碳酸鹽巖酸化壓裂力學性質劣化效應試驗

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參數對酸壓結果有一定的影響［7］。有學者研究了酸巖反應石力學參數的影響［8-9］，表明酸蝕作用對巖石力學參數有明顯的影響。但現階段對現場常用的酸液體系對碳酸鹽巖巖石力學參數影響的研究較少，并且沒有考慮酸液類型以及酸巖反應時間對酸壓裂縫導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、利緩速的特點在現場酸壓過程中受到較多應用。此外，清潔自轉向酸技術因其無殘渣、低傷害、易破膠等特點，也成為了現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別。

本文采用現場的清潔酸及膠凝酸兩種酸液體系，對碳酸鹽巖進行不同類型酸液及酸蝕時間下室內三軸巖石力學測試，探討酸壓過程中酸蝕作用對儲層破裂壓力、裂縫導流能力以及地層脆性的影響，結合巖石破裂面的3-D掃描進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儲層（見圖1）。普光氣田目標層段埋深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%，滲透率達到0. 12 × 10-3μm2。地層壓力系數介于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的圓柱形標準試件。為了反映現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%轉向劑＋1.5%鐵離子穩定劑＋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%鐵離子鐵穩劑＋0.8%活性劑）。

1.3 試驗方法

采用中國石油大學（北京）巖石力學實驗室的三軸應力測試系統進行測試，基于儲層特征環境設計圍壓條件，將試樣按照酸蝕時間進行分類，分為無酸浸、50 min及90 min酸浸3 類，測試分析巖石力學參數。采用3-D掃描儀重構不同類型酸液、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雜程度。

2 試驗結果及分析

2.1 酸液靜態酸蝕結果分析

酸壓施工結束后，裂縫導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，在不同酸巖反應時間下，裂縫表面不規則程度，利用3-D 掃描技術對酸蝕后試樣破裂面進行掃描，重構其空間形態，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）。對試樣進行三軸巖石力學試驗，并沿裂縫面將巖樣開啟，對破裂面進行3-D掃描。短時間內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，膠結物部分或完全溶解，膠結強度降低，表現為裂縫壁面上膠結物分布不均勻，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，隨著酸巖反應時間的增長，裂縫壁面趨于平整，裂縫導流能力降低。

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，且斷裂方式更復雜，內部孔洞更發育。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流能力；在不考慮返排及儲層保護的情況下，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 三軸巖石力學實驗

對碳酸鹽巖試樣進行力學參數測試，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，不進行酸蝕。由于試樣14 在三軸巖石力學參數測試過程中發生了脆性斷裂，測得參數與實際不符，不予討論。

2.2.1 抗壓強度

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

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

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。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 抗壓強度試驗結果對比

隨著酸浸時間的增加，裂縫的導流能力呈下降趨勢，清潔酸對裂縫導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，在保證經濟性的基礎上，要綜合考慮酸蝕對裂縫導流能力的影響，根據酸液性質有針對性地進行返排工作。

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部結構，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 彈性模量試驗結果對比

2.2.3 泊松比

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

對式（3）進行整理，得到：

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

泊松比（μ）的試驗結果如圖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，從而降低后續壓裂改造的難度。

圖5 泊松比試驗結果對比

2.2.4 脆性指數

地層的脆塑性對壓裂后產生的縫網復雜程度具有一定的影響，地層脆性指數越高，壓裂后產生的縫網越復雜［14-17］。Rickman 等［18］認為，地層的彈性參數，如彈性模量、泊松比與地層的脆性指數呈線性正相關，并給出評價方法：

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

利用式（5）分析酸蝕作用對地層的脆性影響，計算結果如圖6 所示。酸蝕后，試樣的脆性整體表現出增強的趨勢。酸蝕前，平均脆性指數為57.13；清潔酸酸蝕50 min 后，平均脆性指數升高至64.04；90 min后，平均脆性指數為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，脆性指數趨于穩定，而膠凝酸在酸蝕作用50 min 時，平均脆性指數為34.91，略有降低，在酸蝕90 min 時，脆性指數升高至90.59，可見膠凝酸對地層脆性的影響具有明顯的時間效應，隨著酸蝕時間的增加，地層脆性指數逐漸升高。

圖6 試樣脆性指數對比

酸蝕作用可以提高地層的脆性，有利于后續壓裂作業，使后期改造更容易形成復雜縫網，得到高導流通道，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部原有微細觀結構，減弱巖石內部的膠結作用，使近酸蝕面部分碳酸鹽巖巖石骨架松散，導致其巖石力學特性發生改變。

如圖7 所示，酸蝕前試樣應力應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，膠凝酸劣化結果與時間無明顯相關性。

圖7 酸蝕弱化三軸試驗應力-應變曲線

3 結 論

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

（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，并且相比清潔酸降低幅度更高。

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

（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，有利于后續壓裂作業，使后期改造更容易形成復雜縫網，得到高導流通道，獲得較好的改造效果，其中膠凝酸體系對儲層脆性指數的影響更高，作用效果更明顯。