房好青,郭天魁,王 洋,翟乃城,曲占慶

[1. 中國石化 西北油田分公司 石油工程技術(shù)研究院,新疆 烏魯木齊 830001；2.中國石油大學(華東) 石油工程學院,山東 青島 266580]

頁巖儲層基質(zhì)致密、滲透率超低，雖然發(fā)育的部分天然裂縫在一定程度上改善了局部滲透率，但無法滿足頁巖氣開采的要求，難以達到商業(yè)化的產(chǎn)量[1-4]?，F(xiàn)今較為有效的措施是采用體積壓裂技術(shù)，形成大規(guī)模的自支撐裂縫和有少量支撐劑鋪置的裂縫，構(gòu)建裂縫網(wǎng)絡(luò)[5-7]，提高頁巖儲層的初始產(chǎn)量和最終采收率。目前，頁巖體積壓裂的增產(chǎn)機理有待于進一步的研究，各種輔助增產(chǎn)措施的有效性需要進一步探索[8-9]。酸化壓裂已經(jīng)被證明可以有效提高碳酸鹽巖儲層的產(chǎn)量[10-12]，頁巖中通常也含有一定量的碳酸鹽礦物，很容易聯(lián)想到是否可以采用酸化壓裂技術(shù)對頁巖儲層進行改造，進一步提高頁巖氣的產(chǎn)能。

對含碳酸鹽礦物的頁巖進行酸化時，酸液對方解石和白云石進行溶解，存在碳酸鹽礦物的裂縫面區(qū)域的粗糙度和孔隙大小都會增加，而存在粘土、石英和有機物質(zhì)的區(qū)域不會發(fā)生孔隙和結(jié)構(gòu)的變化，殘留的粘土和石英等可以作為支撐劑，在閉合壓力下支撐裂縫。Zou等[13]通過大物模實驗結(jié)合CT掃描技術(shù)，對頁巖裂縫網(wǎng)絡(luò)的形成進行研究，結(jié)果表明，在頁巖中部分開啟的層理面有助于改善水平方向上的水力裂縫與天然裂縫之間的聯(lián)系，從而產(chǎn)生復雜的裂縫；Cash等[14]采用兩種濃度的酸液對含碳酸鹽巖的頁巖進行了酸化壓裂實驗，研究結(jié)果表明，使用28%的HCl酸化時，初始導流能力很高，但后期大幅下降，使用15%的HCl可以有持續(xù)的較高導流能力，認為頁巖中碳酸鹽巖含量越高會產(chǎn)生更大的溶解體積，很有可能產(chǎn)生高導流能力，但是研究成果未表明碳酸鹽巖含量和導流能力提高程度的具體關(guān)系，以及不同碳酸鹽含量頁巖對應(yīng)的最優(yōu)酸液配方;Morsy等[15-17]將巖樣進行了垂直于層理劈裂和平行于層理劈裂，并測量了不同方向的裂縫酸處理前后的孔隙率和在自發(fā)吸水過程中的采收率，實驗結(jié)果表明，酸處理后孔隙率可以提高1.3～3.5倍，采收率可以提高2.15～13.25倍，所測垂直層理裂縫的采收率是平行于層理裂縫采收率的9.5倍左右，而且?guī)r樣暴露于1%～3%HCl中，楊氏模量顯著降低了25%～82%。

當前裂縫錯位、裂縫粗糙度、巖石力學性質(zhì)和閉合壓力對無支撐劑充填情況下裂縫導流能力的影響已有研究[18-21]，頁巖酸液處理工藝的研究內(nèi)容主要集中在酸液對頁巖微觀結(jié)構(gòu)和巖石物理力學參數(shù)的影響方面，但對于不同頁巖儲層酸壓處理中酸液類型優(yōu)選和配方優(yōu)化，乃至酸液對不同類型裂縫的酸蝕效果研究鮮有報道，有必要通過系統(tǒng)的實驗研究來進一步明確頁巖儲層壓裂酸化改造的增產(chǎn)機理，提高施工工藝的有效性和經(jīng)濟性。本文基于頁巖儲層酸化壓裂的特點，針對人工劈裂頁巖巖心，探究了碳酸鹽礦物含量、酸液類型和濃度、支撐劑、圍壓對頁巖酸蝕裂縫滲透率的影響，并借助CT掃描研究了頁巖酸蝕前后的微觀孔吼結(jié)構(gòu)變化,對于頁巖儲層有效的體積壓裂具有一定的指導意義。

1 實驗內(nèi)容

1.1 巖樣準備

對四川盆地涪陵地區(qū)五峰組頁巖、龍馬溪組頁巖和魯家坪組頁巖各取樣8塊，包括平行層理取心4塊和垂直層理取心4塊。對每組巖樣進行巖石組成礦物分析得到結(jié)果如下：①五峰組粘土含量為14.5%，碳酸鹽巖含量為2%，石英含量為68.1%；②龍馬溪組粘土含量為31%，碳酸鹽巖含量為15%，石英含量為43.3%；③魯家坪組粘土含量為22.5%，碳酸鹽巖含量為25%，石英含量為40.5%。進行酸浸實驗，將各組巖樣浸泡在濃度為15%的鹽酸中，觀察巖樣與鹽酸的反應(yīng)?？梢悦黠@觀察到，碳酸鹽巖含量越高，產(chǎn)生氣泡的量越大，可以大致判斷，鹽酸主要是與頁巖中的碳酸鹽巖反應(yīng)。對每塊巖樣采用剪切劈裂的方式得到人造裂縫(圖1)。

1.2 自支撐裂縫酸化滲透率測試

頁巖體積壓裂過程中會產(chǎn)生大量剪切錯位的自支撐裂縫，該類型裂縫對于頁巖氣產(chǎn)能的貢獻極大。實驗中通過在相反的斷面處貼銅箔墊片的方法來產(chǎn)生錯位(圖1)，采用穩(wěn)態(tài)液測滲透率法在15 MPa的圍壓下進行自支撐裂縫酸蝕滲透率測試(圖2)，所測自支撐滲透率范圍為13.08×10-3～59.10×10-3μm2。酸液排量為2 mL/min時可以看到，所有巖心在酸巖反應(yīng)初期，滲透率變化幅度較為明顯，當注入時間達到75 min后，注入量達到150 mL時，滲透率基本穩(wěn)定。所測自支撐滲透率(K0)范圍為13.08×10-3～59.10×10-3μm2，酸蝕后滲透率(K)范圍為7.86×10-3～58.60×10-3μm2。

圖1 剪切裂縫與支撐劑充填剪切裂縫示意圖Fig.1 Schematic diagram showing shear fractures and shear fractures filled with proppantsa.剪切裂縫示意圖;b.支撐劑充填剪切裂縫示意圖

圖2 涪陵地區(qū)頁巖自支撐裂縫酸化滲透率隨注酸量變化曲線Fig.2 Post-acidizing permeability of self-propped fractures vs.volume of acid injection in shale reservoirs in Fuling area,Sichuan Basina.五峰組頁巖;b.龍馬溪組頁巖;c.魯家坪組頁巖

五峰組碳酸鹽含量為2%左右，是4組巖樣中最低的。首先采用15%的鹽酸進行測試，結(jié)果顯示，平行層理1號巖樣的滲透率基本不發(fā)生變化，垂直層理1號巖樣的滲透率稍有增加但不明顯。分析認為，五峰組的碳酸鹽含量過低，與鹽酸反應(yīng)很弱，對滲透率影響不大。在此基礎(chǔ)上，改用10%HCl+8%HF配方的土酸，結(jié)果顯示，隨著與土酸反應(yīng)的進行，兩塊巖樣的滲透率均逐漸下降，最終的滲透率僅為原來的20%左右，表明該配方下的土酸與巖樣的反應(yīng)過強，導致部分粘土或石英類不反應(yīng)的充填雜質(zhì)碎屑從裂縫面脫落，堵塞裂縫導致滲透率下降。

龍馬溪組巖樣的碳酸鹽含量約為15%。首先選用15%的鹽酸，在反應(yīng)過程中滲透率雖然會有短暫的提高，但是不能維持，滲透率很快又逐漸降低，最終滲透率均為原來滲透率的25%的左右，酸巖反應(yīng)過度，換用5%的鹽酸進行酸蝕，滲透率變化不大，較之前略有提高，酸巖反應(yīng)不足。

魯家坪組的碳酸鹽含量25%左右。首先采用15%鹽酸，平行層理1號巖樣的滲透率隨著反應(yīng)的進行逐步下降，最終滲透率為初始的20%左右，垂直層理1號巖樣在反應(yīng)的過程中，滲透率波動比較大，最大的滲透率可達初始的1.44倍，然而到反應(yīng)的后期，滲透率逐漸下降，并穩(wěn)定到原來滲透率的18%左右，酸巖反應(yīng)過度。換用5%的鹽酸，反應(yīng)過程中滲透率波動很大，但是最終穩(wěn)定在原來滲透率90%左右，說明5%的鹽酸比最佳的魯家坪組酸蝕濃度稍有偏高。

1.3 單層鋪置支撐劑裂縫酸化滲透率測試

在自支撐裂縫的基礎(chǔ)上，采用40/70目的陶粒，濃度為0.25 kg/m2進行單層支撐劑均勻鋪置，所測支撐劑單層鋪置裂縫酸蝕滲透率變化見圖3。酸液排量為2 mL/min，按照單層鋪置支撐劑縫寬基本為0.3 mm計算，此時的酸液注入流速約26 cm/min。同樣可以看到，所有巖心在注入時間達到75 min后，滲透率基本穩(wěn)定。單層鋪置支撐劑裂縫滲透率的范圍在11.43×10-3～650.89×10-3μm2，酸蝕后滲透率的范圍在10.07×10-3～710.65×10-3μm2。

首先對五峰組平行層理1號巖樣使用20%的鹽酸酸蝕，發(fā)現(xiàn)滲透率僅有小幅度地提高，結(jié)合先前實驗，認為最優(yōu)配方應(yīng)選用土酸。先對平行層理2號巖樣采用15%HCl+3%HF的配方進行酸蝕，結(jié)果表明，酸巖反應(yīng)較弱，對滲透率的提高不大；根據(jù)中值法，采用12.5%HCl+5.5%HF的配方對垂直層理1號巖樣進行酸蝕，結(jié)果表明，該配方較之前配方對滲透率的提高作用明顯；再次采用中值法，用11.25%HCl+6.75%HF的配方對垂直層理2號巖樣進行酸蝕，結(jié)果表明該配方的效果最優(yōu)，將巖樣的滲透率從468.20×10-3μm2提高到611.21×10-3μm2，為原來的1.31倍，故對于五峰組巖石的酸蝕，采用11.25%HCl+6.75%HF左右的土酸配方可得到較好的酸蝕效果。

圖3 涪陵地區(qū)頁巖單層鋪置支撐劑裂縫酸化滲透率隨注酸量變化曲線Fig.3 Post-acidizing permeability of fractures with single-layered proppants vs.volume of acid injection in shale reservoirs in Fuling area,Sichuan Basina.五峰組頁巖;b.龍馬溪組頁巖;c.魯家坪組頁巖

龍馬溪組巖樣與5%的鹽酸基本不反應(yīng)，15%的鹽酸反應(yīng)過度，同樣采用中值法，對平行層理1號巖樣、平行層理2號巖樣以及垂直層理1號巖樣分別使用7.5%，10%和12.5%HCl進行酸蝕，酸蝕結(jié)果表明，12.5%HCl使?jié)B透率降低明顯，10%HCl也使?jié)B透率降低，但是效果小于12.5%HCl，7.5%HCl對滲透率有較明顯的提高，然后在這3個濃度結(jié)果的基礎(chǔ)上，再次采用中值法，使用6.25%HCl對垂直層理2號巖樣酸蝕，酸蝕結(jié)果表明，6.25%HCl對滲透率提高的效果不如7.5%HCl，采用7.5%HCl將巖樣的滲透率從111.38×10-3μm2提高到171.06×10-3μm2，為原來的1.54倍，故對龍馬溪組巖石的酸蝕，采用濃度為7.5%左右的HCl酸蝕效果最佳。

魯家坪組巖樣在剪切酸蝕中得到的結(jié)果是15%HCl滲透率降低很大，5%HCl滲透率變化幅度很大，最終的滲透率和原來的滲透率差別不大。同樣采用中值法，對平行層理1號巖樣、平行層理2號巖樣以及垂直層理1號巖樣分別使用7.5%,10%和12.5%HCl進行酸蝕，酸蝕結(jié)果表明，12.5%HCl會使?jié)B透率大幅度降低，10%HCl使?jié)B透率降低的幅度次之，7.5%HCl使?jié)B透率稍有降低。在這3個濃度的效果的基礎(chǔ)上，再次采用中值法，使用2.5%HCl對垂直層理2號巖樣進行酸蝕，酸蝕結(jié)果表明2.5%HCl對最終滲透率的提高效果最好，將巖樣滲透率從505.16×10-3μm2提高到647.32×10-3μm2，為原來的1.28倍，故對魯家坪組巖石酸蝕采用2.5%左右的HCl效果最佳。

1.4 CT掃描實驗

1.4.1 五峰組

從CT掃描圖片可觀察到(圖4)，有兩條裂縫是完全貫穿巖樣并裂縫是完全聯(lián)通的，酸化后，裂縫的連通性有所增加，寬度明顯增加。該塊巖樣采用11.25%HCl+6.75%HF的土酸進行酸化，酸化后從巖心外觀觀察，巖心頂面和底面有明顯的細微顆粒產(chǎn)生，分析認為是酸化后粘土或石英類不反應(yīng)的充填雜質(zhì)顆粒的剝落，酸液驅(qū)替曲線表明，注酸量在小于200 mL時滲透率基本維持在原來的水平，注酸量達到200 mL后，巖樣的滲透率迅速提高，最終的滲透率為原來的1.5倍左右。

1.4.2 龍馬溪組

對該龍馬溪組巖樣采用濃度為7.5%的HCl進行酸化，裂縫內(nèi)部分充填的白色物質(zhì)與鹽酸反應(yīng)后消失，所以判斷為鈣質(zhì)膠結(jié)。從酸化的驅(qū)替曲線(圖5)可以看出，酸化過程中巖樣的滲透率不斷變化，最小的滲透率為1.96×10-3μm2，最大的滲透率為10.26×10-3μm2，最終滲透率穩(wěn)定在原來的1.82倍左右。對比酸化前后的CT掃描圖像可知(圖6)，酸化后裂縫面的數(shù)量明顯增加，裂縫的寬度也明顯增加，裂縫的導流能力增大。分析認為，酸液與巖石反應(yīng)過程中，粘土或石英類不反應(yīng)的充填雜質(zhì)顆粒會從裂縫面剝落和運移，造成裂縫滲透率的不斷變化。

圖4 涪陵地區(qū)五峰組頁巖天然裂縫酸蝕前后CT掃描對比Fig.4 CT image comparison of natural fractures before and after acid etching in the Wufeng Formation shale in Fuling area,Sichuan Basina.酸蝕前;b.酸蝕后

1.4.3 魯家坪組

該塊巖樣在裂縫中央明顯有白色膠結(jié)物質(zhì)貫穿整個巖樣，首先對巖樣用濃度為2.5%的HCl進行酸化，發(fā)現(xiàn)該濃度的鹽酸不能驅(qū)透該巖樣，將巖樣取出后觀察，發(fā)現(xiàn)入口處的白色膠結(jié)物質(zhì)已被溶解掉，故可以判斷白色膠結(jié)物質(zhì)為鈣質(zhì)膠結(jié)；然后依次換用5%和10%的鹽酸，仍然不能驅(qū)透；再換用15%的鹽酸，發(fā)現(xiàn)可以驅(qū)透，能夠測出滲透率。

圖5 涪陵地區(qū)天然裂縫酸化滲透率隨注酸量變化曲線Fig.5 Post-acidizing permeability of natural fractures vs.volume of acid injection in Fuling area,Sichuan Basin

由CT圖可以觀察到巖樣中央有一條原生裂隙，可能是被熱液帶來的礦物質(zhì)填充了，有一些孤立的孔(圖7)，但被一些密度高于基質(zhì)的物質(zhì)隔斷了。酸化后，原生裂隙里的填充物質(zhì)幾乎完全被溶蝕，形成了明顯的裂隙面，裂隙面附近的基質(zhì)密度也有所降低。由驅(qū)替曲線可以看出，注酸液量小于110 mL時，滲透率一直保持在較小的水平約0.3×10-3μm2，注酸液量大于110 mL后，滲透率持續(xù)升高至5×10-3μm2，為原來的15.67倍，然后滲透率又迅速降低到0.3×10-3μm2，然后又迅速增加到5×10-3μm2，隨后又降低至3.6×10-3μm2左右，較初始滲透率仍然提高明顯。

2 結(jié)論

1) 所測自支撐滲透率范圍在13.08×10-3～59.10×10-3μm2，酸蝕后滲透率范圍在7.86×10-3～58.60×10-3μm2；所測單層鋪置支撐劑裂縫滲透率的范圍為11.43×10-3～650.89×10-3μm2，酸蝕后滲透率的范圍為10.07×10-3～710.65×10-3μm2。

2) 碳酸鹽含量為2%的頁巖采用11.25%HCl+6.75%HF左右的土酸配方可得到最佳酸蝕效果，碳酸鹽含量為15%的頁巖采用濃度為7.5%左右的HCl酸蝕效果最佳，碳酸鹽含量為25%的頁巖酸蝕采用2.5%左右的HCl效果最佳。

圖6 涪陵地區(qū)龍馬溪組頁巖天然裂縫酸蝕前后CT掃描對比Fig.6 CT image comparison of natural fractures before and after acid etching in the Longmaxi Formation shale in Fuling area,Sichuan Basina.酸蝕前;b.酸蝕后

圖7 涪陵地區(qū)魯家坪組頁巖天然裂縫酸蝕前后CT掃描對比Fig.7 CT image comparison of natural fractures before and after acid etching in the Lujiaping Formation shale in Fuling area,Sichuan Basina.酸蝕前;b.酸蝕后

3) 針對不同的碳酸鹽含量的頁巖采用合適的酸液類型和酸液濃度可以提高巖石的孔隙大小、裂縫的寬度和裂縫的數(shù)量；若頁巖中鈣質(zhì)膠結(jié)的天然裂縫發(fā)育，應(yīng)適當提高最優(yōu)酸液濃度；頁巖基質(zhì)滲透率極低，在沒有開啟天然裂縫或可溶鈣質(zhì)充填裂縫的情況下，即使是高濃度的酸液也不能將巖心驅(qū)透。