低彈性模量碳酸鹽巖儲層裂縫導流能力實驗研究

周佳佳 鄒洪嵐 朱大偉 熊偉2,

1.中國科學院大學工程科學學院；2.中國科學院滲流流體力學研究所；3.中國石油勘探開發研究院

碳酸鹽巖儲層增產的一個最主要手段就是酸化壓裂［1］，決定酸壓措施效果的關鍵因素是酸蝕裂縫導流能力和酸液作用距離。裂縫導流能力受很多因素影響［2］，主要分為儲層因素和工程因素。其中，儲層因素是不可控的，包括儲層礦物組成、力學性質等；工程因素是可控因素，包括酸壓工藝、酸液類型、酸濃度及排量等［3］。

中東及中亞地區的中國石油海外礦區碳酸鹽巖儲層儲量較大，且有一定規模的難動用儲量，具有較好的儲層改造潛力。中東S 油田和R 油田常規酸壓施工效果表明改造初期有效，但有效期短，3～6 個月后產量下降較快，不具備經濟產量。

國內油田的碳酸鹽巖彈性模量一般為40～60 GPa［4-7］，酸壓效果通常較好。中東及中亞地區碳酸鹽巖儲層彈性模量低，一般為5～30 GPa。中東和中亞地區的該類儲層還表現出泊松比較高，具有一定的塑性特征［8］。

低彈性模量碳酸鹽巖主要是指彈性模量在30 GPa 以下的碳酸鹽巖儲層。前人對低彈性模量對導流能力影響研究較少，其中僅有白堊地層的彈性模量較低，小于10 GPa，泊松比高，其酸液反應時間影響較大［6］，有形成溶蝕溝槽的趨勢，但是在高閉合應力下導流能力下降甚至消失。Mirza S.Bea［9］等對Indiana 灰巖、San Andres 白云巖和白堊層進行了導流能力實驗研究，研究了施工時間、酸液和酸壓工藝對導流能力的影響。

針對低彈性模量碳酸鹽巖儲層，開展酸蝕裂縫導流能力室內實驗研究，研究儲層彈性模量、施工排量、酸液體系、酸壓工藝對導流能力的影響，以期為此類碳酸鹽巖儲層酸壓優化設計提供依據。

1 實驗原理及裝置

1.1 實驗原理

酸蝕裂縫導流能力實驗就是采用導流能力實驗裝置模擬酸壓過程中的酸巖反應，以及地層條件下裂縫閉合應力對裂縫導流能力的影響。

根據API.RP6 推薦的公式，酸蝕裂縫導流能力如下［10］

式中，k為裂縫滲透率，μm2；μ為液體黏度，mPa·s；Q為液體流量，cm3/min；Δp為導流室壓差，kPa；Wf為縫寬，cm；kWf為導流能力，μm2·cm。

1.2 實驗裝置

導流能力測試實驗裝置主要由4 部分組成，包括供液系統、泵送系統、API 反應室、流動管路。實驗條件：耐溫150 ℃，閉合壓力0～70 MPa，排量0～200 mL/min。

實驗采用API 標準的導流室，將巖板加工成API 尺寸，在2 個巖板間形成具有一定寬度的裂縫，利用相似準則模擬現場施工參數，使用耐酸泵將配制好的酸液泵入導流室，形成非均勻刻蝕后，再進行導流能力測試。實驗裝置如圖1 所示。

圖1 導流能力測試實驗裝置Fig.1 Experimental device of fracture conductivity testing

1.3 實驗步驟

實驗步驟主要分為2 步。第1 步，模擬酸壓過程。對巖心板注酸進行反應至一定時間(依據酸壓規模確定)，在裂縫表面形成具有導流能力的粗糙刻蝕裂縫；然后對巖板加閉合應力，采用鹽水測量不同閉合應力作用下的裂縫導流能力。第2 步，模擬閉合酸化過程。在實際儲層閉合壓力下進行低排量注酸(時間依據閉合酸化時間確定)，停止注酸后測量導流能力，繼續增加閉合壓力測量導流能力。

本實驗采用了中東S 油田、中亞R 油田和國內T 油田、C 油田和Y 油田碳酸鹽巖儲層巖心進行實驗。

實驗設計共3 種方案：(1)不同彈性模量(10～50 GPa)對碳酸鹽巖儲層導流能力影響；(2)低彈性模量下酸排量(100 mL/min、200 mL/min)對碳酸鹽巖儲層導流能力影響；(3)酸壓工藝(酸壓、加砂壓裂)對碳酸鹽巖儲層導流能力影響。

2 實驗結果分析

2.1 彈性模量影響

實驗條件：注酸速度為100 mL/min，溫度為90 ℃，有效閉合應力測試點為0、10、20、30、40、50 MPa。采用了膠凝酸酸壓工藝進行模擬實驗。實驗巖心的彈性模量為S 油田17 GPa、R 油田29 GPa、T 油田40～50 GPa、C 油田40～50 GPa、Y 油田10 GPa。

實驗結果如圖2 所示。當彈性模量大于30 GPa時，如T 油田和C 油田碳酸鹽巖，酸蝕裂縫導流能力相對較好，初始導流能力接近1 000 μm2·cm，后期穩定在100 μm2·cm 左右；當彈性模量在30 GPa左右時，如R 油田，初始酸蝕裂縫導流能力接近100 μm2·cm，后期穩定在10 μm2·cm 左右；當彈性模量小于20 GPa，S 油田和采用膠凝酸酸壓的Y 油田導流能力最差，后期隨著閉合應力增加，導流能力基本消失。其中S 油田的導流能力隨閉合應力增加迅速下降，在6.9 MPa 閉合應力下就失去了導流能力，其主要原因是由于低彈性模量導致了巖石較低的嵌入強度，酸巖反應后的巖石骨架在閉合應力增加時難于支撐，從而導致了導流能力的大幅度下降。

圖2 不同彈性模量碳酸鹽巖儲層導流能力變化曲線Fig.2 Variation of fracture conductivity in carbonate reservoirs with different elastic modulus

由此可見，低彈性模量儲層的酸蝕裂縫導流能力在采用膠凝酸酸壓時保持難度較大。在實際生產中，由于初期具有一定的導流能力，能夠有一定的增產效果，隨著生產的進行，導流能力逐漸下降，表現為增產有效期較短。

2.2 排量影響

實驗條件：注酸速度100 mL/min、200 mL/min，閉合酸化排量30 mL/min，注酸時間30 min，閉合酸化時間10 min，溫度90 ℃，酸液體系為膠凝酸，有效閉合應力測試范圍為0～65 MPa，見表1。實驗用巖心取自R 油田的2 口井，測試彈性模量為25 GPa。

表1 不同注酸排量實驗參數設計Table 1 Experimental parameter design for different acid injection rates

2 口井的導流能力實驗結果見圖3 和圖4，可以看出，2 口井的導流能力初期較接近，隨著閉合壓力增加，低排量下的導流能力下降較快；閉合酸化后，導流能力都有很大的提高。2 口井在閉合酸化前，高排量(200 mL/min)的導流能力要明顯高于低排量(100 mL/min)的導流能力，但是，經過閉合酸化后，低排量導流能力上升幅度更大。其中，A001 井低排量情況經閉合酸化導流提高到原來的7.7 倍，高排量情況提高到5.1 倍；A004 井低排量情況經閉合酸化導流提高到原來的12.7 倍，高排量情況提高到3.6 倍。由此可見，常規酸壓時，高排量的導流能力好于低排量的導流能力。采用閉合酸化時可以有效提高導流能力3～12 倍，且低排量情況導流能力提高效果更好。

圖3 A001 井膠凝酸酸壓閉合酸化酸蝕裂縫導流能力實驗Fig.3 Experiment curve of the conductivity of acid-etched fractures by the gelling acid fracturing and closed acidizing in Well A001

圖4 A004 井膠凝酸酸壓及加砂酸壓閉合酸化酸蝕裂縫導流能力實驗曲線Fig.4 Experiment curve of the conductivity of acid-etched fractures by the gelling acid fracturing and closed acidizing and the sand acid fracturing in Well A004

對A004 井進行了加砂酸壓導流能力測試(圖4)，模擬的工藝方法是酸壓過程中加入支撐劑。結果表明，加砂酸壓的導流能力好于膠凝酸酸壓，采用閉合酸化工藝后，導流能力差于其他膠凝酸酸壓的導流能力。在彈性模量大于20 GPa 時，采用膠凝酸酸壓能夠獲得一定導流能力的裂縫，但是高閉合應力將大幅度降低裂縫的導流能力。如果采用加砂酸壓的方式，能使導流能力保持得更高，有利于延長改造有效期。

2.3 酸壓工藝影響

實驗條件：巖心為中東S 油田低彈性模量碳酸鹽巖巖心，彈性模量為17 GPa。

根據雷諾數相似準則，現場排量5 m3/min 相似后實驗注酸速度200 mL/min，溫度90 ℃，酸液體系為膠凝酸，注酸時間60 min。

由于2 對巖板酸蝕后大量發育蚓孔，加砂將有大量砂粒進入蚓孔，會使實驗數據失真，因此對另一塊未被酸蝕的巖板進行加砂導流實驗，進行2 種不同酸層工藝比較：膠凝酸酸壓和加砂壓裂。加砂實驗在未被酸蝕的巖板上加砂鋪置，測量導流能力，鋪砂濃度為4 kg/m2；酸壓實驗是先酸化后測量酸刻蝕后的自支撐導流能力。

膠凝酸酸壓巖心表面形態見圖5，可見巖板刻蝕后表面形成很多蚓孔，甚至在邊緣處可見貫穿蚓孔，呈現出點狀凹坑刻蝕形態，未見明顯的刻蝕溝槽，未見明顯的支撐點和支撐面。說明溶蝕孔的主要作用是導致酸液濾失增加。2 種工藝導流能力變化如圖6。

由于巖心彈性模量較低，膠凝酸酸壓酸液刻蝕后更降低了巖心強度，在閉合壓力作用下，無法形成有效滲流通道，導流能力無法保持，其中1 號巖心在閉合壓力為5.175 MPa 時導流能力完全失去，接近于0；2 號巖心在閉合壓力為10.2 MPa 時導流能力接近于0。

圖5 酸刻蝕后巖板數字化成像［11］Fig.5 Digital image of rock plate after acid etch

圖6 不同酸壓工藝導流能力變化曲線Fig.6 Variation of the fracture conductivity by different acid fracturing technologies

加砂壓裂的導流能力表現為隨閉合應力增加而先劇烈下降-平緩-緩慢下降的趨勢。這是因為前期支撐劑嚴重嵌入巖石，導流下降快，當閉合壓力增至13.8 MPa 時，支撐劑充填層被壓實，壓板表面已嵌入一層支撐劑。進入平緩段，導流能力下降慢，壓力增至34.5 MPa 時，巖板發生斷裂，在閉合應力48.3 MPa 時導流能力下降為0。

對比以上2 種工藝方法，可以看出膠凝酸酸壓導流能力比加砂壓裂導流能力差，加砂壓裂可以有效保持導流能力。因此，對于彈性模量小于20 GPa的S 油田碳酸鹽巖儲層，采用加砂壓裂更有利于保持導流能力。

3 結論

(1)低彈性模量碳酸鹽巖的酸蝕裂縫導流能力實驗結果表明低彈性模量碳酸鹽巖的導流能力保持程度低。

(2)當彈性模量大于30 GPa 時，酸蝕裂縫導流能力相對較好，可穩定在100 μm2·cm 左右；當彈性模量在30 GPa 左右時，酸蝕裂縫導流能力可穩定在10 μm2·cm 左右；當彈性模量小于20 GPa，隨著閉合應力增加，導流能力基本消失。

(3)注酸排量高的酸蝕裂縫導流能力好于注酸排量低的情況，閉合酸化能大幅度提高導流能力。

(4)彈性模量小于20 GPa 的碳酸鹽巖，酸壓即使產生大量的酸蝕蚓孔，導流能力也難以保持。對于S 油田碳酸鹽巖儲層，采用加砂壓裂工藝才能夠提供更優的導流能力。