更好地实现裂缝壁面非均匀刻蚀。结合物理模拟实验可知，多级交替注入酸压增加了裂缝壁面的非均匀刻蚀程度，同时减少了酸液消耗量。对于灰岩储层，适当选用交替注入的方式可以提高裂缝壁面的非均匀刻蚀程度，更好地改善酸化效果。
2.3 单级交替注入不同排量条件对比
分别以17，21，25，29 mL/min的注酸排量单级交替注入盐酸和稠化酸（
图7 孔隙突破体积与注酸排量的关系
Fig.7 Relationship between pore breakthrough volumes and acid injection rates
酸蚀形态很大程度上受酸液流速的影响。在17 mL/min的注酸排量单级交替注入条件下，酸蚀裂缝的非均匀刻蚀程度弱于其余各组，注酸排量分别为21，25，29 mL/min时刻蚀效果变化不大。随排量增加，孔隙突破体积先减小后趋于平缓。由实验可知注酸排量为21 mL/min时刻蚀非均匀程度高；由数值模拟结果可知21 mL/min时孔隙突破体积最小，酸液消耗量小。为了降低酸压成本，考虑现场施工等因素，优选出最佳注酸排量为21 mL/min，即现场注酸排量为5 m³/min，此时不仅非均匀程度高而且酸液消耗量少。
2.4 不同注酸级数对比
改变交替注酸级数，开展不同级数的酸压数值模拟，在室内实验注酸排量为21 mL/min时交替注入盐酸和稠化酸（
图8 孔隙突破体积与注酸级数关系曲线
Fig.8 Relationship between pore breakthrough volumes and stages
开始时孔隙突破体积与注酸级数呈负相关，而后呈现为正相关关系，原因是通过先注入稠化酸在裂缝壁面形成局部溶蚀，再注入盐酸，盐酸黏度低而导致氢离子传质速率增加，从而在局部溶蚀裂缝中形成更复杂的沟槽。当注酸级数为三级时，孔隙突破体积最小，此时实现岩心突破所耗费的酸液总量最少。结合物理模拟实验结果，在其他工艺参数趋于最优且施工条件允许时，三级注入时酸蚀裂缝的非均匀刻蚀效果最理想且酸液消耗量最少，因此得出低孔隙度致密灰岩储层最佳注酸级数界限为三级。
3 结论
（1）相比于常规盐酸酸压，在实验室温度为90 ℃的条件下，纯灰岩储层采用盐酸+稠化酸（加入0.4%HPAM）组合交替注入能增加酸液的有效作用距离，提高酸液刻蚀的非均匀程度。为发挥盐酸与稠化酸间黏性的指进效应，应适当增加稠化酸的稠化剂用量，选用高黏度稠化酸，以提高非均匀酸蚀改造效果。
（2）在实验室温度为90 ℃条件下，实验注酸排量为21 mL/min（现场注酸排量为5 m³/min）时，刻蚀深度方差最大，孔隙突破体积最小，裂缝壁面非均匀刻蚀程度最好。
（3）注酸组合与排量不变时，改变注酸级数，发现灰岩储层存在最佳注酸级数界限。对于致密灰岩储层，最佳注酸级数以不超过三级为宜。
符号解释
A1 —— 实际裂缝端面面积，
A2 —— 模拟裂缝端面面积，
Cs —— 岩石表面酸的浓度，mol/L；
i —— 样本点的数量，i=1，2，…，z；
J —— 酸岩反应速率，mol/（c
k —— 反应速度常数；
L —— 基质岩块长度，m；
n —— 反应级数；
—— 孔隙突破体积；
q1 —— 现场注酸排量，m³/min；
q2 —— 实验注酸排量，mL/min；
tb —— 酸液突破时间，s；
x —— 所有样本点高程平均值，mm；
u0 —— 酸液流速，mm/s；
xi —— 第i个样本点高程，mm；
—— 样本点总量；
ϕ0 —— 初始孔隙度，%。
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