酸壓裂縫體形態與流動能力的控制因素
——以鄂爾多斯盆地大牛地氣田下奧陶統馬家溝組馬五5亞段儲層為例

郭建春 陳付虎, 茍 波,3 李嘉瑞 王世彬 肖 暉 任冀川

1. “油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室g西南石油大學 2.中國石化華北油氣分公司3. 西南石油大學博士后科研流動站 4. 重慶科技學院石油與天然氣工程學院

0 引言

開展體積酸壓的目的是增加酸壓裂縫在平面上的復雜性且將酸壓改造理念從平面拓展到立體空間，強調酸壓裂縫體的概念，既注重酸壓裂縫體的復雜形態和流動能力，又關注酸壓裂縫體沿井筒方向上的部署（長井段儲層分層/分段優化），最終實現油氣藏的立體高效開發[1-5]。酸壓裂縫體的形態和流動能力控制既是實現立體酸壓的核心，也是長井段儲層分段的重要依據[5]。已有學者通過開展酸壓物理模擬實驗，對控制碳酸鹽巖酸壓裂縫體形態的影響因素進行了研究，主要包含以下兩個方面的內容：①天然裂縫、溶洞的展布及地應力差異對水力裂縫擴展的影響[6-8]；②酸液對裂縫擴展的影響[9]。

目前關于酸壓施工工程參數（注酸量、注酸排量等）對酸壓裂縫體形態和流動能力影響的研究還比較鮮見，在一定程度上影響了酸壓施工的有效性。為此，筆者選取鄂爾多斯盆地大牛地氣田下奧陶統馬家溝組馬五5亞段露頭巖樣，針對“滑溜水＋高濃度酸液”酸壓工藝，采用巖石力學真三軸耦合系統開展室內物理模擬實驗；采用CT掃描技術來表征酸壓裂縫體形態及獲取裂縫寬度，在此基礎上，研究了酸壓裂縫體形態控制因素；然后，通過對裂縫系統的滲透率進行測試，研究酸壓裂縫體流動能力控制因素。以期為致密碳酸鹽巖儲層立體酸壓的優化設計提供指導。

1 氣藏概況

鄂爾多斯盆地大牛地氣田下古生界馬家溝組馬五段碳酸鹽巖儲層埋深介于2 700～3 500 m，巖性以白云巖為主，儲集空間類型多樣；儲層孔隙度主要介于1%～5%，滲透率主要介于0.01～0.50 mD，并且非均質性強；天然裂縫欠發育，以充填的溶蝕縫為主[10]；單井一般無自然產能，即使開展了常規深度酸壓也難以實現氣井高產。2014年以來，借鑒立體開發理念，該氣藏采用直井分層及水平井分段的復合酸壓改造技術，平均單井天然氣產能提高52.9%，實現了致密—低滲透碳酸鹽巖儲層天然氣勘探開發技術的突破[11-13]。

2 實驗裝置、步驟與方案

實驗巖心取自大牛地氣田下奧陶統馬家溝組馬五5亞段露頭巖樣，該巖樣與井下巖樣的礦物成分、孔隙度及滲透率較接近（表1），且天然裂縫全為充填的溶蝕縫。將所選巖樣加工成長方體巖心（長度、寬度均為50 mm，高度為100 mm），在其中心鉆一個長度為21 mm、直徑為6 mm的鉆孔來代表井眼（圖1）。實驗液體采用滑溜水和現場使用的質量濃度為25%的膠凝酸體系。

表1 研究區露頭、井下巖樣礦物成分及物性參數對比表

2.1 實驗裝置與步驟

實驗裝置主要包括巖石力學真三軸耦合系統和CT掃描儀。巖石力學真三軸耦合系統主要用于模擬水力壓裂破巖和酸液刻蝕水力裂縫的過程，并且在水力壓裂破巖后，采用該系統的液測方法，即通過監測巖心入口端、出口端壓力的變化和注入流量，由達西公式獲取實驗巖心滲透率，進而表征巖心在水力壓裂和酸液刻蝕前后滲透率的變化。在長方體巖心3個軸向分別加載垂向應力（σv）、最大水平主應力（σH）和最小水平主應力（σh）以模擬地層中的三向應力狀態，由巖心端面鉆孔依次注入壓裂液和酸液來模擬壓裂酸化過程。由于巖樣致密且天然裂縫被全充填，CT掃描儀獲取水力壓裂前巖樣中天然裂縫的形態難度大[14]，因此將其用于獲取水力壓裂和水力裂縫酸化后裂縫體3D形態和在巖心不同位置切片（A、B、C）上裂縫的2D形態，從而得到裂縫寬度和條數。

針對前述“滑溜水＋高濃度酸液”酸壓工藝的模擬實驗主要分為以下兩個步驟：①開展水力壓裂破巖實驗，測試水力壓裂后裂縫體的滲透率，并且基于CT掃描進行裂縫體的表征；②開展水力裂縫酸化實驗，測試酸化后裂縫體的滲透率，并且基于CT掃描進行酸化后裂縫體的表征。

圖1 實驗巖心與CT掃描切片位置示意圖

2.2 實驗方案

根據相似準則，考慮實驗裝置的承壓能力與注液能力，將酸壓工程條件下的參數（目標層段地應力、注液排量等）轉化為室內物理模擬實驗條件下的參數（巖心加載應力、滑溜水及酸液的注入排量、注酸量等）[15-16]。此次實驗主要研究注酸排量（qa）、注酸量（Va）兩個因素對酸壓裂縫體形態與流動能力的影響，而其他參數值固定，如實驗室條件下的巖心加載應力σH、σh保持在8.0 MPa、6.0 MPa（對應于目標層段σH、σh分別為 67.5 MPa、51.1 MPa，水平主應力差異系數為0.25），而σv則保持在12.0 MPa，用于造水力裂縫的滑溜水的注入排量保持在20.0 mL/min（對應現場注液排量為10.0 m3/min），至巖樣破裂時停止注入，同時酸液質量濃度為25%。此次酸壓物理模擬實驗總共設計了7組方案，方案參數如表2所示。

表2 酸壓物理模擬實驗方案參數表

3 酸壓裂縫體形態控制因素

3.1 酸液對水力裂縫形態的影響

如圖2所示，在相同滑溜水注入排量（20.0 mL/min）、注酸排量（12.0 mL/min）及不同的注酸量（Va）的情況下，酸壓后形成的裂縫形態呈樹枝形、蛇形、樹冠形和“人”字形，說明大牛地氣田馬五5亞段儲層在現有地應力條件下，酸壓后能夠形成復雜裂縫體。

然后，采用CT掃描儀分別對水力壓裂后和酸化后的巖心進行掃描，如圖3-a所示，水力壓裂后巖心內部的裂縫呈現為“主縫＋分支縫”的復雜形態，將平行于最大水平主應力方向且與模擬井眼距離較近的裂縫視為主縫，由主縫延伸出的裂縫則為分支縫[17]。水力壓裂縫從巖心的頂部（靠近注液端）延伸至底部，在巖心內部產生呈“X 形交叉的兩條主縫，且其周圍產生了多條分支傾斜裂縫。由巖心頂部向底部的3張CT切片（切片A、B、C）圖像可知（圖3-b～d），水力裂縫擴展方向仍沿最大水平主應力方向，且在主縫附近產生了不同數目的分支縫；巖心頂部（圖3-b）、中部（圖3-c）、底部（圖 3-d）的裂縫條數分別為3條、3條和4條，且裂縫寬度由巖心頂部向底部有不同程度地減小（表3）。

水力壓裂后，從巖心頂部向底部，即由切片A至切片C，主縫寬度逐漸變窄，并且分支縫的寬度均小于主縫。酸化后裂縫寬度的變化規律如下：①酸化后，裂縫整體形態與巖心不同位置處的裂縫條數均無明顯變化（圖3-e～h），但裂縫寬度變化明顯（表3），其中主縫寬度變化最明顯，同時分支縫寬度均小于主縫，如切片A中的1號與3號裂縫；②在酸化過程中，酸液在分支縫與遠端主縫的競爭流動尤為激烈，如切片A中1號裂縫與切片C中4號裂縫，雖然酸化前切片C中4號（主縫）的寬度大于切片A中1號裂縫，但是由于切片A中1號裂縫靠近注液端，因此酸化后其裂縫縫寬改善程度優于切片C中4號裂縫；③靠近注液端的裂縫具有明顯的進液優勢，尤其是在酸化裂縫中，如酸化后切片A中3號裂縫（主縫）縫寬增加更明顯，且井眼有明顯的溶蝕擴徑現象；④如圖3-b、f所示，切片A中1號裂縫與2號裂縫交互切割形成的小網狀縫在一定程度上也被酸液溶蝕，進而相互溝通，可見酸化具有疏通水力壓裂縫、擴大水力裂縫寬度的作用。

圖2 不同Va下酸壓后巖心照片

圖3 2號巖心水力壓裂、酸化后CT掃描照片

表3 2號巖心水力壓裂、酸化后裂縫寬度統計表

3.2 注酸量對酸壓裂縫體形態的影響

為進一步分析酸液對水力裂縫復雜程度的改善效果，選取4號巖樣（其注酸量是2號巖樣的兩倍）進行CT掃描，以觀察水力壓裂和酸化后裂縫體的形態。如圖4-a～d所示，水力壓裂后巖心內部形成了以1號、2號裂縫為主縫的交錯裂縫帶，復雜裂縫帶的形成原因可能與巖心中存在天然裂縫弱面有關；水力壓裂后裂縫的形態較為復雜，形成了“T”形縫，且裂縫之間有明顯的交錯切割現象。

如圖4-e～h所示，注酸后裂縫形態和條數沒有明顯變化，但CT切片上裂縫的顏色明顯變深，裂縫寬度明顯增大，并且水力裂縫交錯切割部分明顯被酸液溶蝕貫通。

裂縫寬度的變化有如下規律：①裂縫與井眼的連通性也是影響水力壓裂后和酸化后裂縫寬度的關鍵因素之一，如切片A中1號裂縫（主縫）靠近注液端，但是由于與井眼沒有直接連通，因此水力壓裂后和酸化后該裂縫的寬度均小于切片B中的3號裂縫和切片C中的2號裂縫；②酸化作用使得裂縫連通性得到明顯改善，同時裂縫寬度也明顯增大（表4）。

2號與4號巖心水力壓裂后裂縫寬度的最大值與平均值接近（表5），并且裂縫復雜程度也較為接近（圖3-a～d、圖4-a～d）。如圖3、4所示，酸化后裂縫復雜程度變化不明顯，但是裂縫寬度增大明顯，4號巖心在注酸量加倍的情況下，酸化后的平均縫寬、最大縫寬及縫寬增加倍數均超過2號巖心。“滑溜水＋高濃度酸液”酸壓工藝中，酸液對增加水力裂縫形態的復雜性貢獻有限，酸液主要在水力壓裂后形成的裂縫體內流動反應，改善裂縫體的流動能力，大型體積酸壓后的微地震監測結果[18]也證實了該結論。

表4 4號巖心水力壓裂、酸化后裂縫寬度統計表

3.3 注酸排量對酸壓裂縫體形態的影響

酸液對水力裂縫的連通性和裂縫寬度有明顯的改善作用，為進一步認識注酸參數對酸壓裂縫體形態的影響，開展實驗研究了在注酸量一定的情況下，注酸排量對酸壓裂縫體形態的影響。在相同滑溜水注入排量（20.0 mL/min）、注酸量 （20.0 mL）條件下，巖石破裂形態均較復雜，分別呈現平行縫（圖5-a）、“人”字形縫（圖5-b）、“T”形縫（圖5-c）和蛇形縫（圖2-b）。

表5 不同Va下裂縫寬度統計表

圖5 不同qa下酸壓后巖心照片

圖6-a～d展示了7號巖心在水力壓裂后經過CT掃描得到的裂縫三維形態和不同位置CT切片上的裂縫二維展布，可以看出，水力壓裂后在7號巖心形成了“主縫＋分支縫”的復雜裂縫網絡，其中2號裂縫為主縫，1號、3號裂縫為分支縫，且主縫沿著最大水平主應力方向，分支縫與主縫存在不同角度的相交。如圖6-e～h所示，酸化后裂縫條數和形態差異不大，但裂縫寬度有所增加（即裂縫顏色加深），且連通性得到了明顯改善，對比圖6-c、g，可見酸化后2號、3號、5號裂縫間溝通的渠道增多，裂縫間的連通程度得到明顯改善。

由7號巖心水力壓裂后、酸化后的裂縫寬度變化（表6）可以看出：①裂縫形態越復雜，水力壓裂后形成的主縫與分支縫縫寬差異越小，酸化后主縫與分支縫縫寬差異也不明顯，如切片A、B、C中的2號、3號裂縫；②如圖6、圖5-c所示，均可看出2號、3號裂縫貫穿整個巖心，酸液在各裂縫之間的流動、酸化反應競爭非常激烈，由于水力壓裂后切片B中的3號裂縫縫寬占據一定優勢，從而使得酸化后切片B中3號裂縫的縫寬均大于其他切片。

如表7所示，2號巖心和7號巖心水力壓裂后，7號巖心的最大縫寬和平均縫寬均小于2號巖心，且裂縫復雜程度也低于2號巖心；但注酸排量提升后，經酸溶蝕后7號巖心的最大縫寬和平均縫寬均大于2號巖心，究其原因，雖然在注酸量一定的情況下，注酸排量越大，相應的注酸時間越短（即酸巖反應時間越短），但是，隨著注酸排量增大，有利于進一步增加水力裂縫的動態縫寬和改善裂縫之間的連通性，同時也有利于增強酸液對水力裂縫面的非均勻刻蝕[19]。

4 酸壓裂縫體流動能力控制因素

圖6 7號巖心水力壓裂、酸化后CT掃描照片

表6 7號巖心水力壓裂、酸化后裂縫寬度統計表

酸壓裂縫體的流動能力是影響立體酸壓效果的關鍵因素之一，在此用整個裂縫系統的滲透率來進行表征。在三軸應力條件下（與前述酸壓物理模擬實驗條件保持一致）采用清水進行水力壓裂后、酸化后滲透率的測試。為了表征酸液對裂縫體流動能力的改善程度，定義裂縫體滲透率增加幅度（ζ），即

式中Ka表示酸化后裂縫體滲透率，mD；Kw表示酸化前（水力壓裂后）裂縫體滲透率，mD。

4.1 注酸量對酸壓裂縫體流動能力的影響

水力壓裂后裂縫體滲透率介于5.2～6.6 mD；當注酸量為10 mL時，酸化后裂縫體滲透率反而下降（圖7），這可能是由于在注酸量較低的情況下，破碎的基質塊滯留在裂縫中，從而降低了裂縫體滲透率；當注酸量為20 mL、30 mL、40 mL時，酸壓裂縫體滲透率明顯增加，但是注酸量超過30 mL后，裂縫體滲透率增加幅度（ζ）變緩，可見存在著注酸量的合理范圍，當注酸量超過該范圍時，將發生酸液對裂縫壁面巖石力學強度的過度劣化，從而降低了酸壓裂縫壁面凸起支撐點的力學強度，導致其在閉合壓力作用下易被破壞，進而減小酸蝕裂縫寬度，降低了裂縫體的流動能力[20]。因此，在進行立體酸壓設計時，需要針對特定儲層改造對象，確定注酸量的合理范圍，進而優化注酸規模，以實現對儲層的充分改造。根據實驗結果，選取30 mL為合理注酸量，由表2可知對應工程尺度下的注酸強度為12.0 m3/m。

表7 不同qa下裂縫寬度統計表

圖7 注酸量對酸壓裂縫體滲透率影響曲線圖

4.2 注酸排量對酸壓裂縫體流動能力的影響

如圖8所示，水力壓裂后裂縫體滲透率介于3.9～6.1 mD，隨注酸排量增大，酸化后裂縫體滲透率增加幅度整體呈上升趨勢，當注酸排量超過12 mL/min后，提高排量對裂縫體滲透率增加的有利影響較小。在油氣藏進行酸壓改造時，為了實現水力裂縫擴縫寬及酸液深穿透，如果不考慮控制裂縫高度，在井口限壓條件下應盡量提高注酸排量。根據實驗結果，選取12 mL/min為最小合理注酸排量，由表2可知對應工程尺度下的注酸排量應大于等于6.0 m3/min。

圖8 注酸排量對酸壓裂縫體滲透率影響曲線圖

5 結論與建議

1）大牛地氣田馬五5亞段儲層平均水平主應力差異系數為0.25，酸壓后能夠形成復雜裂縫體。

2）酸液對裂縫條數的影響不明顯，其對水力裂縫的溶蝕、疏通作用增加了裂縫寬度，酸蝕縫寬是酸液在水力裂縫主縫與分支縫、靠近注液端的水力裂縫與遠端水力裂縫中競爭流動、反應的結果。

3）大牛地氣田馬五5亞段儲層進行酸壓改造時的合理注酸強度為12.0 m3/m，注酸排量應大于等于6.0 m3/min。

4）進行立體酸壓設計時，需要針對特定儲層改造對象，確定注酸量的合理范圍及最小合理注酸排量，進而優化注酸規模，以實現對儲層的充分改造。