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. 陜西延長石油(集團)有限責任公司研究院，陜西西安 710065；2. 陜西省陸相頁巖氣成藏與 開發(fā)重點實驗室(籌)，陜西西安 710065；3.西南石油大學博士后科研流動站，四川成都 610500； 4. 西南石油大學油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，四川成都 610500)

酸壓是碳酸鹽巖油氣藏實現(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)礦場實施時，主要過程通常包括：①非反應性的壓裂液造縫；②各種酸液體系刻蝕裂縫；③非反應性的壓裂液頂替井筒酸液進入地層裂縫；④停泵關(guān)井、測壓降；⑤開井放噴排液，測試產(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，此時靜止的酸液仍會與裂縫壁面巖石接觸反應，從而影響酸刻蝕裂縫形態(tài)與導流能力。室內(nèi)試驗是認識酸壓裂縫導流能力最直接的手段，它常用目標儲層井下巖樣或露頭模擬酸壓時酸液在水力裂縫中的流動反應和刻蝕裂縫壁面巖石的過程，即酸刻蝕；然后測試酸刻蝕后巖板的導流能力，即導流能力評價。學者已通過大量的試驗認識到影響酸壓裂縫導流能力的因素主要包括儲層地質(zhì)因素和工程因素[3-9]。然而現(xiàn)有酸刻蝕導流能力試驗研究忽略了酸壓停泵關(guān)井后酸液滯留效應對酸刻蝕形態(tài)與導流能力的影響，因此試驗研究關(guān)井效應對酸刻蝕形態(tài)與導流能力影響，有利于客觀評價酸壓裂縫導流能力。筆者以鄂爾多斯盆地下古生界碳酸鹽巖儲層馬五段為例，研究不同注酸時間條件下，關(guān)井對酸刻蝕形態(tài)與導流能力的影響，為酸壓方案設計和返排時機選擇提供依據(jù)。

1 試驗方法

1.1 試驗材料

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，儲層溫度為80～120 ℃。

試驗巖樣采自地質(zhì)專家標定的馬五1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行為較光滑裂隙更為復雜，但也更接近儲層條件下工作液在水力裂縫中的真實情況[10]。為真實模擬酸液在水力裂縫中的刻蝕行為，按照API標準制成長度(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的粗糙巖板，兩巖板之間的間隙模擬真實水力裂縫形貌[8]。為便于裂縫形貌定量表征，建立巖板表面坐標系，標定x方向為巖板寬度方向，y方向為巖板長度方向，z方向為巖板厚度方向，且以過裂縫面上最低點且平行于水平面的平面為基準面。

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 裂縫面坐標標定示意圖Fig.2 Diagram of coordinate calibration on fracture surface

試驗酸液體系為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 試驗裝置

試驗采用西南石油大學研制的酸壓裂縫導流能力測試系統(tǒng)，包括酸刻蝕物理模擬裝置、三維激光掃描裝置和導流能力測試裝置(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程；三維激光掃描裝置可以獲取裂縫表面的三維點云數(shù)據(jù)并進行數(shù)字化重構(gòu)，便于定量分析酸刻蝕裂縫形態(tài)；導流能力測試裝置能夠評價地層條件下的酸蝕裂縫導流能力。

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

1.3 試驗設計

1.3.1 試驗排量

雷諾數(shù)相似準則，將工程尺度的注酸排量(m3/min)轉(zhuǎn)化為實驗室尺度的注酸排量(mL/min)[8]：

(1)

式中,ql為試驗尺度注酸排量,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為試驗巖板形成的裂縫寬度,m。

試驗排量計算結(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,試驗縫寬為0.001 m,試驗排量為260 mL/min。

1.3.2 試驗溫度

試驗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,采用非穩(wěn)態(tài)井筒溫度場數(shù)值計算方法[11]獲取酸壓過程中裂縫入口處溫度分布曲線(圖4),采用酸液體抵達裂縫入口處的溫度作為試驗溫度。計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,井筒積液全部進入地層需4 min;故酸液從第4 min開始進入地層,近似取第4 min時井底溫度100 ℃為試驗溫度。

1.3.3 試驗方案

基于試驗排量和注液溫度確定方法,在注酸排量與溫度恒定時,試驗模擬不同注酸時長下關(guān)井效應對酸刻蝕裂縫形態(tài)和導流能力的影響。試驗模擬注酸時長30、60、90與120 min時,關(guān)井30 min對酸刻蝕形態(tài)與導流能力的影響。為排除試驗中巖面礦物性質(zhì)差異造成的影響,試驗巖板來源于同一露頭,且選定單巖板進行對比試驗,即針對N(取值1～4)號巖樣劈裂形成的兩塊巖板N-1與N-2,保持注酸時長相同,N-1不進行關(guān)井模擬,N-2關(guān)井30 min模擬,酸液體系為VES,試驗溫度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 試驗結(jié)果討論

2.1 關(guān)井效應對酸刻蝕形貌的影響

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。

當不關(guān)井時,各注酸時長下的裂縫形貌表明:注酸30 min后,巖板1-1(圖5(a))巖面色度云圖無明顯變化,說明酸刻蝕作用對裂縫形貌影響較小;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,說明此時酸刻蝕對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,說明此時酸刻蝕對裂縫形貌影響較大;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)大面積的藍綠色低谷,天然裂縫位置處出現(xiàn)酸溶蝕蚓孔,說明此時酸刻蝕對裂縫形貌改變明顯。

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)井效應對不同注酸時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;對比巖板1-1(圖5(a))說明注酸30 min時,關(guān)井效應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,對比巖板2-1(圖5(c)),關(guān)井效應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,對比巖板3-1(圖5(e)),關(guān)井效應進一步增強了溶蝕現(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)大面積的藍綠色低谷,對比巖板4-1(圖5(g)),關(guān)井效應溶蝕現(xiàn)象明顯。

為進一步定量分析不同注酸時長下關(guān)井效應對酸刻蝕裂縫形貌影響,選擇裂縫面迂曲度、酸巖反應溶蝕量、裂縫流動空間與平均縫寬3個參數(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為步長劃分網(wǎng)格,將每個網(wǎng)格圍成的曲面近似處理為平面,計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為粗糙裂縫面真實面積,mm2;An為粗糙裂縫面名義面積,即對應同樣尺度的光滑巖板面面積,mm2。

光滑巖板的單個裂縫面積為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%,說明兩巖板基本嚙合。當僅有注酸作用時,隨著注酸時間增加,刻蝕后裂縫面迂曲度逐漸增加,表明酸液對粗糙裂縫面“削峰”作用弱于“深谷”作用[8];當考慮30 min的關(guān)井效應時,酸液在裂縫中的滯留對刻蝕裂縫面迂曲度影響差異明顯,注酸30、60 min時關(guān)井效應使酸蝕裂縫面迂曲度增加,而注酸90、120 min時,關(guān)井效應使迂曲度減小。

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

巖板編號注酸時間/min關(guān)井時間/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引起的迂曲度變化注酸+關(guān)井效應引起的迂曲度變化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 裂縫流動空間及平均縫寬

由于選用單巖板開展酸刻蝕試驗,裂縫寬度即為單巖面高程最高點(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)為對應坐標(xi,yj)處的縫寬,mm;zmax為巖面高程的最大值,mm;z(xi,yj)為任意位置對應坐標(xi,yj)處的高程,mm。

圖6為酸刻蝕前后,由式(3)計算的縫寬分布云圖。由圖6可知,較短的酸巖反應時間(小于等于60 min),酸刻蝕對裂縫空間分布無明顯改善作用,如巖板1-1、1-2與2-1刻蝕前后的裂縫流動空間幾乎沒有變化,平均縫寬少量增加;酸巖接觸反應時間較長(大于60 min)時,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算式為

(4)

圖7為由式(4)計算的酸刻蝕前后平均縫寬。可知關(guān)井效應引起的酸液滯留裂縫會增加平均酸蝕縫寬,但增長幅度有差異。注酸30 min后,關(guān)井效應對縫寬增加的影響很小(巖板1-2),因為60 min的酸巖接觸時間(注酸時間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)井效應的影響也較小,這是由于注酸時間過長(總的酸巖反應時間為150 min),巖面已經(jīng)充分溶蝕,后續(xù)關(guān)井效應對巖面非均質(zhì)刻蝕改善程度有限(圖6(h));注酸60與90 min時,關(guān)井效應對縫寬增加的影響較大,因為關(guān)井有效增加了酸巖接觸時間,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時關(guān)井導致巖面過度溶蝕、酸蝕平均縫寬減小(巖板3-2)。

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

2.2 關(guān)井效應對導流能力的影響

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

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

(5)

式中,F為酸蝕裂縫無因次導流能力; (kw)i為第i個閉合壓力點下的酸蝕裂縫導流能力,μm2·cm;(kw)max為初始酸蝕裂縫導流能力的最大值,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)井效應對酸蝕裂縫導流能力的影響。由圖8(a)可知，中低閉合壓力(10.8～27.0 MPa)階段，當不考慮關(guān)井效應時，導流能力的大小依次為注酸60、30、90、120 min。當注酸90、120 min時，雖然刻蝕后初始平均縫寬增大(圖7)，但由于裂縫面過度溶蝕(圖5、6)，支撐點力學強度降低，導致閉合壓力下導流能力迅速遞減[15]；轉(zhuǎn)向酸體系對巖石力學強度影響建議可進一步系統(tǒng)研究。當考慮關(guān)井效應時，注酸30、60 min導流能力改善明顯，其中注酸60 min+關(guān)井30 min在10.8 MPa時，獲得最高初始導流能力2 416.7 μm2·cm；當注酸90 min且考慮關(guān)井效應時，導流能力改善優(yōu)勢逐漸喪失，尤其是當閉合壓力為27.0 MPa時，注酸效應與注酸效應+關(guān)井效應兩種情況的導流能力接近；當注酸120 min時，關(guān)井效應反而削弱了導流能力。

圖8 關(guān)井效應對酸蝕裂縫導流能力影響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)井效應時，導流能力變化趨勢與中低閉合壓力階段較接近，特別的是當閉合壓力大于37.8 MPa，此時注酸90 min時的導流能力大于注酸30 min時的導流能力，說明此時長時間注酸有利于改善酸蝕裂縫導流能力，但仍然小于注酸60 min時的導流能力。

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

從關(guān)井效應對導流能力的影響可知：當注酸時間小于等于60 min時，酸液在裂縫中的滯留可以提升酸蝕裂縫導流能力，因此建議酸壓施工時，短時間注酸可以適當延長關(guān)井時間，使酸液在裂縫中滯留進一步改善酸蝕裂縫導流能力；當注酸時間大于60 min時，關(guān)井引起的酸液滯留會進一步削弱酸刻蝕裂縫非均質(zhì)程度，進一步降低酸蝕裂縫導流能力，因此建議酸壓施工時，長時間大規(guī)模注酸結(jié)束時及時開井返排，減小酸液在裂縫中的滯留。

3 結(jié) 論

(1)考慮關(guān)井效應時，較短時間(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；較長時間(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)井效應時，馬五1亞段儲層存在一個最佳的注酸時間60 min，使導流能力保持較好?？紤]關(guān)井效應時，當注酸時間小于等于60 min時，關(guān)井引起的酸液滯留可以強化對裂縫面的刻蝕，提高酸蝕裂縫導流能力；當注酸時間大于60 min時，關(guān)井效應引起的酸液滯留對裂縫面的過度溶蝕導致高閉合壓力(大于27.0 MPa)階段裂縫導流能力降低。

(3)針對馬五1亞段儲層VES酸壓，當注酸時間小于等于最佳注酸時間時，建議酸壓停泵后適當關(guān)井，進一步改善酸蝕裂縫導流能力；當注酸時間大于最佳注酸時間時，建議酸壓后及時開井返排，減小酸液滯留對裂縫面的過度溶蝕，以免削弱酸蝕裂縫導流能力。