高灰質白云巖酸蝕改造機理研究

黃 丹，伊向藝，2，楊 哲，郭冰柔，黃文強，吳 霞

（1.成都理工大學能源學院，四川成都 610059；2.油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室·成都理工大學，四川成都 610059）

酸化壓裂是白云巖儲層最有效的增產改造措施之一，并已在現場得到廣泛應用。長慶油田新探區高灰質白云巖儲層，儲層薄且致密，礦物組成復雜，硬石膏含量較其他地區高，各種礦物含量變化起伏大，均一性差，應力遮擋差，裂縫發育和連通性較差。新探區儲層酸壓改造難度大，酸壓改造效果與酸蝕過程有關[1-4]。因此，本文從礦物類型及儲集空間、礦物產狀及孔隙結構、巖石礦物化學成分三方面分析不同條件下的高灰質白云巖微觀酸蝕機理，為后續該探區高灰質白云巖儲層酸壓改造設計及參數優化提供指導性建議[5-8]。

1 礦物類型及儲集空間酸蝕機理

未酸蝕長慶儲層的巖心致密，白云石含量較高，部分巖心硬石膏含量高，灰質含量低，部分發育微裂縫。利用薄片鑒定對比不同條件下酸巖反應前后薄片的變化，如：各種礦物的反應程度，薄片因酸蝕減少的質量等，了解礦物類型及儲集空間酸蝕微觀機理。

1.1 酸液濃度影響

對比分析在90℃，45 s反應時間條件下，5%、10%、15%和20%鹽酸分別與巖石的反應情況（見圖1）。

圖1（a）中，裂縫中的方解石反應較多，白云石反應程度較輕，幾乎看不出損耗。圖1（b）中方解石反應完全，并在薄片表面留下了少量的泥質及有機質，白云石有一定的溶蝕。圖1（c）中，方解石是后期快速充填形成的，故而反應較為徹底，泥質有機質成分較少，白云石有明顯的破裂現象，反應較為明顯，損耗相對較大。圖1（d）主要由泥晶白云石組成，少量硬石膏，以片狀分布在白云石間，巖石表面溶孔較大，酸巖反應更為劇烈。

在鹽酸濃度為5%～20%的范圍內，隨著鹽酸濃度的增大，不同類型礦物的溶蝕程度增加。儲集空間的變化表現為白云石出現不同程度的破裂現象，巖石的溶蝕孔徑增大。

1.2 反應溫度影響

對比分析在酸液濃度15%，45 s反應時間條件下，70℃、80℃、90℃和100℃不同反應溫度下酸液與巖石的反應情況（見圖2）。

圖2（a）中，主要為粉晶白云石，以半自形-自形粒狀分布，發育兩組裂縫，主要充填有機質，白云石反應程度較輕，幾乎看不出損耗。圖2（b）中，溶蝕孔隙增大。圖2（c）中，方解石反應較為徹底，泥質有機質成分較少，白云石有明顯的破裂現象，反應較為明顯，損耗相對較大。圖2（d）中，發育有裂縫，充填有白云巖，白云石反應較為明顯，損耗相對較大。得出結論，在70℃～100℃范圍內，隨著溫度的升高，酸巖反應程度逐漸增大。

1.3 反應時間影響

對比分析在酸液濃度15%，90℃溫度條件下，15 s、30 s、45 s和60 s不同反應時間下酸液與巖石的反應情況（見圖3）。

圖1 不同濃度鹽酸與巖石反應的微觀形態

圖2 不同溫度下鹽酸與巖石反應的微觀形態

圖3 15%鹽酸與巖石反應不同時間的微觀形態

圖3（a）以白云石和硬石膏為主，呈條帶狀順層分布，白云石分布不均，白云石反應程度較輕。圖3（b）巖樣表面具有網狀結構，白云石有一定的溶蝕。圖3（c）中方解石反應較為徹底，泥質有機質成分較少，白云石有明顯的破裂現象，反應較為明顯，損耗相對較大。圖3（d）中，15%鹽酸經過60 s的反應方解石全部反應完畢。得出結論：反應時間越長，酸巖反應越徹底。

通過薄片分析，不同條件下礦物類型及儲集空間酸蝕機理即酸蝕后方解石和白云石含量大量減少；白云石巖面產生破裂現象，這有利于降低破裂壓力，在酸壓前可注入少量酸。裂縫中的充填物發育位置溶蝕反應較集中，溶蝕孔隙變大，或被微小顆粒充填，這可能會使酸液向裂縫、孔隙濾失，建議在反應過程中加入降濾失劑。

2 礦物產狀及孔隙結構酸蝕機理

酸蝕前巖石致密，疑似有石膏溶蝕孔，見黃鐵礦顆粒，見粒間縫，顆粒斷面形態多樣。利用電鏡掃描分析不同條件下酸液與巖石反應后掃描電鏡的變化，如礦物的產狀、孔隙結構、排列形態等，了解巖石礦物產狀及孔隙結構受鹽酸影響的微觀機理。

圖4 不同酸液濃度下礦物產狀及孔隙結構變化

2.1 酸液濃度影響

對比分析在90℃，45 s反應時間條件下，5%、10%、15%和20%鹽酸分別與巖石的反應情況（見圖4）。

圖4（a）酸巖反應后，礦物膠結結構出現少量破壞，溶蝕孔徑小。圖4（b）晶粒較過酸前松散，礦物骨架破壞明顯。圖4（c）表面存在微粒脫落現象；受到流體壓力而導致孔隙坍塌，有明顯壓實現象。圖4（d）巖石表面變平坦，溶蝕孔徑較大。

圖5 不同反應溫度下礦物產狀及孔隙結構變化

圖6 不同反應時間下礦物產狀及孔隙結構變化

2.2 反應溫度影響

對比分析在酸液濃度15%，45 s反應時間條件下，70℃、80℃、90℃和100℃不同反應溫度下酸液與巖石的反應情況（見圖5）。

圖5（a）巖面粗糙，粒內溶孔數量增多。圖5（b）細小顆粒被溶蝕，巖石表面粗糙性降低，出現凹凸起伏。圖5（c）充填溶蝕孔的細小方解石被溶蝕后，溶孔孔徑擴大在孔底部出現更細小的溶孔。圖5（d）較大的孔壁被進一步溶蝕，孔徑增大，較小的孔被細小的溶蝕顆粒充填覆蓋。

2.3 反應時間影響

對比分析在酸液濃度15%，90℃溫度條件下，15 s、30 s、45 s和60 s不同反應時間下酸液與巖石的反應情況（見圖6）。

圖6（a）可見碳酸鹽巖中的黏土礦物顆粒，見粒緣縫，溶蝕較弱。圖6（b）出現凹凸起伏，較大的孔壁被進一步溶蝕。圖6（c）顆粒被溶蝕，巖石表面粗糙性降低。圖6（d）表面較平坦，粒間縫擴大。部分顆粒形狀仍能清楚辨別，出現了新的溶蝕孔。

通過掃描電鏡分析，不同條件下礦物產狀及孔隙結構酸蝕機理即酸蝕后顆粒接觸關系方面，顆粒粒徑變小，顆粒間接觸變松散，黏土不穩定，可能會造成流速敏感性增加，造成地層堵塞，酸壓施工過程可采用氣體拌注，加快返排效率，降低儲層傷害。孔隙結構方面，可形成新孔隙或擴展原來的孔隙，有助于擴大酸蝕面積，對酸壓工藝有利。巖石表面形態方面，可能出現巖面局部粗糙性增加，也可能出現整個巖石表面粗糙性都降低。

3 巖石礦物化學成分酸蝕機理

未酸蝕前巖石礦物化學成分中白云石含量占主要，其次為方解石和泥質，其他含量中含有部分石膏。應用X衍射全巖檢測技術測定不同條件下酸液與巖石反應后礦物化學成分含量變化，了解巖石礦物化學成分酸蝕機理。

3.1 酸液濃度影響

對比分析在90℃，45 s反應時間條件下，5%、10%、15%和20%鹽酸分別與巖石的反應情況（見圖7）。

由圖7可知，巖石礦物與鹽酸反應的溶蝕容易程度為：方解石＞白云石。泥質溶蝕含量少，其酸巖反應后的相對含量增加。

3.2 反應溫度影響

對比分析在酸液濃度15%，45 s反應時間條件下，70℃、80℃、90℃和100℃不同反應溫度下酸液與巖石的反應情況（見圖8）。

圖7 不同酸液濃度下巖石礦物成分變化程度

圖8 不同反應溫度下巖石礦物成分變化程度

由圖8可知，增加溫度，方解石和白云石的溶蝕程度呈正相關增加，泥質相對含量也增加。溫度在90℃以后，方解石和白云石的溶蝕程度變緩。

3.3 反應時間影響

對比分析在酸液濃度15%，90℃溫度條件下，15 s、30 s、45 s和60 s不同反應時間下酸液與巖石的反應情況（見圖9）。

圖9 不同反應時間下巖石礦物成分變化程度

由圖9可知，白云石和方解石的溶蝕程度都呈線性增加，說明反應時間對白云石和方解石的影響較大。泥質相對含量也增加明顯。

通過X衍射全巖檢測分析對比酸巖反應前后巖樣礦物成分變化，總結出礦物成分酸蝕機理。即各個巖石礦物成分與鹽酸反應的溶蝕容易程度順序為：方解石＞白云石＞泥質。方解石和白云石的溶蝕程度較大，說明其酸巖反應速率較大，在酸壓工藝中可采用緩速酸等來延緩酸巖反應速率，控制階段酸液用量防止過度溶蝕。泥質相對含量增加，可能會出現顆粒分散運移，酸壓工藝中可適當加些黏土穩定劑來增加其顆粒穩定性。

4 結論與認識

（1）礦物類型及儲集空間酸蝕機理：酸蝕后，白云石巖面產生破裂現象，這有利于降低破裂壓力，在酸壓前建議注入少量酸。裂縫中的充填物發育位置溶蝕反應較集中；溶蝕孔隙變大，或被微小顆粒充填，這可能會使酸液向裂縫、孔隙濾失，建議在反應過程中加入降濾失劑。

（2）巖石礦物產狀及孔隙結構酸蝕機理：酸蝕后，顆粒接觸關系為顆粒粒徑變小，顆粒間接觸變松散；可形成新孔隙或擴展原來的孔隙；可能出現巖面局部粗糙性增加，也可能出現整個巖石表面粗糙性都降低。

（3）巖石礦物成分酸蝕機理：各個巖石礦物成分與鹽酸反應的溶蝕容易程度順序為：方解石＞白云石＞泥質。方解石和白云石的酸巖反應速率較大，在酸壓工藝中可采用緩速酸等來延緩酸巖反應速率，控制階段酸液用量防止過度溶蝕。泥質相對含量增加，可能會出現顆粒分散運移，酸壓工藝中可適當加些黏土穩定劑來增加其顆粒穩定性。