基于裂縫重構(gòu)評(píng)價(jià)酸蝕對(duì)碳酸鹽巖應(yīng)力敏感性的影響

龐 銘，陳華興，唐洪明，盧 浩，王 昭

(1.中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司，天津 300450；2.西南石油大學(xué)，四川 成都 610500)

0 引 言

中國(guó)碳酸鹽巖油氣藏油氣資源極其豐富，占全國(guó)油氣資源總量的40%以上[1]。應(yīng)力敏感性損害是碳酸鹽巖儲(chǔ)層的主要的儲(chǔ)層損害方式之一[2-4]。前人針對(duì)有效應(yīng)力、儲(chǔ)層類型、裂縫充填程度與充填類型對(duì)應(yīng)力敏感性損害的影響已進(jìn)行大量的巖心實(shí)驗(yàn)、有限元數(shù)值模擬及離散元數(shù)值模擬。研究普遍認(rèn)為：溶蝕孔隙、溶蝕孔洞的發(fā)育弱化了裂縫型碳酸鹽巖儲(chǔ)層的應(yīng)力敏感性損害[5-6]；裂縫充填程度越大，應(yīng)力敏感性損害越弱[7]；縫面接觸關(guān)系是影響應(yīng)力敏感性損害的關(guān)鍵因素[8-11]。碳酸鹽巖儲(chǔ)層通常需要進(jìn)行酸化解除固相堵塞以提高油氣生產(chǎn)效率[12]，甚至需要進(jìn)行酸化壓裂產(chǎn)生人工裂縫以溝通儲(chǔ)集體[13-14]。油氣開(kāi)采過(guò)程中，不同有效應(yīng)力下的酸蝕裂縫導(dǎo)流能力(長(zhǎng)期導(dǎo)流能力)是油藏開(kāi)采效率的重要指標(biāo)，酸蝕前后裂縫型碳酸鹽巖儲(chǔ)層的應(yīng)力敏感性損害存在差異，而目前針對(duì)酸蝕對(duì)裂縫型碳酸鹽巖應(yīng)力敏感性損害的影響研究基本處于空白。由于應(yīng)力敏感性實(shí)驗(yàn)流程(SY/T 5338—2010)對(duì)巖心具有不可逆破壞作用，目前尚未建立一套針對(duì)酸蝕前后的裂縫型碳酸鹽巖儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性損害系統(tǒng)評(píng)價(jià)方法。因此，選用LH油田奧陶系裂縫型碳酸鹽巖儲(chǔ)層巖心，利用裂縫三維特征掃描獲取縫面微凸體及縫寬的分布、分形特征，在裂縫重構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用有限元方法模擬裂縫閉合過(guò)程，對(duì)不同閉合階段的裂縫流動(dòng)空間特征和滲透率變化進(jìn)行量化分析，明確酸蝕前后裂縫的應(yīng)力敏感性變化，對(duì)指導(dǎo)裂縫型碳酸鹽巖儲(chǔ)層高效開(kāi)發(fā)具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)樣品取自LH油田奧陶系，屬于裂縫-孔隙(孔洞)型儲(chǔ)層，巖心孔隙度為0.11%～8.97%，平均為1.38%；滲透率為0.002～320.254 mD，平均為1.390 mD。裂縫受構(gòu)造過(guò)程控制并經(jīng)過(guò)成巖作用改造。該區(qū)裂縫以構(gòu)造縫為主，裂縫多呈高角度縫特征，主要為微縫(縫寬小于0.10 mm)和小縫(縫寬為0.10～1.00 mm)；局部地區(qū)發(fā)育大縫、中縫，占總裂縫的17.2%，是重要的油氣滲流通道。全充填縫約占總裂縫的30.0%，半充填縫約占總裂縫的10.0%，非充填縫占總裂縫的60.0%。將巖心樣品制成長(zhǎng)度為50 mm，直徑為100 mm的圓柱狀，裂縫內(nèi)未充填。

實(shí)驗(yàn)所使用的光柵掃描系統(tǒng)為江蘇先臨公司生產(chǎn)的shinning 3D系列，掃描精度為0.01 mm，掃描時(shí)CCD相機(jī)分辨率可達(dá)1 280×1 024像素，10 s內(nèi)的一次測(cè)量可以得到數(shù)量為130×104的點(diǎn)云集合，能夠達(dá)到表征微凸體特征的精度。

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

酸蝕裂縫滲流能力受裂縫有效應(yīng)力、縫寬、滲透率等因素決定，縫寬的變化也會(huì)引起滲透率的變化，即縫寬對(duì)滲流能力的影響大于雙滲透率的影響。首先對(duì)比酸蝕前后裂縫縫寬的分布特征，然后施加有效應(yīng)力，得到應(yīng)力作用后的縫寬特征，最后評(píng)價(jià)不同有效應(yīng)力下的滲流特性。具體數(shù)值模擬流程：①使用3D光柵掃描系統(tǒng)測(cè)量酸蝕前裂縫的表面形貌，然后用10%的鹽酸對(duì)裂縫表面進(jìn)行均勻刻蝕(酸化反應(yīng)時(shí)間2 h)，再次測(cè)量酸蝕后裂縫的表面形貌。②將酸蝕前后裂縫的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行逆向重構(gòu)并實(shí)體化，將實(shí)體化裂縫導(dǎo)入有限元軟件中并網(wǎng)格化處理，模擬裂縫閉合過(guò)程。③輸出每個(gè)閉合步長(zhǎng)的裂縫流動(dòng)空間，計(jì)算不同閉合程度下的裂縫滲透率。由于對(duì)每個(gè)裂縫面進(jìn)行單獨(dú)掃描，為保證縫面耦合時(shí)的準(zhǔn)確性，需要使縫面單獨(dú)掃描與樣品整體掃描時(shí)處于同一坐標(biāo)系下。采用特征掃描技術(shù)可有效解決該問(wèn)題，將樣品外部添加的標(biāo)志點(diǎn)及表面已掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)作為特征點(diǎn)，先將樣品整體掃描，再單獨(dú)掃描2個(gè)縫面，掃描時(shí)進(jìn)行特征識(shí)別，通過(guò)確定的特征點(diǎn)空間相對(duì)位置關(guān)系，重新建立與巖心樣品掃描時(shí)相同的局部坐標(biāo)系[15]。

裂縫閉合有限元數(shù)值模擬采用ABAQUS6.4軟件進(jìn)行，裂縫重構(gòu)模型網(wǎng)格劃分采用修正的二次四面體網(wǎng)格單元(C3D10M)。將裂縫的下表面巖塊設(shè)置為法向約束，上表面巖塊施加位移邊界條件，每個(gè)步長(zhǎng)的位移量為0.05 mm，在閉合過(guò)程中縫面間施加硬接觸，進(jìn)而分析裂縫閉合過(guò)程中裂縫面上微凸體的應(yīng)力應(yīng)變情況。在地層條件下，裂縫側(cè)面的變形特征與其周?chē)膸r石變形應(yīng)相同，因此，在側(cè)面施加對(duì)稱邊界條件，對(duì)稱邊界條件同時(shí)能夠約束裂縫巖塊受轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的剛性位移，有利于計(jì)算收斂。根據(jù)巖心的實(shí)測(cè)巖石力學(xué)參數(shù)設(shè)置其他條件：彈性模量為30.6 GPa，泊松比為0.32，內(nèi)聚力為23.78 MPa，內(nèi)摩擦角為58.6 °。在每一步長(zhǎng)后，提取裂縫上部巖塊頂表面上的平均應(yīng)力作為每個(gè)時(shí)間步的法向應(yīng)力，并輸出裂縫流動(dòng)空間，分析裂縫滲透率變化。

將每個(gè)時(shí)間步的裂縫流動(dòng)空間導(dǎo)入計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件中，并在水平方向施加壓力梯度，模擬不同方向的滲透率變化。在滲流模擬過(guò)程中假設(shè)：①由于裂縫滲透率遠(yuǎn)大于基質(zhì)滲透率，忽略基質(zhì)滲透率和基質(zhì)-裂縫的物質(zhì)交換；②流體為不可壓縮牛頓流體；③在雷諾數(shù)較小的情況下，忽略慣性效應(yīng)；④裂縫中水平方向上的速度梯度遠(yuǎn)小于法向上的速度梯度。流體控制方程為[16-17]：

(1)

式中：p為裂縫中的流體壓力，MPa；w為局部裂縫寬度，m；x、y分別為裂縫縫面橫、縱坐標(biāo)。

2 結(jié)果分析

2.1 酸蝕前后裂縫特征

研究裂縫時(shí)，通常將裂縫面假設(shè)為光滑的平面，裂縫寬度固定或漸變。然而在實(shí)際儲(chǔ)層中，裂縫依靠縫面上粗糙、不規(guī)則的微凸體自支撐從而保留一定的滲流空間，縫面微凸體之間的耦合規(guī)律復(fù)雜，極大地影響對(duì)裂縫閉合規(guī)律的研究。為定量研究?jī)?chǔ)層裂縫空間特性及其閉合規(guī)律，需要對(duì)縫面微凸體及其耦合特征進(jìn)行測(cè)量及描述，而評(píng)價(jià)縫面微凸體分布的重要參數(shù)為裂縫粗糙度系數(shù)[18-24]。表1為裂縫縫面酸蝕前后的粗糙度。由表1可知，酸蝕后裂縫粗糙度明顯增加，這是由于礦物組分差異、儲(chǔ)集空間發(fā)育不均引起的非均勻酸蝕造成的。

表1 酸蝕前后裂縫縫面粗糙度對(duì)比

裂縫由一對(duì)粗糙裂縫縫面耦合而成，影響閉合規(guī)律的關(guān)鍵因素不是單一縫面微凸體分布特征，而是2個(gè)縫面合成之后的物理結(jié)構(gòu)。合成的裂縫表面反映了2個(gè)粗糙縫面之間的相關(guān)程度，體現(xiàn)了2個(gè)粗糙縫面微凸體之間的接觸特性，可以用來(lái)分析裂縫受力、微凸體接觸變形特征?？p面合成方法采用Brown & Scholz合成表面原理，將裂縫2個(gè)縫面的接觸過(guò)程簡(jiǎn)化為合成表面與基準(zhǔn)面之間的接觸關(guān)系[17]。裂縫縫寬可由下式計(jì)算：

w(x，y)=z1(x，y)-z2(x，y)-min[z1(x，y)-z2(x，y)]

(2)

式中：z1和z2分別為裂縫上下表面相對(duì)于基準(zhǔn)面的高度，mm。

裂縫合成后的縫寬分布特征如圖1所示，縫寬基本參數(shù)如表2所示，其中，分形維數(shù)采用三菱柱法進(jìn)行計(jì)算。由表2可知：酸蝕后平均縫寬增加了近0.5 mm，最大縫寬增加了近2.0 mm，均方根值增加了0.2 mm，分形維數(shù)增加0.06，表明酸蝕后縫寬分布非均質(zhì)特征更加嚴(yán)重，裂縫面間耦合性變差。對(duì)比酸蝕前后縫寬(圖1)可知，酸蝕導(dǎo)致左上角產(chǎn)生了一條明顯的溝槽，右上角產(chǎn)生多個(gè)較大的酸蝕孔洞。通過(guò)對(duì)碳酸鹽巖裂縫酸蝕形貌特征的研究進(jìn)行調(diào)研發(fā)現(xiàn)，由于難溶礦物的支撐、酸巖反應(yīng)不均一等因素，碳酸鹽巖裂縫酸蝕后普遍存在溝槽結(jié)構(gòu)，而有效應(yīng)力下裂縫的機(jī)械變形和水力性質(zhì)受縫面影響，其應(yīng)力敏感性損害存在較大差異。

圖1 酸蝕前后裂縫寬度分布特征

表2 酸蝕前后裂縫寬度參數(shù)

2.2 裂縫閉合過(guò)程中的變形機(jī)理

在地應(yīng)力作用下，微凸體之間的不完全耦合導(dǎo)致裂縫不能完全閉合，保持一定的滲流空間。在裂縫受到有效應(yīng)力而閉合的過(guò)程中，縫面上突起較高的微凸體(主要微凸體)首先支撐并抗拒閉合。隨有效應(yīng)力的繼續(xù)增大，主要微凸體發(fā)生壓縮形變，縫面間的距離變小，突起較低的微凸體(次級(jí)微凸體)開(kāi)始起到支撐作用，進(jìn)一步增加了裂縫面的抗閉合能力。

圖2為酸蝕前后的裂縫表面Mises應(yīng)力隨著有效應(yīng)力增加的變化，圖3展示了裂縫接觸面積和平均裂縫寬度隨有效應(yīng)力的變化。由圖2、3可知：隨有效應(yīng)力增加，縫面微凸體接觸面積明顯增加，裂縫逐漸閉合，裂縫縫寬減小。當(dāng)有效應(yīng)力小于10 MPa時(shí)，裂縫接觸面積較小，裂縫抗閉合能力較弱，裂縫快速閉合，裂縫縫寬快速減小。該階段酸蝕前裂縫的接觸面積略大，占比為2.82%，而酸蝕后裂縫的接觸面積較小，占比僅為1.03%，這是因?yàn)樗嵛g導(dǎo)致裂縫耦合變差，進(jìn)一步影響裂縫的抗閉合能力。當(dāng)有效應(yīng)力為5 MPa時(shí)，酸蝕前大部分裂縫均已閉合，而酸蝕后的裂縫仍然具有酸蝕形成的溝槽，保留了較好的滲流能力。當(dāng)有效應(yīng)力超過(guò)10 MPa時(shí)，縫面微凸體接觸面積明顯增加，此時(shí)次級(jí)微凸體逐漸開(kāi)始對(duì)裂縫產(chǎn)生支撐作用，裂縫閉合速度減緩。由圖2c、d可知，該階段部分微凸體所承受的Mises應(yīng)力大于1 000 MPa，超過(guò)了一般巖石的彈性形變極限。這表明當(dāng)巖石裂縫發(fā)生閉合變形后，主要微凸體已經(jīng)發(fā)生不可恢復(fù)的損傷，即使儲(chǔ)層的壓力恢復(fù)，裂縫的寬度和流動(dòng)能力也難以恢復(fù)。

圖2 酸蝕前后裂縫在閉合過(guò)程中的應(yīng)力分布對(duì)比

圖3 酸蝕前后裂縫的閉合規(guī)律

2.3 應(yīng)力敏感性損害程度評(píng)價(jià)

酸蝕導(dǎo)致的裂縫耦合度變化、有效應(yīng)力導(dǎo)致的裂縫閉合均會(huì)造成裂縫中滲流場(chǎng)發(fā)生改變。因此，對(duì)不同有效應(yīng)力下酸蝕前后裂縫的滲流場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算(圖4)，進(jìn)而利用數(shù)值模擬結(jié)果繪制酸蝕前后有效應(yīng)力與滲透率保留率的關(guān)系曲線(圖5)。由圖4可知：當(dāng)有效應(yīng)力為5 MPa時(shí)，酸蝕前后的裂縫滲流速度均有所減緩，但存在較大差異，酸蝕前的裂縫幾乎不可見(jiàn)優(yōu)勢(shì)滲流通道，而酸蝕后的裂縫依然具有優(yōu)勢(shì)滲流通道(即酸蝕形成的溝槽)，該通道可以有效減緩應(yīng)力敏感性損害。由圖5可知：當(dāng)有效應(yīng)力增至40 MPa時(shí)，酸蝕前裂縫滲透率損害率大于95%，而酸蝕后裂縫滲透率損害率小于75%，應(yīng)力敏感性損害減弱。這是因?yàn)榱芽p經(jīng)過(guò)酸蝕后，縫面粗糙程度增加，縫面間耦合程度降低，形成了明顯的溝槽。隨著法向有效應(yīng)力的增加，酸蝕后的裂縫閉合量和縫面接觸率均較酸蝕前的裂縫小，造成滲透率保留率仍然相對(duì)較大，應(yīng)力敏感性損害程度相對(duì)較低。裂縫應(yīng)力敏感性損害受縫面接觸關(guān)系、巖石力學(xué)性質(zhì)和滲流能力影響，其中，縫面接觸關(guān)系是基礎(chǔ)，巖石力學(xué)性質(zhì)是直接誘因，滲流能力降低是最終表現(xiàn)。在碳酸鹽巖油氣藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中，對(duì)井筒進(jìn)行酸洗、對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行酸化壓裂，不僅有助于增加儲(chǔ)層人工裂縫滲透性，還能增加縫面間的非耦合性，降低生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)力敏感性損害，防止裂縫閉合。

圖4 不同法向應(yīng)力下的酸蝕前后裂縫滲流差異

圖5 裂縫閉合過(guò)程中的滲流規(guī)律變化

3 結(jié)果驗(yàn)證

為驗(yàn)證數(shù)值模擬方法研究結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用石油天然行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5358—2010中的內(nèi)壓變換方式，對(duì)研究區(qū)裂縫型碳酸鹽巖儲(chǔ)層相鄰的4塊巖心進(jìn)行酸蝕應(yīng)力敏感性損害實(shí)驗(yàn)。巖心基本參數(shù)如表3所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6。

表3 巖心基本參數(shù)

圖6 應(yīng)力敏感性損害實(shí)驗(yàn)中裂縫巖心滲透率變化

由圖6可知：隨著地層壓力的降低，滲透率逐漸減??；當(dāng)?shù)貙訅毫?8 MPa時(shí)，有效應(yīng)力增大，滲透率降低幅度逐漸變小，即滲透率隨著地層壓力的降低逐漸穩(wěn)定。當(dāng)?shù)貙訅毫抵?0 MPa時(shí)，酸蝕后的裂縫應(yīng)力敏感性損害為50%～70%，損害程度中等偏強(qiáng)；未酸蝕的裂縫滲透率損害率為76%～99%，損害程度強(qiáng)。與未酸蝕的裂縫相比，酸蝕后裂縫應(yīng)力敏感性損害變?nèi)?，這是因?yàn)樗嵛g不均勻形成的蚓洞等優(yōu)勢(shì)滲流通道或非酸溶礦物(如半充填自生石英)對(duì)裂縫起到了一定的支撐作用，防止了裂縫完全閉合。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致，說(shuō)明該方法準(zhǔn)確，結(jié)果可靠。

4 結(jié) 論

(1) 提出了一種基于裂縫重構(gòu)評(píng)價(jià)酸蝕對(duì)碳酸鹽巖應(yīng)力敏感損害影響的數(shù)值模擬方法，從縫面幾何形貌、縫面接觸關(guān)系、縫面接觸應(yīng)力、裂縫滲流特征多個(gè)指標(biāo)對(duì)應(yīng)力敏感性損害進(jìn)行評(píng)價(jià)。

(2) 當(dāng)有效應(yīng)力小于10 MPa時(shí)，裂縫寬度快速下降，滲透率急劇損失；當(dāng)有效應(yīng)力大于10 MPa后，裂縫寬度下降和滲透率損害程度逐漸平緩。當(dāng)有效應(yīng)力為40 MPa時(shí)，酸蝕前裂縫縫寬減小量大于55%，滲透率損害率大于90%；而酸蝕后縫寬減小量小于40%，滲透率損害率小于75%，應(yīng)力敏感性損害降低。

(3) 數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，裂縫型儲(chǔ)層中縫面礦物組分存在差異，酸液對(duì)縫面產(chǎn)生非均勻酸蝕，酸蝕后縫面粗糙度增加，易產(chǎn)生溝槽，進(jìn)而降低裂縫應(yīng)力敏感性損害程度?，F(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)踐中，酸化壓裂、酸洗不僅有助于提高儲(chǔ)層滲透性，還能在一定程度上防止裂縫閉合。