大牛地馬家溝組儲層酸壓殘酸規律

張永春， 夏熙， 牟建業*， 李曉明， 李月麗

(1.中國石化華北油氣分公司石油工程技術研究院， 鄭州 450006； 2.中國石油大學(北京)石油工程教育部重點實驗室， 北京 102249)

大牛地馬家溝組為碳酸鹽巖儲層，其特點是埋藏深、儲層致密、滲透率低、巖性復雜，主要礦物成分為白云巖、灰巖，部分層位發育膏巖，還含部分雜質[1-5]。酸化壓裂是碳酸鹽巖儲層改造的有效增產措施，通過將酸液注入儲層進行壓裂，與巖石礦物產生酸巖反應，溶蝕裂縫壁面。在壓裂的同時，不僅解除近井地帶堵塞，且能有效增大酸蝕縫長，溝通遠井儲層，改善儲層滲流能力[6-8]。但致密儲層改造中殘酸對對儲層傷害可能對產能造成嚴重影響，針對儲層傷害方面，國內外學者從不同角度進行了研究。王達等[9]通過理論計算以及現場實驗證明，對于基質孔隙型灰巖儲層，采用適當的深穿透酸化造主蚓孔工藝可實現一定幅度的提產；董沅武等[10]研究了江漢油田硬石膏膠結的低滲透砂巖油藏壓裂過程中水敏性傷害的原因是硬石膏導致的水化膨脹和溶解再沉淀；鄧鵬等[11]研究了酸巖反應前后巖石宏觀和微觀結構特征變化，實驗分析了巖石力學特性損傷及其規律；李新勇等[12]研究了灰巖酸巖反應前后微觀結構和力學強度的變化規律；李憲文等[13]研究了在灰巖與白云巖的儲層條件下，不同酸液濃度對酸蝕裂縫導流能力的影響變化規律；Assem等[14]通過研究不同酸濃度、巖心初始滲透率、巖心長度、溫度、流速和螯合劑與鐵的摩爾比對巖心的影響，分析了碳酸鹽巖酸化過程中鐵沉淀的影響；Wang等[15]研究了在超高溫條件下酸化對低滲透砂巖儲層的傷害機理，實驗研究了酸巖反應中礦物結構的破壞和酸化二次產物在孔吼中的遷移堵塞；Mirkhoshhal等[16]在孔隙尺度下研究了酸化過程中儲層傷害機理，分析認為酸-油乳狀液和酸化沉淀的形成是造成地層損害的主要因素。綜上所述，國內外目前主要對酸化后巖石力學性質變化和酸化生成物影響進行了分析研究，但尚未對酸化對儲層滲透率傷害尤其是殘酸傷害分析進行系統研究。

大牛地馬家溝組天然氣豐度和單井產量低，因此酸化壓裂是大牛地氣田主要增產措施，該氣田施工規模大，改造層次多，酸化工藝復雜多樣[17-20]。針對酸壓過程中殘酸對儲層傷害問題，現采用大牛地馬家溝組儲層巖心和現場配比酸液體系，開展從孔隙介質、微裂縫和酸蝕裂縫等不同介質形態的滲透率傷害實驗，從宏觀和微觀尺度下觀測殘酸對不同介質形態巖樣的傷害影響，分析殘酸傷害規律。對降低傷害措施、改善酸壓效果、提高單井產量和區塊整體采收率有重要意義。

1 殘酸傷害測試實驗方法

1.1 基質殘酸傷害測試

選取大牛地馬家溝組天然巖心，經過線切割加工為Φ25 mm×50 mm巖心巖樣，以該巖心巖樣作為孔隙介質傷害測試樣品，然后利用巖心酸化驅替儀對巖心進行殘酸驅替，測定殘酸污染前后巖樣的滲透率，計算殘酸對巖樣的傷害率。實驗步驟如下。

步驟1巖心初始滲透率K0測定。將巖心烘干后放入夾持器，讓氮氣持續通過巖心夾持器直至流量及壓差穩定后，讀取流量計示數Q0，同時記錄入口端壓力P1。出口端壓力P2為大氣壓力P0=0.1 MPa，μ為氮氣黏度，L為巖心長度，A為橫截面積，則巖心初始滲透率K0計算公式為

(1)

步驟2對巖心進行CT掃描。樣品尺寸為Φ25 mm×50 mm，掃描體元分辨率10 μm，標記掃描方向，掃描圖像中黑色為孔隙空間，淺色為巖心基質。

步驟3殘酸對巖心傷害過程。將配制好的殘酸500 mL裝入高壓容器，同時加熱至地層溫度90 ℃，恒壓驅替(因巖心滲透率小)殘酸1 h。然后模擬殘酸返排，配制標準鹽水500 mL，將巖心取出轉換方向再重新放入夾持器，在相同恒定壓差下反向驅替1 h，將殘酸驅出。

步驟4殘酸驅替后滲透率K1測定。按照步驟1方法測殘酸污染巖心，殘酸傷害率計算公式為

η=(K0-K1)/K0×100%

(2)

步驟5對殘酸污染后的巖心進行CT掃描。掃描分辨率10 μm，從相同方向掃描，然后對比污染前后CT掃描圖像。

圖1 巖心酸化驅替儀Fig.1 Acidizing displacement instrument

1.2 微裂縫殘酸傷害測試

通過巴西劈裂使Φ25 mm×50 mm巖心形成貫穿巖心的裂縫，利用劈裂巖心的裂縫模擬天然裂縫形態，進行殘酸傷害測試，計算殘酸傷害率。實驗步驟如下。

步驟1將巖樣放入劈裂夾具內，保證巖樣上下兩根墊條與巖樣中心面處于同一平面內，固定好巖樣后，加載壓力直至破壞，形成一條溝通巖心兩端面的裂縫。

步驟2利用透明膠帶纏繞劈裂巖心柱面，固定巖樣并且保持裂縫閉合，防止巖心裂縫兩端在驅替過程中脫落，然后放入巖心夾持器。

步驟3按照1.1節中步驟1測定巖樣滲透率，用恒壓模式驅替殘酸流過巖心，驅替時長為1 h，然后再反向驅替標準鹽水1 h。

步驟4殘酸驅替后進行氣測滲透率，計算殘酸傷害率。然后剪開透明膠帶，打開裂縫剖面，觀測殘酸流經裂縫后的剖面形態。

1.3 酸蝕裂縫導流殘酸傷害測試

針對酸蝕裂縫導流能力傷害，進行了3組巖板的酸蝕裂縫導流能力測試，1組無殘酸污染，而另外2組殘酸污染后測導流能力。對巖板通酸后分別驅替鹽水和殘酸，通過兩組巖板導流能力對比，計算殘酸對巖板導流能力的傷害率。

(1)按照API標準加工長度為178 mm，寬度為37.8 mm，厚度為20 mm的巖板，配制20%膠凝酸3 L和殘酸500 mL。

(2)將巖板置于標準鹽水中浸泡24 h，晾干后在巖板周圍均勻涂膠，防止酸液驅替過程中從巖板與導流室之間的縫隙泄露，并稱量巖板涂膠后的質量。

(3)酸液驅替實驗。巖板放入酸液驅替導流槽中，設置兩塊巖板間距離6 mm模擬縫寬。配制酸液裝入酸罐中，連接管線。導流槽、酸罐置于恒溫箱中，進行漏液測試后，加熱至指定溫度(90 ℃)，預熱2 h，使酸液加熱至指定溫度。施加回壓7 MPa，設定排量(50 mL/min)進行驅替60 min，停止注酸后改用殘酸驅替10 min，最后再進行鹽水驅替，直至將裂縫及管線中的酸液和殘酸全部驅出，停泵。

(4)冷卻后拆卸導流室，取出巖樣，把操作臺及所有部件用清水清洗，然后稱重巖樣，驅替前后質量變化為巖溶量。

(5)裂縫導流能力測試。將酸蝕巖板放入導流槽中，連接管線，施加閉合應力，給定驅替排量，測量穩定驅替壓差，計算導流能力。施加的有效閉合應力為10～60 MPa，加載閉合壓力至下一個閉合壓力，直至加載到設定的最大閉合壓力值時結束，每個閉合壓力穩定5 min。然后通過軟件將實時測得的實驗數據導出，處理實驗數據，得出不同閉合壓力下的酸蝕裂縫導流能力值。

(3)

式(3)中：w為縫寬；q為排量；Δp為驅替壓差；μ為黏度；h為縫高；L為兩測壓點距離這；kf為裂縫滲透率。

2 酸液體系

現場酸液體系主要為膠凝酸，酸液配方為20%HCl+1.0%緩蝕劑+0.2%鐵離子穩定劑+0.2%助排劑+0.45%增稠劑，攪拌30 min后的鮮酸如圖2(a)所示。

殘酸制備方法：加入碳酸鈣粉末與酸液反應，利用pH試紙測試液體pH，直至接近中和時，過濾掉反應殘渣，然后將其置于90 ℃水浴鍋中破膠6 h，制備得到殘酸，如圖2(b)所示。

通過開展膠凝酸鮮酸及殘酸流變測試，對大牛地馬家溝組在用酸液性能進行評價，結果如圖3所示。實驗結果表明，膠凝酸鮮酸在溫度90 ℃下剪切60 min，酸液黏度低于10 mPa·s，說明酸液增黏性能較差，影響酸壓效果；膠凝酸殘酸在溫度90 ℃條件下5 h自動破膠后，破膠液有拉絲現象，破膠液黏度約為2 mPa·s，破膠效果一般，影響殘酸的返排效果。

表面張力是指垂直作用在液體表面單位長度上的力，其在數值上與單位表面上的自由能相等。表面張力越低，越有利于降低毛管阻力，從而增大破膠殘液的返排能力。

圖2 膠凝酸鮮酸和殘酸Fig.2 Fresh and residual acid of gelling acid

圖3 170 s-1剪切速率下的黏度曲線Fig.3 Viscosity curve at 170 s-1 shear rate

配制了3組現場酸液，90 ℃高溫破膠6 h后形成殘酸，測試了3組殘酸表面張力。測試結果如表1所示，可以看出，殘酸表面張力較大，返排效果較差。

表1 殘酸表面張力測試結果Table 1 Surface tension test results of spent acid

3 宏觀傷害規律

通過對比殘酸驅替前后巖心和巖板表面直觀的變化，根據氣測滲透率計算殘酸傷害率，分析殘酸傷害規律。

3.1 基質傷害規律

孔隙介質傷害主要分為吸附和堵塞傷害，馬家溝組儲層非常致密，孔喉細小，且酸液增稠劑為聚合物，現場施工中，有些聚合物溶脹不均勻，進入地層后難以破膠形成絮團，尺寸較大的絮團無法進入孔隙，滯留吸附在表面，而小尺寸的聚合物雖然能進入孔隙，但不易返排出來，殘留在孔隙內部造成堵塞。利用馬家溝組巖心進行了3組殘酸測試，如圖4所示，巖心入口端面有少量白色聚合物吸附在表面。孔隙介質殘酸傷害測試實驗結果如表2所示，殘酸傷害率均在30%以上，尤其在巖心滲透率極低條件下，進入巖石孔隙的殘損更加不易返排出來，殘酸對儲層傷害影響更大。

表2 孔隙介質殘酸傷害測試結果Table 2 Test results of spent acid damage in porous media

圖4 殘酸傷害后巖心Fig.4 Rock specimen after spent acid damage

3.2 天然裂縫殘酸傷害規律

殘酸進入天然裂縫后，部分殘酸滯留裂縫里，導致滲透率下降。利用劈裂巖心形成裂縫模擬天然裂縫，進行了3組殘酸傷害測試，如圖5所示，裂縫表面能見部分白色聚合物，說明部分殘酸滯留裂縫里，造成殘酸傷害。相對于孔隙介質，殘酸對天然裂縫傷害率較低，傷害率10%～20%實驗結果如表3所示，相對于孔隙介質，殘酸對天然裂縫傷害率較低，傷害率10%～20%。同樣，裂縫巖心滲透率越高，殘酸滯留越少，也越容易返排出去，進而殘酸對巖心傷害影響越小。

表3 天然裂縫殘酸傷害測試結果Table 3 Test results of spent acid damage in natural fracture

3.3 酸蝕裂縫導流殘酸傷害規律

酸液驅替前后、導流能力測試前后巖板表面形狀如圖6所示。進行了3組導流能力實驗，組1為無殘酸污染，組2和組3均為殘酸污染，重復性實驗保證結果可靠。目標儲層非均質性較強，巖板腐蝕后裂縫表面較粗糙，腐蝕痕跡明顯。各組巖板在不同閉合應力下的導流能力如圖7所示，結果表明，在半對數坐標下，導流能力和閉合應力近似直線，閉合應力對導流能力影響較大，低閉合應力下，裂縫表面變形不嚴重，導流能力較高。60 min接觸時間下，巖板溶蝕質量分別為52.2 g和53.7 g；酸蝕裂縫表面粗糙，在較高應力下，導流能力仍較高。當閉合應力達到一定值，表面變形達到極限，巖板甚至壓碎，之后的導流能力隨閉合應力下降變慢，導流能力測試后的巖板照片也顯示部分巖板壓碎。如表4所示，在50 MPa閉合應力下，無殘酸污染時，導流能力為56.5 D·cm。殘酸污染后導流能力為51.6 D·cm和50.8 D·cm，變化較小，表明酸蝕裂縫形態下，相較于基質和微裂縫，流動空間足夠大，隨著返排液在壁面間流動并沖刷酸蝕裂縫壁面，殘酸非常容易返排。

圖5 天然裂縫殘酸驅替前后Fig.5 Acid displacement of natural fracture

圖6 60 min酸巖接觸時間下巖板通酸前后、導流能力測試前后圖片Fig.6 Acid displacement and conductivity test

表4 酸蝕裂縫導流能力測試結果Table 4 Test results of conductivity of acid etching fracture

圖7 60 min酸巖接觸時間導流能力測試Fig.7 Conductivity test for 60 min acid-rock time

由于酸蝕裂縫導流能力較高，殘酸容易排除，污染后僅少量殘酸滯留在裂縫中(實驗后裂縫表面能見少量殘酸)，殘酸污染后導流能力與未污染時的非常接近，說明殘酸對酸蝕裂縫導流能力影響較小，污染機理為堵塞傷害。

4 微觀傷害規律

殘酸傷害主要分為堵塞傷害和吸附傷害，通過巖心殘酸污染前后的CT掃描和電鏡掃描觀測巖屑的殘酸吸附，分析殘酸傷害變化規律。實驗設備如圖8所示，其中，電鏡掃描儀進行聚合物吸附測試。

馬五7層位3 064 m深的DK13-FP8井巖心殘酸污染前后CT掃描對比如圖9所示。可以看出，孔隙發育明顯，初始滲透率為0.379 1 mD。從左到右分別為入口、中間、出口位置。以紅色圓圈標注了殘酸驅替前后巖心的相同位置，對比發現，入口、中間處污染較嚴重，出口污染輕，殘酸進入孔隙后，聚合物絮團堵塞孔隙，孔隙度減小，滲透率下降，污染后滲透率為0.261 5 mD。

圖8 實驗設備Fig.8 Experimental equipment

馬五6層位3 034 m深的DK13-FP8井巖心殘酸驅替前后CT掃描對比如圖10所示。可以看出，基質致密，孔隙發育較少，滲透低，初始滲透率為0.076 7 mD。從左到右分別為入口、中間、出口位置。入口處污染較嚴重，中間、出口污染輕，為主要為聚合物滯留傷害。因滲透率較低，殘酸難進入深部。

馬五5層位3 112 m深的D1-530井巖心殘酸污染前后CT掃描如圖11所示，可以看出，孔隙發育極少，滲透率低，初始滲透率為0.004 5 mD。從左到右分別為入口、中間、出口位置。入口處污染較嚴重，中間、出口污染輕，殘酸滯留堵塞細小孔隙。由于基質致密，孔隙極少，殘酸難進入深部，堵塞細小孔隙后也難以返排出來。

圖9 馬五7巖心殘酸傷害前后CT掃描圖Fig.9 Ma57 rock specimen CT scan before and after spent acid damage

圖10 馬五6巖心殘酸傷害前后CT掃描圖Fig.10 Ma56 rock specimen CT scan before and after spent acid damage

圖11 馬五5巖心殘酸傷害前后CT掃描圖Fig.11 Ma55 rock specimen CT scan before and after spent acid damage

5 聚合物吸附測試

5.1 聚合物表面吸附

圖12 殘酸吸附實驗Fig.12 Spent acid adsorption experiment

圖13 巖塊殘酸吸附電鏡掃描照片Fig.13 SEM photos of spent acid adsorbed rock samples

取馬五5層位3 105 m深的D1-530井巖心巖塊作為樣品1、2、3、4，巖塊兩端磨平，且保持兩端厚度在8 mm以下。配制4組殘酸，1組和2組殘酸為0.15%增稠劑的酸液殘酸(低黏膠凝酸配方)，3組和4組殘酸為0.45%增稠劑的酸液殘酸(高黏膠凝酸配方)，如圖12所示，4個燒杯從左到右顯示分別為1組、2組、3組、4組。在地層溫度90 ℃下將4組樣品進行殘酸吸附實驗，吸附時長為2 h，結果如圖13所示。

利用巖塊端面模擬裂縫表面，對殘酸吸附過的巖塊端面進行電鏡掃描，電鏡掃描結果顯示，端面上聚合物吸附現象不明顯，說明殘酸中聚合物在裂縫表面吸附量較少。

5.2 聚合物孔隙介質吸附

取馬五5層位3 105 m深的D1-530井巖心巖屑作為樣品1、2、3、4，巖屑經過碎樣篩選出300目巖粉，配制4組殘酸，1組和2組殘酸為0.15%增稠劑的酸液殘酸(低黏膠凝酸配方)，3組和4組殘酸為0.45%增稠劑的酸液殘酸(高黏膠凝酸配方)，如圖14所示。圖14(a)、圖14(b)中，4個燒杯從左到右顯示分別為1組、2組、3組、4組。吸附后樣品1～樣品4巖樣如圖14(c)所示。在地層溫度90 ℃下將4組樣品進行殘酸吸附實驗，吸附時長為2 h，結果如圖15所示。

圖14 巖粉殘酸吸附實驗照片Fig.14 Photo of rock samples spent acid adsorption experiment

圖15 巖粉殘酸吸附電鏡掃描照片Fig.15 SEM photos of spent acid adsorbed rock samples

利用巖粉聚合物吸附實驗模擬多孔介質中聚合物吸附，電鏡掃描結果反應巖粉聚合物吸附不明顯。分析可能由于樣品檢測需要在干燥條件下進行，而導致吸附不明顯的結果，因此后續進行了冷凍電鏡掃描，讓樣品處于半濕潤狀態，經過冷凍處理后再進行電鏡掃描。實驗結果如圖16所示，聚合物在巖粉表面的吸附量較少，因此殘酸吸附不是導致儲層傷害的主要因素。

圖16 巖粉殘酸吸附冷凍電鏡掃描照片Fig.16 SEM photos of spent acid adsorbed rock samples

6 結論

通過對大牛地馬家溝組碳酸鹽巖儲層現場用酸液性能測試、殘酸傷害實驗、巖板酸液驅替實驗和酸蝕裂縫導流能力測試，得到以下結論。

(1)基質致密，滯留殘酸難以返排出來，殘酸對基質滲透率傷害程度較高，約為30%，傷害深度較淺。殘酸傷害方式分為吸附傷害和堵塞傷害，堵塞傷害是殘酸滯留傷害的主要因素。

(2)天然裂縫滲透率較高，滯留殘酸容易返排出來，滲透率越高，殘酸越容易返排出，殘酸傷害率越低，總體上講殘酸對天然裂縫傷害率較低，滲透率損失為10%～20%。

(3)儲層非均質性強，酸蝕裂縫表面粗糙，在較高應力下，導流能力較高。無殘酸污染時，導流能力為56.5 D·cm(50 MPa閉合應力)。由于酸蝕裂縫導流能力較高，殘酸容易排除，殘酸污染后導流能力與未污染時的非常接近，殘酸對酸蝕裂縫導流能力影響較小。

(4)聚合物在裂縫表面和巖粉表面吸附較少，殘酸滯留堵塞和吸附兩種傷害方式以滯留堵塞傷害為主。