脉冲酸化复合解堵协同机制实验研究

《Petroleum Science》：Experimental study on synergistic mechanism of pulse acidizing composite plugging removal

　　

随着油气田开发不断深入，地层出砂及由此引发的近井地带堵塞日益突出，已成为制约油气井稳产与持续增产的重要因素。脉冲酸化作为一种物理化学耦合解堵技术，在缓解近井堵塞与恢复渗流通道方面具有较大潜力。为阐明脉冲酸化复合解堵的协同增强机制与施工控制规律，研究人员研制了实验评价装置，系统考察脉冲酸化时序、脉冲频率、脉冲强度及酸液类型与浓度对渗透率恢复率（Y）、短期渗流稳定指数（IS）、颗粒运移指数（IM）及综合解堵效率指数（IC）的影响。结果表明：相较于单一脉冲解堵与单一酸化解堵，脉冲酸化复合解堵表现更优，其中“先酸化后脉冲”时序效果最佳；该条件下岩骨架稳定性较高，渗透率恢复率达86.27%，综合解堵效率指数达0.75，呈现显著协同增强效应。其改善主要归因于酸化有效削弱砂粒间胶结强度、降低脉冲能量在堵塞结构中传播时的衰减，从而增大脉冲扰动有效穿透深度，形成“酸溶-脉冲激励”协同增强解堵机制。研究结果为近井堵塞治理技术优化与现场应用提供了实验依据与技术参考。

研究背景方面，油气田开发中后期地层压力亏空与应力场重分布导致储层岩石骨架稳定性下降，地层出砂引发近井地带颗粒堆积与渗流通道堵塞，造成产能持续递减。单一化学解堵（酸化）依赖酸岩反应溶解胶结物，但存在二次沉淀、井筒腐蚀与环境风险；单一物理解堵（脉冲）通过压力波扰动骨架与胶结状态改善流动，但脉冲能量在致密堵塞体中快速衰减，参数不当会加剧细粒运移或诱发二次堵塞。二者简单叠加难以兼顾高解堵效率、有效作用半径与储层保护，因此亟需揭示时序耦合下的协同机制。

研究人员以“酸化弱化胶结—脉冲破碎堵塞—流体携出颗粒”为核心假设，搭建填砂管实验系统（内径70 mm、长220 mm，介质为石英-长石-黏土矿物人工砂样），配套恒速恒压泵、脉冲泵（压力幅值0–40 MPa、频率0–10 Hz、时长0–120 min）、进出口高精度压力传感器（0–70 MPa，±0.01 MPa）与数据采集模块（5 s间隔），开展出砂堵塞形成、单一脉冲、单一酸化及“先脉冲后酸化”“先酸化后脉冲”两种复合时序实验；酸化选用HCl（1%–15%）与HCl+HF（10%HCl+1%–10%HF）体系，以5 mL/min注入1–2倍孔隙体积；评价指标在渗透率恢复率Y之外，引入短期渗流稳定指数I_S=K_Steady/K_Max、颗粒运移指数I_M=m_s/(K₂?K₁)及综合解堵效率指数I_C，对解堵后出砂质量进行<0.075 mm、0.075–0.5 mm、>0.5 mm三级粒径分析。论文发表于《Petroleum Science》。

主要关键技术方法概括：研究人员采用一维填砂管物理模拟近井径向渗流单元，以分级砂样控制孔喉与胶结强度，用恒压/恒流泵与电控脉冲泵分别实现稳态驱替与周期压力扰动，通过Darcy定律计算初始渗透率K₀并以此为基准；解堵阶段保持流向一致，系统记录压差、流量与出砂质量，依公式求得Y、I_S、I_M与I_C，并以三维I_C–I_M–I_S关系判别协同区；复合实验选取单一方法最优参数组合，对比两种时序的动态压力-流量演化与粒径分布。

研究结果部分，3.1节单一技术上限与失效特征中，3.1.1脉冲解堵参数响应表明：在0.5–5 Hz内Y随频率与脉冲压力升高而增大，5 Hz、8 MPa、40 min时Y达75.10%为单脉冲最优，但I_S随压力升高由0.94降至0.86、I_M由0.60升至0.82，I_C峰值仅约0.61，证明单脉冲受能量衰减与骨架失稳限制；3.1.2酸化解堵参数响应表明：HCl在10%时Y最高65.36%，HCl+HF在10%HCl+5%HF时Y最高74.71%、I_C约0.64，过高HF致细粒释放与二次沉淀，I_S降至0.80，单酸化亦存效率天花板。

3.2节脉冲酸化复合解堵协同效应中，3.2.1时序对比显示“先酸化后脉冲”Y为85.48%–86.27%、I_S为0.92–0.95、I_M为0.52–0.55 g/mD、I_C为0.72–0.75，显著优于“先脉冲后酸化”（Y 77.94%–79.18%，I_C 0.65–0.67）；3.2.2动态响应显示先酸化段（0–30 min）入口压由18.6降至12.3 MPa、出口流量由1.2升至3.8 mL/min，脉冲段（30–70 min）压降至5.7 MPa、流量升至6.5 mL/min，Y由42.3%升至83.5%并最终稳于86.27%；反向时序因脉冲能快速衰减、酸液难入深部，终Y仅79.18%。

3.3节协同机制分析指出，酸化溶蚀长石/黏土胶结物与石英表面，使致密堵塞体转为松散易扰群体，降低脉冲能量屏蔽与耗散，增大有效穿透深度；脉冲在弱化结构上通过周期压力与瞬态加速剥落残粒，并返混酸液提升未反应胶结物接触效率，形成酸溶-脉冲激励正反馈。3.4节参数窗口与工程适应性分析（原文末段截断处前文已述）依结果锁定先酸化后脉冲、5 Hz附近脉冲、10%HCl+5%HF为优选窗口。

讨论与结论翻译：脉冲酸化复合解堵的协同增强高度依赖物理-化学作用时序匹配；“先酸化后脉冲”通过酸化削弱胶结强度、减免脉冲能在致密层衰减，使脉冲扰动有效穿透更深，在保持岩骨架较高稳定性下实现Y=86.27%、I_C=0.75，证实“酸溶-脉冲激励”协同机制成立。该研究突破单一技术效率上限与稳定-运移权衡瓶颈，为近井地带出砂堵塞治理从经验叠加走向时序协同设计提供实验基底与《Petroleum Science》刊载的量化评价框架。