大牛地马家沟组储层酸压残酸规律

张永春， 夏熙， 牟建业*， 李晓明， 李月丽

(1.中国石化华北油气分公司石油工程技术研究院， 郑州 450006； 2.中国石油大学(北京)石油工程教育部重点实验室， 北京 102249)

大牛地马家沟组为碳酸盐岩储层，其特点是埋藏深、储层致密、渗透率低、岩性复杂，主要矿物成分为白云岩、灰岩，部分层位发育膏岩，还含部分杂质[1-5]。酸化压裂是碳酸盐岩储层改造的有效增产措施，通过将酸液注入储层进行压裂，与岩石矿物产生酸岩反应，溶蚀裂缝壁面。在压裂的同时，不仅解除近井地带堵塞，且能有效增大酸蚀缝长，沟通远井储层，改善储层渗流能力[6-8]。但致密储层改造中残酸对对储层伤害可能对产能造成严重影响，针对储层伤害方面，国内外学者从不同角度进行了研究。王达等[9]通过理论计算以及现场实验证明，对于基质孔隙型灰岩储层，采用适当的深穿透酸化造主蚓孔工艺可实现一定幅度的提产；董沅武等[10]研究了江汉油田硬石膏胶结的低渗透砂岩油藏压裂过程中水敏性伤害的原因是硬石膏导致的水化膨胀和溶解再沉淀；邓鹏等[11]研究了酸岩反应前后岩石宏观和微观结构特征变化，实验分析了岩石力学特性损伤及其规律；李新勇等[12]研究了灰岩酸岩反应前后微观结构和力学强度的变化规律；李宪文等[13]研究了在灰岩与白云岩的储层条件下，不同酸液浓度对酸蚀裂缝导流能力的影响变化规律；Assem等[14]通过研究不同酸浓度、岩心初始渗透率、岩心长度、温度、流速和螯合剂与铁的摩尔比对岩心的影响，分析了碳酸盐岩酸化过程中铁沉淀的影响；Wang等[15]研究了在超高温条件下酸化对低渗透砂岩储层的伤害机理，实验研究了酸岩反应中矿物结构的破坏和酸化二次产物在孔吼中的迁移堵塞；Mirkhoshhal等[16]在孔隙尺度下研究了酸化过程中储层伤害机理，分析认为酸-油乳状液和酸化沉淀的形成是造成地层损害的主要因素。综上所述，国内外目前主要对酸化后岩石力学性质变化和酸化生成物影响进行了分析研究，但尚未对酸化对储层渗透率伤害尤其是残酸伤害分析进行系统研究。

大牛地马家沟组天然气丰度和单井产量低，因此酸化压裂是大牛地气田主要增产措施，该气田施工规模大，改造层次多，酸化工艺复杂多样[17-20]。针对酸压过程中残酸对储层伤害问题，现采用大牛地马家沟组储层岩心和现场配比酸液体系，开展从孔隙介质、微裂缝和酸蚀裂缝等不同介质形态的渗透率伤害实验，从宏观和微观尺度下观测残酸对不同介质形态岩样的伤害影响，分析残酸伤害规律。对降低伤害措施、改善酸压效果、提高单井产量和区块整体采收率有重要意义。

1 残酸伤害测试实验方法

1.1 基质残酸伤害测试

选取大牛地马家沟组天然岩心，经过线切割加工为Φ25 mm×50 mm岩心岩样，以该岩心岩样作为孔隙介质伤害测试样品，然后利用岩心酸化驱替仪对岩心进行残酸驱替，测定残酸污染前后岩样的渗透率，计算残酸对岩样的伤害率。实验步骤如下。

步骤1岩心初始渗透率K0测定。将岩心烘干后放入夹持器，让氮气持续通过岩心夹持器直至流量及压差稳定后，读取流量计示数Q0，同时记录入口端压力P1。出口端压力P2为大气压力P0=0.1 MPa，μ为氮气黏度，L为岩心长度，A为横截面积，则岩心初始渗透率K0计算公式为

(1)

步骤2对岩心进行CT扫描。样品尺寸为Φ25 mm×50 mm，扫描体元分辨率10 μm，标记扫描方向，扫描图像中黑色为孔隙空间，浅色为岩心基质。

步骤3残酸对岩心伤害过程。将配制好的残酸500 mL装入高压容器，同时加热至地层温度90 ℃，恒压驱替(因岩心渗透率小)残酸1 h。然后模拟残酸返排，配制标准盐水500 mL，将岩心取出转换方向再重新放入夹持器，在相同恒定压差下反向驱替1 h，将残酸驱出。

步骤4残酸驱替后渗透率K1测定。按照步骤1方法测残酸污染岩心，残酸伤害率计算公式为

η=(K0-K1)/K0×100%

(2)

步骤5对残酸污染后的岩心进行CT扫描。扫描分辨率10 μm，从相同方向扫描，然后对比污染前后CT扫描图像。

图1 岩心酸化驱替仪Fig.1 Acidizing displacement instrument

1.2 微裂缝残酸伤害测试

通过巴西劈裂使Φ25 mm×50 mm岩心形成贯穿岩心的裂缝，利用劈裂岩心的裂缝模拟天然裂缝形态，进行残酸伤害测试，计算残酸伤害率。实验步骤如下。

步骤1将岩样放入劈裂夹具内，保证岩样上下两根垫条与岩样中心面处于同一平面内，固定好岩样后，加载压力直至破坏，形成一条沟通岩心两端面的裂缝。

步骤2利用透明胶带缠绕劈裂岩心柱面，固定岩样并且保持裂缝闭合，防止岩心裂缝两端在驱替过程中脱落，然后放入岩心夹持器。

步骤3按照1.1节中步骤1测定岩样渗透率，用恒压模式驱替残酸流过岩心，驱替时长为1 h，然后再反向驱替标准盐水1 h。

步骤4残酸驱替后进行气测渗透率，计算残酸伤害率。然后剪开透明胶带，打开裂缝剖面，观测残酸流经裂缝后的剖面形态。

1.3 酸蚀裂缝导流残酸伤害测试

针对酸蚀裂缝导流能力伤害，进行了3组岩板的酸蚀裂缝导流能力测试，1组无残酸污染，而另外2组残酸污染后测导流能力。对岩板通酸后分别驱替盐水和残酸，通过两组岩板导流能力对比，计算残酸对岩板导流能力的伤害率。

(1)按照API标准加工长度为178 mm，宽度为37.8 mm，厚度为20 mm的岩板，配制20%胶凝酸3 L和残酸500 mL。

(2)将岩板置于标准盐水中浸泡24 h，晾干后在岩板周围均匀涂胶，防止酸液驱替过程中从岩板与导流室之间的缝隙泄露，并称量岩板涂胶后的质量。

(3)酸液驱替实验。岩板放入酸液驱替导流槽中，设置两块岩板间距离6 mm模拟缝宽。配制酸液装入酸罐中，连接管线。导流槽、酸罐置于恒温箱中，进行漏液测试后，加热至指定温度(90 ℃)，预热2 h，使酸液加热至指定温度。施加回压7 MPa，设定排量(50 mL/min)进行驱替60 min，停止注酸后改用残酸驱替10 min，最后再进行盐水驱替，直至将裂缝及管线中的酸液和残酸全部驱出，停泵。

(4)冷却后拆卸导流室，取出岩样，把操作台及所有部件用清水清洗，然后称重岩样，驱替前后质量变化为岩溶量。

(5)裂缝导流能力测试。将酸蚀岩板放入导流槽中，连接管线，施加闭合应力，给定驱替排量，测量稳定驱替压差，计算导流能力。施加的有效闭合应力为10～60 MPa，加载闭合压力至下一个闭合压力，直至加载到设定的最大闭合压力值时结束，每个闭合压力稳定5 min。然后通过软件将实时测得的实验数据导出，处理实验数据，得出不同闭合压力下的酸蚀裂缝导流能力值。

(3)

式(3)中：w为缝宽；q为排量；Δp为驱替压差；μ为黏度；h为缝高；L为两测压点距离这；kf为裂缝渗透率。

2 酸液体系

现场酸液体系主要为胶凝酸，酸液配方为20%HCl+1.0%缓蚀剂+0.2%铁离子稳定剂+0.2%助排剂+0.45%增稠剂，搅拌30 min后的鲜酸如图2(a)所示。

残酸制备方法：加入碳酸钙粉末与酸液反应，利用pH试纸测试液体pH，直至接近中和时，过滤掉反应残渣，然后将其置于90 ℃水浴锅中破胶6 h，制备得到残酸，如图2(b)所示。

通过开展胶凝酸鲜酸及残酸流变测试，对大牛地马家沟组在用酸液性能进行评价，结果如图3所示。实验结果表明，胶凝酸鲜酸在温度90 ℃下剪切60 min，酸液黏度低于10 mPa·s，说明酸液增黏性能较差，影响酸压效果；胶凝酸残酸在温度90 ℃条件下5 h自动破胶后，破胶液有拉丝现象，破胶液黏度约为2 mPa·s，破胶效果一般，影响残酸的返排效果。

表面张力是指垂直作用在液体表面单位长度上的力，其在数值上与单位表面上的自由能相等。表面张力越低，越有利于降低毛管阻力，从而增大破胶残液的返排能力。

图2 胶凝酸鲜酸和残酸Fig.2 Fresh and residual acid of gelling acid

图3 170 s-1剪切速率下的黏度曲线Fig.3 Viscosity curve at 170 s-1 shear rate

配制了3组现场酸液，90 ℃高温破胶6 h后形成残酸，测试了3组残酸表面张力。测试结果如表1所示，可以看出，残酸表面张力较大，返排效果较差。

表1 残酸表面张力测试结果Table 1 Surface tension test results of spent acid

3 宏观伤害规律

通过对比残酸驱替前后岩心和岩板表面直观的变化，根据气测渗透率计算残酸伤害率，分析残酸伤害规律。

3.1 基质伤害规律

孔隙介质伤害主要分为吸附和堵塞伤害，马家沟组储层非常致密，孔喉细小，且酸液增稠剂为聚合物，现场施工中，有些聚合物溶胀不均匀，进入地层后难以破胶形成絮团，尺寸较大的絮团无法进入孔隙，滞留吸附在表面，而小尺寸的聚合物虽然能进入孔隙，但不易返排出来，残留在孔隙内部造成堵塞。利用马家沟组岩心进行了3组残酸测试，如图4所示，岩心入口端面有少量白色聚合物吸附在表面。孔隙介质残酸伤害测试实验结果如表2所示，残酸伤害率均在30%以上，尤其在岩心渗透率极低条件下，进入岩石孔隙的残损更加不易返排出来，残酸对储层伤害影响更大。

表2 孔隙介质残酸伤害测试结果Table 2 Test results of spent acid damage in porous media

图4 残酸伤害后岩心Fig.4 Rock specimen after spent acid damage

3.2 天然裂缝残酸伤害规律

残酸进入天然裂缝后，部分残酸滞留裂缝里，导致渗透率下降。利用劈裂岩心形成裂缝模拟天然裂缝，进行了3组残酸伤害测试，如图5所示，裂缝表面能见部分白色聚合物，说明部分残酸滞留裂缝里，造成残酸伤害。相对于孔隙介质，残酸对天然裂缝伤害率较低，伤害率10%～20%实验结果如表3所示，相对于孔隙介质，残酸对天然裂缝伤害率较低，伤害率10%～20%。同样，裂缝岩心渗透率越高，残酸滞留越少，也越容易返排出去，进而残酸对岩心伤害影响越小。

表3 天然裂缝残酸伤害测试结果Table 3 Test results of spent acid damage in natural fracture

3.3 酸蚀裂缝导流残酸伤害规律

酸液驱替前后、导流能力测试前后岩板表面形状如图6所示。进行了3组导流能力实验，组1为无残酸污染，组2和组3均为残酸污染，重复性实验保证结果可靠。目标储层非均质性较强，岩板腐蚀后裂缝表面较粗糙，腐蚀痕迹明显。各组岩板在不同闭合应力下的导流能力如图7所示，结果表明，在半对数坐标下，导流能力和闭合应力近似直线，闭合应力对导流能力影响较大，低闭合应力下，裂缝表面变形不严重，导流能力较高。60 min接触时间下，岩板溶蚀质量分别为52.2 g和53.7 g；酸蚀裂缝表面粗糙，在较高应力下，导流能力仍较高。当闭合应力达到一定值，表面变形达到极限，岩板甚至压碎，之后的导流能力随闭合应力下降变慢，导流能力测试后的岩板照片也显示部分岩板压碎。如表4所示，在50 MPa闭合应力下，无残酸污染时，导流能力为56.5 D·cm。残酸污染后导流能力为51.6 D·cm和50.8 D·cm，变化较小，表明酸蚀裂缝形态下，相较于基质和微裂缝，流动空间足够大，随着返排液在壁面间流动并冲刷酸蚀裂缝壁面，残酸非常容易返排。

图5 天然裂缝残酸驱替前后Fig.5 Acid displacement of natural fracture

图6 60 min酸岩接触时间下岩板通酸前后、导流能力测试前后图片Fig.6 Acid displacement and conductivity test

表4 酸蚀裂缝导流能力测试结果Table 4 Test results of conductivity of acid etching fracture

图7 60 min酸岩接触时间导流能力测试Fig.7 Conductivity test for 60 min acid-rock time

由于酸蚀裂缝导流能力较高，残酸容易排除，污染后仅少量残酸滞留在裂缝中(实验后裂缝表面能见少量残酸)，残酸污染后导流能力与未污染时的非常接近，说明残酸对酸蚀裂缝导流能力影响较小，污染机理为堵塞伤害。

4 微观伤害规律

残酸伤害主要分为堵塞伤害和吸附伤害，通过岩心残酸污染前后的CT扫描和电镜扫描观测岩屑的残酸吸附，分析残酸伤害变化规律。实验设备如图8所示，其中，电镜扫描仪进行聚合物吸附测试。

马五7层位3 064 m深的DK13-FP8井岩心残酸污染前后CT扫描对比如图9所示。可以看出，孔隙发育明显，初始渗透率为0.379 1 mD。从左到右分别为入口、中间、出口位置。以红色圆圈标注了残酸驱替前后岩心的相同位置，对比发现，入口、中间处污染较严重，出口污染轻，残酸进入孔隙后，聚合物絮团堵塞孔隙，孔隙度减小，渗透率下降，污染后渗透率为0.261 5 mD。

图8 实验设备Fig.8 Experimental equipment

马五6层位3 034 m深的DK13-FP8井岩心残酸驱替前后CT扫描对比如图10所示。可以看出，基质致密，孔隙发育较少，渗透低，初始渗透率为0.076 7 mD。从左到右分别为入口、中间、出口位置。入口处污染较严重，中间、出口污染轻，为主要为聚合物滞留伤害。因渗透率较低，残酸难进入深部。

马五5层位3 112 m深的D1-530井岩心残酸污染前后CT扫描如图11所示，可以看出，孔隙发育极少，渗透率低，初始渗透率为0.004 5 mD。从左到右分别为入口、中间、出口位置。入口处污染较严重，中间、出口污染轻，残酸滞留堵塞细小孔隙。由于基质致密，孔隙极少，残酸难进入深部，堵塞细小孔隙后也难以返排出来。

图9 马五7岩心残酸伤害前后CT扫描图Fig.9 Ma57 rock specimen CT scan before and after spent acid damage

图10 马五6岩心残酸伤害前后CT扫描图Fig.10 Ma56 rock specimen CT scan before and after spent acid damage

图11 马五5岩心残酸伤害前后CT扫描图Fig.11 Ma55 rock specimen CT scan before and after spent acid damage

5 聚合物吸附测试

5.1 聚合物表面吸附

图12 残酸吸附实验Fig.12 Spent acid adsorption experiment

图13 岩块残酸吸附电镜扫描照片Fig.13 SEM photos of spent acid adsorbed rock samples

取马五5层位3 105 m深的D1-530井岩心岩块作为样品1、2、3、4，岩块两端磨平，且保持两端厚度在8 mm以下。配制4组残酸，1组和2组残酸为0.15%增稠剂的酸液残酸(低黏胶凝酸配方)，3组和4组残酸为0.45%增稠剂的酸液残酸(高黏胶凝酸配方)，如图12所示，4个烧杯从左到右显示分别为1组、2组、3组、4组。在地层温度90 ℃下将4组样品进行残酸吸附实验，吸附时长为2 h，结果如图13所示。

利用岩块端面模拟裂缝表面，对残酸吸附过的岩块端面进行电镜扫描，电镜扫描结果显示，端面上聚合物吸附现象不明显，说明残酸中聚合物在裂缝表面吸附量较少。

5.2 聚合物孔隙介质吸附

取马五5层位3 105 m深的D1-530井岩心岩屑作为样品1、2、3、4，岩屑经过碎样筛选出300目岩粉，配制4组残酸，1组和2组残酸为0.15%增稠剂的酸液残酸(低黏胶凝酸配方)，3组和4组残酸为0.45%增稠剂的酸液残酸(高黏胶凝酸配方)，如图14所示。图14(a)、图14(b)中，4个烧杯从左到右显示分别为1组、2组、3组、4组。吸附后样品1～样品4岩样如图14(c)所示。在地层温度90 ℃下将4组样品进行残酸吸附实验，吸附时长为2 h，结果如图15所示。

图14 岩粉残酸吸附实验照片Fig.14 Photo of rock samples spent acid adsorption experiment

图15 岩粉残酸吸附电镜扫描照片Fig.15 SEM photos of spent acid adsorbed rock samples

利用岩粉聚合物吸附实验模拟多孔介质中聚合物吸附，电镜扫描结果反应岩粉聚合物吸附不明显。分析可能由于样品检测需要在干燥条件下进行，而导致吸附不明显的结果，因此后续进行了冷冻电镜扫描，让样品处于半湿润状态，经过冷冻处理后再进行电镜扫描。实验结果如图16所示，聚合物在岩粉表面的吸附量较少，因此残酸吸附不是导致储层伤害的主要因素。

图16 岩粉残酸吸附冷冻电镜扫描照片Fig.16 SEM photos of spent acid adsorbed rock samples

6 结论

通过对大牛地马家沟组碳酸盐岩储层现场用酸液性能测试、残酸伤害实验、岩板酸液驱替实验和酸蚀裂缝导流能力测试，得到以下结论。

(1)基质致密，滞留残酸难以返排出来，残酸对基质渗透率伤害程度较高，约为30%，伤害深度较浅。残酸伤害方式分为吸附伤害和堵塞伤害，堵塞伤害是残酸滞留伤害的主要因素。

(2)天然裂缝渗透率较高，滞留残酸容易返排出来，渗透率越高，残酸越容易返排出，残酸伤害率越低，总体上讲残酸对天然裂缝伤害率较低，渗透率损失为10%～20%。

(3)储层非均质性强，酸蚀裂缝表面粗糙，在较高应力下，导流能力较高。无残酸污染时，导流能力为56.5 D·cm(50 MPa闭合应力)。由于酸蚀裂缝导流能力较高，残酸容易排除，残酸污染后导流能力与未污染时的非常接近，残酸对酸蚀裂缝导流能力影响较小。

(4)聚合物在裂缝表面和岩粉表面吸附较少，残酸滞留堵塞和吸附两种伤害方式以滞留堵塞伤害为主。