玛湖凹陷百口泉组砾岩储层泡酸后岩石损伤及压裂泵压下降机理

王 松，邓宽海，于会永，朱建新，田 刚，林元华，唐 伟，郭长永

(1.新疆油田分公司工程技术研究院，克拉玛依 834000；2.西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，成都 610500；3.新疆油田公司开发公司，克拉玛依 834000)

近年来，随着中国油气需求的不断增加、水平井钻井及压裂技术的进步，砂砾岩复杂油气藏受到越来越多的关注[1]。中国砂砾岩油藏分布广泛，在准噶尔盆地西北缘地区的玛湖凹陷、辽河油田西部凹陷、华北油田廊固凹陷及车镇凹陷柴达木盆地等区域均有不同程度分布，其中准噶尔盆地西北缘地区的玛湖凹陷砂砾岩油藏资源量大，探明石油地质储量达5.2亿t[2-4]，不仅是新疆油田增储上产的主战场，而且也成为中国最现实的增储上产区域。随着新疆油田勘探开发的不断深入，玛北斜坡和玛西斜坡二叠系百日泉组已成为重要的勘探开发层系[5-7]。玛湖凹陷百口泉组主要为冲积扇沉积，以砂砾岩储集层为主，其油藏埋深普遍大于3 000 m，具有典型低孔低渗的特点，以玛131井区百日泉组油藏为例，其岩油藏物性差(低孔低渗)、非均质性强、砂体跨度大、油层分布特征差异大、储层地应力高、水平应力差高及特殊岩性等特点[7-11]。

中国学者对玛湖凹陷下三叠统百口泉组砂砾岩储集层开展了大量研究。朱世发等[12]研究发现准噶尔盆地二叠系沸石矿物在成岩演化过程的析出、胶结和溶蚀对研究区油气储层储集性能有不同程度的破坏及改善作用；靳军等[13]研究了准噶尔彭迪西北缘玛湖凹陷地区的成岩作用及对储集性能的影响，结果表明该区砂砾岩主要发育4种成岩作用类型，压实、交代、溶蚀及胶结，对储集性能的影响差异显著；阿布力米提·依明等[14]分析了准噶尔盆地玛湖凹陷下三叠统百口泉组的成藏机理，其油气富集规律表现为扇三角洲前缘沉积相带、构造鼻凸、断裂的“三元”控制；王剑等[15]利用岩石薄片、电镜及电子探针等手段，开展了百口泉组储层的孔隙形成机理研究，发现砂砾岩储层主要发育剩余粒间孔、泥质杂基收缩孔、长石溶孔三类孔隙；李宁等[16]通过砾岩储层水力裂缝扩展实验研究表明：砂砾岩储层的压裂裂缝形态由应力状态和砾石特征共同决定；况晏等[17]基于孔隙结构评价特征参数与储层品质因子的统计关系，探讨了砂砾岩储层孔隙结构定量评价方法，建立了常规测井曲线连续表征储层品质因子计算模型；郑定业等[18]给出了玛湖凹陷西斜坡致密油藏有效储层物性下限的判别方法；徐江文等[19]经过实践与探索，形成了形以细分切割为主要特点的致密砾岩油藏水平井压裂技术；孙晓瑞等[20]基于全岩矿物成分与黏土矿物分析，对玛湖凹陷泥页岩的水化特性进行了准确和直观的分类界定；刘向君等[21]开展了玛湖凹陷百口泉组砂砾岩储集层岩石力学特征，发现砂砾岩具有较强的非均质性，造成不同岩性的砂砾岩力学特性差异较明显。上述研究结果表明：玛湖油田砾岩具有储层埋藏深、应力高、裂缝不发育、岩性特殊等特征，压裂改造存在启泵施工压力高、砂堵风险大等问题。百口泉组岩性以灰色砂砾岩、含砾粗砂岩、砂质砾岩、中-粗砾岩为主[20-21]，砾石大小不等，砾石含量为2%～51%，平均为29%，最大粒径10.0 cm，一般为0.5～2.0 cm。

从2015年以来，在玛131和玛18等井区开始探索水平井体积压裂技术以实现开发提质增效[22]，但采用桥塞分段+分簇射孔分压工艺后，固井完井射孔储层又出现起裂困难、泵压高、排量低等施工异常[23]，需在压裂泵注之前，对大部分井段(如玛18井区91%、玛131井60%)进行泡酸+支撑剂段塞处理，才能降低泵压、提高排量而实现正常压裂施工。然而，玛湖砾岩水平井压裂改造前期酸处理作业耗时1～2 h，约占总施工时间的24%，显著降低了玛湖地区的压裂时效。

因此，针对玛湖砾岩储层水平井固井完井射孔后直接压裂施工时存在泵压高、需借助长时间酸泡工艺来降低压裂启泵压力的问题，迫切需要开展玛湖区块压裂井酸岩反应特征实验研究，弄清酸损伤及降压机理，进一步优化增产工艺措施和技术参数，提升压裂时效。

1 玛湖砾岩储层岩心及水泥石酸溶蚀实验研究

1.1 岩心酸岩反应实验研究

1.1.1 岩心酸岩反应实验方案

制备岩心试样3块，φ38 mm×76 mm，分别来自玛湖1的玛14井(深度：3 929.00～3 933.00 m，层位：P3w2)、玛18区的玛139井(深度：3 294.00～3 297.50 m，层位：T1b21)和玛131区的玛603井(深度3 875.00～3 894.50 m，层位T1b1)，具体井段及层位如表1所示；配制酸液(15%盐酸)；分析天平称取酸岩反应前的岩心质量；将岩心放入烧杯，倒入浓度为15%盐酸，淹过岩心；磁力搅拌(转速45 r/min)；加热至70 ℃(三区块地层平均温度70 ℃)，反应时间为3 h；反应结束后，关闭磁力搅拌器，将反应后的岩心放入真空干燥箱，干燥12 h，干燥温度为80 ℃；分析天平称量干燥好后的岩心，并记录实验结果。需要说明的是，玛18井区砾石成分中以凝灰岩为主，占比约为60%，其次为花岗岩，占比约为18%；玛湖1井区砾石成分以花岗岩为主，占比约为24%，其次为凝灰岩，占比约为21%；玛131井区砾石成分与玛湖1井区基本相同。

1.1.2 岩心酸岩反应实验结果及分析

图1为不同井酸岩反应前后的岩心实物，表1为对应岩心的酸溶蚀率实验结果。由图1可知，酸反应后的岩心表面更为光滑，呈浅黄色，部分可溶物被盐酸冲洗干净，初始微裂纹及缝隙变得更为明显，但没有重新形成明显地坑、孔、缝及裂纹；酸反应后的岩心重量降低很少，酸溶蚀率很低，玛14井岩石溶蚀率较高，1.16%，而玛139井岩石溶蚀率最低，仅0.85%，如表2所示。酸反应实验过程中，只能在各岩心表面观察到少量的间断气泡，与反应后酸溶蚀率及宏观形貌吻合。总之，玛湖1、玛18和玛131区块的岩石与酸反应的溶蚀率均较低，岩心与酸之间化学反应较轻微。

图1 不同井酸岩反应前后的岩心实物

表1 岩心酸岩反应后的溶蚀率

1.2 水泥石溶解实验研究

1.2.1 水泥石与酸反应的实验方案

玛湖现场水泥浆配方：水泥600 g、微硅30 g、硅粉60 g、弹性剂6 g、降失水剂18 g、分散剂6 g、早强剂6 g、缓凝剂3 g、消泡剂6 g、堵漏剂3 g。基于现场配方，制备不同养护温度(50、60、70 ℃)下的标准水泥石样(φ25 mm×50 mm)；配制酸液(15%盐酸)；分析天平称取酸反应前水泥石质量；将水泥石放入烧杯中与酸进行反应，酸液淹水泥石；磁力搅拌(45 r/min)，分别加温至50、60、70 ℃，反应时间3 h；反应结束后，放入真空干燥箱，干燥24 h，干燥温度为80 ℃；称量干燥水泥石，记录并计算溶蚀率；具体酸反应过程如图2所示。

图2 水泥石与酸反应的实验过程

1.2.2 水泥石与酸反应的实验结果及分析

由图3和图4可知，水泥石-酸反应的溶蚀率均较大，酸反应后，水泥石损伤非常严重，水泥石表面形成了明显的溶蚀孔、坑及裂纹，水泥石出现部分脱落，导致溶蚀率较高，表面粗糙；养护温度50 ℃的水泥石，溶蚀率平均为16.3%，养护温度60 ℃的水泥石，溶蚀率平均为16.0%，养护温度70 ℃的水泥石，溶蚀率平均为15.8%，均远大于玛湖1、玛131和玛18这3个区块岩石酸溶蚀率(<2%)；相同养护温度下，水泥石溶蚀率随反应温度的增加而基本保持不变，即反应温度对水泥石-酸反应的影响很小；相同反应温度下，水泥石平均溶蚀率随养护温度的增加而降低，但降低幅度较小，表明本实验的养护温度对水泥石-酸反应的影响较小。

图3 不同养护温度/反应温度下水泥石的酸溶蚀率

图4 酸反应后水泥石表面形貌(养护温度50 ℃，反应温度70 ℃)

2 岩心及水泥石酸反应前后三轴力学实验研究

2.1 岩心酸反应前后三轴力学实验研究

选取玛湖1、玛131、玛18这3个区块酸作用前后的岩心(尺寸：φ38 mm×76 mm，层段如表2和表3所示)，两个端面和周边打磨光滑。根据岩心深度和地层压力系数确定其围压，参照《岩心常规分析方法》(SY/T 5336—1996)，采用岩石三轴力学测试系统开展试验，测试后采用岩石脆性指数计算，公式为

(1)

式(1)中：E为弹性模量，104MPa；μ为泊松比；C为脆性指数。

获取酸作用前后岩石脆性指数，具体三轴力学性能测试结果如表2、表3和图5所示。

图5 酸反应前-后不同井岩石三轴应力-应变曲线

表2 酸反应前岩石三轴力学性能测试结果

对比酸岩反应前后岩心三轴力学性能测试结果，如表3所示。酸作用后，玛湖1、玛131、玛18区块岩心的抗压强度都急剧下降；酸作用后，岩石脆性指数明显增大；酸作用后，岩石断裂应变急剧降低，与酸反应前岩石相比，在外载荷作用下更快速断裂；酸反应后，岩石弹性模量显著下降。由此可知，现场酸处理及酸岩反应对岩石有明显弱化作用，其主要原因是，岩石在酸液作用下其矿物与酸液发生化学反应，岩石内部矿物溶解和成分改变以及微观结构发生变化，表现为岩石宏观力学特性(强度、脆性)产生损伤劣化，岩石物理力学性能弱化衰减，从而导致岩心更容易发生破碎，对压裂作业反应敏感，能够迅速形成复杂的网状裂缝，如图6所示。

表3 酸反应后岩石三轴力学性能测试结果

图6 酸作用前后相同单轴压缩载荷下的岩石形貌

2.2 水泥石酸反应前后三轴力学实验研究

采用岩石三轴力学测试系统开展了水泥石酸反应前后的三轴力学测试，测试结果如图7和表4所示。由表4可知，酸作用前，水泥石抗压强度(差应力)和泊松比随养护温度的增加而缓慢增加，抗压强度最大为50.2 MPa，脆性指数随养护温度的增加而缓慢降低；酸作用后，水泥石抗压强度和泊松比随养护温度的增加而缓慢增加，抗压强度最大为29.5 MPa，脆性指数随养护温度的增加而缓慢降低。对比可知，酸作用后，水泥石泊松比、弹性模量和抗压强度急剧下降，尤其抗压强度，平均下降40%，而脆性指数急剧增加，平均增加70%。由此可知，酸作用会导致水泥石力学性能衰退，容易发生脆性破坏，即脆性指数增加。

表4 水泥石与酸反应前后的三轴力学测试结果

图7 不同温度下三轴力学曲线图

3 酸反应前后岩石SEM/EDS/XRD分析

酸反应前，岩心进行切片处理，厚度5～7 mm，对切片岩心做扫描电子显微镜(scanning electron microscope，SEM)、能谱仪(energy dispersive spectrometer，EDS)、X射线衍射仪(X-ray diffraction，XRD)测试表征；切片后剩余岩心进行酸岩反应，反应后，再对岩心进行切片处理，厚度5～7 mm，并对切片岩心的酸作用面进行XRD、SEM和EDS测试表征。

3.1 酸反应前后岩石SEM微观形貌分析

图8为酸反应前后玛139井、玛14井、玛603井岩石SEM微观形貌。由图8可知，酸作用前，岩石表面无明显孔/洞，粒间孔隙不发育，颗粒接触紧密，偶见微裂缝；酸作用后，岩石表面出现凹凸不平的微小浅坑或细小裂纹，细小颗粒及胶结物被溶蚀，表面变得粗糙，颗粒接触变松散，溶孔数量有所增加，偶见裂缝，产生不同程度的腐蚀痕迹，造成了一定程度的腐蚀损伤。

图8 酸反应前后岩石SEM微观形貌

3.2 酸反应前后岩石EDS/XRD物相分析

表5为酸反应前后玛139井岩石EDS成分及XRD物相分析结果。表5显示，岩石成分组成以Si、C和O元素为主，且含量较高，其次Al元素相对较高，平均8%左右，其他元素(如Na，Mg，Fe，K)含量较少，低于5%，有的元素平均占比<1%，如Ca；酸反应后，岩石中C、O、Ca、Mg、Fe等元素含量发生了明显变化，C、O、Ca、Mg、Fe等元素含量有所减少，Cl元素明显增加，证明盐酸HCl与岩心发生了碳酸盐岩反应，有碳酸盐岩被溶解的现象发生。由XRD物相分析可知，酸反应前，玛139井岩石主要物相有石英SiO2、钾长石KAlSi3O8、碳酸钙CaCO3、白云岩CaMg(CO3)2；酸反应后，玛139井岩石主要物相有石英SiO2、氯化钙CaCl2、氯化镁MgCl2、钠长石Na(AlSi3O8)。结合EDS及XRD分析结果可知：酸反应后，岩石中Ca、Mg元素及CaCO3、CaMg(CO3)2明显减少消失，而新增CaCl2、MgCl2，主要发生了两种化学反应：

表5 酸反应前后岩石EDS成分及XRD物相分析结果

由此可知，酸岩反应过程中主要生成了CO2气体，这与酸岩反应实验中岩心表面观察到的气泡现象吻合。

综上可知，岩石酸损伤降压机理是：岩石是由颗粒或晶体相互胶结在一起的集合体，内部本身存在着大量的初始微裂纹/裂隙和缺陷，当环境中存在酸性介质(尤其高浓度盐酸)时，随着作用时间的延长，酸性介质会在岩石孔隙和缺陷中渗透，并与某些矿物晶体或颗粒发生不同程度的溶解和溶蚀，致使岩石的缺陷/损伤区进一步增加，岩石颗粒接触变得越发松散且脆弱。

4 水平井固井完井射孔后酸损伤及降压机理

4.1 酸作用改变岩石微观结构

SEM形貌显示：酸反应后，岩石表面出现凹凸不平的微小浅坑/微裂纹，颗粒接触变松散，细小颗粒被溶蚀，产生不同程度的腐蚀痕迹，增加了岩石的微缺陷，如图8所示；EDS成分显示：Ca、Mg元素明显减少、Cl元素新增，HCl与岩心发生了碳酸盐岩反应，有碳酸盐岩溶解现象发生，如表6所示；XRD物相显示：岩石含少量能与HCl发生反应的物质NaAlSi3O8、KAlSi3O8、CaCO3和CaMg(CO3)2，且反应后明显新增CaCl2和MgCl2，而减少CaCO3和CaMg(CO3)2，如表5所示，进一步证明岩石部分被溶蚀。综上可知，酸对岩石产生了腐蚀及损伤，岩石发生了胶结物及矿物溶解、溶蚀，颗粒接触变得松散，增加了内部微缺陷，改变了岩石微观结构。

4.2 酸作用降低岩石力学性能及破裂压力

酸液对岩石产生的腐蚀作用，改变岩石的微观结构，使其宏观力学特性发生变化，即岩石强韧性显著下降，主要体现在岩石抗压强度、弹性模量、断裂应变急剧下降，而脆性指数显著提高，使裂缝容易扩展，从而降低地层破裂压力及压裂启泵压力。为分析酸作用对岩石破裂压力的影响规律，利用酸岩反应前后岩心的三轴力学实验结果，根据横向各向同性介质测井测量与计算方法[24]，利用“七五”或组合弹簧模型及破裂压力公式[式(2)]，对玛14井、玛139井和玛603井最大、最小水平主应力(σH和σh)及地层破裂压力进行计算，计算结果如表6和表7所示。表6和表7显示：酸作用后，玛14井、玛139井和玛603井地层破裂压力均明显下降，对比可知，酸作用前后，地层破裂压力平均下降约20 MPa，与玛湖水平井单级压裂施工典型曲线中启泵压力变化规律基本吻合，如图9所示，表明酸处理的确可降低地层破裂压力，从而降低压裂启泵压力。

图9 玛湖砾岩储层水平井单级压裂施工典型曲线

表6 酸作用前玛14井、玛139井及玛603井地层破裂压力

表7 酸作用后玛14井、玛139井及玛603井地层破裂压力

(2)

式(2)中：σH、σh为最大、最小水平主应力；φ为岩石内摩擦角；σt为岩石抗拉强度；σc为岩石抗压强度；σv为上覆地层压力；α为构造应力系数；Pp为孔隙压力；Pf为地层破裂压力；εH、εh为水平方向变形量。根据玛湖现场提供的数据，εH取0.004 621，εh取0.001 554，α取0.75。

4.3 水泥石酸溶蚀率高、岩石溶蚀率低

水泥石溶蚀率(>15%)远高于岩心(<2%)，表明：玛湖砾岩储层与调研的Eagle Ford、Mancos、四川威远及长宁等页岩储层[25-29]不同，不是主要利用酸液溶解大量碳酸盐及矿物来实现降低压裂泵压；酸溶蚀水泥环后，水泥环损伤严重，使得水泥环中射孔孔眼之间相互连通，某些裂缝生长较容易、容易进压裂液的孔进液量急剧增加，相反，某些生长困难的裂缝及一直不进液的孔就不再进液，从而导致某些微裂缝不再生长，主裂缝快速形成并扩展，一定程度上降低压裂启泵压力，提高酸处理效率，与Oklahoma Woodford页岩气水平井采用“泡沫水泥+前置酸(15% HCl)+段塞”工艺降低压裂启泵压力并提高完井效率吻合[30]。此外，上述分析结果与前期玛湖致密油田6口裸眼完井水平井直接压裂且未采用泡酸工艺的现场案例基本吻合。

5 结论

(1)开展了玛湖1、玛131、玛18区块砾岩储层岩心及水泥石的酸岩实验，得到了岩心及水泥石的溶蚀率，岩心溶蚀率较低(<2%)，水泥石溶蚀率较高(>15%)，远大于岩石溶蚀率，酸损伤严重，反应温度及养护温度均对水泥石溶蚀率影响较小。

(2)开展了岩心/水泥石酸反应前后的三轴力学实验，结果表明：泡酸对岩心/水泥石力学性能影响大，泡酸后岩心/水泥石脆性指数显著提高，断裂应变、抗压强度及弹性模量急剧下降，易发生脆性开裂及裂纹扩展。

(3)采用“七五”或组合弹簧模型及破裂压力公式对玛14井、玛139井和玛603井地层破裂压力进行了计算，得到了酸处理对地层破裂压力的影响规律，其结果与玛湖水平井单级压裂施工典型曲线中启泵压力变化规律基本吻合。

(4)开展了酸岩反应前/后岩心SEM微观形貌和EDS能谱、XRD物相分析，探索了岩石孔/缝/面等内部骨架结构的变化，从微观角度分析了酸岩反应机理，揭示了砾岩储层水平井固井完井射孔后岩石酸损伤及降压机理：酸对岩石产生了腐蚀及损伤，岩石发生了少量溶解、溶蚀，颗粒接触变得松散、脆弱，改变了岩石微观结构，致使宏观岩石力学性能下降，裂缝易扩展，压裂泵压降低，而与北美及四川盆地等页岩储层不同，不是主要利用酸液溶解大量碳酸盐及矿物来实现降低压裂泵压。