白云巖儲(chǔ)層酸蝕裂縫導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)研究

李憲文 ，侯雨庭，古永紅，張存旺，牟春國，齊 寧，潘 林

（1.中國石油長慶油田分公司油氣工藝研究院，陜西西安 710018；2.中國石油長慶油田分公司勘探事業(yè)部，陜西西安 710018；3.中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島 266580）

碳酸鹽巖儲(chǔ)層油氣資源儲(chǔ)量豐富且在全球分布廣泛，其儲(chǔ)量約占全球油氣探明可采儲(chǔ)量的50.6%。酸化壓裂是碳酸鹽巖油氣藏增產(chǎn)改造的主要技術(shù)措施。地層壓裂后酸液對裂縫壁面的非均勻刻蝕程度影響著裂縫閉合后的導(dǎo)流能力，而導(dǎo)流能力是評價(jià)酸壓效果的重要指標(biāo)。

中外學(xué)者圍繞提高酸蝕裂縫導(dǎo)流能力開展了大量的研究工作［1-4］。BARRON等考慮了縫寬、反應(yīng)時(shí)間和縫高等參數(shù)對酸和天然大理石的影響情況［5］。WALSH 發(fā)現(xiàn)巖心非均質(zhì)性和地層圍壓將影響酸蝕后的裂縫導(dǎo)流能力［6］。MIRAZ等研究認(rèn)為裂縫壁面的不均勻幾何形態(tài)是影響裂縫導(dǎo)流能力的關(guān)鍵因素［7］。POURNIK 等研究了殘酸對裂縫刻蝕形態(tài)的影響，發(fā)現(xiàn)殘酸、鮮酸造成的裂縫刻蝕形態(tài)具有一定的差別［8］。齊寧等實(shí)現(xiàn)了裂縫性碳酸鹽巖油藏儲(chǔ)層尺度的酸化數(shù)值模擬，為開展白云巖大尺度酸壓數(shù)值模擬提供了可能［9-10］。目前改善酸蝕裂縫導(dǎo)流能力研究多是基于灰?guī)r開展的［11-12］，對于白云巖儲(chǔ)層酸壓效果差、非均勻刻蝕程度低、壓裂后導(dǎo)流能力差等問題，尚沒有開展深入研究［13-15］。

選取長慶油田取心白云巖開展酸蝕裂縫導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)研究，通過酸蝕裂縫導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，深入揭示白云巖儲(chǔ)層非均勻刻蝕機(jī)理，以期為白云巖儲(chǔ)層酸壓工藝設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)器材與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)器材

實(shí)驗(yàn)儀器包括美國Core Lab 公司生產(chǎn)的AFS-870 型酸化巖心驅(qū)替儀、上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司生產(chǎn)的ZDJ-4A 型自動(dòng)電位滴定儀、美國Core Lab 公司生產(chǎn)的FCS-842 壓裂支撐劑導(dǎo)流能力測試系統(tǒng)、杭州先臨三維科技股份有限公司生產(chǎn)的EinScan Pro2X Plus三維激光掃描儀。

實(shí)驗(yàn)巖樣包括灰?guī)r巖板和白云巖巖板。前者取自新疆鷹山組露頭（阿克蘇），方解石含量為94%，樣品編號分別為Ⅰ和Ⅱ；后者取自長慶油田取心白云巖，白云石含量為91%，樣品編號分別為Ⅲ和Ⅳ。實(shí)驗(yàn)試劑包括質(zhì)量分?jǐn)?shù)為36.5%的鹽酸（分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）和去離子水。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

白云巖、灰?guī)r旋轉(zhuǎn)巖盤實(shí)驗(yàn) 通過旋轉(zhuǎn)巖盤實(shí)驗(yàn)，測出不同初始酸濃度下反應(yīng)之后的巖心失重情況，最終分別計(jì)算出白云巖和灰?guī)r與鹽酸的酸巖反應(yīng)速度。其中，酸液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%，實(shí)驗(yàn)溫度為90 ℃，實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)速為500 r/min。

白云巖、灰?guī)r酸蝕裂縫導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn) 通過裂縫酸蝕導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)，分別得到相同酸液條件下白云巖、灰?guī)r上下巖板之間的導(dǎo)流能力，本文使用的導(dǎo)流室為API 導(dǎo)流室，酸蝕后導(dǎo)流層導(dǎo)流能力計(jì)算公式為：

通過裂縫酸蝕導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)，分別得到相同酸液條件下白云巖、灰?guī)r上下巖板端面的非均勻刻蝕程度和酸蝕構(gòu)造，對比高、低濃度酸液交替注入方式下酸蝕構(gòu)造區(qū)別。通過3D 激光掃描對裂縫酸蝕后端面溶蝕程度進(jìn)行定量分析，從微觀角度解釋酸蝕構(gòu)造存在差別的原因以及對白云巖、灰?guī)r的微觀溶蝕機(jī)理進(jìn)行分析。其中，酸液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%和20%，酸液流量為60 mL/min，實(shí)驗(yàn)溫度為90 ℃，反應(yīng)時(shí)間為10 min。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 白云巖、灰?guī)r旋轉(zhuǎn)巖盤實(shí)驗(yàn)

灰?guī)r酸巖反應(yīng)速度（JCa）和白云巖酸巖反應(yīng)速度（JMg）分別為33.6×10-6和1.4×10-6mol/（s·cm2），兩者相差一個(gè)數(shù)量級。觀察酸巖反應(yīng)前后反應(yīng)產(chǎn)物表面發(fā)現(xiàn)，酸蝕后灰?guī)r表面刻蝕明顯，白云巖酸巖反應(yīng)速度慢，反應(yīng)后端面無明顯刻蝕。

2.2 白云巖、灰?guī)r酸蝕裂縫導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)

對比圖1 和圖2 發(fā)現(xiàn)，高濃度酸液對灰?guī)r巖板的酸蝕程度更高，但非均勻刻蝕程度低。反應(yīng)后，巖板前部酸蝕程度高。對比圖3 和圖4 發(fā)現(xiàn)，高濃度酸液對白云巖巖板的酸蝕程度更高，但并沒有出現(xiàn)灰?guī)r巖板前部非均勻刻蝕程度高的現(xiàn)象。

2.3 酸蝕裂縫短期導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

酸蝕裂縫表面形態(tài)由巖性、滲透率分布、酸液質(zhì)量分?jǐn)?shù)和注入時(shí)間等條件共同作用決定，研究酸液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對于獲得酸蝕裂縫高導(dǎo)流能力具有重要意義［16］。10%質(zhì)量分?jǐn)?shù)酸液酸蝕后灰?guī)r巖板導(dǎo)流能力高于20%質(zhì)量分?jǐn)?shù)酸液酸蝕后灰?guī)r巖板導(dǎo)流能力（圖5）。這是由于10%質(zhì)量分?jǐn)?shù)酸液刻蝕所得巖板的裂縫非均勻刻蝕程度更高，20%質(zhì)量分?jǐn)?shù)酸液刻蝕所得巖板整體酸蝕程度高，但非均勻刻蝕程度較低。

圖1 灰?guī)r巖板Ⅰ裂縫酸蝕反應(yīng)前后對比（酸液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%）Fig.1 Comparison of limestone slate I before and after acid etch reaction（acid concentration is 10%）

圖2 灰?guī)r巖板Ⅱ裂縫酸蝕反應(yīng)前后對比（酸液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%）Fig.2 Comparison of limestone slate II before and after acid etch reaction（acid concentration is 20%）

圖3 白云巖巖板Ⅲ裂縫酸蝕反應(yīng)前后對比（酸液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%）Fig.3 Comparison of dolomite slate III before and after acid etch reaction（acid concentration is 10%）

圖4 白云巖巖板Ⅳ裂縫酸蝕反應(yīng)前后對比（酸液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%）Fig.4 Comparison of dolomite slate IV before and after acid etch reaction（acid concentration is 20%）

圖5 不同酸液質(zhì)量分?jǐn)?shù)下白云巖和灰?guī)r酸蝕裂縫短期導(dǎo)流能力對比Fig.5 Short-term conductivity of dolomite and limestone fractures at different acid concentrations

高酸液質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下白云巖更易于獲得高導(dǎo)流能力，低酸液質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下白云巖酸壓效果要差于灰?guī)r酸壓改造效果。這主要是灰?guī)r、白云巖晶體結(jié)構(gòu)差異引起的，方解石（灰?guī)r）的晶格能遠(yuǎn)小于白云石（白云巖）的晶格能，又因白云石的晶格有序度高于方解石，破壞其晶格有序度所需要的能量要高于方解石，因此方解石較白云石更易被酸蝕。白云巖酸液刻蝕程度低，溶蝕主要沿節(jié)理面進(jìn)行，高濃度酸液有利于深入酸蝕節(jié)理面，從而溝通基質(zhì)與裂縫；另外高濃度酸液能更為充分地刻蝕酸壓裂縫壁面，提高非均勻刻蝕程度，獲得更高導(dǎo)流能力。

2.4 3D激光掃描實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為定量表征酸蝕裂縫非均勻刻蝕程度，采用3D激光掃描實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，為酸壓數(shù)值模擬提供依據(jù)，圖6 和圖7 分別為不同酸液質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的灰?guī)r和白云巖巖板酸蝕裂縫3D激光掃描結(jié)果。

10%酸液質(zhì)量分?jǐn)?shù)下灰?guī)r巖板形成的是溝槽狀的刻蝕。由于溝槽狀的溶蝕形狀不規(guī)則，有一定的支撐條帶，支撐面積較大，具有高的抗壓強(qiáng)度，所以僅靠自身的非均勻刻蝕程度在受壓后依舊具有一定的導(dǎo)流能力，因而其導(dǎo)流能力隨著閉合壓力的升高下降緩慢。20%酸液質(zhì)量分?jǐn)?shù)下灰?guī)r巖板過度溶蝕，表現(xiàn)出均勻刻蝕，盡管在低閉合壓力下具有一定的導(dǎo)流能力，但隨著閉合壓力的升高，導(dǎo)流能力下降明顯。

圖6 不同酸液質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的灰?guī)r巖板酸蝕裂縫3D激光掃描圖Fig.6 3D laser scanning images of acid etched fractures of limestone slates at different acid concentrations

圖7 不同酸液質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的白云巖巖板酸蝕裂縫3D激光掃描圖Fig.7 3D laser scanning images of acid etched fractures of dolomite slates at different acid concentrations

由圖7 可以看出，10%酸液質(zhì)量分?jǐn)?shù)下白云巖巖板形成的是線狀刻蝕，由于白云巖酸巖反應(yīng)速度遠(yuǎn)低于灰?guī)r，因此酸液的有效作用距離較灰?guī)r要更遠(yuǎn)。但由于白云巖酸蝕后軟化程度高，隨著閉合壓力的升高，導(dǎo)流能力急劇下降。20%酸液質(zhì)量分?jǐn)?shù)下白云巖巖板出現(xiàn)的仍然是線狀刻蝕，但高酸液質(zhì)量分?jǐn)?shù)下刻蝕區(qū)域面積大于低質(zhì)量分?jǐn)?shù)刻蝕，同時(shí)刻蝕深度也更深。由于形成的刻蝕通道具有一定的深度和寬度，隨著閉合壓力的升高，導(dǎo)流能力雖有下降，但是下降幅度不大，在短期導(dǎo)流能力測試曲線上能夠表現(xiàn)為存在長時(shí)間的穩(wěn)定流動(dòng)。

2.5 白云巖酸壓數(shù)值模擬結(jié)果

模擬酸液自裂縫表面流入地層，酸液中H+在流體的對流擴(kuò)散下，通過孔隙流體傳質(zhì)作用與白云石和方解石表面發(fā)生反應(yīng)以此改變地層孔隙度。因此假設(shè)：忽略除白云石和方解石其他礦物組分；白云石和方解石在任意微元體中均勻分布且互相混合；礦物組分影響表面反應(yīng)速率，不影響巖石孔隙結(jié)構(gòu)［17-18］。

酸液在地層中的流動(dòng)由達(dá)西定律方程控制，壓力分布由不可壓縮流體的連續(xù)性方程控制；氫離子在流體中的濃度分布由對流擴(kuò)散方程控制；巖石組分變化由白云石和方解石的含量變化方程控制。

設(shè)定酸壓模型如圖8所示。碳酸鹽巖儲(chǔ)層長度為L，寬度為W，中間由一條寬度為Wf的水力裂縫連接至井筒。酸液自井筒經(jīng)裂縫垂直流入地層。裂縫的流動(dòng)阻力很小，壓降幾乎為0。酸液在裂縫壁面不同位置的流速為U0，在裂縫壁面的酸液濃度隨位置變化。

圖8 模擬酸壓施工過程中酸液流動(dòng)示意Fig.8 Diagram of acid fracturing model

通過對酸巖反應(yīng)速度與控制模式的研究，發(fā)現(xiàn)表面反應(yīng)控制模式和傳質(zhì)控制模式的酸巖反應(yīng)速度至少相差11倍，以此作為粗略判斷控制模式的標(biāo)準(zhǔn)。

利用酸巖反應(yīng)速度方程J=KCm，當(dāng)反應(yīng)級數(shù)（m）為1時(shí)，純白云巖和純灰?guī)r在90 ℃，500 r/min 條件下得到酸巖反應(yīng)速度常數(shù)。同等條件下，JCa為55.8×10-3mm/s，處于傳質(zhì)控制模式；JMg為2.4×10-3mm/s，兩者相差23.25 倍，可以推斷出白云巖處于表面反應(yīng)控制模式。因此可以初步得到，白云巖與鹽酸的表面反應(yīng)速度常數(shù)（ksMg）與JMg相同，皆為2.4×10-3mm/s，酸液傳質(zhì)速度（kc）與JCa相同，皆為55.8×10-3mm/s。

kc與孔隙結(jié)構(gòu)、流動(dòng)狀態(tài)等因素有關(guān)，其表達(dá)式為：

假設(shè)初始ksMg為0.01 mm/s，灰?guī)r與鹽酸的表面反應(yīng)速度常數(shù)（ksCa）為2 mm/s，由（2）式計(jì)算出kc的理論值為0.56 mm/s，與實(shí)驗(yàn)測得的傳質(zhì)速度不一致。在采用理論值基礎(chǔ)上，為保證酸巖反應(yīng)控制模式不變，白云巖與鹽酸的表面反應(yīng)速度也做出相應(yīng)的調(diào)整，假定ksMg為0.02 mm/s，ksCa為5 mm/s。

從圖9 和圖10 可以看出，當(dāng)表面反應(yīng)速度較快時(shí)，酸巖反應(yīng)速度很快，基本不存在酸液濾失，裂縫壁面溶蝕不均勻，形成不均勻刻蝕槽，刻蝕槽強(qiáng)度足以支撐地層閉合壓力。當(dāng)表面反應(yīng)速度較快時(shí)，酸巖反應(yīng)速度很慢，酸液大多濾失到儲(chǔ)層內(nèi)部，裂縫壁面和附近地層溶蝕較均勻，巖石強(qiáng)度有所降低，在地層壓力下極易閉合，裂縫導(dǎo)流能力弱。

圖9 不同表面反應(yīng)速度常數(shù)對應(yīng)的孔隙度場Fig.9 Porosity fields corresponding to different surface reaction rates

圖10 不同表面反應(yīng)速度常數(shù)對應(yīng)的酸液濃度場Fig.10 Acid concentration fields corresponding to different surface reaction rates

數(shù)值模擬結(jié)果可以與裂縫酸蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果相互印證。由于灰?guī)r表面反應(yīng)速度高，酸巖反應(yīng)速度快，因此基本沒有酸液濾失，易于在表面形成不均勻刻蝕，其在受到應(yīng)力變化下依然具有一定的支撐力，保留有一定的導(dǎo)流能力。而白云巖表面反應(yīng)速度慢，酸巖反應(yīng)速度慢，酸液大多沿節(jié)理面濾失到儲(chǔ)層內(nèi)部，裂縫壁面和附近地層溶蝕較均勻，巖石強(qiáng)度有所降低，在地層壓力下極易閉合，裂縫導(dǎo)流能力差。這就解釋了酸蝕裂縫導(dǎo)流實(shí)驗(yàn)中，白云巖巖板刻蝕深度更深、導(dǎo)流能力低的原因。由于酸液降低了巖石強(qiáng)度，使地層軟化，因此承壓后其極易閉合，導(dǎo)流能力下降快。

為改善白云巖酸壓改造效果，進(jìn)行高、低濃度酸液交替注入酸壓模擬研究［19］。按照圖11 段塞式注入高、低濃度的酸液，其酸巖表面反應(yīng)速度常數(shù)分別為6×10-3和2×10-3mm/s，模擬酸巖反應(yīng)速度不同的流體交替注入地層的情況。模擬結(jié)果（圖12）表明段塞式交替注酸可實(shí)現(xiàn)酸液人為不均勻分布，有利于形成高導(dǎo)流通道。

圖11 段塞式注酸示意Fig.11 Diagram of slug acid injection

圖12 酸液交替注入酸壓模擬結(jié)果Fig.12 Acid fracturing simulation results of alternating acid injection

3 結(jié)論

白云巖比灰?guī)r酸巖反應(yīng)速度慢，酸巖反應(yīng)速度相差1 個(gè)數(shù)量級。與灰?guī)r相比，白云巖酸液刻蝕程度低，溶蝕主要沿節(jié)理面進(jìn)行，高濃度酸液有利于深入酸蝕節(jié)理面，從而溝通基質(zhì)與裂縫；另外高濃度酸液能更為充分地刻蝕酸壓裂縫壁面，提高非均勻刻蝕程度，獲得更高導(dǎo)流能力。由于白云巖酸巖反應(yīng)速度慢，高濃度酸液可以酸蝕更遠(yuǎn)的裂縫距離，也更易于獲得高導(dǎo)流能力。從數(shù)值模擬結(jié)果看，段塞式交替注酸可實(shí)現(xiàn)酸液人為不均勻分布，有利于形成高導(dǎo)流通道。碳酸鹽巖儲(chǔ)層酸壓需考慮高閉合應(yīng)力下的巖石蠕變特性，另外孔隙型白云巖儲(chǔ)層與裂縫型白云巖儲(chǔ)層的酸壓改造認(rèn)識也有較大差異，仍需在后續(xù)開展深入研究。

符號解釋

C——酸液濃度，mol/L；

Dm——?dú)潆x子擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；

f——裂縫；

J——酸巖反應(yīng)速度，mol/（s·cm2）；

JCa——灰?guī)r酸巖反應(yīng)速度，mol/（s·cm2）；

JMg——白云巖酸巖反應(yīng)速度，mol/（s·cm2）；

kc——傳質(zhì)系數(shù)，mm/s；

ksCa——方解石表面反應(yīng)速度常數(shù)，mm/s；

ksMg——白云石表面反應(yīng)速度常數(shù)，mm/s；

K——酸巖反應(yīng)速度常數(shù)，mm/s；

KWf——酸蝕裂縫導(dǎo)流能力，μm2·cm；

L——地層長度，cm；

m——反應(yīng)級數(shù)；

p——孔隙；

Q——液體流量，cm3/min；

rp——巖石的孔隙半徑，m；

Rep——孔隙尺度雷諾數(shù)；

Sc——施密特?cái)?shù)；

Sh——舍伍德數(shù)；

Sh∞——孔隙漸進(jìn)舍伍德數(shù)；

U0——注入速度，cm/min，取值為1；

W——地層寬度，cm；

Wf——裂縫寬度，cm，取值為2；

x——縫長方向（酸液流動(dòng)方向）地層長度，cm；

y——縫寬方向地層長度，cm；

|y|——酸液距裂縫壁面的距離，m；

Δp——壓差（上游壓力減去下游壓力），kPa；

μ——實(shí)驗(yàn)溫度條件下實(shí)驗(yàn)液體黏度，mPa·s；

ρ——酸液密度，kg/m3。