高灰質(zhì)白云巖酸蝕改造機理研究

黃 丹，伊向藝，2，楊 哲，郭冰柔，黃文強，吳 霞

（1.成都理工大學(xué)能源學(xué)院，四川成都 610059；2.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室·成都理工大學(xué)，四川成都 610059）

酸化壓裂是白云巖儲層最有效的增產(chǎn)改造措施之一，并已在現(xiàn)場得到廣泛應(yīng)用。長慶油田新探區(qū)高灰質(zhì)白云巖儲層，儲層薄且致密，礦物組成復(fù)雜，硬石膏含量較其他地區(qū)高，各種礦物含量變化起伏大，均一性差，應(yīng)力遮擋差，裂縫發(fā)育和連通性較差。新探區(qū)儲層酸壓改造難度大，酸壓改造效果與酸蝕過程有關(guān)[1-4]。因此，本文從礦物類型及儲集空間、礦物產(chǎn)狀及孔隙結(jié)構(gòu)、巖石礦物化學(xué)成分三方面分析不同條件下的高灰質(zhì)白云巖微觀酸蝕機理，為后續(xù)該探區(qū)高灰質(zhì)白云巖儲層酸壓改造設(shè)計及參數(shù)優(yōu)化提供指導(dǎo)性建議[5-8]。

1 礦物類型及儲集空間酸蝕機理

未酸蝕長慶儲層的巖心致密，白云石含量較高，部分巖心硬石膏含量高，灰質(zhì)含量低，部分發(fā)育微裂縫。利用薄片鑒定對比不同條件下酸巖反應(yīng)前后薄片的變化，如：各種礦物的反應(yīng)程度，薄片因酸蝕減少的質(zhì)量等，了解礦物類型及儲集空間酸蝕微觀機理。

1.1 酸液濃度影響

對比分析在90℃，45 s反應(yīng)時間條件下，5%、10%、15%和20%鹽酸分別與巖石的反應(yīng)情況（見圖1）。

圖1（a）中，裂縫中的方解石反應(yīng)較多，白云石反應(yīng)程度較輕，幾乎看不出損耗。圖1（b）中方解石反應(yīng)完全，并在薄片表面留下了少量的泥質(zhì)及有機質(zhì)，白云石有一定的溶蝕。圖1（c）中，方解石是后期快速充填形成的，故而反應(yīng)較為徹底，泥質(zhì)有機質(zhì)成分較少，白云石有明顯的破裂現(xiàn)象，反應(yīng)較為明顯，損耗相對較大。圖1（d）主要由泥晶白云石組成，少量硬石膏，以片狀分布在白云石間，巖石表面溶孔較大，酸巖反應(yīng)更為劇烈。

在鹽酸濃度為5%～20%的范圍內(nèi)，隨著鹽酸濃度的增大，不同類型礦物的溶蝕程度增加。儲集空間的變化表現(xiàn)為白云石出現(xiàn)不同程度的破裂現(xiàn)象，巖石的溶蝕孔徑增大。

1.2 反應(yīng)溫度影響

對比分析在酸液濃度15%，45 s反應(yīng)時間條件下，70℃、80℃、90℃和100℃不同反應(yīng)溫度下酸液與巖石的反應(yīng)情況（見圖2）。

圖2（a）中，主要為粉晶白云石，以半自形-自形粒狀分布，發(fā)育兩組裂縫，主要充填有機質(zhì)，白云石反應(yīng)程度較輕，幾乎看不出損耗。圖2（b）中，溶蝕孔隙增大。圖2（c）中，方解石反應(yīng)較為徹底，泥質(zhì)有機質(zhì)成分較少，白云石有明顯的破裂現(xiàn)象，反應(yīng)較為明顯，損耗相對較大。圖2（d）中，發(fā)育有裂縫，充填有白云巖，白云石反應(yīng)較為明顯，損耗相對較大。得出結(jié)論，在70℃～100℃范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，酸巖反應(yīng)程度逐漸增大。

1.3 反應(yīng)時間影響

對比分析在酸液濃度15%，90℃溫度條件下，15 s、30 s、45 s和60 s不同反應(yīng)時間下酸液與巖石的反應(yīng)情況（見圖3）。

圖1 不同濃度鹽酸與巖石反應(yīng)的微觀形態(tài)

圖2 不同溫度下鹽酸與巖石反應(yīng)的微觀形態(tài)

圖3 15%鹽酸與巖石反應(yīng)不同時間的微觀形態(tài)

圖3（a）以白云石和硬石膏為主，呈條帶狀順層分布，白云石分布不均，白云石反應(yīng)程度較輕。圖3（b）巖樣表面具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，白云石有一定的溶蝕。圖3（c）中方解石反應(yīng)較為徹底，泥質(zhì)有機質(zhì)成分較少，白云石有明顯的破裂現(xiàn)象，反應(yīng)較為明顯，損耗相對較大。圖3（d）中，15%鹽酸經(jīng)過60 s的反應(yīng)方解石全部反應(yīng)完畢。得出結(jié)論：反應(yīng)時間越長，酸巖反應(yīng)越徹底。

通過薄片分析，不同條件下礦物類型及儲集空間酸蝕機理即酸蝕后方解石和白云石含量大量減少；白云石巖面產(chǎn)生破裂現(xiàn)象，這有利于降低破裂壓力，在酸壓前可注入少量酸。裂縫中的充填物發(fā)育位置溶蝕反應(yīng)較集中，溶蝕孔隙變大，或被微小顆粒充填，這可能會使酸液向裂縫、孔隙濾失，建議在反應(yīng)過程中加入降濾失劑。

2 礦物產(chǎn)狀及孔隙結(jié)構(gòu)酸蝕機理

酸蝕前巖石致密，疑似有石膏溶蝕孔，見黃鐵礦顆粒，見粒間縫，顆粒斷面形態(tài)多樣。利用電鏡掃描分析不同條件下酸液與巖石反應(yīng)后掃描電鏡的變化，如礦物的產(chǎn)狀、孔隙結(jié)構(gòu)、排列形態(tài)等，了解巖石礦物產(chǎn)狀及孔隙結(jié)構(gòu)受鹽酸影響的微觀機理。

圖4 不同酸液濃度下礦物產(chǎn)狀及孔隙結(jié)構(gòu)變化

2.1 酸液濃度影響

對比分析在90℃，45 s反應(yīng)時間條件下，5%、10%、15%和20%鹽酸分別與巖石的反應(yīng)情況（見圖4）。

圖4（a）酸巖反應(yīng)后，礦物膠結(jié)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)少量破壞，溶蝕孔徑小。圖4（b）晶粒較過酸前松散，礦物骨架破壞明顯。圖4（c）表面存在微粒脫落現(xiàn)象；受到流體壓力而導(dǎo)致孔隙坍塌，有明顯壓實現(xiàn)象。圖4（d）巖石表面變平坦，溶蝕孔徑較大。

圖5 不同反應(yīng)溫度下礦物產(chǎn)狀及孔隙結(jié)構(gòu)變化

圖6 不同反應(yīng)時間下礦物產(chǎn)狀及孔隙結(jié)構(gòu)變化

2.2 反應(yīng)溫度影響

對比分析在酸液濃度15%，45 s反應(yīng)時間條件下，70℃、80℃、90℃和100℃不同反應(yīng)溫度下酸液與巖石的反應(yīng)情況（見圖5）。

圖5（a）巖面粗糙，粒內(nèi)溶孔數(shù)量增多。圖5（b）細小顆粒被溶蝕，巖石表面粗糙性降低，出現(xiàn)凹凸起伏。圖5（c）充填溶蝕孔的細小方解石被溶蝕后，溶孔孔徑擴大在孔底部出現(xiàn)更細小的溶孔。圖5（d）較大的孔壁被進一步溶蝕，孔徑增大，較小的孔被細小的溶蝕顆粒充填覆蓋。

2.3 反應(yīng)時間影響

對比分析在酸液濃度15%，90℃溫度條件下，15 s、30 s、45 s和60 s不同反應(yīng)時間下酸液與巖石的反應(yīng)情況（見圖6）。

圖6（a）可見碳酸鹽巖中的黏土礦物顆粒，見粒緣縫，溶蝕較弱。圖6（b）出現(xiàn)凹凸起伏，較大的孔壁被進一步溶蝕。圖6（c）顆粒被溶蝕，巖石表面粗糙性降低。圖6（d）表面較平坦，粒間縫擴大。部分顆粒形狀仍能清楚辨別，出現(xiàn)了新的溶蝕孔。

通過掃描電鏡分析，不同條件下礦物產(chǎn)狀及孔隙結(jié)構(gòu)酸蝕機理即酸蝕后顆粒接觸關(guān)系方面，顆粒粒徑變小，顆粒間接觸變松散，黏土不穩(wěn)定，可能會造成流速敏感性增加，造成地層堵塞，酸壓施工過程可采用氣體拌注，加快返排效率，降低儲層傷害?？紫督Y(jié)構(gòu)方面，可形成新孔隙或擴展原來的孔隙，有助于擴大酸蝕面積，對酸壓工藝有利。巖石表面形態(tài)方面，可能出現(xiàn)巖面局部粗糙性增加，也可能出現(xiàn)整個巖石表面粗糙性都降低。

3 巖石礦物化學(xué)成分酸蝕機理

未酸蝕前巖石礦物化學(xué)成分中白云石含量占主要，其次為方解石和泥質(zhì)，其他含量中含有部分石膏。應(yīng)用X衍射全巖檢測技術(shù)測定不同條件下酸液與巖石反應(yīng)后礦物化學(xué)成分含量變化，了解巖石礦物化學(xué)成分酸蝕機理。

3.1 酸液濃度影響

對比分析在90℃，45 s反應(yīng)時間條件下，5%、10%、15%和20%鹽酸分別與巖石的反應(yīng)情況（見圖7）。

由圖7可知，巖石礦物與鹽酸反應(yīng)的溶蝕容易程度為：方解石＞白云石。泥質(zhì)溶蝕含量少，其酸巖反應(yīng)后的相對含量增加。

3.2 反應(yīng)溫度影響

對比分析在酸液濃度15%，45 s反應(yīng)時間條件下，70℃、80℃、90℃和100℃不同反應(yīng)溫度下酸液與巖石的反應(yīng)情況（見圖8）。

圖7 不同酸液濃度下巖石礦物成分變化程度

圖8 不同反應(yīng)溫度下巖石礦物成分變化程度

由圖8可知，增加溫度，方解石和白云石的溶蝕程度呈正相關(guān)增加，泥質(zhì)相對含量也增加。溫度在90℃以后，方解石和白云石的溶蝕程度變緩。

3.3 反應(yīng)時間影響

對比分析在酸液濃度15%，90℃溫度條件下，15 s、30 s、45 s和60 s不同反應(yīng)時間下酸液與巖石的反應(yīng)情況（見圖9）。

圖9 不同反應(yīng)時間下巖石礦物成分變化程度

由圖9可知，白云石和方解石的溶蝕程度都呈線性增加，說明反應(yīng)時間對白云石和方解石的影響較大。泥質(zhì)相對含量也增加明顯。

通過X衍射全巖檢測分析對比酸巖反應(yīng)前后巖樣礦物成分變化，總結(jié)出礦物成分酸蝕機理。即各個巖石礦物成分與鹽酸反應(yīng)的溶蝕容易程度順序為：方解石＞白云石＞泥質(zhì)。方解石和白云石的溶蝕程度較大，說明其酸巖反應(yīng)速率較大，在酸壓工藝中可采用緩速酸等來延緩酸巖反應(yīng)速率，控制階段酸液用量防止過度溶蝕。泥質(zhì)相對含量增加，可能會出現(xiàn)顆粒分散運移，酸壓工藝中可適當(dāng)加些黏土穩(wěn)定劑來增加其顆粒穩(wěn)定性。

4 結(jié)論與認識

（1）礦物類型及儲集空間酸蝕機理：酸蝕后，白云石巖面產(chǎn)生破裂現(xiàn)象，這有利于降低破裂壓力，在酸壓前建議注入少量酸。裂縫中的充填物發(fā)育位置溶蝕反應(yīng)較集中；溶蝕孔隙變大，或被微小顆粒充填，這可能會使酸液向裂縫、孔隙濾失，建議在反應(yīng)過程中加入降濾失劑。

（2）巖石礦物產(chǎn)狀及孔隙結(jié)構(gòu)酸蝕機理：酸蝕后，顆粒接觸關(guān)系為顆粒粒徑變小，顆粒間接觸變松散；可形成新孔隙或擴展原來的孔隙；可能出現(xiàn)巖面局部粗糙性增加，也可能出現(xiàn)整個巖石表面粗糙性都降低。

（3）巖石礦物成分酸蝕機理：各個巖石礦物成分與鹽酸反應(yīng)的溶蝕容易程度順序為：方解石＞白云石＞泥質(zhì)。方解石和白云石的酸巖反應(yīng)速率較大，在酸壓工藝中可采用緩速酸等來延緩酸巖反應(yīng)速率，控制階段酸液用量防止過度溶蝕。泥質(zhì)相對含量增加，可能會出現(xiàn)顆粒分散運移，酸壓工藝中可適當(dāng)加些黏土穩(wěn)定劑來增加其顆粒穩(wěn)定性。