关井效应对酸压裂缝刻蚀形貌与导流能力影响

刘 超，苟 波，管晨呈，郭建春，李 骁，王香增，魏登峰，郝世彦，申 峰，王念喜

(1. 陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院，陕西西安 710065；2. 陕西省陆相页岩气成藏与 开发重点实验室(筹)，陕西西安 710065；3.西南石油大学博士后科研流动站，四川成都 610500； 4. 西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川成都 610500)

酸压是碳酸盐岩油气藏实现高效勘探开发不可或缺的手段，与物探技术、钻井技术合称为“三大”石油工程技术[1]。酸压技术矿场实施时，主要过程通常包括：①非反应性的压裂液造缝；②各种酸液体系刻蚀裂缝；③非反应性的压裂液顶替井筒酸液进入地层裂缝；④停泵关井、测压降；⑤开井放喷排液，测试产量[2]。关井后至开井返排前，酸液在地层酸压裂缝中滞留，此时静止的酸液仍会与裂缝壁面岩石接触反应，从而影响酸刻蚀裂缝形态与导流能力。室内试验是认识酸压裂缝导流能力最直接的手段，它常用目标储层井下岩样或露头模拟酸压时酸液在水力裂缝中的流动反应和刻蚀裂缝壁面岩石的过程，即酸刻蚀；然后测试酸刻蚀后岩板的导流能力，即导流能力评价。学者已通过大量的试验认识到影响酸压裂缝导流能力的因素主要包括储层地质因素和工程因素[3-9]。然而现有酸刻蚀导流能力试验研究忽略了酸压停泵关井后酸液滞留效应对酸刻蚀形态与导流能力的影响，因此试验研究关井效应对酸刻蚀形态与导流能力影响，有利于客观评价酸压裂缝导流能力。笔者以鄂尔多斯盆地下古生界碳酸盐岩储层马五段为例，研究不同注酸时间条件下，关井对酸刻蚀形态与导流能力的影响，为酸压方案设计和返排时机选择提供依据。

1 试验方法

1.1 试验材料

鄂尔多斯盆地下古生界马家沟组以海相碳酸盐岩沉积为主，其中马五1亚段主要为白云岩，孔隙度为0.25%～5.48%，渗透率为(0.000 93～0.415)×10-3μm2，储层温度为80～120 ℃。

试验岩样采自地质专家标定的马五1亚段露头，在矿物组成方面与井下岩心匹配较好(图1)。增产工作液在粗糙裂隙中的流动行为较光滑裂隙更为复杂，但也更接近储层条件下工作液在水力裂缝中的真实情况[10]。为真实模拟酸液在水力裂缝中的刻蚀行为，按照API标准制成长度(140.0±0.2)mm、宽度(36.0±0.2)mm、厚度(50.0±0.2)mm的岩样，并采用巴西劈裂方法将岩样加工为成对的粗糙岩板，两岩板之间的间隙模拟真实水力裂缝形貌[8]。为便于裂缝形貌定量表征，建立岩板表面坐标系，标定x方向为岩板宽度方向，y方向为岩板长度方向，z方向为岩板厚度方向，且以过裂缝面上最低点且平行于水平面的平面为基准面。

图1 露头与岩心矿物组成分析结果Fig.1 Analysis results of outcrop and core mineral composition

图2 裂缝面坐标标定示意图Fig.2 Diagram of coordinate calibration on fracture surface

试验酸液体系为VES酸体系：20 %HCL+5 %VES+5%缓蚀剂+1%铁离子稳定剂+1%助排剂。

1.2 试验装置

试验采用西南石油大学研制的酸压裂缝导流能力测试系统，包括酸刻蚀物理模拟装置、三维激光扫描装置和导流能力测试装置(图3)。酸刻蚀物理模拟装置用于模拟酸液刻蚀裂缝的物理过程；三维激光扫描装置可以获取裂缝表面的三维点云数据并进行数字化重构，便于定量分析酸刻蚀裂缝形态；导流能力测试装置能够评价地层条件下的酸蚀裂缝导流能力。

图3 酸压裂缝导流能力测试系统Fig.3 Acid-fracture conductivity test system

1.3 试验设计

1.3.1 试验排量

雷诺数相似准则，将工程尺度的注酸排量(m3/min)转化为实验室尺度的注酸排量(mL/min)[8]：

(1)

式中,ql为试验尺度注酸排量,m3/s;qf为工程尺度注酸排量,m3/s;hl为岩板宽度,m;wf为地层水力裂缝宽度,m;hf为地层裂缝高度,m;n为幂律指数;wl为试验岩板形成的裂缝宽度,m。

试验排量计算结果:施工排量为3.0 m3/min,地层缝高为21.0 m,地层缝宽为0.002 7 m,流态指数为0.146,岩板宽度为0.038 m,试验缝宽为0.001 m,试验排量为260 mL/min。

1.3.2 试验温度

试验温度的选取考虑了井筒积液影响和注入流体与井筒的热交换效应,采用非稳态井筒温度场数值计算方法[11]获取酸压过程中裂缝入口处温度分布曲线(图4),采用酸液体抵达裂缝入口处的温度作为试验温度。计算条件参照延安气田研究区平均注液排量3.0 m3/min,平均垂深3 500 m,目的层平均地层温度112 ℃。假设初始情况下井筒充满流体,按照3 m3/min的排量注酸,井筒积液全部进入地层需4 min;故酸液从第4 min开始进入地层,近似取第4 min时井底温度100 ℃为试验温度。

1.3.3 试验方案

基于试验排量和注液温度确定方法,在注酸排量与温度恒定时,试验模拟不同注酸时长下关井效应对酸刻蚀裂缝形态和导流能力的影响。试验模拟注酸时长30、60、90与120 min时,关井30 min对酸刻蚀形态与导流能力的影响。为排除试验中岩面矿物性质差异造成的影响,试验岩板来源于同一露头,且选定单岩板进行对比试验,即针对N(取值1～4)号岩样劈裂形成的两块岩板N-1与N-2,保持注酸时长相同,N-1不进行关井模拟,N-2关井30 min模拟,酸液体系为VES,试验温度100 ℃,排量为260 mL/min。

图4 3 500 m处裂缝入口温度分布Fig.4 Temperature distribution at fracture inlet at 3 500 m

2 试验结果讨论

2.1 关井效应对酸刻蚀形貌的影响

2.1.1 酸刻蚀裂缝面特征

观察各组岩板刻蚀前的初始形貌发现:岩板N-1与N-2啮合,如岩板2-1(图5(c)左)中的高峰与低谷处同岩板2-2(图5(d)左)中的低谷与高峰刚好啮合。

当不关井时,各注酸时长下的裂缝形貌表明:注酸30 min后,岩板1-1(图5(a))岩面色度云图无明显变化,说明酸刻蚀作用对裂缝形貌影响较小;注酸60 min后,岩板2-1(图5(c))岩面色度云图有一定变化,红白色高峰被略微削弱,黄绿色低谷几乎没有变化,说明此时酸刻蚀对裂缝形貌有一定影响;注酸90 min后,岩板3-1(图5(e))岩面色度云图由红色变为黄绿色,出现了黄绿色低谷,峰谷差距增大,局部多处出现溶蚀孔洞,说明此时酸刻蚀对裂缝形貌影响较大;注酸120 min后,岩板4-1(图5(g))岩面色度云图由橘红色变为黄绿色,出现大面积的蓝绿色低谷,天然裂缝位置处出现酸溶蚀蚓孔,说明此时酸刻蚀对裂缝形貌改变明显。

图5 酸刻蚀前后裂缝形貌Fig.5 Fracture morphology before and after acidizing

关井30 min后,即酸液刻蚀裂缝后在裂缝中滞留30 min,发现关井效应对不同注酸时间下的酸刻蚀形貌影响程度不同。如注酸30 min后,岩板1-2(图5(b))岩面色度云图由橘黄色变为黄绿色,橘黄色高峰被略微削弱,出现绿色低谷特征;对比岩板1-1(图5(a))说明注酸30 min时,关井效应略微增加了裂缝表面粗糙程度。注酸60 min后,岩板2-2(图5(d))红白色高峰变化不大,低谷被加深为绿色,峰谷之间的差距明显增大,对比岩板2-1(图5(c)),关井效应增加了裂缝表面粗糙程度。注酸90 min后,岩板3-2(图5(f))橘黄色高峰被削弱为黄色,黄色低谷被加深为绿色,但峰谷之间的差距减小,对比岩板3-1(图5(e)),关井效应进一步增强了溶蚀现象。注酸120 min后,岩板4-2(图5(h))红白色高峰被削弱为黄色,出现大面积的蓝绿色低谷,对比岩板4-1(图5(g)),关井效应溶蚀现象明显。

为进一步定量分析不同注酸时长下关井效应对酸刻蚀裂缝形貌影响,选择裂缝面迂曲度、酸岩反应溶蚀量、裂缝流动空间与平均缝宽3个参数表征酸蚀裂缝形貌变化[8,12-13]。

2.1.2 裂缝面迂曲度

使用克里金插值法,以0.2 mm为步长划分网格,将每个网格围成的曲面近似处理为平面,计算得到各岩板裂缝曲面面积[14](表1)。定义粗糙裂缝面迂曲度[12]为

(2)

式中,τ为粗糙裂缝面迂曲度;Ar为粗糙裂缝面真实面积,mm2;An为粗糙裂缝面名义面积,即对应同样尺度的光滑岩板面面积,mm2。

光滑岩板的单个裂缝面积为5 040.0 mm2,由式(2)求取酸刻蚀前后粗糙裂缝面的迂曲度变化(表1)。由表1知:岩板N-1与N-2刻蚀前曲面面积误差均小于0.5%,说明两岩板基本啮合。当仅有注酸作用时,随着注酸时间增加,刻蚀后裂缝面迂曲度逐渐增加,表明酸液对粗糙裂缝面“削峰”作用弱于“深谷”作用[8];当考虑30 min的关井效应时,酸液在裂缝中的滞留对刻蚀裂缝面迂曲度影响差异明显,注酸30、60 min时关井效应使酸蚀裂缝面迂曲度增加,而注酸90、120 min时,关井效应使迂曲度减小。

表1 刻蚀前后岩板曲面面积和迂曲度变化Table 1 Change in slates surface area and tortuosity

表1 刻蚀前后岩板曲面面积和迂曲度变化Table 1 Change in slates surface area and tortuosity

岩板编号注酸时间/min关井时间/min岩板面积A/mm2酸刻蚀前酸刻蚀后刻蚀前岩板面积误差/%迂曲度τ酸刻蚀前酸刻蚀后注酸效应引起的迂曲度变化注酸+关井效应引起的迂曲度变化1-130535957741-2303053375828 2-16059986800 2-2603060217622 3-19058277801 3-2903058516856 4-112061918228 4-212030617880790.420.380.410.201.0631.1460.0831.0591.1560.097 1.1901.3490.1591.1951.5920.397 1.1561.5480.3921.1611.3010.14 1.1691.6330.4641.1661.6030.437

2.1.3 裂缝流动空间及平均缝宽

由于选用单岩板开展酸刻蚀试验,裂缝宽度即为单岩面高程最高点(与光滑平面接触)与岩面上任意位置高程的差值,即

w(xi,yj)=zmax-z(xi,yj).

(3)

式中,w(xi,yj)为对应坐标(xi,yj)处的缝宽,mm;zmax为岩面高程的最大值,mm;z(xi,yj)为任意位置对应坐标(xi,yj)处的高程,mm。

图6为酸刻蚀前后,由式(3)计算的缝宽分布云图。由图6可知,较短的酸岩反应时间(小于等于60 min),酸刻蚀对裂缝空间分布无明显改善作用,如岩板1-1、1-2与2-1刻蚀前后的裂缝流动空间几乎没有变化,平均缝宽少量增加;酸岩接触反应时间较长(大于60 min)时,酸刻蚀后缝宽分布范围明显加大,如岩板2-2、3-1、4-1与4-2。

粗糙裂缝平均缝宽计算式为

(4)

图7为由式(4)计算的酸刻蚀前后平均缝宽。可知关井效应引起的酸液滞留裂缝会增加平均酸蚀缝宽,但增长幅度有差异。注酸30 min后,关井效应对缝宽增加的影响很小(岩板1-2),因为60 min的酸岩接触时间(注酸时间30 min+关井酸液滞留30 min)较短,刻蚀效果不明显;注酸120 min后,关井效应的影响也较小,这是由于注酸时间过长(总的酸岩反应时间为150 min),岩面已经充分溶蚀,后续关井效应对岩面非均质刻蚀改善程度有限(图6(h));注酸60与90 min时,关井效应对缝宽增加的影响较大,因为关井有效增加了酸岩接触时间,注酸60 min+关井30 min使酸液刻蚀得更充分、缝宽增加(岩板2-2),注酸90 min时关井导致岩面过度溶蚀、酸蚀平均缝宽减小(岩板3-2)。

图6 酸刻蚀前后裂缝流动空间Fig.6 Fracture flow space before and after acidizing

2.2 关井效应对导流能力的影响

定义某闭合压力下的无因次导流能力为该闭合压力下的导流能力与初始闭合压力下导流能力最大值的比值,即

F=(kw)i/(kw)max.

(5)

式中,F为酸蚀裂缝无因次导流能力; (kw)i为第i个闭合压力点下的酸蚀裂缝导流能力,μm2·cm;(kw)max为初始酸蚀裂缝导流能力的最大值,μm2·cm。

图7 平均裂缝宽度变化Fig.7 Change in average acid-fracture width

图8为关井效应对酸蚀裂缝导流能力的影响。由图8(a)可知，中低闭合压力(10.8～27.0 MPa)阶段，当不考虑关井效应时，导流能力的大小依次为注酸60、30、90、120 min。当注酸90、120 min时，虽然刻蚀后初始平均缝宽增大(图7)，但由于裂缝面过度溶蚀(图5、6)，支撑点力学强度降低，导致闭合压力下导流能力迅速递减[15]；转向酸体系对岩石力学强度影响建议可进一步系统研究。当考虑关井效应时，注酸30、60 min导流能力改善明显，其中注酸60 min+关井30 min在10.8 MPa时，获得最高初始导流能力2 416.7 μm2·cm；当注酸90 min且考虑关井效应时，导流能力改善优势逐渐丧失，尤其是当闭合压力为27.0 MPa时，注酸效应与注酸效应+关井效应两种情况的导流能力接近；当注酸120 min时，关井效应反而削弱了导流能力。

图8 关井效应对酸蚀裂缝导流能力影响Fig.8 Effect of well shut-in on acid-fracture conductivity

在高闭合压力(大于27.0 MPa)阶段，不考虑关井效应时，导流能力变化趋势与中低闭合压力阶段较接近，特别的是当闭合压力大于37.8 MPa，此时注酸90 min时的导流能力大于注酸30 min时的导流能力，说明此时长时间注酸有利于改善酸蚀裂缝导流能力，但仍然小于注酸60 min时的导流能力。

由图8(b)可知，在中低闭合压力(10.8～27.0 MPa)阶段，注酸时间小于等于90 min时，关井效应可以一定程度改善酸蚀裂缝导流能力，但注酸时间越长，关井效应对导流能力影响越小；在高闭合压力(大于27.0 MPa)阶段，长时间注酸(大于60 min)后，关井效应引起的酸液在裂缝中的滞留会降低裂缝导流能力，这是由于酸液过度溶蚀，使流动空间变小(图5(h)、6(h))。

从关井效应对导流能力的影响可知：当注酸时间小于等于60 min时，酸液在裂缝中的滞留可以提升酸蚀裂缝导流能力，因此建议酸压施工时，短时间注酸可以适当延长关井时间，使酸液在裂缝中滞留进一步改善酸蚀裂缝导流能力；当注酸时间大于60 min时，关井引起的酸液滞留会进一步削弱酸刻蚀裂缝非均质程度，进一步降低酸蚀裂缝导流能力，因此建议酸压施工时，长时间大规模注酸结束时及时开井返排，减小酸液在裂缝中的滞留。

3 结 论

(1)考虑关井效应时，较短时间(小于等于60 min)注酸，酸液滞留使酸蚀裂缝面迂曲度增加，酸蚀平均缝宽增大；较长时间(大于60 min)注酸，酸液滞留使酸蚀裂缝面迂曲度减小，酸蚀平均缝宽减小。

(2)不考虑关井效应时，马五1亚段储层存在一个最佳的注酸时间60 min，使导流能力保持较好。考虑关井效应时，当注酸时间小于等于60 min时，关井引起的酸液滞留可以强化对裂缝面的刻蚀，提高酸蚀裂缝导流能力；当注酸时间大于60 min时，关井效应引起的酸液滞留对裂缝面的过度溶蚀导致高闭合压力(大于27.0 MPa)阶段裂缝导流能力降低。

(3)针对马五1亚段储层VES酸压，当注酸时间小于等于最佳注酸时间时，建议酸压停泵后适当关井，进一步改善酸蚀裂缝导流能力；当注酸时间大于最佳注酸时间时，建议酸压后及时开井返排，减小酸液滞留对裂缝面的过度溶蚀，以免削弱酸蚀裂缝导流能力。