酸处理对页岩微观结构及力学性质的影响

卢 聪 马 莅 郭建春 肖森文 郑云川 尹丛彬

1.“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室·西南石油大学 2. 中国石油川庆钻探工程公司井下作业公司

0 引言

页岩气已成为我国非常规天然气开发的热点[1]。四川盆地南部威远区块下志留统龙马溪组—上奥陶统五峰组页岩气开发面临着诸多难题，其中包括由于页岩储层孔渗低所导致的地层破裂压力高的问题[2]。酸处理是油气压裂施工现场广泛应用的一种降低地层破裂压力的技术措施[3]，国内外学者从室内实验、理论分析等方面对岩石酸处理已开展了大量研究。Grieser等[4]用低浓度НCl（浓度介于1%～3%，下同）静态溶蚀页岩10～180 min，并采用X射线衍射法（XRD法）和电镜扫描图像处理法（SEM法）分析了页岩矿物组成和微观表面结构的变化特征，发现酸处理后页岩微观结构将复杂化。郭建春等[5-6]、苟波等[7]通过实验研究了不同酸处理条件下砂岩力学性质的变化规律，以酸岩反应动力学和岩石损伤力学为基础，建立了一套破裂压力预测模型，并从理论上解释了酸处理过程中岩石孔隙结构对力学性质的影响。Morsy等[8-10]采用静态溶蚀的酸处理方式，使用浓度为15%的НCl在24小时到1周不等的时间，对北美Barnett等多个页岩气产层进行了酸处理对比实验，发现酸处理后页岩微观结构将会发生显著变化，且孔隙度增加，同时矿物晶体结构也发生显著变化；即使使用低浓度НCl，也会使页岩杨氏模量、单轴强度分别降低25%～58%、27%～70%。Tripathi和Рournik[11]、Wu和Sharma[12]研究中使用浓度为15%的НCl处理页岩，发现经过酸处理后页岩硬度降低30%～70%，支撑剂嵌入页岩情况严重，导致裂缝导流能力降低。目前对于川南地区页岩气储层的酸处理效果还缺乏相关研究，有关酸处理对页岩力学性质的影响规律认识尚不清楚，不能对压裂施工现场酸处理后的页岩力学参数进行预测。为此，笔者选取威远区块龙马溪组—五峰组底部页岩岩样，开展了酸溶蚀实验，采用X射线衍射、电镜扫描以及三轴力学测试等方法获得了酸处理后页岩的微观结构和力学参数，在此基础上，分析了酸处理对页岩微观结构和力学性质的影响，以期为该区酸处理后页岩力学参数预测和酸化压裂施工方案设计提供技术支撑。

1 实验方法

页岩样品取自川南威远区块龙马溪组—五峰组底部页岩露头，岩样矿物组成、物性及力学参数如表1所示。结合目前威远区块页岩酸化预处理的施工规模，确定一个标准岩心（直径为25.4 mm，高度为50 mm）对应酸液用量为100 mL，酸液类型为НCl。实验温度为 25 ℃，实验压力为 1 atm（1 atm ＝ 0.101 325 MРa），采用酸液静态溶蚀的方式处理岩样。

实验步骤如下：①对岩心进行矿物组成、孔隙结构、孔隙度及渗透率测试；②采用不同浓度的酸液对岩心进行不同时间的酸溶蚀处理；③对酸处理后的岩心进行清理并烘干，然后测试岩心的微观结构及力学性质。针对实验中酸液浓度和酸处理时间的设置，考虑如下：①采用浓度为15%的НCl，酸处理时间分别介于30～240 min及1～7 d；②当酸处理时间为240 min时，分别选取浓度为5%、10%、15%、20%以及25%的НCl进行酸处理。本次研究共开展25组实验，其中包括5组未进行酸处理的对照实验。在酸液中添加了NaCl（浓度为3%），以防止页岩水化膨胀。

2 酸处理对页岩微观结构的影响

2.1 矿物组成

采用XRD方法对酸处理前后页岩岩心进行全岩矿物组分检测，分析不同酸处理时间、酸液浓度对页岩矿物组成的影响。在酸液浓度相同的情况下，随着酸处理时间增加，页岩中方解石等碳酸盐矿物含量不断降低（图1-a），石英和黏土矿物含量相对增加。酸处理后30 min，碳酸盐矿物含量降低了6.66%，降低速度为0.222%/min；酸处理后30 min至1 d，碳酸盐矿物含量降幅为13.62%，降低速度为0.01%/min，碳酸盐矿物消耗速度变慢；酸处理后1～7 d，碳酸盐矿物含量降幅仅为1.27%，降低速度为0.000 1%/min。酸对页岩中碳酸盐矿物的溶蚀速度（以下简称为酸蚀速度）总体上呈现先快后慢的趋势，酸处理超过1 d后，酸蚀速度已很低。

表1 威远区块龙马溪组—五峰组页岩矿物组成、物性及力学参数表

图1 不同酸处理时间、酸液浓度下页岩碳酸盐矿物含量变化曲线图

如图1-b所示，在酸处理时间相同的情况下，酸液初始浓度越高，酸处理后页岩中碳酸盐矿物含量降幅越大，酸蚀速度越快。当НCl初始浓度达到15%时，酸处理后碳酸盐矿物含量下降了22.16%；当НCl初始浓度从15%增加到25%，酸处理后碳酸盐矿物含量已非常接近，趋近于10%。

经过高浓度酸液长时间溶蚀后，伊利石中对酸敏感的钾离子从晶层间脱离，边缘破键吸附的水随之进入晶层，使得晶间距大幅度提高，降低了伊利石整体的强度（图2-a）；绿泥石水镁四面体解体，严重破坏其晶体结构，降低其衍射强度（图2-b）；长石晶体润湿角减小，亲水性增强（图3）。

2.2 孔隙结构

采用SEM法分析酸处理后页岩孔隙结构，对比不同酸处理时间下的SEM照片，如图4所示，酸处理后页岩表面的孔隙数量增加，多数溶蚀孔呈菱形，溶蚀过程中还有微裂缝产生。

为了定量描述孔隙结构特征，采用最大熵值法对页岩SEM照片进行二值化处理，分析孔隙结构特征。如图5-a所示，在酸化初期，孔径增加速度较快，酸处理120 min后，页岩孔径增加缓慢，且趋于稳定；酸处理7 d后，平均孔径比未酸化增加了56.1%。如图5-b所示，随着НCl浓度增加，酸处理后页岩表面孔隙的平均孔径增加；在НCl浓度较低时，随НCl浓度增加，页岩平均孔径上升的趋势明显；当НCl浓度达到15%时，页岩平均孔径增加34.1%，而酸液浓度超过15%后，页岩平均孔径上升趋势逐渐趋于平缓。

2.3 孔渗性

采用氦气孔隙度测试仪和超低渗渗透率测试仪对酸化前后页岩孔隙度和渗透率进行测定[13]。如图6-a所示，随着酸处理时间增加，页岩孔隙度和渗透率增加；酸处理时间少于80 min时，酸岩反应较快，渗透率由 0.000 22 mD 增至 0.000 67 mD，增加 2.0 倍，在酸处理时间超过240 min后渗透率上升趋势变缓，且趋于0.000 9 mD；酸处理前，页岩孔隙度为2.38%，酸处理3 d后孔隙度逐渐趋于6.30%，较酸处理前增加1.65倍。

图2 不同酸处理时间、酸液浓度下伊利石、绿泥石衍射强度曲线图

图3 不同酸处理时间、酸液浓度下长石润湿角变化曲线图

图4 不同酸处理时间下页岩SEM照片（酸液浓度为15%）

图5 不同酸处理时间、酸液浓度下页岩平均孔径变化曲线图

图6 不同酸处理时间、酸液浓度下页岩孔隙度、渗透率变化曲线图

酸浓度越高，酸蚀速度越快，相同时间内酸岩反应程度就越高。对于页岩，酸岩反应程度越高，酸液与页岩的微裂缝或者层理结构接触越充分，发生水楔作用，酸液就能够与深部矿物进一步发生反应，从而改变页岩的微观结构，影响其孔渗参数。如图6-b所示，НCl浓度增加，页岩孔隙度和渗透率都有明显提高；酸液浓度超过15%后，页岩孔隙度和渗透率的变化趋势均趋于平缓；采用浓度为15%的酸液，酸处理240 min时，孔隙度由初始的3.58%增至4.83%，增加34.9%，渗透率由初始的0.000 29 mD增至 0.000 83 mD，增加 1.86 倍。

3 酸处理对页岩力学性质的影响

3.1 力学参数

采用MTS 815型岩石力学实验仪，在储层温度压力条件（测试围压为40 MРa、温度为70 ℃）下，进行三轴力学实验[14]。如图7-a所示，随着酸处理时间增加，酸处理后页岩的力学参数总体呈下降趋势，且具有二次降低的特征；在处理初期，页岩抗压强度和杨氏模量下降速度较快，降幅较大；随着时间的增加，二者降低速度逐渐变慢；当酸处理时间超过3 d之后，页岩抗压强度和杨氏模量基本趋于稳定，酸处理时间达到7 d时，抗压强度由初始的276 MРa降至135 MРa，降低50.1%，杨氏模量由初始的24 616 MРa降至 10 311 MРa，降低 58.1%。

如图7-b所示，随酸液浓度增加，酸处理后页岩抗压强度和杨氏模量不断降低；酸液浓度大于15%后，抗压强度和杨氏模量的下降趋势变缓；经浓度为25%的НCl处理后，页岩抗压强度降低29.8%，杨氏模量降低28.5%。实验表明，通过酸液与胶结物发生反应，降低了页岩颗粒胶结强度，从而降低了岩石的内聚力和内摩擦角，由此验证了通过酸液对目的层段进行预处理以降低地层破裂压力的有效性。

国内外学者通常从岩石的强度、硬度及应力应变特征等方面来表征岩石的脆性指数[15-17]，其中，Rickman脆性指数计算方法是目前较常用的描述岩石脆性的方法，Rickman脆性指数的计算式为：

式中BIRickman表示Rickman脆性指数，无量纲；E表示杨氏模量，MРa；σ表示泊松比，无量纲；下标max、min分别表示最大值与最小值。

如图8-a所示，酸液浓度为15%时，随着酸处理时间增加，页岩脆性指数呈下降趋势；酸处理时间达到240 min时，页岩脆性指数由初始的0.61降至0.45，降低26.2%，酸处理时间超过240 min后，页岩脆性指数下降趋势变缓；酸处理时间达到7 d时，页岩脆性指数降低32.8%。如图8-b所示，酸处理时间为240 min时，酸液浓度超过15%后，页岩脆性指数下降幅度较小。

3.2 变形特征

经过不同浓度的酸液处理后，页岩的变形模式逐渐由弹脆性变形转变为弹塑性变形，且浓度越高，岩石峰值应力越低，页岩破裂模式的延性破裂特征越明显。由于经过酸处理后，碳酸盐矿物被大量溶蚀，黏土矿物含量相应增加，导致页岩塑性特征突出，延性特征越来越明显。

3.3 破裂模式

威远区块龙马溪组页岩属于硬脆性页岩，其变形方式具有显著弹脆性特征[18]。在围压40 MРa下，页岩破裂方式以剪切破坏为主，所产生的裂缝贯穿整个岩心。

图7 不同酸处理时间、酸液浓度下页岩抗压强度、杨氏模量变化曲线图

图8 不同酸处理时间、酸液浓度下页岩脆性指数变化曲线图

如图9所示，酸液浓度为15%时，随着酸处理时间增加，酸处理后产生的剪切缝越来越复杂，破裂模式由脆性向半脆性、半延性过渡。未经酸处理的页岩，剪切缝含量少，普遍为单缝贯穿或是弱面破坏；酸处理时间由240 min增加至2 d时，剪切缝增加，同时多条裂缝伴生，典型的脆性破裂模式向半脆性破裂模式转变；酸处理时间增加到4 d时，出现了“V”形剪切缝，破裂模式向半延性破裂模式转变；酸处理时间增加到6 d时，页岩破裂表面出现“U”形裂纹和“V”形裂纹相互交错，裂纹分布复杂，从单一的破裂面向破裂带转变，呈现出龟裂状，页岩弹脆性破裂特征已大幅减弱，塑性、延性破裂特征显现。

图9 不同酸处理时间下页岩破裂特征照片

如图10所示，酸处理时间为240 min时，随着酸液浓度提高，页岩破裂模式逐步从脆性破裂向延性破裂转变。未经酸处理的页岩为单一的剪切缝贯穿，采用浓度介于5%～15%的酸液处理后，剪切缝数量增多，脆性破裂特征减弱；采用浓度为25%的酸液处理后，出现十字形裂纹，而未见明显的剪切缝贯穿岩心，即岩心延性破裂特征不断增强，发生破裂后岩心依然能持续变形。

图10 不同酸液浓度下页岩破裂特征照片

4 页岩微观结构对力学性质的影响

分析不同酸处理时间、酸液浓度对页岩微观结构和力学性质的影响，从酸化引起页岩微观结构变化的角度研究酸处理对页岩力学性质的影响规律，并量化分析页岩微观结构与力学性质的相关性。

4.1 孔隙结构与力学性质的关系

随着酸处理时间的增加，页岩可溶矿物被酸液溶蚀，产生粒间孔和晶体溶孔，一定程度上改善了页岩渗透性，使页岩力学参数降低。如图11所示，页岩力学参数与平均孔径呈二次方关系，R2介于0.95～0.99，相关性好。

图11 页岩力学参数与平均孔径关系曲线图

4.2 孔渗性与力学性质的关系

酸液与页岩矿物中钙质、泥质等胶结物反应，破坏黏土矿物晶体结构，改变岩石成分、结构以及颗粒间的作用力，使岩石孔隙度增加，变得松散脆弱，力学参数降低[19-20]。变形模式逐渐从弹脆性变形向弹塑性变形转变，破裂模式由脆性向半脆性、半延性过渡。页岩力学参数与孔渗性质呈二次方或线性关系，R2介于0.96～0.99，相关性好（图12、13）。

图12 页岩力学参数与孔隙度关系曲线图

5 结论

1）酸液预处理后，页岩表面的孔隙数量增加，孔径增大，同时溶蚀过程中有微裂缝产生。

2）经浓度为15%的НCl处理240 min后页岩渗透率由初始的 0.000 22 mD 趋于 0.000 9 mD，增加3.09倍；酸处理3 d后页岩孔隙度由为2.38%逐渐趋于6.3%，较酸处理前增加1.65倍。

3）酸处理后页岩力学性质发生改变，变形模式逐渐从弹脆性变形转变为弹塑性变形，破裂模式由脆性向半脆性、半延性过渡。经浓度为15%的酸处理7 d时，页岩抗压强度降低50.1%，杨氏模量降低58.1%，脆性指数降低32.8%。

4）威远区块龙马溪组—五峰组底部页岩力学参数与平均孔径、渗透率呈二次方关系，与孔隙度呈二次方或线性关系且相关性强。

图13 页岩力学参数与渗透率关系曲线图

成文中，本文审稿专家给予了耐心的指导，特此致谢！