碳酸盐岩酸化压裂力学性质劣化效应试验

张鲲鹏， 陈 勉， 戴一凡， 李佳欣， 王士国， 罗仁坤

（中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室；石油工程教育部重点实验室，北京102249）

0 引 言

压裂技术是目前提高储层采收率的直接且有效的措施［1-3］，其中酸化压裂技术为碳酸盐岩储层改造最常用的有效措施被广泛研究［4-6］。酸压过程中，储层岩石的岩石力学参数对酸压结果有一定的影响［7］。有学者研究了酸岩反应石力学参数的影响［8-9］，表明酸蚀作用对岩石力学参数有明显的影响。但现阶段对现场常用的酸液体系对碳酸盐岩岩石力学参数影响的研究较少，并且没有考虑酸液类型以及酸岩反应时间对酸压裂缝导流能力和储层特性的影响。酸化压裂所用的压裂液体系种类繁多［10］。其中，胶凝酸以其高黏度、低滤失、低摩阻、易反排、利缓速的特点在现场酸压过程中受到较多应用。此外，清洁自转向酸技术因其无残渣、低伤害、易破胶等特点，也成为了现阶段酸化压裂施工常用的压裂液［11］。胶凝酸倾向于在岩石内部形成溶蚀孔洞，而清洁酸倾向于表面溶蚀，因此施工时造成的影响也有所区别。

本文采用现场的清洁酸及胶凝酸两种酸液体系，对碳酸盐岩进行不同类型酸液及酸蚀时间下室内三轴岩石力学测试，探讨酸压过程中酸蚀作用对储层破裂压力、裂缝导流能力以及地层脆性的影响，结合岩石破裂面的3-D扫描进一步刻画酸蚀对裂缝壁面的影响。

1 试验材料与方法

1.1 取样层位及矿物成分分析

测试岩心取自普光气田某酸压井的目标储层（见图1）。普光气田目标层段埋深4 500 m，储层厚度分布在20 ～40 m。储层以晶间、粒间溶孔为主，岩石致密，平均孔隙度为4. 2%，渗透率达到0. 12 × 10-3μm2。地层压力系数介于0. 98 ～1. 18，地温梯度为1.94 ～2.21 ℃/100 m。

图1 酸蚀试验井下岩心形状

全岩矿物分析显示，碳酸盐岩的主要矿物成分为方解石和白云石，两者占矿物总含量的89%以上。黏土含量极少，低于4%，主要为伊利石＋伊/蒙有序间层，伊利石含量大于伊/蒙有序间层含量。

1.2 试样的制备及酸液配置

测试岩心为L ＝50 mm、φ ＝25 mm的圆柱形标准试件。为了反映现场实际酸压施工时酸液对储层岩石的影响，试验中使用的酸液均来自现场实际使用的压裂液（清洁酸配方：20%盐酸＋2%醋酸＋2.4%高温酸化缓蚀剂＋3.5%转向剂＋1.5%铁离子稳定剂＋0.2%活性剂；胶凝酸配方为：20%盐酸＋2%醋酸＋2.4%缓蚀剂＋1.4%胶凝剂＋1.5%铁离子铁稳剂＋0.8%活性剂）。

1.3 试验方法

采用中国石油大学（北京）岩石力学实验室的三轴应力测试系统进行测试，基于储层特征环境设计围压条件，将试样按照酸蚀时间进行分类，分为无酸浸、50 min及90 min酸浸3 类，测试分析岩石力学参数。采用3-D扫描仪重构不同类型酸液、酸蚀时间的酸蚀试样破裂面，真实还原酸蚀作用后试样断裂面的粗糙程度以及断裂的复杂程度。

2 试验结果及分析

2.1 酸液静态酸蚀结果分析

酸压施工结束后，裂缝导流能力主要来源于裂缝表面的粗糙程度，壁面粗糙程度越高，则裂缝闭合后所具有的导流能力越强，改造效果越好。为了获得不同类型酸液作为压裂液时，在不同酸岩反应时间下，裂缝表面不规则程度，利用3-D 扫描技术对酸蚀后试样破裂面进行扫描，重构其空间形态，为刻画围压条件下酸蚀岩石破裂机理提供条件。

试样A、C采用清洁酸酸蚀处理，试样B、D采取胶凝酸处理，其中试样A、B 酸蚀处理50 min，试样C、D酸蚀时间为90 min（见图2）。对试样进行三轴岩石力学试验，并沿裂缝面将岩样开启，对破裂面进行3-D扫描。短时间内本试验所使用的两种酸液体系均对试样裂缝壁面存在刻蚀，胶结物部分或完全溶解，胶结强度降低，表现为裂缝壁面上胶结物分布不均匀，表面粗糙，凸凹不平。

由图2 可知，随着酸蚀时间的增加，裂缝表面粗糙程度均明显降低，呈平面化趋势，由此可知，酸压裂缝闭合后，随着酸岩反应时间的增长，裂缝壁面趋于平整，裂缝导流能力降低。

酸蚀时间相同，与清洁酸相比，胶凝酸作用后，试样的裂缝壁面更为粗糙，且断裂方式更复杂，内部孔洞更发育。在酸蚀时间90 min时，酸蚀后试样的裂缝壁面较为平整，其中胶凝酸作用后的试样，壁面粗糙程度高且存在明显的起伏、褶皱。清洁酸酸蚀过程中，随着作用时间的增加，试样的裂缝壁面褶皱及凸起消失，粗糙程度明显降低，可知清洁酸以表面溶蚀为主，对岩石内部孔洞的影响相对较小。胶凝酸作用后，裂缝面存在明显褶皱，并且有明显凸凹面，可知胶凝酸不仅腐蚀裂缝表面，还腐蚀了岩石内部孔洞。

图2 酸蚀前后岩石特征

由此可知：酸压时需要及时返排，防止酸蚀时间过长降低裂缝导流能力；在不考虑返排及储层保护的情况下，使用胶凝酸作为压裂液可以更好地改善储层条件，酸压效果更好。

2.2 三轴岩石力学实验

对碳酸盐岩试样进行力学参数测试，试样17 ～22酸蚀时间为50 min，试样23 ～28 酸蚀时间为90 min，其中试样17 ～21 采用清洁酸酸蚀，试样22、28 采用胶凝酸酸蚀，其余试样作为对照组，不进行酸蚀。由于试样14 在三轴岩石力学参数测试过程中发生了脆性断裂，测得参数与实际不符，不予讨论。

2.2.1 抗压强度

在酸压作业后，酸蚀裂缝的导流能力来源于粗糙的未闭合裂缝宽度。在闭合应力作用下，酸蚀裂缝会趋向闭合，此时的裂缝导流能力取决于闭合应力的大小以及岩石强度［11］。

Nasr-El-Din等［12］对Nierode 以及Kruk 的酸压裂缝导流能力计算公式进行改进，使之更适用于碳酸盐岩。本文对公式进行单位制转化：

碳酸盐岩

白云岩：

式中：S为裂缝闭合压力（MPa）；DERC 为裂缝等价传导率（D-mm）；RES为裂缝抗压强度（MPa）。

使用清洁酸和胶凝酸对试样进行酸蚀处理，试样抗压强度如图3 所示。酸蚀50 min时，试样平均抗压强度由380. 68 MPa 升高至439. 32 MPa，而酸蚀90 min时，强度降低至291.02 MPa，清洁酸酸蚀过程中，对碳酸盐岩抗压强度的影响呈先强化后劣化的趋势，而胶凝酸对试件的抗压强度呈劣化趋势，且不存在时间效应。此外，清洁酸对试件的抗压强度在劣化段的劣化程度较胶凝酸高出34%。

图3 抗压强度试验结果对比

随着酸浸时间的增加，裂缝的导流能力呈下降趋势，清洁酸对裂缝导流能力的影响较胶凝酸更强。在酸压施工后，残留在裂缝中的酸液会降低改造效果。所以，酸压改造时，在保证经济性的基础上，要综合考虑酸蚀对裂缝导流能力的影响，根据酸液性质有针对性地进行返排工作。

2.2.2 弹性模量

如图4 所示，试样酸蚀前，平均弹性模量为43.87 MPa；清洁酸酸蚀50 min 后，平均弹性模量为47.84 MPa，试件抗变形能力得到强化，较酸蚀前弹性模量升高9.05%；酸蚀90 min 后，平均弹性模量为34. 64 MPa，较酸蚀前，试件弹性模量降低21.04%。胶凝酸酸蚀50 min后，试样平均弹性模量降低至42.54 MPa，较酸蚀前弹性模量降低3.01%；酸蚀90 min 后，平均弹性模量为41.75 MPa，较酸蚀前弹性模量降低4.83%。由此可知，胶凝酸会在酸蚀过程中破坏岩石的内部结构，使弹性模量降低；而清洁酸酸蚀过程中，岩石的弹性模量会先小幅度上升，后显著降低。

图4 弹性模量试验结果对比

2.2.3 泊松比

在水力压裂与井壁稳定分析过程中，地层破裂压力是一个关键参数。泊松比对地层破裂压力的影响如下式［13］所示：

对式（3）进行整理，得到：

式中：pf为地层破裂压力（MPa）；H 为井深（m）；ξ1，2，a，b为构成应力系数；Es为地层静态弹性模量（MPa）；μs为地层静态泊松比；σv为上覆压力（MPa）；α为Biot系数；pp为地层压力（MPa）；St为地层抗拉强度（MPa）。

泊松比（μ）的试验结果如图5 所示。试样泊松比分布在0.27 ～0.39，表明该井段碳酸盐岩储层在高围压下抵抗变形的能力较强。酸蚀前，试样平均泊松比为0.318 9；清洁酸酸蚀50 min 后，平均泊松比为0.303 9；酸蚀90 min 后达到0.305，降低幅度分别为4.70%、4.35%，而胶凝酸在相同酸蚀时间条件下，降低幅度分别为4.35%、18.15%，可见胶凝酸对试样泊松比的影响较大。由式（3）可知，地层泊松比越低，地层破裂压力越低，所以，酸蚀作用可以降低碳酸盐岩储层的破裂压力，从而降低后续压裂改造的难度。

图5 泊松比试验结果对比

2.2.4 脆性指数

地层的脆塑性对压裂后产生的缝网复杂程度具有一定的影响，地层脆性指数越高，压裂后产生的缝网越复杂［14-17］。Rickman 等［18］认为，地层的弹性参数，如弹性模量、泊松比与地层的脆性指数呈线性正相关，并给出评价方法：

式中：EBRIT、μBRIT为弹性模量、泊松比脆性指数；E 为弹性模量（MPa）；μ为泊松比；BRIT为脆性指数。

利用式（5）分析酸蚀作用对地层的脆性影响，计算结果如图6 所示。酸蚀后，试样的脆性整体表现出增强的趋势。酸蚀前，平均脆性指数为57.13；清洁酸酸蚀50 min 后，平均脆性指数升高至64.04；90 min后，平均脆性指数为64.03，可见清洁酸酸蚀可以增强地层的脆性，但在酸蚀作用一段时间过后，脆性指数趋于稳定，而胶凝酸在酸蚀作用50 min 时，平均脆性指数为34.91，略有降低，在酸蚀90 min 时，脆性指数升高至90.59，可见胶凝酸对地层脆性的影响具有明显的时间效应，随着酸蚀时间的增加，地层脆性指数逐渐升高。

图6 试样脆性指数对比

酸蚀作用可以提高地层的脆性，有利于后续压裂作业，使后期改造更容易形成复杂缝网，得到高导流通道，获得较好的改造效果。

2.2.5 酸蚀前后试样破裂特征分析

酸蚀作用破坏碳酸盐岩内部原有微细观结构，减弱岩石内部的胶结作用，使近酸蚀面部分碳酸盐岩岩石骨架松散，导致其岩石力学特性发生改变。

如图7 所示，酸蚀前试样应力应变曲线在弹性阶段呈直线，破坏呈脆性断裂。酸蚀后，试样破坏较为快速，抗压强度明显降低，破坏形式为脆性断裂，脆性较强。破坏后，试样仍然有一部分承载能力，表现出一定的延展性。其中，清洁酸酸蚀后试样强度的劣化程度较高，胶凝酸酸蚀试样破坏后承载能力以及破坏时脆性较强，随着酸蚀时间的增加，清洁酸对试样抗压强度的劣化明显增强，胶凝酸劣化结果与时间无明显相关性。

图7 酸蚀弱化三轴试验应力-应变曲线

3 结 论

针对普光气田碳酸盐岩开展酸液反映岩石力学强度弱化的测试和分析，基于室内实验研究得到的主要认识如下：

（1）酸蚀作用会降低地层破裂压力，使地层更易起裂，有利于压裂作业的展开，其中胶凝酸易形成融蚀孔洞，因此对地层破裂压力的影响具有明显的时间效应，并且相比清洁酸降低幅度更高。

（2）随着酸岩反应时间的增加，裂缝壁面最终趋于平整，裂缝导流能力降低，清洁酸对裂缝导流能力的影响程度强于胶凝酸，时间效应显著。随着酸浸时间的增加，裂缝导流能力呈下降趋势，其中清洁酸对裂缝导流能力的影响较强，在酸压施工后，残留在裂缝中的酸液会降低改造效果，在方案设计时要综合考虑酸蚀对裂缝导流能力的影响，根据酸液性质有针对性地进行返排工作。

（3）酸蚀作用可以提高地层的脆性，破坏后，岩石骨架仍有一部分承载能力，延展性增强，有利于后续压裂作业，使后期改造更容易形成复杂缝网，得到高导流通道，获得较好的改造效果，其中胶凝酸体系对储层脆性指数的影响更高，作用效果更明显。