摘 要 酸巖反應動力學研究是酸化酸壓設計的基礎，目前多以旋轉巖盤動態模擬方法為主。現有旋轉巖盤裝置酸巖反應的溶蝕形態是面溶蝕，而實際酸化過程中常產生蚓孔溶蝕。采用面溶蝕下測得的酸巖反應動力學參數用于蚓孔溶蝕下的酸化工藝設計，是導致酸化設計不合理的重要原因之一，也是酸巖反應動力學研究中亟待解決的關鍵問題。通過對國內外酸巖反應動力學研究進展進行了系統的總結，分析了酸巖反應動力學研究中存在的問題，例如 CO2 等反應產物、面容比、氫離子濃度分布等因素對酸巖反應動力學參數的準確測定帶來的影響，并針對關鍵問題指出了酸巖反應動力學研究的發展趨勢。

　　關鍵詞 酸巖反應動力學 酸化 溶蝕形態 面容比 動力學論文范文

　　酸巖反應動力學研究是酸化技術的重要組成部分，其結果為酸化優化設計和酸液體系優選提供參數和依據[1]。研究通常包括靜態模擬和動態模擬兩種，靜態模擬試驗與實際酸化條件差異較大，主要進行面容比的對比分析[2]; 動態模擬試驗較為接近地層酸化條件，理論上可以通過旋轉巖盤儀得到不同條件下的反應速率常數、反應級數、反應活化能、H + 有效傳質系數等動力學參數[3]。但旋轉巖盤儀也存在著局限性，如模擬的溶蝕形態( 面溶蝕) 與實際酸化( 蚓孔溶蝕) 有差異; 很大程度上忽略了反應產物特別是 CO2 的影響; 反應釜取樣離子濃度分布不均等問題[4]。由此系統地總結了國內外酸巖反應動力學研究的進展和成果[5—12]，分析了酸巖反應動力學實驗研究過程中存在的問題，并提出了解決思路，對酸巖反應動力學規律更好地用于指導酸化設計具有重要的現實意義和應用價值。

　　1 酸巖反應動力學研究方法酸巖反應動力學是注入儲層的酸液在接觸巖石表面后，對化學反應速率的描述，是各種因素共同作用的結果( 酸型、溫度、流速、壓力等) [13]。

　　1. 1 酸巖反應動力學模擬實驗方法

　　酸巖反應動力學實驗模擬主要有四種( 見表 1) ，由于溶蝕形態不同，實驗所得的酸巖反應動力學參數有很大的差異，合理地選擇物理模型是模擬實驗成功的關鍵。

　　旋轉巖盤儀可以根據運動條件下的對流擴散偏微分方程解求取反應動力學相關參數，便于研究各種因素對動力學參數的影響，在酸巖反應動力學研究中得到廣泛應用。

　　1. 2 酸液溶蝕行為

　　酸液溶蝕行為主要通過研究酸蝕巖面的形態變化，分析不同酸液體系對地層巖石的溶蝕方式，解釋酸蝕裂縫面的形成和演化機理。

　　靜態酸巖反應實驗是將巖石靜置于地層溫度條件下與酸液發生反應，操作簡便，可測得反應速率隨面容比的變化，由于完全受傳質控制，鮮有對其進行定量分析。為了更便捷地開展酸巖反應動力學規律研究，可以建立相同的酸液和地層( 溫度、壓力) 條件，分析反應速率曲線的差異，建立靜態和動態反應動力學間的聯系[14]。

　　動態酸巖反應實驗多是利用巖盤旋轉的方式與酸液發生相對運動模擬酸巖反應，此過程是面溶蝕，可以研究各單因素( 如流速、酸型、溫度、濃度等) 對反應動力學參數的影響。事實上，動力學參數受各種因素影響，且各因素之間會相互干擾[15]，開展多因素控制的酸巖反應動力學研究是未來的研究趨勢。

　　對比分析巖面溶蝕形態變化如圖 1、圖 2 可以得出，在旋轉巖盤實驗中普通酸溶蝕程度大于稠化酸，反應速率較快。兩種酸在巖盤圓周處刻蝕程度較中心明顯，說明了酸液流速較快時，酸巖反應動力學參數受黏度影響較大，且酸蝕形態呈螺線型[圖 1( b) 、圖 2( b) ]，由此判斷酸液流線特征對酸蝕表面的特征影響較大。

　　從圖 3 可以看出，旋轉巖盤實驗所得酸蝕巖面呈螺線狀，而巖心流動實驗中 CT 圖像顯示，基質酸化中蚓孔在地層中呈放射性的生長形態變化規律。雖然旋轉巖盤實驗采用巖心與酸液的相對運動，可以近似模擬酸化過程，計算酸巖反應動力學參數; 但從酸蝕形態可以看出，旋轉巖盤模擬實驗與實際酸液經井筒進入儲集層所發生的酸巖反應存在較大差異。

　　由于模擬實驗與實際地層酸液溶蝕形態存在差異，在常規旋轉巖盤實驗時，要結合數值分析，借助物理模型建立并修正數學模型，能更準確的指導酸化設計。

　　1. 3 計算模型

　　當酸巖反應為表面反應控制時，傳質阻力忽略不計，視巖石表面的 H + 濃度等于釜體中 H + 濃度。 Lund 等[18，19]提出反應速率表達式:

　　J = KCm s ( 1)

　　式( 1) 中: J 為反應速度，mol /( cm2 ·s) ; Cs 為反應時間為 t 時刻的巖石表面酸濃度，mol /L; m 為反應級數，無因次; K 為反應速度常數，mol /[cm2 ·s·( mol / mL) m]。

　　根據式( 1) 中描述可知，酸巖反應速度常數是指酸液為單位濃度時的酸巖反應速度，其大小與酸液與巖石性質、地層條件有關，與酸濃度無關。改變酸液類型和巖石種類時，酸巖反應速度常數也會隨之發生變化。

　　對式( 1) 兩邊取對常用數，即可確定酸巖反應動力學方程:

　　lgJ = lgK + mlgC ( 2)

　　當反應為傳質控制時，視 H + 傳質速率等于系統反應 速 率。對 于 冪 律 流 體，即 非 牛 頓 流 體，由Hansford 和 Litt[20]解決了對流擴散方程問題，并引入了修正雷諾數和施密特數來考慮黏性冪定律的剪切相關性，de Rozieres[21]完善了計算模型:

　　J = φ( n) D2 3 k ( ) ρ -1 3( 1 +n) γ 1 -n 3( 1 +n) ω 1 1 -nCb ( 3)

　　式( 3) 中: φ( n) 為依賴于 n 的函數; n 為冪律指數，無因次; D 為有效擴散系數，cm2 / s; k 為冪律常數， g /( cm·s 2 - n ) ; ρ 為密度，g /cm3 ; γ 為指剪切速率， s - 1 ; ω 為旋轉巖盤速度，s - 1 ; Cb 為溶液中的酸濃度， mol /cm3 。

　　中國學者推導了牛頓流體的反應速率 J 的表達式如下:

　　J = 0. 62D2 3 e ν 1 6 ω 1 2 Cb ( 4)

　　式( 4) 中: ν 為酸液運動黏度，即酸液動力黏度與密度之比，cm2 / s。

　　不難發現牛頓流體反應速率表達式是考慮酸液冪律特性的基礎上 n = 1 的特殊情況，這也印證了酸液冪律特性的傳質模型的正確性。

　　事實上，即使是常規酸，由于反應前后 Ca2 + 、 Mg2 + 等多價反離子濃度增加，酸巖反應是一個變黏的過程。現階段研究鮮有考慮反應過程中黏度規律變化對反應速率的影響，探究黏度變化因素對反應速率的影響，是酸巖反應動力學的未來發展趨勢之一。

　　2 酸巖反應動力學研究進展

　　酸巖反應動力學研究隨著模擬實驗的發展在不斷完善，國外關于酸巖反應動力學方面的研究較早，起初研究主要圍繞基本物理模型展開，Lund[22]首次通過旋轉巖盤儀研究了轉速對方解石和白云石的溶解速率的影響; Taylor[23]應用旋轉巖盤實驗方法研究了酸巖反應中不規律現象，指出巖石表面區域和孔隙度決定了酸巖反應速率，提出了孔隙度和反應速率成正比; 且巖石中黏土礦物成分能顯著地降低酸巖反應速率。李沁[16]設計了用攪拌器帶動整個反應釜中的液體同時發生流動的新方法，改進了旋轉巖盤物理模型，降低了實驗設備引起的誤差。

　　而后通過模擬實驗又確定了各種物性參數對酸巖反應動力學參數的影響，張繼周[24]利用了旋轉巖盤儀先后確立了稠化酸和轉向酸的反應動力學方程，闡明了酸液濃度、轉速、溫度、壓力等因素對酸巖反應速率的影響依次減弱; 張黎明等[25]研究了旋轉巖盤轉速對流型和酸蝕形態的影響，由于模擬試驗中流態與流向的不穩定性，高-中-低轉速下巖盤表面酸液呈離心-環流-倒流狀態，而巖石表面溶蝕形態呈均勻-溝槽-均勻; 祝琦[26]等研究發現轉向酸擴散過程受地層溫度場和液體流場影響較大。

　　由于物理模型的局限性與不完善性，逐漸發展了改 進 數 學 模 型，完善酸巖反應動力學的研究。 Mohammad[27]等和劉如紅等[28]利用數值分析離散化技術構建了非線性模型，通過旋轉盤巖盤儀實驗驗證結果，表明非線性模型比一階線性模型更準確地模擬白云巖與酸之間的反應。吳元琴等[29，30]采用三維數字掃描的方法將酸巖反應后的酸蝕溝槽數值化，提出了修正面容比的方式，并發現面容比對反應速度常數影響較大，而對反應級數影響較小。

　　3 酸巖反應動力學規律研究的關鍵問題

　　旋轉巖盤儀被廣泛應用于酸巖反應動力學實驗研究中，理論上可以得到各種動力學參數[31—38]，但傳統的實驗室做法存在局限性，筆者就以下幾點提出解決方向。

　　3. 1 溶蝕形態

　　現有旋轉巖盤模擬實驗的溶蝕形態是面溶蝕，而實際酸化過程多為蚓孔溶蝕[39]，采用面溶蝕下測得的酸巖反應動力學參數用于蚓孔溶蝕下的酸化工藝設計，這是導致酸化設計不合理的重要原因之一[40]，也是酸巖反應動力學研究中亟待解決的關鍵問題�？梢越柚� Fluent 等流體力學軟件模擬 H + 離子濃度分布，直觀的分析面溶蝕與蚓孔溶蝕的差異，量化旋轉巖盤與驅替實驗動力學參數間的關系，通過規律回歸，數值分析，建立并修正合理的數學模型，完善酸巖反應動力學研究。

　　3. 2 反應產物的影響

　　常規模 擬 實 驗 的 系 統 壓 力 一 般 低 于 7 MPa ( 1 000 Psi) ，遠小于儲層壓力條件，很大程度上忽略了反應產物特別是 CO2 的影響[41]。在實際酸化條件下，CO2 會溶于酸液中，減緩氫離子的擴散，致使實驗所測擴散系數偏大( 約 23% ) [42]。

　　實際酸化工藝中多為殘酸體系，其 中 Ca2 + 、 Mg2 + 等多價反離子會提高酸液黏度，減緩了 H + 的傳質擴散，降低溶解速率[43—45]，影響動力學參數; 基于鮮酸計算所得的擴散系數偏大( 約 30% ) [46]。

　　為了更準確地估算動力學參數，應考慮設計各種高壓和殘酸條件，提高實驗設備的承壓能力[47]，完善物理模型，探究反應過程中酸液黏度變化對反應速率的影響，Khalid 等[48，49]進行考慮殘酸條件的酸巖反應模擬實驗對此具有借鑒意義。

　　3. 3 改進物理模型

　　旋轉巖盤模擬實驗中，反應釜內酸液與巖面發生相對運動時會產生滑移，酸液攪拌不夠充分，底部取樣濃度不準確[50]，且實驗酸液用量較巖心反應量大得多，取樣所得濃度差不明顯，面容比偏大。想要減少實驗設備所帶來的誤差，就要對旋轉巖盤儀進行改進。可以考慮使酸液在釜體中發生定向運動的新思路[51]，消除滑移帶來的離子濃度不均; 同時還應分析與實際反應面容比的差異，控制酸巖反應比例等，進一步完善酸旋轉巖盤模型。

　　4 結論

　　綜上所述，對于酸巖反應動力學研究提出了以下幾點建議:

　　( 1) 建立不同溶蝕形態下( 例如面溶蝕與蚓孔溶蝕) 酸巖反應動力學參數的量化關系，是目前酸巖反應動力學研究中亟待解決的關鍵問題。

　　( 2) 無論是靜態或是動態酸巖反應動力學實驗，均需考慮酸巖反應產物 CO2 對氫離子傳質系數的影響。

　　( 3) 殘酸體系中的 Ca2 + 、Mg2 + 等多價反離子會提高酸液黏度，進而影響 H + 的傳質擴散與反應動力學參數，有必要探究反應過程中酸液黏度變化對實驗的影響。

　　( 4) 考慮由于釜體內酸液線速度差異引起的 H + 取樣濃度不均。