洗井作业

管井的成井工艺，包括从钻进开始直至下管、回填、洗井等多道工序。一般流程为：选择冲洗介质、配制泥浆→终孔物探测井→井孔斜度测量→井管安装→填砾及管外封闭→洗井。其中的任何一道工序处理不当或完成质量不高，都会影响水井的成井质量。

洗井是管井成井工艺中最后和最重要的一道工序。洗井的好坏对管井出水量有很大的影响。对于使用时间较久的井孔，由于泥沙淤塞、化学腐蚀、结垢和堵塞等原因，造成井孔出水量减少，也可采用洗井的方法恢复和增大井孔的出水量。下面着重对洗井方法作一简要介绍。

洗井的方法基本上可分为机械洗井和化学洗井两大类。前者目前普遍使用，而后者很有发展前途。

1.机械洗井法

对于泥皮、泥沙淤积堵塞过滤器等，均可采用机械洗井方法处理。目前使用最广泛的机械选井方法主要有：活塞洗井法、空压机洗井法和水泵抽压洗井法（或称泵抽振荡洗井法），其次是冲孔器洗井法和各种联合洗井法。

机械洗井法的共同原理是：通过洗井设备在井中产生的强大抽、压作用和冲击振荡作用，加大井内外的水压力差和加快地下水流速，从而破除井壁泥皮、带出阻塞于含水层空隙与过滤器中的细粒物质，以达到疏通含水层、增加水井出水量的目的。

（1）活塞洗井法：所需设备少，方法简单，成本较低，洗井效率亦可。但当井管强度不高时，易被活塞拉坏；在细粒含水层中洗井时，可能引起大量进砂。

（2）空压机洗井：具有工作安全、洗井干净等优点，但洗井成本较高，且受地下水位深度限制。因此，动水位过深或井深较浅的水井，皆不适于空压机洗井。

（3）水泵抽压洗井法（也称泵抽振荡洗井法）：就是在井孔中间歇性抽水，抽水、停抽（每次停抽一般应在2小时以上）反复进行，抽水使井中水位下降，停抽后水位又迅速回升，二者结合可对井孔产生强烈的冲击振荡作用，可较好的破除井壁泥皮，疏通含水层，从而达到洗井目的。

当条件适合时，用空压机与活塞联合洗井，可以取得很好的洗井效果。

2.化学洗井法

它是近年来国内外正在发展的一种新式洗井方法。这种方法操作简便，成本低廉，对于因腐蚀（主要是电化学、溶解氧、细菌造成的腐蚀）、结垢（腐蚀产物附着在过滤器上形成结垢、化学或生物化学结垢）和化学作用形成的堵塞（沉淀物，胶结物），化学洗井效果远比机械洗井为佳；而在某些碳酸盐岩含水层中，化学洗井还可起到扩大含水层裂隙、溶隙通道的作用。常用的化学洗井方法有：

（1）多磷酸钠盐洗井法

目前在洗井中使用的多磷酸钠盐有：六偏磷酸钠［（NaPO3）6］、三聚磷酸钠（Na5P3O10）、焦磷酸钠（Na4P2O7）和磷酸三钠（Na3PO4）等。现以洗井中经常使用的工业用焦磷酸钠（即无水焦磷酸盐）为例，说明其原理及使用方法。

无水焦磷酸钠为白色粉末状，易溶于水，呈碱性（pH=9.2），无毒，对钢材腐蚀性较弱。由于其价格比较便宜，故宜于野外批量使用。焦磷酸钠洗井的作用机理是：由于焦磷酸钠与泥浆中的粘土粒子发生配合作用，可形成水溶性的配合离子，其反应式如下：

Na4P2O7+Ca2+➝［CaNa4（P2O7）］2-

Na4P2O7+Mg2+➝［MgNa4（P2O7）］2-

上述反映形成的配合离子［CaNa4（P2O7）］2-和［MgNa4（P2O7）］2-是一些惰性离子。这些离子既不发生化学的逆反应，也不会自身聚结沉淀，更不与其他离子化合沉淀，故易于在洗井、抽水时随水排出。同时，这种带负电荷的配合离子，还可以吸附在粘土粒子上，使粘土粒子表面的负电性加强，从而加大了粘土粒子之间的斥力、降低了泥浆的粘度与剪切力。这是焦磷酸钠能够分解、破坏井壁泥皮和含水层泥浆沉淀的主要原因。

焦磷酸钠洗井的大致步骤如下：首先下置井管，待砾料填至设计高度后，即用泥浆泵将浓度为0.6%～0.8%的焦磷酸钠溶液注入井管内、外（先管外、后管内），然后继续完成管外的止水回填工作。待静置5～6h，焦磷酸钠与粘土粒子充分结合后，即可用其他方法进行洗井。焦磷酸钠盐溶液的注入量，应与含水层井筒的体积大致等同（扣除井管与砾料骨架所占体积）。

由于不同的多磷酸盐，在不同化学性质的水溶液中具有不同的化学活性，因此须根据当地地下水的化学性质和土壤的含盐成分确定所选用的多磷酸盐种类。

（2）液态CO2洗井法

根据实验可知，CO2气体在压力为5.099×105Pa、温度为零下37℃（即-37℃）的条件下即可液化；也能在压力为71.44×105Pa、温度为31.19℃的条件下液化。液态CO2在瓶内的压力，随着温度的变化而剧烈变化。当温度由-25℃上升至0℃、45℃时，其压力则相应由16.2×105Pa上升到30.4×105Pa、109.43×105Pa。

液态CO2洗井的基本原理是：通过高压管送入井下的液态CO2，经过吸热和降压后气化，并在井内产生强大的高压水气流，从而破坏井壁泥浆皮，疏通含水层的孔隙、裂隙通道，并使井内岩屑、泥浆等充填物拌随高压水流喷出地表，达到洗井和增加水井出水量的目的。

在碳酸盐岩和石膏等可溶地层中洗井时，可先向井中注入一定量的盐酸，静止1.5～5h后，再灌入液态CO2。这时，液态CO2由于吸热膨胀而产生气体，将先把盐酸压入岩层裂隙深处，起到加速溶解可溶岩石和扩大裂隙的作用，而后所溶解的物质又随着井喷被带出井口。有时，在揭露碳酸盐岩的水井中，即便只注入盐酸，也可因化学反应生成大量CO2气体而产生井喷。

为了防止金属管材在洗井过程中被酸腐蚀，必须在酸液中加入一定比例的甲醛、丁炔二醇［C4H4（OH）2］和碘化钠［NaI］、碘化钾［KI］等防腐蚀剂。此外，当孔内（特别是施工期较长的深孔）泥浆皮较厚时，亦可加入能够减缓泥皮凝固、硬化的多磷酸钠盐，以加强洗井效果。洗井设备的安装可参看图11-13。

液态CO2洗井法，是目前诸种洗井方法中比较先进的方法。方法简单，节省时间，成本低廉，对于松散孔隙含水层或基岩裂隙含水层，以及不同深度、不同材质、不同结构的新、老管井均有较好的洗井效果。但洗井时应注意安全工作。

（3）盐酸洗井及其他化学洗井方法

当过滤器因化学作用堵塞时，一般可采用酸化处理。例如，当过滤器被碳酸盐类沉淀、氢氧化物沉淀或胶结物堵塞时，一般可用盐酸作为酸化处理液（同时为减少管井中金属材料的腐蚀，可加入适当的防腐剂）。盐酸酸化处理时的化学反应过程如下：

CaCO3+HCl➝CaCl2+H2O+CO2

FeCO3+HCl➝FeCl2+H2O+CO2

Fe（OH）3+3HCl➝FeCl3+3H2O

图11-13 液态CO2洗井安装平面示意图

如果堵塞物是硅酸盐类（粘土）时，则需用盐酸（HCl）与氢氟酸（HF）混合液处理。

当过滤器因细菌作用而堵塞时，一般可采用往孔内输送氯气灭菌的方法，或者采用输送氯气与酸化处理相结合的方法加以处理。

为了解决常规洗井无法有效避免煤泥垢严重的井发生卡堵的问题,可采取井筒酸化洗井工艺,通过向油套环空中注入酸液的方式,对沉积在井筒内、射孔段的堵塞物(煤泥垢)进行溶解清洗,利用泵的抽排作用将溶解液排出井筒,起到解除井筒卡堵,清洗炮眼的目的。

图7-59 H338井排采曲线

(一)酸化洗井的原理及工艺

酸化洗井同酸化解堵的主要机理相同,是利用酸液体系将煤泥中的无机矿物成分溶解稀释。所用酸液为盐酸和氢氟酸混合而成的土酸。煤泥垢矿物组分中,碳酸盐矿物和含铁化合物可以与盐酸反应,石英及硅酸盐矿物可与氢氟酸发生反应,只有少量的硫酸盐矿物与酸液不反应。

酸洗工艺的具体反应机理为:

(1)与氢氟酸反应:

SiO2(石英)+4HF SiF4+2H2O

SiF4+2HF H2SiF6

NaAlSi3O8(斜长石)+22HF NaF+AlF3+3H2SiF6+8H2O

KAlSi3O8(钾长石)+22HF KF+AlF3+3H2SiF6+8H2O

韩城区块煤层气井煤粉产出机理及主控因素研究

韩城区块煤层气井煤粉产出机理及主控因素研究

CaCO3(方解石/文石)+2HF CaF2+H2O+CO2

(2)与盐酸反应:

CaCO3(方解石/文石)+2HCl CaCl2+H2O+CO2

CaMg[CO3]2(白云石)+4HCl CaCl2+MgCl2+2H2O+2CO2

韩城区块煤层气井煤粉产出机理及主控因素研究

FeS+2HCl FeCl2+H2S

井筒酸洗工艺的地面工艺设备主要为:酸罐、水罐与离心泵、注入泵通过管线与井口相连,井口处的压力表流量计用以监测注入量,并通过阀门加以控制(图7-60)。

图7-60 井筒酸洗地面工艺流程图

(二)酸化洗井的应用效果

井筒酸洗工艺能够有效解除煤粉卡堵,延长检泵周期。酸洗过程中,水质由浑水连续变为超黑连续,最后变为清水连续,酸洗时清洗出井下大量的煤粉混合物。

酸洗工艺现场应用24井次,其中软卡酸洗12井次,筛管堵塞酸洗6井次,泵漏失酸洗4井次,炮眼酸洗2井次,酸洗井在全区基本都有分布。其中20井次效果极其明显,工艺有效率达到83.3%。

以W108井为例,酸洗前泵堵不出液,示功图显示,下冲程时悬点载荷难以顺利减小(图7-61)酸洗后出液正常,示功图形态恢复正常(图7-62),泵效从0%上升到83%。目前已经连续排采233天,有效延长检泵周期2.6倍(图7-63)。

图7-61 W108井酸洗前功图形态

图7-62 W108井酸洗后功图形态

另一方面,酸洗井工艺在清洗炮眼、提高单井产能方面具有显著效果,H5022井酸洗后,日气量大幅度上涨,目前达到1340m3/d,累计产气26.5×104m3。

图7-63 W108井排采曲线

(三)酸化洗井注意的问题

由于韩城区块不同开发单元、不同开发层系中煤粉矿物组分分布规律不同,需要研究出适合韩城区块不同区域对应酸液体系并针对不同井下故障类型,制定出适合不同井下排除设备和地面生产设备的最优酸洗配套参数。

为了防止酸洗对地层的伤害,在进入地层的酸液中加入黏土稳定剂与铁离子稳定剂等相关试剂。黏土稳定剂能够吸附于黏土表面,防止水敏性矿物水化膨胀及分散运移而对地层造成的伤害。铁离子稳定剂作用是络合或螯合铁离子,防止铁离子凝胶沉淀,达到稳定铁离子的目的。

(1) 用盐酸处理井孔 能使井孔的直径增加 ,使含水层中的裂隙和孔隙扩张 ,把那些巨 大的含水裂隙或距井口很近的但未被钻穿的含水层与井孔联通起来 ,使得井孔的涌水量大 大增加 。 (2) 化学药品洗井 将一定数量的焦磷酸钠 ( Na2 P2 O7 ·H2 O) ( 碱性) 与钻孔的泥浆混 合 ,使钻孔的泥皮破坏 。因配制泥浆的粘土多为高岭土和蒙脱石等 ,其中高岭土为酸性 ,当 焦磷酸钠与之混合将产生硅酸钠 ( Na2 SiO2 ) 蒙脱石也属酸性 ,与焦磷酸钠混合将产生铝酸 钠 Na Al (O H) 4 , 随即溶于水中而使泥皮分散 ,从而起到破坏孔隙泥皮的作用 ,进而增加井 内出水量 。 洗井时 ,采用泥浆泵注入法 ,将酸及化学药品注入到约为 980 m 的深处 ,盐酸 2t ( 浓度 为 30 . 5 %) 焦磷酸钠 0 . 5 t (浓度为 5 %～10 %) 。通过泥浆泵经钻杆注入预定深度 ,最下端 一根钻杆最好带活塞垫 ,供钻杆的上下活动冲力将药品及酸压入外侧孔壁内 ,注入结束后 , 进行密封加压静止浸泡 24 h 以上 ,以使酸及药品充分发挥作用 。 经过以上 洗井作用后 ,再经大泵量正循环洗井 ,井内水量增加约 50 % 。 2 . 3 活塞洗井 为了进一步清洁孔壁 ,并增加出水量 ,在处理过程中采用了活塞洗井同时加带钢丝毛刷 的方法 ,用以清除井内泥浆 ,破坏泥皮 ,抽出含水层中的泥土 、细岩粉及渗入含水层的泥浆 , 以增大井孔周围的渗透性 ,使井达到正常的出水量 。

地下水资源管理的经济措施，就是用经济手段和经济杠杆促进地下水资源的管理工作。主要包括以下几个方面。

1.把水资源管理纳入社会和国民经济发展计划

（1）水资源是社会经济发展的重要制约因素，因此，在制订经济发展计划时，要科学规划、合理利用有限的水资源，尤其是要合理调配地表水和地下水资源，使其发挥最大效益。

（2）合理调整地下水开发与保护的关系，扭转过量开采地下水的现象，搞好水土保持，涵养水源，节约用水，改善水质，保护环境。

（3）把水资源管理纳入经济管理体制，生产建设必须合理利用地下水资源，做到开发与保护相结合。同时应符合自然规律和经济规律的要求，不能只管生产发展，不管环境；不能见考虑眼前直接的经济效果，不顾及对社会和生态的影响；不能只考虑本部门、本企业的经济效益，而必须从社会整体出发，衡量其经济效益。总之生产建设和社会发展必须考虑取得最佳的经济效益、社会效益和环境效益。

（4）加强水资源经济管理模型的研究，建立可供实际操作调度的水资源管理模型和信息联作系统、决策支持系统和预警系统，逐步建立健全地下水资源管理信息技术平台和网络，充分利用计算机和信息技术，以便有效地进行地下水资源管理。

2.运用经济手段进行地下水资源管理

（1）依法征收水费、水资源费和排污费。由于水资源具有商品性，依法征费，可调动用水单位保护水资源的积极性，加快水环境污染治理的步伐，还能节约水资源，使水资源发挥最大效率。

（2）把地下水资源保护与用水单位领导和职工的经济利益紧密结合起来，做到节约用水有奖，浪费水受罚。谁破坏或污染水资源，谁就必须承担治理和赔偿损害的经济责任，就必须支付罚款和赔偿。

（3）在有条件的地方对用水可实行“浮动价格、阶梯价格”。枯水高价，丰水低价，超计划用水加价，分质供水，按质论价，努力做到“以水养水”，使水资源发挥最大效率和最大功能。国内外经验表明，水价提高10%，用水量下降5%。

地下水资源管理涉及诸多方面，是一项系统工程。它不仅属于地质科学的研究范围，还与工程、社会、经济、环境、法律等科学有关，因而需要多学科及各行业共同研究和参与，只有这样，才能取得良好的效果。

小结

通过本章的学习，主要掌握以下重点内容：①地下水资源的开发：主要掌握水源地的选择，取水构筑物的类型和适用条件，取水建筑物的合理布局（平向布局、垂向布局、井数与井距确定），管井的结构设计、洗井方法与管井腐蚀、堵塞和结垢的防治等；②地下水资源保护：区域地下水位持续下降，地下水质恶化，地下水资源保护的技术措施合理开发利用、开发利用地下水库、人工补给加强水质防护、建立水源地卫生防护带等；③地下水资源的管理：主要为法律及行政组织管理，技术措施，经济措施等。

复习思考题

1.选择和确定水源地的主要依据是什么？

2.试述取水建筑物的类型和适用条件？

3.在地下水径流条件良好的地区，如何布置开采井？在地下水径流滞缓的地区，开采井如何布置？

4.何谓“过滤器的合理长度”？

5.如何确定集中式供水井的井数和井距？

6.如何确定分散式农田灌溉供水井的井数和井距？

7.试述含水层允许开采模数的概念？

8.供水井对井身结构有什么要求？如何确定井径？

9.如何选择供水井的过滤器？

10.成井工艺有哪些？

11.洗井方法有几种，各适用于什么条件？

12.试述机械洗井法的种类及原理？

13.化学洗井法有哪些？试述多磷酸钠盐洗井、液态CO2洗井、盐酸洗井的原理和方法步骤？

14.区域地下水位持续下降的实质和主要原因是什么？有什么危害，如何防治？

15.地面沉降的发生机理是什么？

16.什么叫水质恶化，有什么特征及危害？发生原因是什么？如何防治？

17.地下水资源保护的技术措施有哪些？

18.什么叫地下水库？有几种类型？建造条件是什么？

19.什么是地下水人工补给？试述进行地下水人工补给的基本条件和方法？对水源水质有什么要求？

20.为什么要设立水源地卫生防护带？一般设立哪几个防护带？

21.用水力措施防止海水入侵主要有哪些方法？

22.地下水资源管理措施有哪些？

23.如何进行地下水资源的统一规划和合理调度？

24.试述节水工作的重要意义？

25.试述地下水监测的内容和要求？

26.河南省某井灌区，地下水资源较为丰富，允许开采量能满足计划开采量的要求。一般，该区水位降5m时，单井出水量（Q）为50m3/h，农作物灌溉一次一般需10天，每天抽水时间（t）为16小时，渠系水有效利用系数（η）为0.90，灌水定额一般为40m3/亩·次，试问：水井按正方网状布置或按等边三角形排列，其井间距离（D）应分别为多大。（参考答案：水井按正方网状布置和按等边三角形排列时，其井间距分别为346.5m和372.3m）。

洗井的方法大致有以下几种：

1、喷射洗井，深水井井下出沙，通过花管孔眼清除井壁泥皮，疏通裂隙；

2、压缩空气洗井（正、反循环），震荡、抽吸井内冲洗液，疏通裂隙并排除沉沙；

3、水泵抽水洗井，地热井井下出沙，清除井底沉沙；

4、酸洗井，将盐酸压入碳酸盐类岩层的裂缝中，扩大地下水出水通道；

5、多磷酸盐洗井，与井内泥皮发生化学反应，使其沉淀，辅以其他方法使其排除孔外；

6、液态CO2洗井；

7、活塞洗井，清除井壁泥皮，抽吸裂缝泥沙；

8、压水洗井；

9、洗井、增水

3.6.1.1 酸化工艺简介

酸化是以酸作为工作液对油气（水）层进行增产（注）措施的总称。是通过井眼向地层注入一种或几种酸液（或酸性混合液）以溶解地层中的矿物质，从而恢复或增加井筒附近的渗透率，从而使油气井增产（或注水井增注）的一种工艺措施。

酸化作为一种增产措施始于1895年。目前，酸化技术成功地应用于常规油气层增产改造，并可以对高温深井、低压低渗油井、高含硫井、高孔低渗储层及复杂结构井等进行有效作业，在油气田的勘探开发中起着重要作用。

（1）酸化工艺分类

酸化按不同工艺可分为：酸洗、基质酸化及压裂酸化（李颖川，2002）。

1）酸洗：酸洗是清除井筒中的酸溶性结垢或疏通射孔孔眼的工艺。它是将少量酸定点注入预定井段，溶解井壁结垢物或射孔眼堵塞物。也可通过正反循环使酸不断沿井壁和孔眼流动，以此增大活性酸到井壁面的传递速度，加速溶解过程。

2）基质酸化：基质酸化是在低于岩石破裂压力下将酸注入储层中，使酸基本沿径向渗入储层，溶解孔隙空间内的颗粒及堵塞物，从而消除井筒附近储层污染，恢复和提高储层渗透率，达到恢复油气井产能和增产的目的。

3）压裂酸化：压裂酸化（酸压）是将酸液在高于储层破裂压力或天然裂缝的闭合压力下挤入储层，从而形成裂缝。酸液会与裂缝壁面岩石发生反应，由于酸液非均匀的刻蚀缝壁，会形成沟槽状或凹凸不平的刻蚀裂缝，施工结束裂缝不能完全闭合，从而形成具有一定几何尺寸和导流能力的裂缝，达到改善油气井的渗流状况而增产的目的，该工艺一般只用于碳酸盐岩油气层。

（2）增产原理

1）基质酸化增产原理。基质酸化增产作用主要表现在：

A.酸液挤入孔隙或天然裂缝与其发生反应，溶蚀孔壁或裂缝壁面，增大孔径或扩大裂缝，提高储层的渗流能力。

B.溶蚀孔道或天然裂缝中的堵塞物质，破坏泥浆、水泥及岩石碎屑等堵塞物的结构，疏通流动通道，解除堵塞物对储层的污染。

2）压裂酸化增产原理。压裂酸化是碳酸盐岩储层增产措施中应用最广的工艺。压裂酸化的增产原理主要表现在：

A.消除井壁附近的储层污染。

B.压裂酸化溶蚀裂缝增大油气沿井内渗流的渗流面积，改善油气的流动方式，增大井附近油气层的渗流能力。

C.沟通远离井筒的高渗透带、储层深部裂缝系统及油气区。

无论是在近井污染带内形成通道，或改变储层中的流型都可获得增产效果。小酸量处理可消除井筒污染，恢复油气井天然产量，大规模深部酸压处理可使油气井大幅度增产。

3.6.1.2 酸岩反应动力学原理

（1）酸与碳酸盐岩的化学反应

在酸压过程中，主要化学反应是盐酸与石灰岩以及白云岩间的反应。

中国海相油气勘探理论技术与实践

通过上述的化学反应方程可以计算出给定体积的酸液溶蚀岩石的体积，从而确定出酸液的溶解力Xc，即单位体积的反应酸所溶解的岩石体积。质量溶解力β（单位质量反应酸可溶解的岩石质量）定义为：

β=岩石矿物分子量与其化学当量系数的乘积/酸分子量与其化学当量系数的乘积

（2）酸-岩反应机理

酸与碳酸盐岩的反应为酸-岩复相反应，反应只在液固界面上进行，因而液固两相界面的性质和大小都会影响复相反应的进行。假设酸岩反应过程中包含吸附作用步骤，因而酸与碳酸盐岩的反应历程可描述为：首先H+向岩石表面传递；然后被吸附的H+在岩石表面反应；最后反应产物通过传质离开岩石表面。上述三个步骤中速度最慢的一步为整个反应的控制步骤，它决定着总反应速率的快慢。

酸液中的H+在岩面上与碳酸盐岩的反应，称为表面反应。对石灰岩储层来说，表面反应速度非常快，几乎是H+一接触岩面，反应立刻完成。H+在岩面上反应后，就在接近岩面的液层里堆积起生成物Ca2+、Mg2+和CO2气泡等反应产物。岩面附近这一堆积生成物的微薄液层，称为扩散边界层，该边界层与溶液内部的性质不同。溶液内部，在垂直于岩面的方向上，没有离子浓度差；边界层内部，在垂直于岩面的方向上，则存在有离子浓度差，由于在边界层内存在着上述离子浓度差，反应物和生成物就会在各自的离子浓度梯度作用下向相反的方向传递。这种由于离子浓度差而产生的离子移动，称为离子的扩散作用。

在离子交换过程中，除了上述扩散作用以外，还会有因密度差异而产生的自然对流作用。实际酸处理时，酸液将按不同的流速流经裂隙，H+会发生对流传质。尤其是裂隙壁面十分粗糙，极不规则容易形成旋涡，酸液的流动将会产生离子的强迫对流作用。

总之，酸液中的H+是通过对流（包括自然对流和一定条件下的强迫对流）和扩散两种形式，透过边界层传递到岩面。H+透过边界层达到岩面的速度，称为H+的传质速度。

（3）酸-岩反应动力学参数的确定

酸岩反应动力学参数是酸化设计及分析酸岩反应速度规律的重要参数，这些参数一般通过室内实验来确定。

根据质量作用定律，在一定的温度、压力下化学反应速率与反应物浓度的一定方次的乘积成正比。在酸岩反应中岩石的浓度可视为定值，反应系统的酸岩反应速率可表示为：

中国海相油气勘探理论技术与实践

式中：J为酸-岩反应速率，单位为mol/（s·cm2）；V为反应的酸液体积，L；S岩盘反应表面积，cm2。K为反应速率常数，C为酸液浓度，m为反应级数。对上式两边取对数，得：

中国海相油气勘探理论技术与实践

反应速率常数K和反应级数m在一定条件下为常数，对1g.J和1gC进行线性回归处理，求得m和K值，从而确定酸岩反应动力学方程。温度对反应速率的影响很大，特别是深井高温酸压施工设计时常常要利用不同温度条件下的动力学参数。根据Arrhenius理论，由恒温下的反应动力学方程得到：

中国海相油气勘探理论技术与实践

式中：Ko为频率因子；Ea为反应活化能；R为气体常数；T为绝对温度。对方程两边取对数得到

中国海相油气勘探理论技术与实践

将1gJ对1/T作图应为一直线。直线斜率为-（Ea/2.303R），截距为1g（KoCm），从而可求出Ea、ko值。根据对流扩散微分方程，求得如下方程：

中国海相油气勘探理论技术与实践

式中：De为H+有效传质系数；v为酸液平均运动黏度；ω为旋转角速度；Cr为时间为t时酸液内部浓度，mol/L。

（4）影响酸-岩反应速度的因素

影响酸-岩反应速度的因素很多，下面主要谈下温度、面容比、岩石类型、酸液浓度、酸-岩系统的酸液流速以及压力等是影响酸-岩反应速度的主要因素。

在低温条件下，温度变化对反应速度变化的影响比较小；高温条件下，温度变化对反应速度的影响较大。例如，温度由20℃增加到30℃，反应速度增加1.67倍；温度由90℃增加到100℃，反应速度增加了7.73倍。温度较高时，反应速度很快，酸液有效作用距离有限，若不采取措施，很难取得较好的酸化效果。

面容比表示酸-岩系统中岩石的反应面积与参加反应的酸液体积的比值。面容比越大，一定体积的酸液与岩石接触的分子就越多，发生反应的机会就越大，反应速度就越快。

一般而言，酸与灰岩的反应比与白云岩的反应速度要快。另外，在碳酸盐岩中泥质含量较高时，反应速度相对变慢。

反应速度与酸液内部H+浓度成正比。采用强酸时反应速度快，采用弱酸时反应速度慢。虽然采用弱酸处理可延缓反应速度，对扩大酸液处理范围有利，但从货源、价格及溶蚀能力方面来衡量，盐酸仍是酸化应用最广泛的酸。

酸-岩反应速度随酸液流速增大而加快，但在酸压中随着酸液流速的增加，酸-岩反应速度增加的倍数小于酸液流速增加的倍数，酸液来不及完全反应，已经流入储层深处，故提高注酸排量可以增加活性酸深入储层的距离。酸压施工时在设备及井筒条件允许和不压破邻近盖层和底层的情况下，一般充分发挥设备的能力，以大排量注酸。

反应速度随压力的增加而减缓。但是压力对反应速度的影响不大，特别是压力高于6.5MPa后可以不考虑压力对酸-岩反应速度的影响。

由以上分析可知，影响酸-岩反应速度的因素很多也很复杂。为此，延缓反应速度的方法和途径也是各式各样的。如造宽裂缝降低面容比、采用高浓度盐酸酸化、采用弱酸处理、洗井井底降温、提高注酸排量等均是现场已采用的工艺措施。

3.6.1.3 酸液体系及添加剂

（1）常用酸液

随着酸化技术的发展，酸化用酸液越来越多，常用的酸可分为无机酸、液体有机酸、粉状有机酸、多组分（或混合）酸或缓速酸等类型。每类酸的常用品种及特点和适用条件见表3-28（李颖川，2002）。

表3-28 常用酸型

（2）常用酸液添加剂

为了改善酸液性能，防止酸液对储层产生伤害，需要在酸液中加入某些化学物质，这些化学物质统称为添加剂。常用添加剂的种类有：缓蚀剂、助排剂、黏土稳定剂、铁离子稳定剂、表面活性剂等，有时还加入增黏剂、减阻剂、暂堵剂、破乳剂、杀菌剂等（李颖川，2002；丁云宏，2005）。

1）缓蚀剂。用酸液对碳酸盐岩地层处理时，酸对金属有很强的腐蚀作用。由于酸直接与储罐、压裂设备、井下油管、套管接触，特别是深井井底温度很高，而所用的酸的深度又比较大时，会给这些设备带来严重的腐蚀。缓蚀剂是通过物理或化学吸附而吸附在金属表面，把金属表面覆盖，使酸溶液中的H+难以接近，从而使腐蚀速度降低。因而影响覆盖面积大小的因素以及影响吸附难易的因素都会对缓蚀效果有明显影响。缓蚀剂性能评价方法详见行业标准SY/T5405—1996，现场使用的部分缓蚀剂性能参数见表3-29。

2）黏土稳定剂。加入黏土稳定剂作用是防止酸化过程中酸液引起储层中黏土膨胀、分散、运移造成对储层的污染。常用的黏土稳定剂主要有以下几类：简单阳离子类黏土稳定剂（KCl、NH4C1）；无机聚阳离子类黏土稳定剂（羟基铝及锆盐，氢氧化锆）；聚季铵盐。国内常用黏土稳定剂及用量见表3-30。

表3-29 现场使用的部分缓蚀剂性能参数

表3-30 国内常用黏土稳定剂

3）助排剂。酸化液的注入和残酸的返排都与液体的表面张力有关。酸化液和残酸的表面张力愈大，则毛细管力愈大，在地层孔隙中的流动阻力愈大。流动阻力大则酸化液的注入速度降低，影响酸化效果；同理如果残酸的表面张力大则返排时的流动阻力大，造成返排困难或不彻底，形成水锁，抑制油气的产出。因而酸化工作中必须加入助排剂。助排剂能够提高液体的返排能力，降低残余液体对储层的二次伤害。常用助排剂及性能参数见表3-31。

4）铁离子稳定剂。为了防止酸液中引入铁离子（Fe2+和Fe3+）和油层本身含有的铁化合物生成氢氧化铁沉淀造成储层堵塞而加入的化学物质叫铁离子稳定剂。铁离子稳定剂可以分为三类：pH控制剂、螯合剂、还原剂。pH值控制剂是通过控制pH值的方法防止沉淀，主要是向酸液中加入弱酸，由于弱酸的反应非常慢，以至盐酸反应完后残酸仍然维持很低的pH值。螯合剂是与酸液铁离子结合生成溶于水的络合物，使之稳定在溶液中。比较常用的螯合剂有柠檬酸、EDTA和NTA。还原剂是将三价铁离子还原为二价铁离子，防止三价铁离子沉淀。从而减少了氢氧化铁沉淀的机会。常用的铁离子稳定剂及其性能见表3-32。

表3-31 国内常用的助排挤及其性能参数

表3-32 常用的铁离子稳定剂及其性能

5）破乳剂。原油中的蜡质和胶质沥青质是天然的乳化剂，当酸与油接触以后会发生乳化，乳化液的黏度会很大，流动性能差，造成乳堵，使酸液的注入和残酸的返排变得困难，残酸返排不彻底将影响原油的生产，因此酸化液应具有一定的防乳破乳能力。常用的破乳剂有阴离子型活性剂如烷基磺酸钠，非离子型如聚氧乙烯辛基苯酚醚等。常用的破乳剂及其性能参数见表3-33。

表3-33 常用的破乳剂及其性能参数

6）稠化剂。稠化剂也称为胶凝剂，在酸液中加入这种物质以后能够提高酸液的黏度，常用的增黏剂多为一些高分子聚合物。以前使用的稠化剂由于在高分子共聚加工的原因，稠化剂加量大而且黏度低。现在的稠化剂经过改进以后，黏度相对提高，用量也下降。一般为1%～2%。常用的酸化稠化剂及性能见表3-34。

3.6.1.4 酸压中的蚓孔及滤失现象

（1）蚓孔

酸液在酸压裂缝内流动时，有少数较大的岩石孔洞或天然裂缝首先受到过量酸液的溶蚀而发生高速的酸岩反应，使岩石矿物发生溶蚀并形成特定的溶蚀通道，甚至会在原有的岩石孔隙基础上形成“酸蚀蚓孔”，最终形成局部高渗透率的通道（据Wang，1993），也就是现在常提到的“蚓孔”。

Hoefner和Fogler（1988）采用向石灰岩岩样酸蚀后的蚓孔内注入低熔点合金的方法得到了真正意义上的蚓孔铸体模型（图3-171），展示出了酸蚀模式的复杂形态。

表3-34 常用的酸化稠化剂及性能

（2）基质酸化中的蚓孔效应及控制

1）基质酸化中的酸蚀蚓孔。基质酸化施工时，酸液按径向流入目的层，形成的酸蚀蚓孔也沿井筒发散分布，2000年Fred研究表明，不同注酸条件下将产生不同的酸蚀形态。低排量下产生均匀溶蚀对酸化施工没有效果，而高排量下形成的高度分枝结构将浪费大量酸液且不能产生高导流能力的大孔径酸蚀蚓孔，只有在合适的注酸条件下才会形成理想的酸蚀主蚓孔。

2）基质酸化中蚓孔效应的控制。对于碳酸盐岩基质酸化而言，主要的目标是有效促进酸岩反应形成单一主蚓孔。从而实现少酸量、深穿透。可以在室内实验基础上优化注酸条件组合，设计最优的施工排量，选择合适酸液类型、酸液浓度和注酸方式。对于温度较高的碳酸盐岩地层着重应考虑缓速和降滤失。

图3-171 蚓孔铸体模型

（3）酸压中的蚓孔效应及控制

1）酸压中的蚓孔效应。酸压中由于形成酸蚀蚓孔，酸液滤失表现为裂缝壁面向基质的滤失和酸蚀蚓孔引起的滤失。在两者的共同作用下产生大量不稳定的酸液滤失，从而使得酸液的有效穿透举例大大减小。酸蚀蚓孔滤失是主控因素，它不仅是在原有的微裂缝和原生孔洞的基础上进一步增大主干蚓孔的孔隙空间，同时还包括向蚓孔岩石壁面的对流而产生次生蚓孔和多分支小蚓孔。然而，酸液滤失量主要受酸液的黏度和酸蚀蚓孔扩展速度的影响，其中酸液的黏度又受到微裂缝和蚓孔中温度以及剪切效应的影响。

2）酸压中蚓孔效应的控制。酸压中施工排量较高、施工压力较大，因此蚓孔的形成是不可避免的，且蚓孔的扩展比基质酸化加剧。同时为了取得较长的裂缝和沟通远井地带的油气，必须提高排量。这样使得蚓孔的控制更为复杂。国内外主要从液体体系和施工工艺两个方面来控制酸压中的蚓孔效应，采用非常规液体体系代替常规酸液体系。如缓速酸、稠化酸等，主要机理是通过降低酸岩反应速率来降低蚓孔的扩展速度，从而增加酸蚀有效作用距离。同时也采用多级交替注入和闭合裂缝酸化等工艺来降低蚓孔效应的影响。

3.6.1.5 酸化施工设计

（1）选井选层

酸化处理效果虽然与施工工艺、施工参数有一定的关系，但是起决定作用的还是地质因素。选井选层的总目的是改造中低渗层、提高产能；对于勘探而言，还可以起到正确认识和评价油气层的作用。

为了取得较好的增产效果和提高措施的成功率，选井选层方面应该遵循以下一些原则：①应优先选油气显示好，而试油效果差的层。如果不能投产的原因是泥浆堵塞，应进行解堵酸化；堵塞严重者可考虑进行中小型酸压；②邻近井产量高而本井的产量低或无产量的井应该优选；③井低产的原因如果为井底附近缝洞不发育，可以进行大中型酸压，特别应该选择高产井旁边的低产井进行酸压；④对于油水（气）边界的井，或存在气水夹层的井应该慎重对待，可进行常规酸化，不宜进行酸压；⑤对于有多产层的井而言，一般应首先要处理低渗透层。

（2）酸化施工设计

1）解堵酸化设计。对于裂缝性碳酸盐岩油气层，如果近井地带存在堵塞，且堵塞范围不大时可采用解堵酸化来处理。酸液可以破坏泥浆的胶体结构，从而使泥浆变稀排出地层。一般有一定生产能力的油气层，遭受泥浆侵害后产量低或不能投产，经过小酸量处理后，产量可以成几倍或几十倍的增加。

解堵酸化设计主要要确定酸液用量及浓度、挤酸压力和排量及返排时间3个工艺参数。

A.用酸量及酸液浓度。实践表明，以微裂缝为主的产层，解堵实际挤入地层的酸量10m3以下为宜，变化范围为3～10m3。构造裂缝为主的产层，用酸量宜大一些，一般6～40m3，由于裂缝性地层缝洞发育的不均一性，按打开井段长度考虑用酸量没有意义，宜根据地层吸收能力、油（气）层裸露或射开的厚度、钻井用泥浆比重及其在地层中浸泡的时间并结合经验数字来确定。酸浓度以10%～15%为宜，如果岩性较致密可用更高的浓度，反之可以适当的降低浓度。

B.挤酸压力和排量。为了解除整个油气层段上的堵塞，必须使酸液能够均匀的进入到地层纵向各个井段，避免酸液单点突入。应控制泵压高于地层初始吸收压力，但低于地层破裂压力及管套容许压力。排量应在保证酸液均匀进入地层各井段的条件下尽快地挤入地层，以扩大处理范围，应根据地层的吸收能力而变化。

C.返排时间。为了避免残酸反应产生二次沉淀及防止残酸中不溶物质的微粒重新堵塞地层孔道，挤酸完毕后，应立即开井排液。白云岩地层反应速度较灰岩慢，可以根据具体实验情况，适当关井一段时间后开井排液。

2）压裂酸化设计（据李颖川，2002）。压裂酸化工艺很多，设计的步骤和方法大致一样。这里简单介绍酸压设计方法和步骤。

A.酸化处理设计应收集的资料。完善的酸化处理设计应收集下列数据项；井的数据、储层参数、岩石力学数据、压裂液、酸液数据、岩心分析数据及泵注数据等。

B.酸化处理设计包括的内容。酸化处理设计应包括下列内容：井的基本数据，钻井、试油、采油简史，综合分析施工目的及效果预测，主要施工参数及泵注程序，施工准备，施工步骤，施工质量要求及安全注意事项，施工后井的管理，施工劳动组织及环境保护，施工所需设备、材料及费用预算等。

根据施工目的、井及储层条件、室内岩心数据等选择适合的酸化工艺，确定酸化工作液（前置液、酸液、顶替液）的类型、配方、用量及施工压力、排量等参数。

碳酸盐岩储层的酸化处理常采用盐酸体系，主要有常规盐酸体系、稠化酸体系、泡沫酸体系、乳化酸体系、化学缓速酸体系，在设计时可根据实际情况进行选择。

酸浓度可由溶蚀试验确定。国内酸化处理盐酸浓度多介于15%～20%。酸液用量则据酸化改造的范围和力度来确定。酸液用量一般为动态裂缝体积的1.5～5倍，也可根据优化设计的要求由计算机模拟确定。

压裂酸化处理时要求施工排量大于储层的吸收能力，以保证裂缝的形成及延伸。如井身质量合格，应充分发挥设备能力，高排量注入，有利于造宽缝、长缝，也可使酸液快速向储层深部推进，提高有效作用距离。

C.酸化施工设计计算。主要包括两方面：一是施工参数确定，包括：储层最大吸入能力、破裂压力、液柱压力、摩阻计算，井口极限施工排量、井口施工泵压和入井液量等。这些参数的确定应结合室内试验研究和模拟计算。二是酸化过程的模拟计算及效果预测，主要是综合应用动态裂缝尺寸、酸液浓度分布规律及有效作用距离、酸蚀裂缝导流能力及增产倍比等进行酸化设计模拟，分析不同施工参数对酸化效果的影响，指导酸化设计，优选施工方案，减少施工盲目性。

地下水回灌方法有多种，主要为利用地表灌水回灌，利用河道和沟渠行水回灌，利用水库、坑塘蓄水回灌和向井中注水回灌。这些方法可单独使用，也可配合使用。 这是一种直接补给地下水的方式，占用场地小，适用于城市和工业区，也是补给深层承压水的有效途径。但是这种回灌方法由于井的滤水管过水面积小，易堵塞，堵塞后清除也较困难，故回灌用水应加消毒、过滤处理。

(1)回灌井堵塞原因。①物理堵塞：即水中的泥沙和其他悬浮物堵塞了井的滤水器及含水层沙粒孔隙；或者由于回灌水流挟带常在滤水器上形成坚硬的垢，阻塞过水。③生物化学堵塞：主要是由铁细菌和硫酸还原细菌造成的。当地下水中有铁细菌存在时，能加速滤水管的电化学腐蚀，形成棕红色含水氢氧化铁絮状物、聚集在滤水管周围，造成堵塞。

(2)回灌井堵塞处理方法。向井中注水回灌，一般都存在着随着时间的延长，回灌流量逐渐衰减的现象，这就说明井内阻力增加，发生了堵塞问题。解决单纯的物理堵塞可通过抽水洗井（俗称回扬），使抽出的水变清，回灌能力即可恢复。故回灌井的工作方式常需灌、抽交替进行。对于化学堵塞，用一般的抽水洗井法不能消除，需加入一定量的盐酸，使碳酸钙沉淀物溶解，然后通过抽水解决。但盐酸可腐蚀钢管和铅丝，使用时必须慎重。

(3)向井中注水的回灌装置。当净水池内水位高于回灌井内水位时，可用水平管或虹吸管将水流直接导入回灌井。用虹吸管连接，俗称真空回灌，须在开始回灌时，先向管内充水排气，方可使净水池内的水流连续不断地流向回灌井。向井中注水回灌常需先抽水清淤。故回灌井均各有水泵。虹吸回灌的管道充水，亦可用回灌井中的水泵解决。图1是安装深井泵的真空回灌管道装置图。

自流向回灌井注水，若井水位与地下水水位的水头差较小，则回灌流量小，效率低。为了提高回灌效率，需对井水加压。加压的办法是将井口密封，将加压的水流从进水管导入回灌井。进水管接自来水管，或与从水源地（净水池）抽水的水泵压力水管连接。图2是安装深井泵的正压回灌管路装置图。

降水井包括疏干井。由于降水对象的不同，降水井分为疏干和降压两种类型,前者的对象主要为潜水，后者则为承压水。

降水井是为降低地下水位打的井，打完后放入水泵抽取地下水，降低地下水的水位。

降水井起的是降水作用，有深有浅，深度按照降水要求，深的降水井，甚至可以达到五六十米。降水井有轻型，中型等的区分。根据原理的不同，还分成很多种。有密封好，连接起来，用泵抽，有用潜水泵放深井中抽的。

地热钻探是为勘探和开发蕴藏在地壳内部的地热能源进行的钻探和成井技术。根据不同的目的要求，可以钻成不同深度的地热钻孔，各类地热钻孔的深度如表3-1。地热钻探主要采用石油钻机或岩心钻机。

表3-1 各类地热钻孔深度表

地热钻探主要特点：①钻探中遇到的热储层常具有多孔性、裂隙性，属低压或常压地层，极为脆弱，钻井液易于漏失。因此，必须用清水、优质轻泥浆或空气进行压力平衡钻探或减压钻探，以免使热储层被损坏。②钻入高温热储层（温度达100～200℃）后，下入的生产套管因受热膨胀应力的作用，可造成套管断裂或顶裂井口地盘、套管外水泥环酥裂，酿成热水、热蒸气喷发事故。故要采用套管悬挂或伸缩装置，用加硅粉的耐高温水泥固井，并要加固井口地盘。③孔底高温能破坏泥浆的稳定性，使其组分分解不能发挥钻井液的基本功能（冷却、清洗、护壁、携粉），故地热超过200℃时，要用耐高温的海泡石泥浆、高温处理剂，还必须配备固相控制设备和冷却塔。④防喷设备要齐全，除配齐防喷器组外，还要备10倍于井筒容积的冷水，以备用“冷水控制井喷”。⑤严防腐蚀和环境污染，如废泥浆损害农田、噪音干扰，硫化氢（H2S）剧毒危及人员生命及腐蚀各类管材、配件，甲烷（CH4）气体易失火爆炸。必须采用机械的（消声器、分离器、面具、防喷器等）、化学的（如过氧化氢、海绵铁）等方法予以防范。

1.钻探方法

一般地热井钻探采用正循环全面钻进、泥浆钻井液方法。地热钻探采用设备和工艺方法是：浅部地热（＜1000m）基本上与水井钻探相同；深部地热与油井钻探相同；地热钻探一般均要在井口安装防喷器。一般地热井，钻井直径最终不小于152mm。为了增加地热能的产出，已发展了在热储层打定向井和分支井的技术。

2.测井

测井是对地热井钻孔所穿透的地层的各种特性数据记录下来的所有作业。地热测井工作除在钻进、完井和试井过程中进行外，将持续到整个生产期间。常规地热测井的参数有：连续井径、连续井温、电阻率、自然电位a、天然放射性γ、连续井斜、声波补偿。通过测井可以分析判断地层的厚度和岩性、地层温度剖面，热储层位置、测井曲线的连续变化，能准确地反映出地层和岩性剖面。

3.成井

指钻孔达到了预定的深度和预期的目的而结束钻进。成井有几种方式：裸眼成井、衬管成井、套管成井。地热井成井一般步骤如下：①确定生产热水或蒸气的地层的顶部位置；②钻出足够的垂直剖面，以便在现有渗透率下，出现商业性地热水汽流；③使用特定的套管和水泥，把生产层与冷水隔离；④消除可能影响生产层渗透率的钻井液的破坏作用；⑤如可能，用最少的费用在坚密岩层中实现裸眼完井。如果生产层是非固结或不致密地层，则要使用射孔衬管或注水泥的套管；⑥如需要，对注水泥的套管射足够的孔或刻凹槽；⑦安装适当的管衬。

4.洗井

由于工程需要，在钻井作业过程中，将洗井介质由泵注设备经井筒注入，把井筒内的物质（液相、固相、气相）携带至地面，从而改变井筒内的介质性质达到作业要求。这种作业过程叫做洗井。

地热井的洗井方法主要有浸泡洗井药、喷射刷孔、拉活塞盐酸、二氧化碳、压风机和水泵抽水等。

5.抽水试验

抽水试验是目前确定含水层水文地质参数的主要方法。对于地热水井来说，通过抽水试验除可以确定水文地质参数外，还可以确定其可开采量及布井间距。根据全国矿产储量委员会储办发[1996]51号文件《关于地热单井勘查报告审批要求的通知》的规定，地热单井可开采量一般可依据地热井抽水试验资料绘制的Q-f（s）曲线确定水流方程，以内插法计算确定。层状热储地热田，按最大水位下降不大于20m确定热水井可开采量，依据该井开采可能影响区内的可采热储存量与热水井开采期排放的总热量进行热均衡验算，确定地热田面积，估算热水井的井距。因此，对地热水井进行抽水试验既是必要的，也是必需的。