關(guān)井效應(yīng)對(duì)酸壓裂縫刻蝕形貌與導(dǎo)流能力影響

劉 超，茍 波，管晨呈，郭建春，李 驍，王香增，魏登峰，郝世彥，申 峰，王念喜

(1. 陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院，陜西西安 710065；2. 陜西省陸相頁(yè)巖氣成藏與 開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(籌)，陜西西安 710065；3.西南石油大學(xué)博士后科研流動(dòng)站，四川成都 610500； 4. 西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610500)

酸壓是碳酸鹽巖油氣藏實(shí)現(xiàn)高效勘探開發(fā)不可或缺的手段，與物探技術(shù)、鉆井技術(shù)合稱為“三大”石油工程技術(shù)[1]。酸壓技術(shù)礦場(chǎng)實(shí)施時(shí)，主要過(guò)程通常包括：①非反應(yīng)性的壓裂液造縫；②各種酸液體系刻蝕裂縫；③非反應(yīng)性的壓裂液頂替井筒酸液進(jìn)入地層裂縫；④停泵關(guān)井、測(cè)壓降；⑤開井放噴排液，測(cè)試產(chǎn)量[2]。關(guān)井后至開井返排前，酸液在地層酸壓裂縫中滯留，此時(shí)靜止的酸液仍會(huì)與裂縫壁面巖石接觸反應(yīng)，從而影響酸刻蝕裂縫形態(tài)與導(dǎo)流能力。室內(nèi)試驗(yàn)是認(rèn)識(shí)酸壓裂縫導(dǎo)流能力最直接的手段，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)。學(xué)者已通過(guò)大量的試驗(yàn)認(rèn)識(shí)到影響酸壓裂縫導(dǎo)流能力的因素主要包括儲(chǔ)層地質(zhì)因素和工程因素[3-9]。然而現(xiàn)有酸刻蝕導(dǎo)流能力試驗(yàn)研究忽略了酸壓停泵關(guān)井后酸液滯留效應(yīng)對(duì)酸刻蝕形態(tài)與導(dǎo)流能力的影響，因此試驗(yàn)研究關(guān)井效應(yīng)對(duì)酸刻蝕形態(tài)與導(dǎo)流能力影響，有利于客觀評(píng)價(jià)酸壓裂縫導(dǎo)流能力。筆者以鄂爾多斯盆地下古生界碳酸鹽巖儲(chǔ)層馬五段為例，研究不同注酸時(shí)間條件下，關(guān)井對(duì)酸刻蝕形態(tài)與導(dǎo)流能力的影響，為酸壓方案設(shè)計(jì)和返排時(shí)機(jī)選擇提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

鄂爾多斯盆地下古生界馬家溝組以海相碳酸鹽巖沉積為主，其中馬五1亞段主要為白云巖，孔隙度為0.25%～5.48%，滲透率為(0.000 93～0.415)×10-3μm2，儲(chǔ)層溫度為80～120 ℃。

試驗(yàn)巖樣采自地質(zhì)專家標(biāo)定的馬五1亞段露頭，在礦物組成方面與井下巖心匹配較好(圖1)。增產(chǎn)工作液在粗糙裂隙中的流動(dòng)行為較光滑裂隙更為復(fù)雜，但也更接近儲(chǔ)層條件下工作液在水力裂縫中的真實(shí)情況[10]。為真實(shí)模擬酸液在水力裂縫中的刻蝕行為，按照API標(biāo)準(zhǔn)制成長(zhǎng)度(140.0±0.2)mm、寬度(36.0±0.2)mm、厚度(50.0±0.2)mm的巖樣，并采用巴西劈裂方法將巖樣加工為成對(duì)的粗糙巖板，兩巖板之間的間隙模擬真實(shí)水力裂縫形貌[8]。為便于裂縫形貌定量表征，建立巖板表面坐標(biāo)系，標(biāo)定x方向?yàn)閹r板寬度方向，y方向?yàn)閹r板長(zhǎng)度方向，z方向?yàn)閹r板厚度方向，且以過(guò)裂縫面上最低點(diǎn)且平行于水平面的平面為基準(zhǔn)面。

圖1 露頭與巖心礦物組成分析結(jié)果Fig.1 Analysis results of outcrop and core mineral composition

圖2 裂縫面坐標(biāo)標(biāo)定示意圖Fig.2 Diagram of coordinate calibration on fracture surface

試驗(yàn)酸液體系為VES酸體系：20 %HCL+5 %VES+5%緩蝕劑+1%鐵離子穩(wěn)定劑+1%助排劑。

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用西南石油大學(xué)研制的酸壓裂縫導(dǎo)流能力測(cè)試系統(tǒng)，包括酸刻蝕物理模擬裝置、三維激光掃描裝置和導(dǎo)流能力測(cè)試裝置(圖3)。酸刻蝕物理模擬裝置用于模擬酸液刻蝕裂縫的物理過(guò)程；三維激光掃描裝置可以獲取裂縫表面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)字化重構(gòu)，便于定量分析酸刻蝕裂縫形態(tài)；導(dǎo)流能力測(cè)試裝置能夠評(píng)價(jià)地層條件下的酸蝕裂縫導(dǎo)流能力。

圖3 酸壓裂縫導(dǎo)流能力測(cè)試系統(tǒng)Fig.3 Acid-fracture conductivity test system

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.1 試驗(yàn)排量

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)[8]：

(1)

式中,ql為試驗(yàn)尺度注酸排量,m3/s;qf為工程尺度注酸排量,m3/s;hl為巖板寬度,m;wf為地層水力裂縫寬度,m;hf為地層裂縫高度,m;n為冪律指數(shù);wl為試驗(yàn)巖板形成的裂縫寬度,m。

試驗(yàn)排量計(jì)算結(jié)果:施工排量為3.0 m3/min,地層縫高為21.0 m,地層縫寬為0.002 7 m,流態(tài)指數(shù)為0.146,巖板寬度為0.038 m,試驗(yàn)縫寬為0.001 m,試驗(yàn)排量為260 mL/min。

1.3.2 試驗(yàn)溫度

試驗(yàn)溫度的選取考慮了井筒積液影響和注入流體與井筒的熱交換效應(yīng),采用非穩(wěn)態(tài)井筒溫度場(chǎng)數(shù)值計(jì)算方法[11]獲取酸壓過(guò)程中裂縫入口處溫度分布曲線(圖4),采用酸液體抵達(dá)裂縫入口處的溫度作為試驗(yàn)溫度。計(jì)算條件參照延安氣田研究區(qū)平均注液排量3.0 m3/min,平均垂深3 500 m,目的層平均地層溫度112 ℃。假設(shè)初始情況下井筒充滿流體,按照3 m3/min的排量注酸,井筒積液全部進(jìn)入地層需4 min;故酸液從第4 min開始進(jìn)入地層,近似取第4 min時(shí)井底溫度100 ℃為試驗(yàn)溫度。

1.3.3 試驗(yàn)方案

基于試驗(yàn)排量和注液溫度確定方法,在注酸排量與溫度恒定時(shí),試驗(yàn)?zāi)M不同注酸時(shí)長(zhǎng)下關(guān)井效應(yīng)對(duì)酸刻蝕裂縫形態(tài)和導(dǎo)流能力的影響。試驗(yàn)?zāi)M注酸時(shí)長(zhǎng)30、60、90與120 min時(shí),關(guān)井30 min對(duì)酸刻蝕形態(tài)與導(dǎo)流能力的影響。為排除試驗(yàn)中巖面礦物性質(zhì)差異造成的影響,試驗(yàn)巖板來(lái)源于同一露頭,且選定單巖板進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn),即針對(duì)N(取值1～4)號(hào)巖樣劈裂形成的兩塊巖板N-1與N-2,保持注酸時(shí)長(zhǎng)相同,N-1不進(jìn)行關(guān)井模擬,N-2關(guān)井30 min模擬,酸液體系為VES,試驗(yàn)溫度100 ℃,排量為260 mL/min。

圖4 3 500 m處裂縫入口溫度分布Fig.4 Temperature distribution at fracture inlet at 3 500 m

2 試驗(yàn)結(jié)果討論

2.1 關(guān)井效應(yīng)對(duì)酸刻蝕形貌的影響

2.1.1 酸刻蝕裂縫面特征

觀察各組巖板刻蝕前的初始形貌發(fā)現(xiàn):巖板N-1與N-2嚙合,如巖板2-1(圖5(c)左)中的高峰與低谷處同巖板2-2(圖5(d)左)中的低谷與高峰剛好嚙合。

當(dāng)不關(guān)井時(shí),各注酸時(shí)長(zhǎng)下的裂縫形貌表明:注酸30 min后,巖板1-1(圖5(a))巖面色度云圖無(wú)明顯變化,說(shuō)明酸刻蝕作用對(duì)裂縫形貌影響較小;注酸60 min后,巖板2-1(圖5(c))巖面色度云圖有一定變化,紅白色高峰被略微削弱,黃綠色低谷幾乎沒有變化,說(shuō)明此時(shí)酸刻蝕對(duì)裂縫形貌有一定影響;注酸90 min后,巖板3-1(圖5(e))巖面色度云圖由紅色變?yōu)辄S綠色,出現(xiàn)了黃綠色低谷,峰谷差距增大,局部多處出現(xiàn)溶蝕孔洞,說(shuō)明此時(shí)酸刻蝕對(duì)裂縫形貌影響較大;注酸120 min后,巖板4-1(圖5(g))巖面色度云圖由橘紅色變?yōu)辄S綠色,出現(xiàn)大面積的藍(lán)綠色低谷,天然裂縫位置處出現(xiàn)酸溶蝕蚓孔,說(shuō)明此時(shí)酸刻蝕對(duì)裂縫形貌改變明顯。

圖5 酸刻蝕前后裂縫形貌Fig.5 Fracture morphology before and after acidizing

關(guān)井30 min后,即酸液刻蝕裂縫后在裂縫中滯留30 min,發(fā)現(xiàn)關(guān)井效應(yīng)對(duì)不同注酸時(shí)間下的酸刻蝕形貌影響程度不同。如注酸30 min后,巖板1-2(圖5(b))巖面色度云圖由橘黃色變?yōu)辄S綠色,橘黃色高峰被略微削弱,出現(xiàn)綠色低谷特征;對(duì)比巖板1-1(圖5(a))說(shuō)明注酸30 min時(shí),關(guān)井效應(yīng)略微增加了裂縫表面粗糙程度。注酸60 min后,巖板2-2(圖5(d))紅白色高峰變化不大,低谷被加深為綠色,峰谷之間的差距明顯增大,對(duì)比巖板2-1(圖5(c)),關(guān)井效應(yīng)增加了裂縫表面粗糙程度。注酸90 min后,巖板3-2(圖5(f))橘黃色高峰被削弱為黃色,黃色低谷被加深為綠色,但峰谷之間的差距減小,對(duì)比巖板3-1(圖5(e)),關(guān)井效應(yīng)進(jìn)一步增強(qiáng)了溶蝕現(xiàn)象。注酸120 min后,巖板4-2(圖5(h))紅白色高峰被削弱為黃色,出現(xiàn)大面積的藍(lán)綠色低谷,對(duì)比巖板4-1(圖5(g)),關(guān)井效應(yīng)溶蝕現(xiàn)象明顯。

為進(jìn)一步定量分析不同注酸時(shí)長(zhǎng)下關(guān)井效應(yīng)對(duì)酸刻蝕裂縫形貌影響,選擇裂縫面迂曲度、酸巖反應(yīng)溶蝕量、裂縫流動(dòng)空間與平均縫寬3個(gè)參數(shù)表征酸蝕裂縫形貌變化[8,12-13]。

2.1.2 裂縫面迂曲度

使用克里金插值法,以0.2 mm為步長(zhǎng)劃分網(wǎng)格,將每個(gè)網(wǎng)格圍成的曲面近似處理為平面,計(jì)算得到各巖板裂縫曲面面積[14](表1)。定義粗糙裂縫面迂曲度[12]為

(2)

式中,τ為粗糙裂縫面迂曲度;Ar為粗糙裂縫面真實(shí)面積,mm2;An為粗糙裂縫面名義面積,即對(duì)應(yīng)同樣尺度的光滑巖板面面積,mm2。

光滑巖板的單個(gè)裂縫面積為5 040.0 mm2,由式(2)求取酸刻蝕前后粗糙裂縫面的迂曲度變化(表1)。由表1知:巖板N-1與N-2刻蝕前曲面面積誤差均小于0.5%,說(shuō)明兩巖板基本嚙合。當(dāng)僅有注酸作用時(shí),隨著注酸時(shí)間增加,刻蝕后裂縫面迂曲度逐漸增加,表明酸液對(duì)粗糙裂縫面“削峰”作用弱于“深谷”作用[8];當(dāng)考慮30 min的關(guān)井效應(yīng)時(shí),酸液在裂縫中的滯留對(duì)刻蝕裂縫面迂曲度影響差異明顯,注酸30、60 min時(shí)關(guān)井效應(yīng)使酸蝕裂縫面迂曲度增加,而注酸90、120 min時(shí),關(guān)井效應(yīng)使迂曲度減小。

表1 刻蝕前后巖板曲面面積和迂曲度變化Table 1 Change in slates surface area and tortuosity

表1 刻蝕前后巖板曲面面積和迂曲度變化Table 1 Change in slates surface area and tortuosity

巖板編號(hào)注酸時(shí)間/min關(guān)井時(shí)間/min巖板面積A/mm2酸刻蝕前酸刻蝕后刻蝕前巖板面積誤差/%迂曲度τ酸刻蝕前酸刻蝕后注酸效應(yīng)引起的迂曲度變化注酸+關(guān)井效應(yīng)引起的迂曲度變化1-130535957741-2303053375828 2-16059986800 2-2603060217622 3-19058277801 3-2903058516856 4-112061918228 4-212030617880790.420.380.410.201.0631.1460.0831.0591.1560.097 1.1901.3490.1591.1951.5920.397 1.1561.5480.3921.1611.3010.14 1.1691.6330.4641.1661.6030.437

2.1.3 裂縫流動(dòng)空間及平均縫寬

由于選用單巖板開展酸刻蝕試驗(yàn),裂縫寬度即為單巖面高程最高點(diǎn)(與光滑平面接觸)與巖面上任意位置高程的差值,即

w(xi,yj)=zmax-z(xi,yj).

(3)

式中,w(xi,yj)為對(duì)應(yīng)坐標(biāo)(xi,yj)處的縫寬,mm;zmax為巖面高程的最大值,mm;z(xi,yj)為任意位置對(duì)應(yīng)坐標(biāo)(xi,yj)處的高程,mm。

圖6為酸刻蝕前后,由式(3)計(jì)算的縫寬分布云圖。由圖6可知,較短的酸巖反應(yīng)時(shí)間(小于等于60 min),酸刻蝕對(duì)裂縫空間分布無(wú)明顯改善作用,如巖板1-1、1-2與2-1刻蝕前后的裂縫流動(dòng)空間幾乎沒有變化,平均縫寬少量增加;酸巖接觸反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)(大于60 min)時(shí),酸刻蝕后縫寬分布范圍明顯加大,如巖板2-2、3-1、4-1與4-2。

粗糙裂縫平均縫寬計(jì)算式為

(4)

圖7為由式(4)計(jì)算的酸刻蝕前后平均縫寬?？芍P(guān)井效應(yīng)引起的酸液滯留裂縫會(huì)增加平均酸蝕縫寬,但增長(zhǎng)幅度有差異。注酸30 min后,關(guān)井效應(yīng)對(duì)縫寬增加的影響很小(巖板1-2),因?yàn)?0 min的酸巖接觸時(shí)間(注酸時(shí)間30 min+關(guān)井酸液滯留30 min)較短,刻蝕效果不明顯;注酸120 min后,關(guān)井效應(yīng)的影響也較小,這是由于注酸時(shí)間過(guò)長(zhǎng)(總的酸巖反應(yīng)時(shí)間為150 min),巖面已經(jīng)充分溶蝕,后續(xù)關(guān)井效應(yīng)對(duì)巖面非均質(zhì)刻蝕改善程度有限(圖6(h));注酸60與90 min時(shí),關(guān)井效應(yīng)對(duì)縫寬增加的影響較大,因?yàn)殛P(guān)井有效增加了酸巖接觸時(shí)間,注酸60 min+關(guān)井30 min使酸液刻蝕得更充分、縫寬增加(巖板2-2),注酸90 min時(shí)關(guān)井導(dǎo)致巖面過(guò)度溶蝕、酸蝕平均縫寬減小(巖板3-2)。

圖6 酸刻蝕前后裂縫流動(dòng)空間Fig.6 Fracture flow space before and after acidizing

2.2 關(guān)井效應(yīng)對(duì)導(dǎo)流能力的影響

定義某閉合壓力下的無(wú)因次導(dǎo)流能力為該閉合壓力下的導(dǎo)流能力與初始閉合壓力下導(dǎo)流能力最大值的比值,即

F=(kw)i/(kw)max.

(5)

式中,F為酸蝕裂縫無(wú)因次導(dǎo)流能力; (kw)i為第i個(gè)閉合壓力點(diǎn)下的酸蝕裂縫導(dǎo)流能力,μm2·cm;(kw)max為初始酸蝕裂縫導(dǎo)流能力的最大值,μm2·cm。

圖7 平均裂縫寬度變化Fig.7 Change in average acid-fracture width

圖8為關(guān)井效應(yīng)對(duì)酸蝕裂縫導(dǎo)流能力的影響。由圖8(a)可知，中低閉合壓力(10.8～27.0 MPa)階段，當(dāng)不考慮關(guān)井效應(yīng)時(shí)，導(dǎo)流能力的大小依次為注酸60、30、90、120 min。當(dāng)注酸90、120 min時(shí)，雖然刻蝕后初始平均縫寬增大(圖7)，但由于裂縫面過(guò)度溶蝕(圖5、6)，支撐點(diǎn)力學(xué)強(qiáng)度降低，導(dǎo)致閉合壓力下導(dǎo)流能力迅速遞減[15]；轉(zhuǎn)向酸體系對(duì)巖石力學(xué)強(qiáng)度影響建議可進(jìn)一步系統(tǒng)研究。當(dāng)考慮關(guān)井效應(yīng)時(shí)，注酸30、60 min導(dǎo)流能力改善明顯，其中注酸60 min+關(guān)井30 min在10.8 MPa時(shí)，獲得最高初始導(dǎo)流能力2 416.7 μm2·cm；當(dāng)注酸90 min且考慮關(guān)井效應(yīng)時(shí)，導(dǎo)流能力改善優(yōu)勢(shì)逐漸喪失，尤其是當(dāng)閉合壓力為27.0 MPa時(shí)，注酸效應(yīng)與注酸效應(yīng)+關(guān)井效應(yīng)兩種情況的導(dǎo)流能力接近；當(dāng)注酸120 min時(shí)，關(guān)井效應(yīng)反而削弱了導(dǎo)流能力。

圖8 關(guān)井效應(yīng)對(duì)酸蝕裂縫導(dǎo)流能力影響Fig.8 Effect of well shut-in on acid-fracture conductivity

在高閉合壓力(大于27.0 MPa)階段，不考慮關(guān)井效應(yīng)時(shí)，導(dǎo)流能力變化趨勢(shì)與中低閉合壓力階段較接近，特別的是當(dāng)閉合壓力大于37.8 MPa，此時(shí)注酸90 min時(shí)的導(dǎo)流能力大于注酸30 min時(shí)的導(dǎo)流能力，說(shuō)明此時(shí)長(zhǎng)時(shí)間注酸有利于改善酸蝕裂縫導(dǎo)流能力，但仍然小于注酸60 min時(shí)的導(dǎo)流能力。

由圖8(b)可知，在中低閉合壓力(10.8～27.0 MPa)階段，注酸時(shí)間小于等于90 min時(shí)，關(guān)井效應(yīng)可以一定程度改善酸蝕裂縫導(dǎo)流能力，但注酸時(shí)間越長(zhǎng)，關(guān)井效應(yīng)對(duì)導(dǎo)流能力影響越?。辉诟唛]合壓力(大于27.0 MPa)階段，長(zhǎng)時(shí)間注酸(大于60 min)后，關(guān)井效應(yīng)引起的酸液在裂縫中的滯留會(huì)降低裂縫導(dǎo)流能力，這是由于酸液過(guò)度溶蝕，使流動(dòng)空間變小(圖5(h)、6(h))。

從關(guān)井效應(yīng)對(duì)導(dǎo)流能力的影響可知：當(dāng)注酸時(shí)間小于等于60 min時(shí)，酸液在裂縫中的滯留可以提升酸蝕裂縫導(dǎo)流能力，因此建議酸壓施工時(shí)，短時(shí)間注酸可以適當(dāng)延長(zhǎng)關(guān)井時(shí)間，使酸液在裂縫中滯留進(jìn)一步改善酸蝕裂縫導(dǎo)流能力；當(dāng)注酸時(shí)間大于60 min時(shí)，關(guān)井引起的酸液滯留會(huì)進(jìn)一步削弱酸刻蝕裂縫非均質(zhì)程度，進(jìn)一步降低酸蝕裂縫導(dǎo)流能力，因此建議酸壓施工時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間大規(guī)模注酸結(jié)束時(shí)及時(shí)開井返排，減小酸液在裂縫中的滯留。

3 結(jié) 論

(1)考慮關(guān)井效應(yīng)時(shí)，較短時(shí)間(小于等于60 min)注酸，酸液滯留使酸蝕裂縫面迂曲度增加，酸蝕平均縫寬增大；較長(zhǎng)時(shí)間(大于60 min)注酸，酸液滯留使酸蝕裂縫面迂曲度減小，酸蝕平均縫寬減小。

(2)不考慮關(guān)井效應(yīng)時(shí)，馬五1亞段儲(chǔ)層存在一個(gè)最佳的注酸時(shí)間60 min，使導(dǎo)流能力保持較好?？紤]關(guān)井效應(yīng)時(shí)，當(dāng)注酸時(shí)間小于等于60 min時(shí)，關(guān)井引起的酸液滯留可以強(qiáng)化對(duì)裂縫面的刻蝕，提高酸蝕裂縫導(dǎo)流能力；當(dāng)注酸時(shí)間大于60 min時(shí)，關(guān)井效應(yīng)引起的酸液滯留對(duì)裂縫面的過(guò)度溶蝕導(dǎo)致高閉合壓力(大于27.0 MPa)階段裂縫導(dǎo)流能力降低。

(3)針對(duì)馬五1亞段儲(chǔ)層VES酸壓，當(dāng)注酸時(shí)間小于等于最佳注酸時(shí)間時(shí)，建議酸壓停泵后適當(dāng)關(guān)井，進(jìn)一步改善酸蝕裂縫導(dǎo)流能力；當(dāng)注酸時(shí)間大于最佳注酸時(shí)間時(shí)，建議酸壓后及時(shí)開井返排，減小酸液滯留對(duì)裂縫面的過(guò)度溶蝕，以免削弱酸蝕裂縫導(dǎo)流能力。