專利名稱：一種基于離子濃度變化的酸巖反應(yīng)速度測定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于酸化壓裂實驗室、研究室的基于離子濃度變化的碳酸鹽巖與酸液反應(yīng)速率的測定方法。
背景技術(shù)：
酸化壓裂，簡稱“酸壓”，是碳酸鹽巖油氣層重要的增產(chǎn)技術(shù)之一。酸壓設(shè)計是酸壓施工的基礎(chǔ)，酸巖反應(yīng)速率是進(jìn)行酸壓設(shè)計必須的重要參數(shù)。目前獲取酸巖反應(yīng)速率的方 法有兩類。第一類方法，從反應(yīng)物濃度變化的角度求取反應(yīng)速率，即每隔一段時間取酸樣，并用滴定法測定其濃度，及繪制酸液反應(yīng)隨時間變化的曲線，由此計算得到酸巖反應(yīng)的速度。但該方法涉及的滴定操作對酸液濃度測定的精度影響很大，難以保證測定結(jié)果的準(zhǔn)確性。另一類方法則通過紅外氣體分析儀測定酸巖反應(yīng)氣態(tài)生成物(二氧化碳)的相對含量，結(jié)合氣體狀態(tài)方程和化學(xué)反應(yīng)方程式，經(jīng)換算得到以二氧化碳生成速度或酸液速度表示的酸巖反應(yīng)速率。但該方法在氣體凈化和計量方面流程繁瑣，實驗精度難以保證。同時，由于有機酸等多元弱酸在溶液中分步電離，采用儀器直接測定酸巖反應(yīng)前后氫離子濃度的變化值，計算得到的酸巖反應(yīng)速率將與實際反應(yīng)值不符。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服采用滴定法測試酸液濃度可能造成的誤差，避免通過測定反應(yīng)氣態(tài)生成物換算酸巖反應(yīng)速率的繁瑣，提高測定碳酸鹽巖與酸液反應(yīng)速率的精度，特提供一種基于離子濃度變化的碳酸鹽巖與酸液反應(yīng)速率的測定方法。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案本發(fā)明中的一種基于離子濃度變化的碳酸鹽巖與酸液反應(yīng)速率的測定方法，其核心為利用原子吸收光譜測定儀測定酸液反應(yīng)前后溶液中鈣、鎂離子濃度，通過反應(yīng)前后鈣、鎂離子濃度變化換算得到酸液中參與反應(yīng)的氫離子濃度的變化，進(jìn)而求得酸巖反應(yīng)速率。本方法特別適用于測定有機酸等在溶液中分步電離的多元弱酸與碳酸鹽巖的反應(yīng)速率。本發(fā)明的技術(shù)特征是一種基于離子濃度變化的碳酸鹽巖與酸液反應(yīng)速率的測定方法，其特征在于將未反應(yīng)的鮮酸置于儲液罐A中，用第一原子吸收光譜儀測定鮮酸中鈣、鎂離子的濃度，并做好記錄，將測定后的酸液置于儲液罐B中；再將驅(qū)替流體常溫蒸餾水儲存于儲液罐C中，使儲液罐B中的鮮酸通過單向閥進(jìn)入中間容器的活塞上部，驅(qū)替流體通過恒流泵進(jìn)入中間容器的活塞下部，并以設(shè)置的流速推動活塞向上運動，驅(qū)動活塞上部的酸液離開中間容器，以模擬流體的驅(qū)替壓力；然后酸液通過管線進(jìn)入油浴鍋中，經(jīng)過預(yù)熱盤管內(nèi)加熱至預(yù)設(shè)的實驗溫度，以模擬地層溫度；升溫后的酸液輸送入雙巖板裂縫反應(yīng)器中，與裂縫壁面巖石發(fā)生反應(yīng)；反應(yīng)后從雙巖板裂縫反應(yīng)器中排出的殘酸及其反應(yīng)生成物先經(jīng)過換熱器冷卻至常溫，后經(jīng)過過濾器濾掉不溶于殘酸的沉淀，再送入立式氣液分離器進(jìn)行分離；反應(yīng)的氣體生成物從分離器頂部出口排出，殘酸從分離器底部出口排出，再通過管線進(jìn)入儲液罐D(zhuǎn)中，其后用第二原子吸收光譜儀測定殘酸中鈣、鎂離子的濃度，并做好記錄，將已測定的殘酸溶液置于儲液罐E中；最后分別計算反應(yīng)前后鈣、鎂離子的濃度變化量，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程式經(jīng)換算得到參與反應(yīng)的氫離子濃度 ，再根據(jù)酸巖反應(yīng)速率求解公式V=CV/(TS)，求得以氫離子濃度消耗速度表示的酸巖反應(yīng)速率。式中v表示酸巖反應(yīng)速度,mol/cm2. s ；C表不反應(yīng)前后H+濃度差，mol/L ；V表不酸液體積,L ；T表不酸巖反應(yīng)時間，s ；S表不巖石板表面積，cm2。本測定方法特別適用于測定有機酸等在溶液中分步電離的多元弱酸與碳酸鹽巖的反應(yīng)速率。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果(1)克服滴定操作精度對酸液濃度測定造成的誤差；(2)避免通過氣態(tài)生成物(二氧化碳)濃度變化表征酸液反應(yīng)速率在流程上的繁瑣，提高測試精度；(3)本方法對測定有機酸等在溶液中分步電離的多元弱酸與碳酸鹽巖的反應(yīng)速率尤其適用；(4)本測定方法操作簡便、精度高，用于測定碳酸鹽巖與酸液的動態(tài)反應(yīng)速率。


圖I為本發(fā)明基于離子濃度變化的碳酸鹽巖與酸液反應(yīng)速率的測定方法的實驗裝置及流程示意圖。圖中，I.儲液罐A ;2.第一原子吸收光譜儀；3.儲液罐B ;4.儲液罐C ;5.恒流泵；6.單向閥；7.活塞；8.中間容器；9.油浴鍋；10.預(yù)熱盤管；11.雙巖板裂縫反應(yīng)器；12.換熱器；13.過濾器；14.立式氣液分離器；15.分離器頂部出口 ；16.分離器底部出口 ；17.儲液罐D(zhuǎn);18.儲液罐E;19.第二原子吸收光譜儀。
具體實施例方式根據(jù)圖I所示的實驗流程圖，本發(fā)明的具體實施方式
如下 第一步，將未反應(yīng)的鮮酸置于儲液罐Al中，利用第一原子吸收光譜儀2測定鮮酸溶液中鈣、鎂離子的濃度，并做好記錄，將測定后的酸液置于儲液罐B3中。第二步，將驅(qū)替流體常溫蒸餾水儲存于儲液罐C4中，儲液罐B3中的鮮酸通過單向閥6進(jìn)入中間容器8的活塞7上部，驅(qū)替流體通過恒流泵5進(jìn)入中間容器8的活塞7下部，并以預(yù)設(shè)的流速推動活塞7，進(jìn)而驅(qū)動活塞另一側(cè)的酸液離開中間容器8 ;酸液離開中間容器8后通過管線進(jìn)入油浴鍋9中，通過預(yù)熱盤管10加熱至預(yù)設(shè)的實驗溫度；升溫后的酸液進(jìn)入雙巖板裂縫反應(yīng)器11中，與裂縫壁面巖石發(fā)生反應(yīng)。第三步，反應(yīng)后，從雙巖板裂縫反應(yīng)器11中排出的殘酸及反應(yīng)生成物首先經(jīng)過換熱器12冷卻至常溫，而后經(jīng)過過濾器13濾掉不溶于殘酸的沉淀，進(jìn)入立式氣液分離器14 ；反應(yīng)的氣體生成物從分離器頂部出口 15排出，殘酸則從分離器底部出口 16排出，并通過管線進(jìn)入儲液罐D(zhuǎn)17中，利用第二原子吸收光譜儀19測定殘酸中鈣、鎂離子濃度，并做好記錄，將已測定的殘酸溶液置于儲液罐E中。完成上述流程后，根據(jù)酸巖化學(xué)反應(yīng)方程式的計量系數(shù)關(guān)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換，便可得到以酸液消耗速度表示的酸巖反應(yīng)速率。實施例I——常規(guī)鹽酸與碳酸鹽巖的反應(yīng)以大理石板作為酸巖反應(yīng)的巖石板，巖石板表面積為50. 671cm2。用體積為O. 45L,質(zhì)量百分濃度為8%的HCL作為反應(yīng)酸液。實驗溫度50°C，反應(yīng)時間3分鐘。具體實驗如下利用第一原子吸收光譜儀測定鹽酸溶液中鈣、鎂離子的濃度分別為Ca2+ :105. 9mg/L、Mg2+ 13. llmg/L ;油浴鍋的預(yù)熱盤管將酸液升溫至50°C，酸液在雙巖板裂縫反應(yīng)器中與巖石板反應(yīng)后，經(jīng)冷卻、過濾、氣液分離，再用原子吸收光譜儀測定殘酸中鈣、鎂離子的濃度，分別為Ca2+ :31 48mg/L、Mg2+ :60. 03mg/L，經(jīng)換算得到H+的體積摩爾濃度差為O. 156mol/L。根據(jù)酸巖反應(yīng)速率求解公式V = CV/(TS)，求得質(zhì)量百分濃度為8%HC1在溫度為50°C的條件下與碳酸鹽巖的反應(yīng)速率為7. 6967X l(T6mol/cm2. S。實施例2—降阻酸與碳酸鹽巖的反應(yīng)以大理石板作為酸巖反應(yīng)的巖石板，巖石板表面積為50. 671cm2。用體積為O. 45L,質(zhì)量百分濃度為8%的降阻酸作為反應(yīng)酸液。實驗溫度50°C，反應(yīng)時間3分鐘。具體實驗如下利用第一原子吸收光譜儀測定鹽酸溶液中鈣、鎂離子的濃度分別為Ca2+ 37. 24mg/L、Mg2+ 6. 25mg/L ;油浴鍋的預(yù)熱盤管將酸液升溫至50°C，酸液在雙巖板裂縫反應(yīng)器中與巖石板反應(yīng)后，經(jīng)冷卻、過濾、氣液分離，再用原子吸收光譜儀測定殘酸中鈣、鎂離子的濃度，分別為Ca2+ :504. lmg/L、Mg2+ :16. 48mg/L，經(jīng)換算得到H+的體積摩爾濃度差為O. 0242mol/L。根據(jù)酸巖反應(yīng)速率求解公式V = CV/ (TS)，求得質(zhì)量百分濃度為8%降阻酸在溫度為50°C的條件下與碳酸鹽巖的反應(yīng)速率為I. 194X10_6mol/Cm2. S。
權(quán)利要求
1.一種基于離子濃度變化的酸巖反應(yīng)速度測定方法，其特征在于將未反應(yīng)的鮮酸置于儲液罐A (I)中，用第一原子吸收光譜儀(2)測定鮮酸中鈣、鎂離子的濃度，并做好記錄，將測定后的酸液置于儲液罐B (3)中；再將驅(qū)替流體常溫蒸餾水儲存于儲液罐C (4)中，使儲液罐B (3)中的鮮酸通過單向閥(6)進(jìn)入中間容器(8)的活塞(7)上部，驅(qū)替流體通過恒流泵(5)進(jìn)入中間容器(8)的活塞(7)下部，并以設(shè)置的流速推動活塞(7)向上運動，驅(qū)動活塞(7)上部的酸液離開中間容器(8)，以模擬流體的驅(qū)替壓力；然后酸液通過管線進(jìn)入油浴鍋(9)中，經(jīng)過預(yù)熱盤管(10)內(nèi)加熱至預(yù)設(shè)的實驗溫度，以模擬地層溫度；升溫后的酸液輸送入雙巖板裂縫反應(yīng)器(11)中，與裂縫壁面巖石發(fā)生反應(yīng)；反應(yīng)后從雙巖板裂縫反應(yīng)器(11)中排出的殘酸及其反應(yīng)生成物先經(jīng)過換熱器(12)冷卻至常溫，后經(jīng)過過濾器(13)濾掉不溶于殘酸的沉淀，再送入立式氣液分離器(14)進(jìn)行分離；反應(yīng)的氣體生成物從分離器頂部出口( 15)排出，殘酸從分離器底部出口( 16)排出，再通過管線進(jìn)入儲液罐D(zhuǎn) (17)中，其后用第二原子吸收光譜儀(19)測定殘酸中鈣、鎂離子的濃度，并做好記錄，將已測定的殘酸溶液置于儲液罐E (18)中；最后分別計算反應(yīng)前后鈣、鎂離子的濃度變化量，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程式經(jīng)換算得到參與反應(yīng)的氫離子濃度，再根據(jù)酸巖反應(yīng)速率求解公式V = CV/(TS)，求得以氫離子濃度消耗速度表示的酸巖反應(yīng)速率。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的測定方法，其特征是該方法特別適用于測定有機酸等在溶液中分步電離的多元弱酸與碳酸鹽巖的反應(yīng)速率。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于酸化壓裂實驗室、研究室的基于離子濃度變化的碳酸鹽巖與酸液反應(yīng)速率測定方法。它可克服滴定法測酸液濃度造成的誤差，及由CO2表示反應(yīng)速率的操作復(fù)雜問題，提高測定精度。其技術(shù)方案先用原子吸收光譜儀測定鮮酸中鈣、鎂離子濃度；鮮酸經(jīng)單向閥進(jìn)入中間容器活塞上部；驅(qū)替流體經(jīng)恒流泵進(jìn)入中間容器下部，驅(qū)動上部酸液進(jìn)入油浴鍋加熱至實驗溫度，再進(jìn)入雙巖板裂縫反應(yīng)器中；反應(yīng)后殘酸經(jīng)冷卻、過濾、氣液分離，用原子吸收光譜儀測定殘酸中鈣、鎂離子濃度；最后換算得參與反應(yīng)的氫離子濃度，并以氫離子濃度消耗速度表示酸巖反應(yīng)速率。本方法特別適用于多元弱酸與碳酸鹽巖的反應(yīng)，操作簡便、精度高，用于測定酸巖動態(tài)反應(yīng)速率。
文檔編號G01N21/31GK102928366SQ201210419040
公開日2013年2月13日 申請日期2012年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月29日
發(fā)明者李小剛, 楊兆中, 趙金洲, 涂潔, 紀(jì)國法 申請人:西南石油大學(xué)