瑪湖凹陷百口泉組礫巖儲層泡酸后巖石損傷及壓裂泵壓下降機理

王 松，鄧寬海，于會永，朱建新，田 剛，林元華，唐 偉，郭長永

(1.新疆油田分公司工程技術研究院，克拉瑪依 834000；2.西南石油大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，成都 610500；3.新疆油田公司開發公司，克拉瑪依 834000)

近年來，隨著中國油氣需求的不斷增加、水平井鉆井及壓裂技術的進步，砂礫巖復雜油氣藏受到越來越多的關注[1]。中國砂礫巖油藏分布廣泛，在準噶爾盆地西北緣地區的瑪湖凹陷、遼河油田西部凹陷、華北油田廊固凹陷及車鎮凹陷柴達木盆地等區域均有不同程度分布，其中準噶爾盆地西北緣地區的瑪湖凹陷砂礫巖油藏資源量大，探明石油地質儲量達5.2億t[2-4]，不僅是新疆油田增儲上產的主戰場，而且也成為中國最現實的增儲上產區域。隨著新疆油田勘探開發的不斷深入，瑪北斜坡和瑪西斜坡二疊系百日泉組已成為重要的勘探開發層系[5-7]。瑪湖凹陷百口泉組主要為沖積扇沉積，以砂礫巖儲集層為主，其油藏埋深普遍大于3 000 m，具有典型低孔低滲的特點，以瑪131井區百日泉組油藏為例，其巖油藏物性差(低孔低滲)、非均質性強、砂體跨度大、油層分布特征差異大、儲層地應力高、水平應力差高及特殊巖性等特點[7-11]。

中國學者對瑪湖凹陷下三疊統百口泉組砂礫巖儲集層開展了大量研究。朱世發等[12]研究發現準噶爾盆地二疊系沸石礦物在成巖演化過程的析出、膠結和溶蝕對研究區油氣儲層儲集性能有不同程度的破壞及改善作用；靳軍等[13]研究了準噶爾彭迪西北緣瑪湖凹陷地區的成巖作用及對儲集性能的影響，結果表明該區砂礫巖主要發育4種成巖作用類型，壓實、交代、溶蝕及膠結，對儲集性能的影響差異顯著；阿布力米提·依明等[14]分析了準噶爾盆地瑪湖凹陷下三疊統百口泉組的成藏機理，其油氣富集規律表現為扇三角洲前緣沉積相帶、構造鼻凸、斷裂的“三元”控制；王劍等[15]利用巖石薄片、電鏡及電子探針等手段，開展了百口泉組儲層的孔隙形成機理研究，發現砂礫巖儲層主要發育剩余粒間孔、泥質雜基收縮孔、長石溶孔三類孔隙；李寧等[16]通過礫巖儲層水力裂縫擴展實驗研究表明：砂礫巖儲層的壓裂裂縫形態由應力狀態和礫石特征共同決定；況晏等[17]基于孔隙結構評價特征參數與儲層品質因子的統計關系，探討了砂礫巖儲層孔隙結構定量評價方法，建立了常規測井曲線連續表征儲層品質因子計算模型；鄭定業等[18]給出了瑪湖凹陷西斜坡致密油藏有效儲層物性下限的判別方法；徐江文等[19]經過實踐與探索，形成了形以細分切割為主要特點的致密礫巖油藏水平井壓裂技術；孫曉瑞等[20]基于全巖礦物成分與黏土礦物分析，對瑪湖凹陷泥頁巖的水化特性進行了準確和直觀的分類界定；劉向君等[21]開展了瑪湖凹陷百口泉組砂礫巖儲集層巖石力學特征，發現砂礫巖具有較強的非均質性，造成不同巖性的砂礫巖力學特性差異較明顯。上述研究結果表明：瑪湖油田礫巖具有儲層埋藏深、應力高、裂縫不發育、巖性特殊等特征，壓裂改造存在啟泵施工壓力高、砂堵風險大等問題。百口泉組巖性以灰色砂礫巖、含礫粗砂巖、砂質礫巖、中-粗礫巖為主[20-21]，礫石大小不等，礫石含量為2%～51%，平均為29%，最大粒徑10.0 cm，一般為0.5～2.0 cm。

從2015年以來，在瑪131和瑪18等井區開始探索水平井體積壓裂技術以實現開發提質增效[22]，但采用橋塞分段+分簇射孔分壓工藝后，固井完井射孔儲層又出現起裂困難、泵壓高、排量低等施工異常[23]，需在壓裂泵注之前，對大部分井段(如瑪18井區91%、瑪131井60%)進行泡酸+支撐劑段塞處理，才能降低泵壓、提高排量而實現正常壓裂施工。然而，瑪湖礫巖水平井壓裂改造前期酸處理作業耗時1～2 h，約占總施工時間的24%，顯著降低了瑪湖地區的壓裂時效。

因此，針對瑪湖礫巖儲層水平井固井完井射孔后直接壓裂施工時存在泵壓高、需借助長時間酸泡工藝來降低壓裂啟泵壓力的問題，迫切需要開展瑪湖區塊壓裂井酸巖反應特征實驗研究，弄清酸損傷及降壓機理，進一步優化增產工藝措施和技術參數，提升壓裂時效。

1 瑪湖礫巖儲層巖心及水泥石酸溶蝕實驗研究

1.1 巖心酸巖反應實驗研究

1.1.1 巖心酸巖反應實驗方案

制備巖心試樣3塊，φ38 mm×76 mm，分別來自瑪湖1的瑪14井(深度：3 929.00～3 933.00 m，層位：P3w2)、瑪18區的瑪139井(深度：3 294.00～3 297.50 m，層位：T1b21)和瑪131區的瑪603井(深度3 875.00～3 894.50 m，層位T1b1)，具體井段及層位如表1所示；配制酸液(15%鹽酸)；分析天平稱取酸巖反應前的巖心質量；將巖心放入燒杯，倒入濃度為15%鹽酸，淹過巖心；磁力攪拌(轉速45 r/min)；加熱至70 ℃(三區塊地層平均溫度70 ℃)，反應時間為3 h；反應結束后，關閉磁力攪拌器，將反應后的巖心放入真空干燥箱，干燥12 h，干燥溫度為80 ℃；分析天平稱量干燥好后的巖心，并記錄實驗結果。需要說明的是，瑪18井區礫石成分中以凝灰巖為主，占比約為60%，其次為花崗巖，占比約為18%；瑪湖1井區礫石成分以花崗巖為主，占比約為24%，其次為凝灰巖，占比約為21%；瑪131井區礫石成分與瑪湖1井區基本相同。

1.1.2 巖心酸巖反應實驗結果及分析

圖1為不同井酸巖反應前后的巖心實物，表1為對應巖心的酸溶蝕率實驗結果。由圖1可知，酸反應后的巖心表面更為光滑，呈淺黃色，部分可溶物被鹽酸沖洗干凈，初始微裂紋及縫隙變得更為明顯，但沒有重新形成明顯地坑、孔、縫及裂紋；酸反應后的巖心重量降低很少，酸溶蝕率很低，瑪14井巖石溶蝕率較高，1.16%，而瑪139井巖石溶蝕率最低，僅0.85%，如表2所示。酸反應實驗過程中，只能在各巖心表面觀察到少量的間斷氣泡，與反應后酸溶蝕率及宏觀形貌吻合。總之，瑪湖1、瑪18和瑪131區塊的巖石與酸反應的溶蝕率均較低，巖心與酸之間化學反應較輕微。

圖1 不同井酸巖反應前后的巖心實物

表1 巖心酸巖反應后的溶蝕率

1.2 水泥石溶解實驗研究

1.2.1 水泥石與酸反應的實驗方案

瑪湖現場水泥漿配方：水泥600 g、微硅30 g、硅粉60 g、彈性劑6 g、降失水劑18 g、分散劑6 g、早強劑6 g、緩凝劑3 g、消泡劑6 g、堵漏劑3 g。基于現場配方，制備不同養護溫度(50、60、70 ℃)下的標準水泥石樣(φ25 mm×50 mm)；配制酸液(15%鹽酸)；分析天平稱取酸反應前水泥石質量；將水泥石放入燒杯中與酸進行反應，酸液淹水泥石；磁力攪拌(45 r/min)，分別加溫至50、60、70 ℃，反應時間3 h；反應結束后，放入真空干燥箱，干燥24 h，干燥溫度為80 ℃；稱量干燥水泥石，記錄并計算溶蝕率；具體酸反應過程如圖2所示。

圖2 水泥石與酸反應的實驗過程

1.2.2 水泥石與酸反應的實驗結果及分析

由圖3和圖4可知，水泥石-酸反應的溶蝕率均較大，酸反應后，水泥石損傷非常嚴重，水泥石表面形成了明顯的溶蝕孔、坑及裂紋，水泥石出現部分脫落，導致溶蝕率較高，表面粗糙；養護溫度50 ℃的水泥石，溶蝕率平均為16.3%，養護溫度60 ℃的水泥石，溶蝕率平均為16.0%，養護溫度70 ℃的水泥石，溶蝕率平均為15.8%，均遠大于瑪湖1、瑪131和瑪18這3個區塊巖石酸溶蝕率(<2%)；相同養護溫度下，水泥石溶蝕率隨反應溫度的增加而基本保持不變，即反應溫度對水泥石-酸反應的影響很小；相同反應溫度下，水泥石平均溶蝕率隨養護溫度的增加而降低，但降低幅度較小，表明本實驗的養護溫度對水泥石-酸反應的影響較小。

圖3 不同養護溫度/反應溫度下水泥石的酸溶蝕率

圖4 酸反應后水泥石表面形貌(養護溫度50 ℃，反應溫度70 ℃)

2 巖心及水泥石酸反應前后三軸力學實驗研究

2.1 巖心酸反應前后三軸力學實驗研究

選取瑪湖1、瑪131、瑪18這3個區塊酸作用前后的巖心(尺寸：φ38 mm×76 mm，層段如表2和表3所示)，兩個端面和周邊打磨光滑。根據巖心深度和地層壓力系數確定其圍壓，參照《巖心常規分析方法》(SY/T 5336—1996)，采用巖石三軸力學測試系統開展試驗，測試后采用巖石脆性指數計算，公式為

(1)

式(1)中：E為彈性模量，104MPa；μ為泊松比；C為脆性指數。

獲取酸作用前后巖石脆性指數，具體三軸力學性能測試結果如表2、表3和圖5所示。

圖5 酸反應前-后不同井巖石三軸應力-應變曲線

表2 酸反應前巖石三軸力學性能測試結果

對比酸巖反應前后巖心三軸力學性能測試結果，如表3所示。酸作用后，瑪湖1、瑪131、瑪18區塊巖心的抗壓強度都急劇下降；酸作用后，巖石脆性指數明顯增大；酸作用后，巖石斷裂應變急劇降低，與酸反應前巖石相比，在外載荷作用下更快速斷裂；酸反應后，巖石彈性模量顯著下降。由此可知，現場酸處理及酸巖反應對巖石有明顯弱化作用，其主要原因是，巖石在酸液作用下其礦物與酸液發生化學反應，巖石內部礦物溶解和成分改變以及微觀結構發生變化，表現為巖石宏觀力學特性(強度、脆性)產生損傷劣化，巖石物理力學性能弱化衰減，從而導致巖心更容易發生破碎，對壓裂作業反應敏感，能夠迅速形成復雜的網狀裂縫，如圖6所示。

表3 酸反應后巖石三軸力學性能測試結果

圖6 酸作用前后相同單軸壓縮載荷下的巖石形貌

2.2 水泥石酸反應前后三軸力學實驗研究

采用巖石三軸力學測試系統開展了水泥石酸反應前后的三軸力學測試，測試結果如圖7和表4所示。由表4可知，酸作用前，水泥石抗壓強度(差應力)和泊松比隨養護溫度的增加而緩慢增加，抗壓強度最大為50.2 MPa，脆性指數隨養護溫度的增加而緩慢降低；酸作用后，水泥石抗壓強度和泊松比隨養護溫度的增加而緩慢增加，抗壓強度最大為29.5 MPa，脆性指數隨養護溫度的增加而緩慢降低。對比可知，酸作用后，水泥石泊松比、彈性模量和抗壓強度急劇下降，尤其抗壓強度，平均下降40%，而脆性指數急劇增加，平均增加70%。由此可知，酸作用會導致水泥石力學性能衰退，容易發生脆性破壞，即脆性指數增加。

表4 水泥石與酸反應前后的三軸力學測試結果

圖7 不同溫度下三軸力學曲線圖

3 酸反應前后巖石SEM/EDS/XRD分析

酸反應前，巖心進行切片處理，厚度5～7 mm，對切片巖心做掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)、能譜儀(energy dispersive spectrometer，EDS)、X射線衍射儀(X-ray diffraction，XRD)測試表征；切片后剩余巖心進行酸巖反應，反應后，再對巖心進行切片處理，厚度5～7 mm，并對切片巖心的酸作用面進行XRD、SEM和EDS測試表征。

3.1 酸反應前后巖石SEM微觀形貌分析

圖8為酸反應前后瑪139井、瑪14井、瑪603井巖石SEM微觀形貌。由圖8可知，酸作用前，巖石表面無明顯孔/洞，粒間孔隙不發育，顆粒接觸緊密，偶見微裂縫；酸作用后，巖石表面出現凹凸不平的微小淺坑或細小裂紋，細小顆粒及膠結物被溶蝕，表面變得粗糙，顆粒接觸變松散，溶孔數量有所增加，偶見裂縫，產生不同程度的腐蝕痕跡，造成了一定程度的腐蝕損傷。

圖8 酸反應前后巖石SEM微觀形貌

3.2 酸反應前后巖石EDS/XRD物相分析

表5為酸反應前后瑪139井巖石EDS成分及XRD物相分析結果。表5顯示，巖石成分組成以Si、C和O元素為主，且含量較高，其次Al元素相對較高，平均8%左右，其他元素(如Na，Mg，Fe，K)含量較少，低于5%，有的元素平均占比<1%，如Ca；酸反應后，巖石中C、O、Ca、Mg、Fe等元素含量發生了明顯變化，C、O、Ca、Mg、Fe等元素含量有所減少，Cl元素明顯增加，證明鹽酸HCl與巖心發生了碳酸鹽巖反應，有碳酸鹽巖被溶解的現象發生。由XRD物相分析可知，酸反應前，瑪139井巖石主要物相有石英SiO2、鉀長石KAlSi3O8、碳酸鈣CaCO3、白云巖CaMg(CO3)2；酸反應后，瑪139井巖石主要物相有石英SiO2、氯化鈣CaCl2、氯化鎂MgCl2、鈉長石Na(AlSi3O8)。結合EDS及XRD分析結果可知：酸反應后，巖石中Ca、Mg元素及CaCO3、CaMg(CO3)2明顯減少消失，而新增CaCl2、MgCl2，主要發生了兩種化學反應：

表5 酸反應前后巖石EDS成分及XRD物相分析結果

由此可知，酸巖反應過程中主要生成了CO2氣體，這與酸巖反應實驗中巖心表面觀察到的氣泡現象吻合。

綜上可知，巖石酸損傷降壓機理是：巖石是由顆粒或晶體相互膠結在一起的集合體，內部本身存在著大量的初始微裂紋/裂隙和缺陷，當環境中存在酸性介質(尤其高濃度鹽酸)時，隨著作用時間的延長，酸性介質會在巖石孔隙和缺陷中滲透，并與某些礦物晶體或顆粒發生不同程度的溶解和溶蝕，致使巖石的缺陷/損傷區進一步增加，巖石顆粒接觸變得越發松散且脆弱。

4 水平井固井完井射孔后酸損傷及降壓機理

4.1 酸作用改變巖石微觀結構

SEM形貌顯示：酸反應后，巖石表面出現凹凸不平的微小淺坑/微裂紋，顆粒接觸變松散，細小顆粒被溶蝕，產生不同程度的腐蝕痕跡，增加了巖石的微缺陷，如圖8所示；EDS成分顯示：Ca、Mg元素明顯減少、Cl元素新增，HCl與巖心發生了碳酸鹽巖反應，有碳酸鹽巖溶解現象發生，如表6所示；XRD物相顯示：巖石含少量能與HCl發生反應的物質NaAlSi3O8、KAlSi3O8、CaCO3和CaMg(CO3)2，且反應后明顯新增CaCl2和MgCl2，而減少CaCO3和CaMg(CO3)2，如表5所示，進一步證明巖石部分被溶蝕。綜上可知，酸對巖石產生了腐蝕及損傷，巖石發生了膠結物及礦物溶解、溶蝕，顆粒接觸變得松散，增加了內部微缺陷，改變了巖石微觀結構。

4.2 酸作用降低巖石力學性能及破裂壓力

酸液對巖石產生的腐蝕作用，改變巖石的微觀結構，使其宏觀力學特性發生變化，即巖石強韌性顯著下降，主要體現在巖石抗壓強度、彈性模量、斷裂應變急劇下降，而脆性指數顯著提高，使裂縫容易擴展，從而降低地層破裂壓力及壓裂啟泵壓力。為分析酸作用對巖石破裂壓力的影響規律，利用酸巖反應前后巖心的三軸力學實驗結果，根據橫向各向同性介質測井測量與計算方法[24]，利用“七五”或組合彈簧模型及破裂壓力公式[式(2)]，對瑪14井、瑪139井和瑪603井最大、最小水平主應力(σH和σh)及地層破裂壓力進行計算，計算結果如表6和表7所示。表6和表7顯示：酸作用后，瑪14井、瑪139井和瑪603井地層破裂壓力均明顯下降，對比可知，酸作用前后，地層破裂壓力平均下降約20 MPa，與瑪湖水平井單級壓裂施工典型曲線中啟泵壓力變化規律基本吻合，如圖9所示，表明酸處理的確可降低地層破裂壓力，從而降低壓裂啟泵壓力。

圖9 瑪湖礫巖儲層水平井單級壓裂施工典型曲線

表6 酸作用前瑪14井、瑪139井及瑪603井地層破裂壓力

表7 酸作用后瑪14井、瑪139井及瑪603井地層破裂壓力

(2)

式(2)中：σH、σh為最大、最小水平主應力；φ為巖石內摩擦角；σt為巖石抗拉強度；σc為巖石抗壓強度；σv為上覆地層壓力；α為構造應力系數；Pp為孔隙壓力；Pf為地層破裂壓力；εH、εh為水平方向變形量。根據瑪湖現場提供的數據，εH取0.004 621，εh取0.001 554，α取0.75。

4.3 水泥石酸溶蝕率高、巖石溶蝕率低

水泥石溶蝕率(>15%)遠高于巖心(<2%)，表明：瑪湖礫巖儲層與調研的Eagle Ford、Mancos、四川威遠及長寧等頁巖儲層[25-29]不同，不是主要利用酸液溶解大量碳酸鹽及礦物來實現降低壓裂泵壓；酸溶蝕水泥環后，水泥環損傷嚴重，使得水泥環中射孔孔眼之間相互連通，某些裂縫生長較容易、容易進壓裂液的孔進液量急劇增加，相反，某些生長困難的裂縫及一直不進液的孔就不再進液，從而導致某些微裂縫不再生長，主裂縫快速形成并擴展，一定程度上降低壓裂啟泵壓力，提高酸處理效率，與Oklahoma Woodford頁巖氣水平井采用“泡沫水泥+前置酸(15% HCl)+段塞”工藝降低壓裂啟泵壓力并提高完井效率吻合[30]。此外，上述分析結果與前期瑪湖致密油田6口裸眼完井水平井直接壓裂且未采用泡酸工藝的現場案例基本吻合。

5 結論

(1)開展了瑪湖1、瑪131、瑪18區塊礫巖儲層巖心及水泥石的酸巖實驗，得到了巖心及水泥石的溶蝕率，巖心溶蝕率較低(<2%)，水泥石溶蝕率較高(>15%)，遠大于巖石溶蝕率，酸損傷嚴重，反應溫度及養護溫度均對水泥石溶蝕率影響較小。

(2)開展了巖心/水泥石酸反應前后的三軸力學實驗，結果表明：泡酸對巖心/水泥石力學性能影響大，泡酸后巖心/水泥石脆性指數顯著提高，斷裂應變、抗壓強度及彈性模量急劇下降，易發生脆性開裂及裂紋擴展。

(3)采用“七五”或組合彈簧模型及破裂壓力公式對瑪14井、瑪139井和瑪603井地層破裂壓力進行了計算，得到了酸處理對地層破裂壓力的影響規律，其結果與瑪湖水平井單級壓裂施工典型曲線中啟泵壓力變化規律基本吻合。

(4)開展了酸巖反應前/后巖心SEM微觀形貌和EDS能譜、XRD物相分析，探索了巖石孔/縫/面等內部骨架結構的變化，從微觀角度分析了酸巖反應機理，揭示了礫巖儲層水平井固井完井射孔后巖石酸損傷及降壓機理：酸對巖石產生了腐蝕及損傷，巖石發生了少量溶解、溶蝕，顆粒接觸變得松散、脆弱，改變了巖石微觀結構，致使宏觀巖石力學性能下降，裂縫易擴展，壓裂泵壓降低，而與北美及四川盆地等頁巖儲層不同，不是主要利用酸液溶解大量碳酸鹽及礦物來實現降低壓裂泵壓。