水力裂縫形貌對(duì)酸刻蝕行為及導(dǎo)流能力影響

茍 波，李 驍，馬輝運(yùn)，周長(zhǎng)林

1.“油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)，四川 成都 610500

2.西南石油大學(xué)博士后科研流動(dòng)站，四川 成都 610500

3.中國(guó)石油西南油氣田公司工程技術(shù)研究院，四川 成都 610017

引 言

碳酸鹽巖酸壓施工結(jié)束后，酸蝕裂縫能否提供充足的導(dǎo)流能力決定了油氣井能否實(shí)現(xiàn)建產(chǎn)、增產(chǎn)，因此準(zhǔn)確評(píng)價(jià)儲(chǔ)層條件下酸蝕裂縫導(dǎo)流能力是酸壓工程方案設(shè)計(jì)焦點(diǎn)問(wèn)題之一[1]。酸蝕裂縫導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)是認(rèn)識(shí)酸壓裂縫流動(dòng)能力最直接的手段，它常用目標(biāo)儲(chǔ)層井下巖樣或露頭模擬酸壓時(shí)酸液在水力裂縫中的流動(dòng)反應(yīng)和刻蝕裂縫壁面巖石的過(guò)程，即酸刻蝕；然后測(cè)試酸刻蝕后巖板的導(dǎo)流能力，即導(dǎo)流能力評(píng)價(jià)。

大量的實(shí)驗(yàn)認(rèn)識(shí)到，影響酸蝕裂縫導(dǎo)流能力的主要因素分為兩類(lèi)：（1）儲(chǔ)層地質(zhì)因素，包括：閉合壓力、儲(chǔ)層巖石礦物、溫度等；（2）工程因素，包括：酸液濃度、注酸時(shí)間、注酸工藝（多級(jí)交替、閉合酸化）、初始水力縫寬、酸液體系等[2-6]。這些實(shí)驗(yàn)多用一對(duì)光滑巖板形成的間隙模擬前置液造縫形成的水力裂縫，然而大量的實(shí)驗(yàn)和理論研究證實(shí)，由于碳酸鹽巖較強(qiáng)的非均質(zhì)性，形成的水力裂縫壁面非常粗糙[7]，粗糙的裂縫形貌會(huì)直接影響流體在水力裂縫中的流動(dòng)行為（圖1）[8-9]。因此，實(shí)驗(yàn)探索水力裂縫形貌對(duì)酸刻蝕行為及導(dǎo)流能力的影響，對(duì)真實(shí)評(píng)價(jià)儲(chǔ)層條件下酸壓裂縫的流動(dòng)能力具有重要意義。

圖1 光滑裂縫、粗糙裂縫中的流線分布Fig.1 Distribution of flow line in smooth and rough fracture

筆者選用川西地區(qū)棲霞組儲(chǔ)層“豹斑”灰?guī)r，采用光滑巖板與粗糙巖板分別模擬光滑裂縫、粗糙裂縫兩種裂縫形貌，實(shí)驗(yàn)研究了儲(chǔ)層高溫條件下，兩種裂縫形貌在不同注酸排量、注酸時(shí)間下的酸刻蝕行為及導(dǎo)流能力特征，為真實(shí)認(rèn)識(shí)儲(chǔ)層條件下酸壓裂縫導(dǎo)流能力提供直接依據(jù)，同時(shí)也力促完善其實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料選取

雙魚(yú)石構(gòu)造棲霞組儲(chǔ)層，埋深6 800～7 500 m，地層壓力系數(shù) 1.4～1.9，地層溫度 150～159°C，儲(chǔ)層孔隙度1.2%～8.8%，是典型的致密灰?guī)r儲(chǔ)層。實(shí)驗(yàn)巖樣采自地質(zhì)專(zhuān)家標(biāo)定的野外棲霞組露頭剖面，露頭與井下巖芯礦物成分、孔隙特征匹配性較好（表 1），滿(mǎn)足酸刻蝕選樣需求，采用所選露頭開(kāi)展酸刻蝕實(shí)驗(yàn)具有一定代表性。按照 API標(biāo)準(zhǔn)制成長(zhǎng)（175.0±0.2）mm、寬（35.0±0.2）mm、厚（50.0±0.2）mm、兩端打磨成圓弧為直徑（35±0.2）mm的毛坯巖樣。沿毛坯巖樣寬度方向的中線切割為兩塊巖板，并打磨光滑，制成光滑巖板；將毛坯巖樣放入劈縫器中，采用巴西劈裂實(shí)驗(yàn)，形成粗糙張性裂縫，制成粗糙巖板。

表1 礦物、孔隙度匹配結(jié)果表Tab.1 Mineral and porosity matching results

實(shí)驗(yàn)酸液體系為研究區(qū)所用的膠凝酸體系，配方為20%HCl+0.5%CT1-9B膠凝劑+2.0%CT1-7鐵穩(wěn)劑+1.0%CT5-12助排劑+2.0%CT1-3緩蝕劑+1.0%CT1-5B緩蝕增效劑。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)采用西南石油大學(xué)自研設(shè)備“酸壓裂縫導(dǎo)流能力測(cè)試系統(tǒng)”（圖2），它包括：酸刻蝕模塊、裂縫激光掃描3D成像模塊和導(dǎo)流能力測(cè)試模塊。其功能分別為：酸刻蝕模塊模擬酸壓過(guò)程中酸刻蝕水力裂縫過(guò)程；裂縫激光掃描3D成像模塊獲取酸刻蝕前后水力裂縫壁面形態(tài)；導(dǎo)流能力測(cè)試模塊評(píng)價(jià)儲(chǔ)層條件下酸壓裂縫流動(dòng)能力。

圖2 酸壓裂縫導(dǎo)流能力測(cè)試系統(tǒng)Fig.2 Acid-fracture conductivity testing system

1.3 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為了更真實(shí)地模擬研究工區(qū)膠凝酸酸壓過(guò)程并考慮設(shè)備耐溫性能，實(shí)驗(yàn)溫度設(shè)置為140°C。實(shí)驗(yàn)室不能直接使用工程尺度的注酸排量，需根據(jù)流體力學(xué)中的雷諾數(shù)相似準(zhǔn)則將工程尺度的注酸排量（m3/min）轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)室尺度的注酸排量（mL/min）；考慮到膠凝酸屬于非牛頓流體，推導(dǎo)了其在裂縫中流動(dòng)的雷諾數(shù)相似準(zhǔn)則。

酸液在地層酸壓裂縫中流動(dòng)時(shí)的雷諾數(shù)為

式中：NRe,f—工程尺度酸液流動(dòng)雷諾數(shù)，無(wú)因次；

ρ—酸液密度，kg/m3；

vf—地層裂縫中酸液流速，m/s；

wf—地層裂縫寬度，m；

μf—酸液表觀黏度，Pa·s；

qf—工程尺度注酸排量，m3/min；

hf—地層裂縫高度，m。

膠凝酸實(shí)為冪律流體，其表觀黏度μf可表示為[10]

式中：k—稠度系數(shù)，Pa·sn；

γ—剪切速率，s-1；

n—流變指數(shù)，無(wú)因次。

聯(lián)立式（1）～式（3），地層酸壓裂縫中流體流動(dòng)的雷諾數(shù)表示為

類(lèi)似地，推導(dǎo)出酸液在巖板形成的裂縫中流動(dòng)時(shí)的雷諾數(shù)

式中：NRe,l—實(shí)驗(yàn)尺度酸液流動(dòng)雷諾數(shù)，無(wú)因次；

ql—實(shí)驗(yàn)尺度注酸排量，mL/min；

wl—實(shí)驗(yàn)巖板形成的裂縫寬度，m；

hl—巖板寬度，m。

由雷諾數(shù)相似準(zhǔn)則，有

由式（4）～ 式（6）可得

統(tǒng)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)資料獲取地層水力裂縫平均縫寬及縫高，根據(jù)酸液流變測(cè)試數(shù)據(jù)得流變指數(shù)n=0.159。由式（7）將工程尺度注酸排量轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)尺度注酸排量，結(jié)果如表2所示。

表2 排量轉(zhuǎn)化結(jié)果Tab.2 Results of acid injection-rate from engineering-scale to experiment-scale

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了模擬兩種條件時(shí)的粗糙巖板與光滑巖板的酸刻蝕行為及導(dǎo)流特征：1與2、4與5模擬定酸量條件下，注酸排量變化；1與3、4與6模擬定注酸排量條件下，注酸時(shí)間變化（表3）。

表3 酸刻蝕實(shí)驗(yàn)方案Tab.3 Experimental scheme of acid-etching

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 注酸排量變化對(duì)不同水力裂縫形貌的酸刻蝕行

為及導(dǎo)流能力影響

2.1.1 酸刻蝕裂縫面特征

圖3展示了注酸排量變化對(duì)光滑巖板酸刻蝕形態(tài)的影響。光滑巖板刻蝕前，整個(gè)巖面較為光滑；酸刻蝕過(guò)程中，整個(gè)巖面均與酸液接觸，呈現(xiàn)不同程度的非均勻刻蝕。

圖4為在同一比例尺度下注酸排量變化對(duì)粗糙巖板酸刻蝕形態(tài)影響。與光滑巖板面相比，酸刻蝕前粗糙巖板面具有明顯的起伏度，酸刻蝕后巖面凸點(diǎn)有降低現(xiàn)象，凹點(diǎn)位置有加深現(xiàn)象。隨著注酸排量提升，這一現(xiàn)象更加明顯（圖4）。

圖3 注酸排量變化對(duì)光滑巖板酸刻蝕形態(tài)影響Fig.3 Effect of acid-injection rate on etching morphology of smooth rock plates

圖4 注酸排量變化對(duì)粗糙巖板酸刻蝕形態(tài)影響Fig.4 Effect of acid-injection rate on etching morphology of rough rock plates

為進(jìn)一步定量分析裂縫面初始形態(tài)對(duì)酸刻蝕行為影響，選擇巖面高程頻數(shù)分布、巖面在零閉合壓力下接觸形成的裂縫中線輪廓迂曲度及裂縫縫寬3個(gè)參數(shù)對(duì)酸刻蝕前后的裂縫面進(jìn)行定量表征與分析。

（1）高程頻數(shù)分布

高程頻數(shù)分布是指巖樣表面各點(diǎn)的高度在一定范圍內(nèi)所出現(xiàn)的頻數(shù)。高程頻數(shù)分布直方圖及其曲線能直觀地表現(xiàn)出巖樣表面的粗糙程度。根據(jù)光滑巖板、粗糙巖板酸刻蝕前后裂縫面高程為10～32 mm（圖 3，圖 4），取 2 mm 為步長(zhǎng)，將高程劃分為如：[10 mm，12 mm）、[12 mm，14 mm）……[30 mm，32 mm]共11個(gè)區(qū)間段。

圖5為光滑巖板酸刻蝕前后巖面高程分布直方圖，光滑巖板酸刻蝕前高程分布穩(wěn)定，[24 mm，26 mm）內(nèi)高程占比100%；酸刻蝕后巖板高程分布呈現(xiàn)正態(tài)分布特征，高程已經(jīng)明顯下降約2 mm。同一對(duì)巖板上下巖面高程分布曲線類(lèi)似，這是由于來(lái)自同一塊巖坯的相鄰切割面，其礦物分布相似[11]，因此，上下巖面酸刻蝕程度相近。酸刻蝕后1號(hào)巖板高程分布范圍為16～24 mm（圖5a）；2號(hào)巖板高程分布范圍為14～24 mm，且明顯出現(xiàn)了[14 mm，16 mm）和[16 mm，18 mm）兩個(gè)較低的高程分布區(qū)間（圖5b），表明隨著注酸排量提高，高程集中范圍變寬，酸刻蝕后巖板高程起伏變大，非均質(zhì)程度增強(qiáng)。

圖5 注酸排量變化對(duì)光滑巖板刻蝕前后高程頻數(shù)分布影響（1號(hào) 173 mL/min；2號(hào) 212 mL/min）Fig.5 Effect of acid injection-rate on elevation frequency distribution of smooth rock plates before-and-after acid-etching（No.1 173 mL/min；No.2 212 mL/min）

圖6為注酸排量變化對(duì)粗糙巖板酸刻蝕前后高程分布影響，可知酸刻蝕前粗糙巖板的上下裂縫面高程分布廣，且呈正態(tài)分布，但高程分布范圍存在一定差異。酸刻蝕后巖面高程分布均呈現(xiàn)“左移”現(xiàn)象，即較大高程頻率下降、較低高程頻率升高，上下巖板面峰值均減小，峰值頻率均增大，表示粗糙度減小，說(shuō)明酸液對(duì)粗糙面的刻蝕起削平“峰”（凸起）、加深“谷”（凹陷）的作用，這可能是由于酸液在粗糙裂縫中流動(dòng)時(shí)的湍流效應(yīng)所引起[12]。4號(hào)上巖板刻蝕前后高程峰值變化2 mm，下巖板高程峰值變化4 mm，且明顯出現(xiàn)了[12 mm，14 mm）和[14 mm，16 mm）兩個(gè)較低的高程分布區(qū)間（圖6b），這是由于酸刻蝕前粗糙巖板的局部凹坑（圖4a），即高程為[14 mm，16 mm）加劇了酸液在巖板局部的湍流效應(yīng)，從而加深了局部刻蝕深度，出現(xiàn)較低高程[12 mm，14 mm）；5號(hào)巖板酸刻蝕后高程“左移”現(xiàn)象更明顯，上巖板高程峰值由[24 mm，26 mm）變?yōu)閇20 mm，22 mm）；下巖板的高程峰值由[24 mm，26 mm）變?yōu)閇20 mm，22 mm），[22 mm，24 mm），表明注酸排量的提升更明顯增加了巖面刻蝕程度。

圖6 注酸排量變化對(duì)粗糙巖板刻蝕前后高程頻數(shù)分布影響（4號(hào)173 mL/min；5號(hào)212 mL/min）Fig.6 Effect of acid injection-rate on elevation frequency distribution of rough rock plates before-and-after acid-etching（No.4 173 mL/min；No.5 212 mL/min）

（2）初始縫寬及輪廓線迂曲度

酸刻蝕后巖面在零閉合壓力下剛好接觸形成的裂縫寬度稱(chēng)為初始縫寬，其初始平均縫寬wˉ和最大縫寬wmax與酸刻蝕裂縫導(dǎo)流能力密切相關(guān)[13-14]。采用以線代面的方法提取裂縫中線輪廓[15]，并用輪廓線的迂曲度（輪廓線實(shí)際長(zhǎng)度與輪廓線兩端點(diǎn)連線長(zhǎng)度的比值）來(lái)表征裂縫的曲折程度。

圖7展示了光滑巖板酸刻蝕前后裂縫剖面曲線，光滑巖板表面刻蝕前高程較一致（圖7a），輪廓線迂曲度τ≈1.00，酸刻蝕后裂縫面τ≈1.20（表4），表明酸刻蝕后裂縫面變粗糙。裂縫初始縫寬和平均縫寬均不同程度增加；隨著注酸排量增加，迂曲度增加了約0.07，wmax和wˉ分別增加了0.92 mm和0.35 mm。

圖8揭示了粗糙巖板酸刻蝕前后裂縫剖面和縫寬變化。酸刻蝕前粗糙巖板高程分布廣，裂縫寬度在長(zhǎng)度方向變化幅度大，表明酸液流動(dòng)通道曲折復(fù)雜（圖8a，圖8c）；酸刻蝕后巖板最大縫寬和初始平均縫寬均呈現(xiàn)明顯增加，但迂曲度減?。ū?），表明酸液對(duì)巖板粗糙形貌存在削平“峰”、加深“谷”的作用（圖8b，圖8d）。隨著注酸排量增加，最大縫寬和初始縫寬分別增加了5.42 mm和0.63 mm，增加幅度明顯，輪廓迂曲度下降。

表4 裂縫面參數(shù)統(tǒng)計(jì)Tab.4 Statistics of fracture surface parameters

圖7 光滑巖板刻蝕前后裂縫剖面曲線對(duì)比Fig.7 Comparison of fracture profiles before-and-after acid-etching of smooth rock plates

圖8 粗糙巖板刻蝕前后裂縫剖面曲線對(duì)比Fig.8 Comparison of fracture profiles before-and-after acid-etching of rough rock plates

（3）裂縫面巖石溶蝕量

圖9展示了不同注酸排量下的巖板酸溶蝕量，在同樣注酸條件下，粗糙巖板（4號(hào)、5號(hào)）的溶蝕量明顯大于光滑巖板（1號(hào)、2號(hào)）溶蝕量，這是由于酸刻蝕前粗糙巖板迂曲度大于光滑巖板（表4），酸巖接觸面積大于光滑巖板，因此溶蝕量大，表明裂縫形貌對(duì)酸溶蝕量影響較大。隨著注酸排量的增加，光滑巖板溶蝕量增加11.75 g，粗糙巖板溶蝕量增加20.06 g，說(shuō)明注酸排量對(duì)粗糙巖板的溶蝕影響更明顯。

圖9 不同注酸排量下的巖板溶蝕量Fig.9 Dissolution of rock plates with different acid injection-rate

2.1.2 導(dǎo)流能力特征

圖10為注酸排量變化時(shí)粗糙巖板、光滑巖板酸刻蝕后的裂縫導(dǎo)流能力，可知粗糙巖板初始導(dǎo)流能力更高，這是因?yàn)樗峥涛g后粗糙巖板的初始縫寬、最大縫寬大于光滑巖板（表4）；粗糙巖板導(dǎo)流能力保持更穩(wěn)定，呈臺(tái)階式變化，在高閉合壓力下仍有一定導(dǎo)流能力，這是由于相對(duì)于光滑巖板刻蝕后的形貌（圖3，圖5），粗糙巖板酸刻蝕后高程分布較廣（圖4，圖6），這意味著裂縫面支撐點(diǎn)較多，有利于導(dǎo)流能力保持。

圖10 不同注酸排量下粗糙巖板與光滑巖板酸蝕裂縫導(dǎo)流能力對(duì)比Fig.10 Comparison of acid-fracture conductivity between rough and smooth rock plate under different acid injection-rate

由圖10b知，隨著注酸排量的提高，相同閉合壓力下，粗糙巖板導(dǎo)流能力增加幅度在200～500 μm2·cm，而光滑巖板在 10～200 μm2·cm；表明注酸排量變化對(duì)粗糙巖板導(dǎo)流能力改善作用更明顯。

2.2 注酸時(shí)間變化對(duì)不同水力裂縫形貌的酸刻蝕行為及導(dǎo)流能力影響

2.2.1 酸刻蝕裂縫面特征

圖11展示了注酸時(shí)間為75 min時(shí)，光滑巖板和粗糙巖板的酸刻蝕形態(tài)。對(duì)比分析圖11a與圖3a，圖11b與圖4a知，在注酸排量一定的情況下，注酸時(shí)間由45 min增加到75 min時(shí)，光滑巖板和粗糙巖板的巖面刻蝕深度均明顯增加。

圖11 注酸時(shí)間75 min時(shí)粗糙巖板、光滑巖板酸刻蝕形態(tài)Fig.11 Acid-etching morphology of rough and smooth rock plates at 75 min acid injection-time

（1）表面高程頻數(shù)分布

圖12展示了注酸時(shí)間為75 min時(shí)刻蝕前后巖板高程頻數(shù)分布直方圖。由圖5a和圖12a知，隨著注酸時(shí)間增加，光滑巖板酸刻蝕后高程由16～24 mm拓展為12～22 mm，表明隨著注酸時(shí)間的增加，酸刻蝕后表面粗糙度變大。

圖12 光滑巖板與粗糙巖板刻蝕前后高程頻數(shù)分布直方圖Fig.12 Histogram of elevation frequency distribution before-and-after acid-etching of smooth and rough rock plates

對(duì)比圖6a、圖6b和圖12b、圖12c知，隨著注酸時(shí)間增加，酸刻蝕后粗糙巖板的上下裂縫面高程峰值“左移”現(xiàn)象更明顯，且高程峰值變化明顯，表明增加注酸時(shí)間，有利于增加巖面非均質(zhì)刻蝕程度。

（2）初始縫寬及輪廓線迂曲度

圖13展示了注酸時(shí)間為75min時(shí)，酸刻蝕前后裂縫輪廓線及縫寬變化。由圖13a、圖7b和表4知，隨著注酸時(shí)間增加，光滑巖板酸蝕裂縫面的最大縫寬和初始平均縫寬分別增加了1.22mm和0.78mm，酸刻蝕后輪廓線迂曲度增加了約0.1。

圖13 光滑巖板與粗糙巖板刻蝕前后裂縫剖面曲線Fig.13 Fracture profiles of smooth and rough plates before-and-after acid-etching

由圖13b、圖13c與圖8a、圖8b和表4知，隨著注酸時(shí)間增加，粗糙巖板的最大縫寬和初始縫寬分別增加了6.97 mm和1.98 mm，增加幅度明顯，而輪廓迂曲度下降0.13。

（3）裂縫面巖石溶蝕量

圖14展示了不同注酸時(shí)間下的巖板酸溶蝕量變化。隨著注酸時(shí)間的增加，光滑巖板（1號(hào)、3號(hào)）溶蝕量增加13.33 g，而粗糙巖板（4號(hào)、6號(hào)）溶蝕量增加30.47 g，說(shuō)明注酸時(shí)間對(duì)粗糙巖板的溶蝕影響更明顯。

圖14 不同注酸時(shí)間下的巖板溶蝕量Fig.14 Dissolution of rock plates with different acid injection-time

2.2.2 導(dǎo)流能力特征

圖15為注酸時(shí)間變化時(shí)光滑巖板、粗糙巖板的導(dǎo)流能力變化。可知，同樣注酸條件下，粗糙巖板導(dǎo)流能力的保持能力明顯優(yōu)于光滑巖板。隨著注酸時(shí)間增加，在相同閉合壓力下，光滑巖板導(dǎo)流能力增幅在10～300μm2·cm，而粗糙巖板導(dǎo)流能力增幅在300～600μm2·cm，說(shuō)明增加注酸時(shí)間對(duì)粗糙巖板導(dǎo)流能力的提升非常明顯。

圖15 不同注酸時(shí)間下粗糙巖板與光滑巖板酸蝕裂縫導(dǎo)流能力對(duì)比Fig.15 Comparison of acid-fracture conductivity between rough and smooth rock plate under different acid injection-time

3 結(jié) 論

（1）光滑巖板酸刻蝕后，裂縫面高程呈現(xiàn)正態(tài)分布，平均縫寬、最大縫寬增加，裂縫輪廓線迂曲度增加，酸刻蝕增加了裂縫面粗糙度；粗糙巖板酸刻蝕后高程峰值降低，平均縫寬、最大縫寬增加明顯，裂縫輪廓線迂曲度降低，酸刻蝕作用為對(duì)裂縫面的削“峰”深“谷”。

（2）在注酸量一定的條件下，注酸排量增加，粗糙巖板裂縫面的高程變化幅度、裂縫寬度增加幅度、酸溶蝕量明顯大于光滑巖板；在同一閉合壓力下，粗糙巖板酸刻蝕后的導(dǎo)流能力值及隨著注酸排量提升而增加的幅度均明顯高于光滑巖板，且粗糙巖板導(dǎo)流能力保持能力更好。

（3）在注酸排量一定的條件下，注酸時(shí)間增加，粗糙巖板刻蝕形態(tài)變化幅度以及導(dǎo)流能力提升幅度均明顯優(yōu)于光滑巖板，且導(dǎo)流能力保持能力也較好。

（4）致密灰?guī)r粗糙水力裂縫形態(tài)對(duì)注酸排量和注酸時(shí)間變化的敏感程度明顯高于光滑巖板，建議評(píng)價(jià)儲(chǔ)層酸蝕裂縫導(dǎo)流能力時(shí)以粗糙巖板為主，有利于認(rèn)識(shí)地下酸壓裂縫的導(dǎo)流能力和分析其控制因素。