劉 洋 熊勇富 鄧世楊 張 豪

(中石油川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司)

0 引 言

塔里木盆地高閉合應(yīng)力區(qū)塊以及一些低地層能量區(qū)塊深層縫洞型碳酸鹽巖油氣井存在酸壓后裂縫閉合快，易形成低產(chǎn)低效井等問題，需要優(yōu)化酸壓改造效果，以提高單井產(chǎn)能。差異刻蝕酸壓技術(shù)是縫洞型碳酸鹽巖油氣藏儲層改造和油氣井提產(chǎn)的重要措施之一，但目前該工藝還沒有系統(tǒng)研究，有必要開展試驗和理論研究，為其工藝優(yōu)化提供依據(jù)。

酸蝕裂縫導(dǎo)流能力是評價碳酸鹽巖差異刻蝕酸壓施工效果的主要指標[1]，國內(nèi)外相關(guān)學者主要通過室內(nèi)試驗、理論計算模型推導(dǎo)以及兩者相結(jié)合的方式進行研究。車明光等[2]研制了FATSC裂縫導(dǎo)流能力試驗裝置，并進行了不同條件下裂縫導(dǎo)流能力模擬試驗；彭瑀等[3]利用DP-I型導(dǎo)流能力測試裝置，模擬了酸壓施工過程中不同施工參數(shù)對導(dǎo)流能力的影響。劉洋等[4]系統(tǒng)研究了隨著酸液濃度的不斷降低，裂縫不同位置導(dǎo)流能力和刻蝕形態(tài)的變化情況?？傮w來看，關(guān)于酸蝕裂縫導(dǎo)流能力試驗研究，國內(nèi)外學者采用的試驗設(shè)備是基于API導(dǎo)流試驗設(shè)備，但API導(dǎo)流室模擬裂縫所采用巖樣尺寸過小，試驗中會產(chǎn)生端面效應(yīng)，影響試驗結(jié)果評價，并且國內(nèi)關(guān)于酸液體系對裂縫表面溶蝕行為影響的研究也較少。

針對上述問題，筆者研制了導(dǎo)流室長度1 m的大型酸蝕裂縫導(dǎo)流能力試驗裝置，同時，為了圖形化和量化裂縫壁面被酸液刻蝕后的形態(tài)，研制了一套裂縫表面溶蝕形態(tài)激光掃描儀，模擬酸液在裂縫中流動情況，并測試了不同裂縫閉合壓力下酸蝕裂縫導(dǎo)流能力，定量分析了不同酸液體系的溶蝕行為，評價了不同因素(酸液體系、液體組合等)對導(dǎo)流能力的影響規(guī)律。研究結(jié)果可為深層碳酸鹽巖儲層酸壓改造設(shè)計和施工提供指導(dǎo)。

1 酸蝕裂縫導(dǎo)流能力計算模型

由于酸蝕裂縫不同位置的寬度不相等，所以酸蝕裂縫導(dǎo)流能力的計算不能采用填砂裂縫導(dǎo)流能力計算模型，需建立酸蝕裂縫導(dǎo)流能力計算模型。沿裂縫長度方向，由于酸液在流動中與裂縫壁面消耗引起導(dǎo)流能力的不均勻變化，所以假設(shè)酸液流體連續(xù)，建立黏性不可壓縮流體動量守恒運動方程[3]，如式(1)和式(2)所示。

qi,j=0

(1)

(2)

式中：qi,j為流速，μ為流體黏度，ρ為裂縫寬度，fi為單位質(zhì)量壓力，pi為壓力。

因為酸蝕裂縫寬度波動較小，所以可以將酸液在裂縫中的流動簡化為平行板裂縫流動模型，如圖1所示，并將流動限定為層流條件。

圖1 平行板裂縫流動模型

建立了光滑平行板裂縫流動模型，就可以基于立方定律[2]推導(dǎo)酸蝕裂縫導(dǎo)流能力的計算模型。將建立的平行板裂縫模型網(wǎng)格化，對每個網(wǎng)格建立縫高和縫長2個方向的流速模型，即有：

(3)

(4)

式中：qx、qy分別為縫長、縫高方向的流速，w為裂縫寬度，h為網(wǎng)格長度，kf為裂縫滲透率。

由于縫寬遠小于縫長和縫高，所以忽略垂直裂縫壁面的流速，則物質(zhì)平衡方程可以表示為[5-9]：

(5)

將式(1)和式(2)代入式(3)，可得：

(6)

進而可以得到數(shù)值解：

Cf=qμxf/(hfΔp)

(7)

式中：Cf即為酸蝕裂縫導(dǎo)流能力，xf為裂縫長度，hf為裂縫高度，Δp為裂縫進出口壓差。

2 大型酸蝕裂縫導(dǎo)流試驗

2.1 試驗設(shè)備

2.1.1 大型酸蝕裂縫導(dǎo)流能力試驗裝置

大型酸蝕裂縫導(dǎo)流能力試驗裝置基于API裂縫導(dǎo)流設(shè)備研制而成。API導(dǎo)流室規(guī)格為18.4 cm×4.5 cm[1]，該試驗裝置模擬長100 cm、寬10 cm規(guī)格的裂縫，如圖2所示。

圖2 酸蝕裂縫導(dǎo)流能力試驗裝置

試驗裝置主要結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)：①導(dǎo)流室，模擬裂縫規(guī)格(長×高×寬)為1 000 mm×100 mm×(1～10)mm，系統(tǒng)壓力12 MPa；②壓力傳感器，酸蝕裂縫導(dǎo)流能力測量時，檢測導(dǎo)流室進出口端的壓差，量程0～500 kPa；③耐酸泵，注入排量5～3 000 mL/min，壓力5～8 MPa；④回壓閥，保持試驗流程壓力7 MPa以上，壓力范圍0～35 MPa；⑤加熱系統(tǒng)，模擬地層溫度(0～115 ℃)；⑥環(huán)壓泵，在閉合酸化試驗和酸蝕裂縫導(dǎo)流能力試驗中模擬裂縫閉合應(yīng)力，應(yīng)力范圍0～50 MPa。

2.1.2 裂縫表面溶蝕形態(tài)激光掃描儀

配套研制了裂縫表面溶蝕形態(tài)激光掃描儀，如圖3所示。用該掃描儀可以實現(xiàn)裂縫表面溶蝕形態(tài)成像及數(shù)據(jù)分析。掃描系統(tǒng)的激光掃描范圍(長×寬×高)為1 000 mm×100 mm×(±48)mm，掃描精度為0.1 mm。

圖3 裂縫表面溶蝕形態(tài)激光掃描儀

2.2 試驗流程[4]

(1)準備試驗所需規(guī)格的酸液體系。

(2)將兩塊巖板標注進出口端方向，用裂縫表面溶蝕形態(tài)激光掃描儀掃描記錄兩塊巖板酸溶蝕前的表面形態(tài)數(shù)據(jù)，然后將其放入導(dǎo)流室，調(diào)節(jié)縫寬至4 mm。

(3)將酸液倒入儲酸罐中，連接試驗流程。

(4)打開清水閥門，低排量啟動注入泵，待出口端有清水排出后，檢查確保無滴漏。

(5)打開加熱裝置，設(shè)定溫度為90 ℃。

(6)將試驗流程轉(zhuǎn)換成模擬酸壓流程。

(7)開啟試驗軟件，點擊“開始試驗”實時采集試驗數(shù)據(jù)，以試驗方案設(shè)計的排量和接觸時間開始泵入酸液。

(8)注酸結(jié)束后停泵，拆卸導(dǎo)流室取出巖板。

(9)用裂縫表面溶蝕形態(tài)激光掃描儀掃描記錄兩塊巖板的刻蝕形態(tài)。

(10)掃描后，將巖板重新放入導(dǎo)流室中，縫寬設(shè)置為0，將試驗流程轉(zhuǎn)換成清水流程。

(11)在軟件上輸入相關(guān)參數(shù)后，開始記錄數(shù)據(jù)，同時低排量啟泵，以1 MPa為步長逐級增大閉合壓力，測試不同閉合壓力下酸蝕裂縫的導(dǎo)流能力。

3 試驗研究及分析

采用同批次碳酸鹽巖巖板進行3種酸液體系的酸溶蝕試驗，掃描刻畫不同酸液體系的裂縫表面溶蝕形態(tài)，并測量計算不同裂縫閉合應(yīng)力下的酸蝕裂縫導(dǎo)流能力。根據(jù)酸反應(yīng)速率圖版(見圖4)，當鹽酸質(zhì)量分數(shù)超過28%后，隨著鹽酸質(zhì)量分數(shù)的增加，初始反應(yīng)速度呈下降趨勢。結(jié)合國內(nèi)外碳酸鹽巖酸壓施工常用酸質(zhì)量分數(shù)，優(yōu)選試驗用酸質(zhì)量分數(shù)25%和28%。共進行試驗6套次[10-14]，相關(guān)試驗參數(shù)見表1。

圖4 酸反應(yīng)速率

表1 不同酸液體系試驗方案

3.1 不同酸液體系對酸蝕裂縫導(dǎo)流能力的影響

3.1.1 膠凝酸

將質(zhì)量分數(shù)25%和28%的膠凝酸注入人工裂縫后，測得酸蝕裂縫導(dǎo)流能力隨閉合應(yīng)力的變化情況，如圖5所示。由圖5可以看到，質(zhì)量分數(shù)28%的膠凝酸酸蝕裂縫溶蝕體積Ve大于質(zhì)量分數(shù)25%的膠凝酸酸蝕裂縫溶蝕體積，質(zhì)量分數(shù)28%的膠凝酸酸蝕裂縫在低閉合應(yīng)力下導(dǎo)流能力高于質(zhì)量分數(shù)25%的膠凝酸，但隨著閉合應(yīng)力的增大，導(dǎo)流能力下降較快，閉合應(yīng)力達到35 MPa以后導(dǎo)流能力甚至要低于質(zhì)量分數(shù)25%的膠凝酸，因此酸蝕裂縫壓力敏感性較強。

圖5 質(zhì)量分數(shù)25%和28%的膠凝酸酸蝕裂縫導(dǎo)流能力對比

3.1.2 交聯(lián)酸

將質(zhì)量分數(shù)25%和28%的交聯(lián)酸注入人工裂縫后，測得酸蝕裂縫導(dǎo)流能力隨閉合應(yīng)力的變化情況，如圖6所示。由圖6可以看到，質(zhì)量分數(shù)28%的交聯(lián)酸酸蝕裂縫溶蝕體積大于質(zhì)量分數(shù)25%的交聯(lián)酸酸蝕裂縫溶蝕體積，質(zhì)量分數(shù)28%的交聯(lián)酸酸蝕裂縫導(dǎo)流能力在低閉合應(yīng)力時稍高于質(zhì)量分數(shù)25%的交聯(lián)酸酸蝕裂縫導(dǎo)流能力，而且當閉合應(yīng)力增大時，導(dǎo)流能力下降趨勢較緩，導(dǎo)流能力保持能力較強，因此酸蝕裂縫壓力敏感性比膠凝酸低。

圖6 質(zhì)量分數(shù)25%和28%的交聯(lián)酸酸蝕裂縫導(dǎo)流能力對比

3.1.3 轉(zhuǎn)向酸

將質(zhì)量分數(shù)25%和28%的轉(zhuǎn)向酸注入人工裂縫后，測得酸蝕裂縫導(dǎo)流能力隨閉合應(yīng)力的變化情況，如圖7所示。

由圖7可以看到，質(zhì)量分數(shù)28%的轉(zhuǎn)向酸酸蝕裂縫溶蝕體積Ve大于質(zhì)量分數(shù)25%轉(zhuǎn)向酸，質(zhì)量分數(shù)28%的轉(zhuǎn)向酸酸蝕裂縫導(dǎo)流能力在低閉合應(yīng)力時稍高于質(zhì)量分數(shù)25%的轉(zhuǎn)向酸，但是當閉合應(yīng)力增大時，導(dǎo)流能力下降趨勢較快，閉合應(yīng)力增大至30 MPa以后，導(dǎo)流能力低于質(zhì)量分數(shù)25%的轉(zhuǎn)向酸酸蝕裂縫導(dǎo)流能力，因此酸蝕裂縫壓力敏感性較強。

圖7 質(zhì)量分數(shù)25%和28%的轉(zhuǎn)向酸酸蝕裂縫導(dǎo)流能力對比

3.2 不同酸液體系裂縫表面差異刻蝕行為分析

將質(zhì)量分數(shù)均為28%的膠凝酸、交聯(lián)酸和轉(zhuǎn)向酸酸蝕后的裂縫表面激光掃描數(shù)據(jù)進行三維圖形處理，得到溶蝕后表面三維圖像以及酸液溶蝕裂縫表面的高度和體積，如圖8～圖10、表2所示。

表2 不同酸液溶蝕裂縫表面體積與裂縫導(dǎo)流能力

圖8 質(zhì)量分數(shù)28%的膠凝酸溶蝕裂縫表面形態(tài)

圖9 質(zhì)量分數(shù)28%的交聯(lián)酸溶蝕裂縫表面形態(tài)

圖10 質(zhì)量分數(shù)28%的轉(zhuǎn)向酸溶蝕裂縫表面形態(tài)

從試驗結(jié)果可以看出：膠凝酸具備一定黏度，不存在明顯位置溶蝕差異影響，而受巖石物性差異影響較大，裂縫形態(tài)以彎曲溝槽狀溶蝕為主，在裂縫遠端存在過度溶蝕現(xiàn)象，裂縫閉合后連通性較好；交聯(lián)酸黏度高，反應(yīng)速率較低，不存在明顯位置溶蝕差異影響，溶蝕行為受巖石物性差異影響大，且交聯(lián)酸突破能力較強，溶蝕形態(tài)以直溝槽狀溶蝕為主；轉(zhuǎn)向酸初始黏度低，反應(yīng)速度快，以點狀溶蝕為主，隨著反應(yīng)進行，酸濃度降低，且黏度增大，所以反應(yīng)速度降低，故中部溶蝕最差。由于點狀溶蝕導(dǎo)致裂縫閉合后的巖石抗壓能力較弱，以及中后部存在“節(jié)流閥”效應(yīng)，導(dǎo)致整體應(yīng)力敏感性較強，高閉合應(yīng)力下導(dǎo)流能力較弱。

3.3 酸液體系組合優(yōu)化

碳酸鹽巖酸壓裂縫壁面差異刻蝕原因主要有巖石礦物組成非均質(zhì)性、巖石表面物性非均質(zhì)性以及酸液體系間的性質(zhì)差異等3方面，其中前兩個原因是不可控因素，而酸液體系是可控因素。為了增強差異刻蝕效果，可以利用不同酸液體系的性質(zhì)差異，優(yōu)化酸液體系組合，以達到優(yōu)化酸蝕裂縫導(dǎo)流能力的目的。不同酸液體系組合酸蝕裂縫導(dǎo)流能力對比如圖11所示。

圖11 不同酸液體系組合酸蝕裂縫導(dǎo)流能力對比

總體來看，酸液體系組合酸蝕裂縫導(dǎo)流能力比單一酸液體系導(dǎo)流能力好。如圖12所示，膠凝酸的溝槽狀溶蝕與轉(zhuǎn)向酸點狀溶蝕優(yōu)勢互補，增加了溝槽深度和有效性，提高了導(dǎo)流能力，并且降低了應(yīng)力敏感性；膠凝酸和轉(zhuǎn)向酸組合中加入交聯(lián)壓裂液，降低了縫口端轉(zhuǎn)向酸溫度，使得入口端點狀溶蝕程度減緩，加強了中后段點狀溶蝕程度，裂縫遠端形成局部過度溶蝕；交聯(lián)壓裂液降低了同離子效應(yīng)，增加了整體酸巖反應(yīng)速率，增強了轉(zhuǎn)向酸沿溝槽溶蝕程度，發(fā)揮了輔助溶蝕的效果，所以獲得了更優(yōu)的導(dǎo)流能力。因此，對于現(xiàn)場差異刻蝕酸壓工藝可以采用膠凝酸+交聯(lián)壓裂液+轉(zhuǎn)向酸組合，不同酸液液量配比1∶1。

圖12 膠凝酸+轉(zhuǎn)向酸交替注入酸蝕裂縫表面溶蝕形態(tài)

3.4 試驗結(jié)果分析

由試驗結(jié)果可知：膠凝酸、交聯(lián)酸和轉(zhuǎn)向酸這3種酸液體系的整體導(dǎo)流能力均隨著裂縫閉合應(yīng)力的增大呈現(xiàn)下降趨勢；在低閉合應(yīng)力下導(dǎo)流能力差異較大，隨著閉合應(yīng)力的增大，差異逐漸減??；整體對酸蝕裂縫導(dǎo)流能力的影響大小為：膠凝酸>交聯(lián)酸>轉(zhuǎn)向酸。

膠凝酸和交聯(lián)酸酸蝕裂縫導(dǎo)流能力隨閉合應(yīng)力的增大保持能力比轉(zhuǎn)向酸強，其原因是：不同溶蝕形態(tài)在裂縫閉合后對裂縫的連通性有較大影響，溝槽狀溶蝕在高閉合應(yīng)力下依然能夠提供有效通道。不同溶蝕形態(tài)對酸蝕裂縫整體導(dǎo)流能力的貢獻大小為：直溝槽狀溶蝕>彎曲溝槽狀溶蝕>點狀溶蝕。

酸液體系組合比單一酸液體系具有更佳的導(dǎo)流能力，這是因為不同酸液具有不同的溶蝕特性，可以優(yōu)勢互補?，F(xiàn)場差異刻蝕酸壓工藝可以采用膠凝酸+交聯(lián)壓裂液+轉(zhuǎn)向酸的組合，不同酸液液量配比為1∶1。

4 結(jié) 論

(1)研制了導(dǎo)流室長度1 m的大型酸蝕裂縫導(dǎo)流能力試驗裝置和裂縫表面溶蝕形態(tài)激光掃描儀。

(2)三種酸液體系溶蝕機理不同，因此會產(chǎn)生不同的裂縫表面溶蝕形態(tài)；溝槽狀溶蝕形態(tài)容易形成高導(dǎo)流能力，在高閉合應(yīng)力下依然能夠提供有效通道，而點狀溶蝕導(dǎo)流能力較差。

(3)膠凝酸黏度低于交聯(lián)酸，裂縫表面溶蝕體積更大，且更容易形成彎曲溝槽，溶蝕表面復(fù)雜程度高。轉(zhuǎn)向酸受控于其反應(yīng)機理，整體溶蝕體積較小，但差異刻蝕表現(xiàn)突出，與其他酸液體系配合使用能達到較好的溶蝕效果。

(4)通過酸液體系組合優(yōu)化對比，酸液組合膠凝酸+交聯(lián)壓裂液+轉(zhuǎn)向酸可以獲得更優(yōu)的差異刻蝕酸壓效果。