碳酸鹽巖酸化壓裂力學(xué)性質(zhì)劣化效應(yīng)試驗

張鯤鵬， 陳 勉， 戴一凡， 李佳欣， 王士國， 羅仁坤

（中國石油大學(xué)油氣資源與探測國家重點實驗室；石油工程教育部重點實驗室，北京102249）

0 引 言

壓裂技術(shù)是目前提高儲層采收率的直接且有效的措施［1-3］，其中酸化壓裂技術(shù)為碳酸鹽巖儲層改造最常用的有效措施被廣泛研究［4-6］。酸壓過程中，儲層巖石的巖石力學(xué)參數(shù)對酸壓結(jié)果有一定的影響［7］。有學(xué)者研究了酸巖反應(yīng)石力學(xué)參數(shù)的影響［8-9］，表明酸蝕作用對巖石力學(xué)參數(shù)有明顯的影響。但現(xiàn)階段對現(xiàn)場常用的酸液體系對碳酸鹽巖巖石力學(xué)參數(shù)影響的研究較少，并且沒有考慮酸液類型以及酸巖反應(yīng)時間對酸壓裂縫導(dǎo)流能力和儲層特性的影響。酸化壓裂所用的壓裂液體系種類繁多［10］。其中，膠凝酸以其高黏度、低濾失、低摩阻、易反排、利緩速的特點在現(xiàn)場酸壓過程中受到較多應(yīng)用。此外，清潔自轉(zhuǎn)向酸技術(shù)因其無殘渣、低傷害、易破膠等特點，也成為了現(xiàn)階段酸化壓裂施工常用的壓裂液［11］。膠凝酸傾向于在巖石內(nèi)部形成溶蝕孔洞，而清潔酸傾向于表面溶蝕，因此施工時造成的影響也有所區(qū)別。

本文采用現(xiàn)場的清潔酸及膠凝酸兩種酸液體系，對碳酸鹽巖進(jìn)行不同類型酸液及酸蝕時間下室內(nèi)三軸巖石力學(xué)測試，探討酸壓過程中酸蝕作用對儲層破裂壓力、裂縫導(dǎo)流能力以及地層脆性的影響，結(jié)合巖石破裂面的3-D掃描進(jìn)一步刻畫酸蝕對裂縫壁面的影響。

1 試驗材料與方法

1.1 取樣層位及礦物成分分析

測試巖心取自普光氣田某酸壓井的目標(biāo)儲層（見圖1）。普光氣田目標(biāo)層段埋深4 500 m，儲層厚度分布在20 ～40 m。儲層以晶間、粒間溶孔為主，巖石致密，平均孔隙度為4. 2%，滲透率達(dá)到0. 12 × 10-3μm2。地層壓力系數(shù)介于0. 98 ～1. 18，地溫梯度為1.94 ～2.21 ℃/100 m。

圖1 酸蝕試驗井下巖心形狀

全巖礦物分析顯示，碳酸鹽巖的主要礦物成分為方解石和白云石，兩者占礦物總含量的89%以上。黏土含量極少，低于4%，主要為伊利石＋伊/蒙有序間層，伊利石含量大于伊/蒙有序間層含量。

1.2 試樣的制備及酸液配置

測試巖心為L ＝50 mm、φ ＝25 mm的圓柱形標(biāo)準(zhǔn)試件。為了反映現(xiàn)場實際酸壓施工時酸液對儲層巖石的影響，試驗中使用的酸液均來自現(xiàn)場實際使用的壓裂液（清潔酸配方：20%鹽酸＋2%醋酸＋2.4%高溫酸化緩蝕劑＋3.5%轉(zhuǎn)向劑＋1.5%鐵離子穩(wěn)定劑＋0.2%活性劑；膠凝酸配方為：20%鹽酸＋2%醋酸＋2.4%緩蝕劑＋1.4%膠凝劑＋1.5%鐵離子鐵穩(wěn)劑＋0.8%活性劑）。

1.3 試驗方法

采用中國石油大學(xué)（北京）巖石力學(xué)實驗室的三軸應(yīng)力測試系統(tǒng)進(jìn)行測試，基于儲層特征環(huán)境設(shè)計圍壓條件，將試樣按照酸蝕時間進(jìn)行分類，分為無酸浸、50 min及90 min酸浸3 類，測試分析巖石力學(xué)參數(shù)。采用3-D掃描儀重構(gòu)不同類型酸液、酸蝕時間的酸蝕試樣破裂面，真實還原酸蝕作用后試樣斷裂面的粗糙程度以及斷裂的復(fù)雜程度。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 酸液靜態(tài)酸蝕結(jié)果分析

酸壓施工結(jié)束后，裂縫導(dǎo)流能力主要來源于裂縫表面的粗糙程度，壁面粗糙程度越高，則裂縫閉合后所具有的導(dǎo)流能力越強，改造效果越好。為了獲得不同類型酸液作為壓裂液時，在不同酸巖反應(yīng)時間下，裂縫表面不規(guī)則程度，利用3-D 掃描技術(shù)對酸蝕后試樣破裂面進(jìn)行掃描，重構(gòu)其空間形態(tài)，為刻畫圍壓條件下酸蝕巖石破裂機理提供條件。

試樣A、C采用清潔酸酸蝕處理，試樣B、D采取膠凝酸處理，其中試樣A、B 酸蝕處理50 min，試樣C、D酸蝕時間為90 min（見圖2）。對試樣進(jìn)行三軸巖石力學(xué)試驗，并沿裂縫面將巖樣開啟，對破裂面進(jìn)行3-D掃描。短時間內(nèi)本試驗所使用的兩種酸液體系均對試樣裂縫壁面存在刻蝕，膠結(jié)物部分或完全溶解，膠結(jié)強度降低，表現(xiàn)為裂縫壁面上膠結(jié)物分布不均勻，表面粗糙，凸凹不平。

由圖2 可知，隨著酸蝕時間的增加，裂縫表面粗糙程度均明顯降低，呈平面化趨勢，由此可知，酸壓裂縫閉合后，隨著酸巖反應(yīng)時間的增長，裂縫壁面趨于平整，裂縫導(dǎo)流能力降低。

酸蝕時間相同，與清潔酸相比，膠凝酸作用后，試樣的裂縫壁面更為粗糙，且斷裂方式更復(fù)雜，內(nèi)部孔洞更發(fā)育。在酸蝕時間90 min時，酸蝕后試樣的裂縫壁面較為平整，其中膠凝酸作用后的試樣，壁面粗糙程度高且存在明顯的起伏、褶皺。清潔酸酸蝕過程中，隨著作用時間的增加，試樣的裂縫壁面褶皺及凸起消失，粗糙程度明顯降低，可知清潔酸以表面溶蝕為主，對巖石內(nèi)部孔洞的影響相對較小。膠凝酸作用后，裂縫面存在明顯褶皺，并且有明顯凸凹面，可知膠凝酸不僅腐蝕裂縫表面，還腐蝕了巖石內(nèi)部孔洞。

圖2 酸蝕前后巖石特征

由此可知：酸壓時需要及時返排，防止酸蝕時間過長降低裂縫導(dǎo)流能力；在不考慮返排及儲層保護(hù)的情況下，使用膠凝酸作為壓裂液可以更好地改善儲層條件，酸壓效果更好。

2.2 三軸巖石力學(xué)實驗

對碳酸鹽巖試樣進(jìn)行力學(xué)參數(shù)測試，試樣17 ～22酸蝕時間為50 min，試樣23 ～28 酸蝕時間為90 min，其中試樣17 ～21 采用清潔酸酸蝕，試樣22、28 采用膠凝酸酸蝕，其余試樣作為對照組，不進(jìn)行酸蝕。由于試樣14 在三軸巖石力學(xué)參數(shù)測試過程中發(fā)生了脆性斷裂，測得參數(shù)與實際不符，不予討論。

2.2.1 抗壓強度

在酸壓作業(yè)后，酸蝕裂縫的導(dǎo)流能力來源于粗糙的未閉合裂縫寬度。在閉合應(yīng)力作用下，酸蝕裂縫會趨向閉合，此時的裂縫導(dǎo)流能力取決于閉合應(yīng)力的大小以及巖石強度［11］。

Nasr-El-Din等［12］對Nierode 以及Kruk 的酸壓裂縫導(dǎo)流能力計算公式進(jìn)行改進(jìn)，使之更適用于碳酸鹽巖。本文對公式進(jìn)行單位制轉(zhuǎn)化：

碳酸鹽巖

白云巖：

式中：S為裂縫閉合壓力（MPa）；DERC 為裂縫等價傳導(dǎo)率（D-mm）；RES為裂縫抗壓強度（MPa）。

使用清潔酸和膠凝酸對試樣進(jìn)行酸蝕處理，試樣抗壓強度如圖3 所示。酸蝕50 min時，試樣平均抗壓強度由380. 68 MPa 升高至439. 32 MPa，而酸蝕90 min時，強度降低至291.02 MPa，清潔酸酸蝕過程中，對碳酸鹽巖抗壓強度的影響呈先強化后劣化的趨勢，而膠凝酸對試件的抗壓強度呈劣化趨勢，且不存在時間效應(yīng)。此外，清潔酸對試件的抗壓強度在劣化段的劣化程度較膠凝酸高出34%。

圖3 抗壓強度試驗結(jié)果對比

隨著酸浸時間的增加，裂縫的導(dǎo)流能力呈下降趨勢，清潔酸對裂縫導(dǎo)流能力的影響較膠凝酸更強。在酸壓施工后，殘留在裂縫中的酸液會降低改造效果。所以，酸壓改造時，在保證經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上，要綜合考慮酸蝕對裂縫導(dǎo)流能力的影響，根據(jù)酸液性質(zhì)有針對性地進(jìn)行返排工作。

2.2.2 彈性模量

如圖4 所示，試樣酸蝕前，平均彈性模量為43.87 MPa；清潔酸酸蝕50 min 后，平均彈性模量為47.84 MPa，試件抗變形能力得到強化，較酸蝕前彈性模量升高9.05%；酸蝕90 min 后，平均彈性模量為34. 64 MPa，較酸蝕前，試件彈性模量降低21.04%。膠凝酸酸蝕50 min后，試樣平均彈性模量降低至42.54 MPa，較酸蝕前彈性模量降低3.01%；酸蝕90 min 后，平均彈性模量為41.75 MPa，較酸蝕前彈性模量降低4.83%。由此可知，膠凝酸會在酸蝕過程中破壞巖石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使彈性模量降低；而清潔酸酸蝕過程中，巖石的彈性模量會先小幅度上升，后顯著降低。

圖4 彈性模量試驗結(jié)果對比

2.2.3 泊松比

在水力壓裂與井壁穩(wěn)定分析過程中，地層破裂壓力是一個關(guān)鍵參數(shù)。泊松比對地層破裂壓力的影響如下式［13］所示：

對式（3）進(jìn)行整理，得到：

式中：pf為地層破裂壓力（MPa）；H 為井深（m）；ξ1，2，a，b為構(gòu)成應(yīng)力系數(shù)；Es為地層靜態(tài)彈性模量（MPa）；μs為地層靜態(tài)泊松比；σv為上覆壓力（MPa）；α為Biot系數(shù)；pp為地層壓力（MPa）；St為地層抗拉強度（MPa）。

泊松比（μ）的試驗結(jié)果如圖5 所示。試樣泊松比分布在0.27 ～0.39，表明該井段碳酸鹽巖儲層在高圍壓下抵抗變形的能力較強。酸蝕前，試樣平均泊松比為0.318 9；清潔酸酸蝕50 min 后，平均泊松比為0.303 9；酸蝕90 min 后達(dá)到0.305，降低幅度分別為4.70%、4.35%，而膠凝酸在相同酸蝕時間條件下，降低幅度分別為4.35%、18.15%，可見膠凝酸對試樣泊松比的影響較大。由式（3）可知，地層泊松比越低，地層破裂壓力越低，所以，酸蝕作用可以降低碳酸鹽巖儲層的破裂壓力，從而降低后續(xù)壓裂改造的難度。

圖5 泊松比試驗結(jié)果對比

2.2.4 脆性指數(shù)

地層的脆塑性對壓裂后產(chǎn)生的縫網(wǎng)復(fù)雜程度具有一定的影響，地層脆性指數(shù)越高，壓裂后產(chǎn)生的縫網(wǎng)越復(fù)雜［14-17］。Rickman 等［18］認(rèn)為，地層的彈性參數(shù)，如彈性模量、泊松比與地層的脆性指數(shù)呈線性正相關(guān)，并給出評價方法：

式中：EBRIT、μBRIT為彈性模量、泊松比脆性指數(shù)；E 為彈性模量（MPa）；μ為泊松比；BRIT為脆性指數(shù)。

利用式（5）分析酸蝕作用對地層的脆性影響，計算結(jié)果如圖6 所示。酸蝕后，試樣的脆性整體表現(xiàn)出增強的趨勢。酸蝕前，平均脆性指數(shù)為57.13；清潔酸酸蝕50 min 后，平均脆性指數(shù)升高至64.04；90 min后，平均脆性指數(shù)為64.03，可見清潔酸酸蝕可以增強地層的脆性，但在酸蝕作用一段時間過后，脆性指數(shù)趨于穩(wěn)定，而膠凝酸在酸蝕作用50 min 時，平均脆性指數(shù)為34.91，略有降低，在酸蝕90 min 時，脆性指數(shù)升高至90.59，可見膠凝酸對地層脆性的影響具有明顯的時間效應(yīng)，隨著酸蝕時間的增加，地層脆性指數(shù)逐漸升高。

圖6 試樣脆性指數(shù)對比

酸蝕作用可以提高地層的脆性，有利于后續(xù)壓裂作業(yè)，使后期改造更容易形成復(fù)雜縫網(wǎng)，得到高導(dǎo)流通道，獲得較好的改造效果。

2.2.5 酸蝕前后試樣破裂特征分析

酸蝕作用破壞碳酸鹽巖內(nèi)部原有微細(xì)觀結(jié)構(gòu)，減弱巖石內(nèi)部的膠結(jié)作用，使近酸蝕面部分碳酸鹽巖巖石骨架松散，導(dǎo)致其巖石力學(xué)特性發(fā)生改變。

如圖7 所示，酸蝕前試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線在彈性階段呈直線，破壞呈脆性斷裂。酸蝕后，試樣破壞較為快速，抗壓強度明顯降低，破壞形式為脆性斷裂，脆性較強。破壞后，試樣仍然有一部分承載能力，表現(xiàn)出一定的延展性。其中，清潔酸酸蝕后試樣強度的劣化程度較高，膠凝酸酸蝕試樣破壞后承載能力以及破壞時脆性較強，隨著酸蝕時間的增加，清潔酸對試樣抗壓強度的劣化明顯增強，膠凝酸劣化結(jié)果與時間無明顯相關(guān)性。

圖7 酸蝕弱化三軸試驗應(yīng)力-應(yīng)變曲線

3 結(jié) 論

針對普光氣田碳酸鹽巖開展酸液反映巖石力學(xué)強度弱化的測試和分析，基于室內(nèi)實驗研究得到的主要認(rèn)識如下：

（1）酸蝕作用會降低地層破裂壓力，使地層更易起裂，有利于壓裂作業(yè)的展開，其中膠凝酸易形成融蝕孔洞，因此對地層破裂壓力的影響具有明顯的時間效應(yīng)，并且相比清潔酸降低幅度更高。

（2）隨著酸巖反應(yīng)時間的增加，裂縫壁面最終趨于平整，裂縫導(dǎo)流能力降低，清潔酸對裂縫導(dǎo)流能力的影響程度強于膠凝酸，時間效應(yīng)顯著。隨著酸浸時間的增加，裂縫導(dǎo)流能力呈下降趨勢，其中清潔酸對裂縫導(dǎo)流能力的影響較強，在酸壓施工后，殘留在裂縫中的酸液會降低改造效果，在方案設(shè)計時要綜合考慮酸蝕對裂縫導(dǎo)流能力的影響，根據(jù)酸液性質(zhì)有針對性地進(jìn)行返排工作。

（3）酸蝕作用可以提高地層的脆性，破壞后，巖石骨架仍有一部分承載能力，延展性增強，有利于后續(xù)壓裂作業(yè)，使后期改造更容易形成復(fù)雜縫網(wǎng)，得到高導(dǎo)流通道，獲得較好的改造效果，其中膠凝酸體系對儲層脆性指數(shù)的影響更高，作用效果更明顯。