酸作用下碳酸盐岩刻蚀形貌及力学性能研究.pdf
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1、2024年第14卷 第2期油气藏评价与开发PETROLEUM RESERVOIR EVALUATION AND DEVELOPMENT酸作用下碳酸盐岩刻蚀形貌及力学性能研究张 文,梁利喜,刘向君,熊 健,张忆南(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)摘要:碳酸盐岩在化学和力学作用下结构及力学特征是该类储层酸压技术有效性评价的重要研究课题。以海相碳酸盐岩为研究对象,开展了20%HCl胶凝酸对碳酸盐岩结构和力学性能影响的室内实验研究。基于矿物组成,将碳酸盐岩划分为灰岩、含云质灰岩、含灰质云岩和云岩4种类型,相对于灰岩的均匀刻蚀,酸在含云质灰岩表面选择性刻蚀,形成
2、蚓蚀刻槽,而含灰质云岩和云岩则以点状刻蚀和沿着结构面侵蚀为主。酸作用前碳酸盐岩具有基质强度主导的剪切破坏特征,而酸作用后改变了岩石内部结构,导致碳酸盐岩更易在拉张应力作用下发生破坏,更容易劈裂破坏或沿结构面破坏。酸作用后碳酸盐岩的宏观强度降幅远大于基质强度降幅,酸液通过侵入岩石内部,在岩石内部形成更多微观缺陷,表现为峰值应力时弹性能占比降低和耗散能占比增加,因此其宏观力学性能劣化是基质强度劣化和内部结构改变共同作用的结果。研究结论对于碳酸盐岩现场酸压实践以及后续生产方案制定提供一定指导。关键词:碳酸盐岩;胶凝酸;矿物组成;刻蚀形貌;力学性能中图分类号:TE122文献标识码:AEtching m
3、orphology and mechanical properties of carbonate rocks under acid actionZHANG Wen,LIANG Lixi,LIU Xiangjun,XIONG Jian,ZHANG Yinan(State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation,Southwest Petroleum University,Chengdu,Sichuan 610500,China)Abstract:The structural and mechanical c
4、haracteristics of carbonate rock under the action of chemistry and mechanics is animportant research topic for the evaluation of the effectiveness of acid fracturing technology in this kind of reservoir.This researchfocused on the impact of 20%HCI gelled acid on the structural and mechanical propert
5、ies of carbonate rocks,categorized into fourtypes based on their mineral composition:limestone,dolomite-bearing limestone,limestone-bearing dolomite,and dolomite.Theexperiments revealed distinct reactions of these rock types to acid exposure.Limestone exhibited uniform etching,while dolomite-bearing
6、 limestone showed selective etching,creating wormhole-like grooves.Limestone-bearing dolomite and dolomitepredominantly experienced point etching and erosion along structural planes.Initially,the shear failure of carbonate rocks wasprimarily governed by matrix strength.However,acid treatment altered
7、 their internal structure,making them more susceptible totensile stress damage,leading to potential splitting or destruction along structural planes.Notably,the reduction in the macroscopicstrength of the carbonate rocks post-acid treatment was significantly greater than the decrease in matrix stren
8、gth alone.Theinvasion of acid liquid into the rocks introduced additional microscopic defects,evidenced by a reduced proportion of elastic energyand an increased proportion of dissipated energy at peak stress levels.This suggests that the macroscopic mechanical propertydeterioration results from bot
9、h matrix strength weakening and internal structural changes.These findings offer valuable insights forfield acid fracturing operations in carbonate rock reservoirs and aid in the planning of subsequent production strategiesKeywords:carbonate rock;gelling acid;mineral composition;etching morphology;m
10、echanical properties引用格式:张文,梁利喜,刘向君,等.酸作用下碳酸盐岩刻蚀形貌及力学性能研究J.油气藏评价与开发,2024,14(2):247-255.ZHANG Wen,LIANG Lixi,LIU Xiangjun,et al.Etching morphology and mechanical properties of carbonate rocks under acid actionJ.Petroleum Reservoir Evaluation and Development,2024,14(2):247-255.DOI:10.13809/32-1825/te.
11、2024.02.010收稿日期:2023-10-07。第一作者简介:张文(1993),男,在读博士研究生,主要从事石油工程岩石力学相关研究工作。地址:四川省成都市新都区新都大道8号,邮政编码:610500。E-mail:通信作者简介:梁利喜(1976),男,博士,教授,主要从事地质工程、非常规岩石力学研究工作。地址:四川省成都市新都区新都大道8号,邮政编码:610500。E-mail:基金项目:西南石油大学“非常规地层岩石物理青年科技创新团队”(2018CXTD11)。2472024年第14卷 第2期张文,等.酸作用下碳酸盐岩刻蚀形貌及力学性能研究在全球已探明的油气储量中,60%为海相碳酸盐岩
12、储层,其已成为油气勘探开发的重要领域1-3。但中国碳酸盐岩储层普遍具有强非均质、高岩石强度、强地应力的特征4-6,在储层改造时面临储层压不开、改造不充分的问题。目前,酸化压裂是碳酸盐岩储层最有效的工艺措施,其研究主要集中在酸岩动力学反应7-9、酸蚀形貌10-12以及数值模拟13-14等方面,同时也开展了大量现场酸压实践15-17。但碳酸盐岩储层往往处于高地应力状态,即使裂缝壁面形成蚓蚀刻槽,由于其强度劣化,在高闭合应力作用下,压裂缝可能发生闭合,影响最终的酸压效果。因此,酸液对碳酸盐岩力学性能影响也引起广泛重视。碳酸盐岩储层岩石类型主要包括白云岩和灰岩,其中灰岩又可以细分为粒屑灰岩、礁灰岩等。
13、酸液对碳酸盐岩力学性质影响的研究主要从这两种岩性开展的。周健等18研究了胶凝酸对灰岩力学性质的弱化效应,裂缝型灰岩是基质型灰岩反应速率的3倍。ZHANG等19发现酸化后灰岩的强度下降比例高于白云岩的强度下降比例,主要源于二者胶结填充物的矿物存在差异。何春明等20认为对于高闭合应力储层,应该更多考虑酸液对碳酸盐岩力学强度的影响。此外,酸液对碳酸盐岩力学性质的劣化作用也影响着工程措施以及油气井生产方案设计,通过酸化降低地层破裂压力21-22,进而降低压裂施工难度,已应用于实践。刘向君等23认为灰岩地层生产初期,油气井临界生产压差计算需要考虑残酸对岩石强度的影响。以上研究表明:酸液对碳酸盐岩的力学性
14、能影响具有十分重要的工程意义,然而,目前大多针对1种或者2种类型碳酸盐岩力学性能进行研究,并未进行广泛应用。此外,作为一种结构高度非均质的材料,大多数研究中的小尺寸式样无法包含足够多的碳酸盐岩宏观结构,导致其结果代表性不足。因此,为了明确酸液对不同类型碳酸盐岩刻蚀形貌的特征,揭示酸蚀作用下碳酸盐岩力学性能劣化机制,考虑不同矿物组成的碳酸盐岩样品,开展碳酸盐岩的酸蚀实验和酸化前后大尺寸样品的岩石力学实验,研究成果可为碳酸盐岩现场酸压优化以及后续生产方案制定提供一定指导。1实验样品和方案1.1实验样品实验所用的岩样为某区块海相碳酸盐,利用XRD 衍射法测定岩石主要由方解石、白云石、泥质组成,可细分
15、为灰岩、含云质灰岩、含灰质云岩和云岩 4 种岩性。表 1 为碳酸盐岩样品的 XRD 衍射测试结果。根据碳酸盐岩不同岩性,共钻取了 14 个100 mm100 mm的圆柱样品和28个25 mm20 mm的圆盘样品,用于酸作用对碳酸盐岩刻蚀形貌的影响研究和酸化前后岩石力学性质评价。根据现场酸压作业常用酸液体系,研究采用的酸液为 20%HCl 胶凝酸,具体配方为 20%HCl+0.7%凝胶剂+2.0%高温缓蚀剂+1.0%铁离子稳定剂+1.0%破乳剂,酸液在120、170 s-1条件下黏度为24 mPas,滤失系数为0.000 6 m/min0.5,酸液的性质能够满足现场施工要求。将获取的碳酸盐岩样品
16、平均分为两部分,分别用于酸化前和酸化后的岩石力学性质评价试验。样品编号C1C2C3C4C5C6C7相对含量/%方解石99.2595.4488.2274.0820.2616.411.78白云石03.7710.9825.2379.0182.9897.06泥质0.750.790.800.690.730.611.16岩性灰岩含云质灰岩含云质灰岩含云质灰岩含灰质云岩含灰质云岩云岩结构描述可见充填矿脉含大量充填矿脉可见充填矿脉无明显的结构发育含大量充填裂缝,矿物颗粒呈微粉晶状无明显的结构发育生物藻类充填的裂缝发育,裂缝开度可达2 mm表1碳酸盐岩样品XRD衍射测试结果Table 1XRD results
17、of carbonate rock samples2482024年第14卷 第2期张文,等.酸作用下碳酸盐岩刻蚀形貌及力学性能研究1.2实验方案在酸化压裂或压裂酸化后,地层中仍然具有一部分残酸与岩石发生相互作用,因此,实际地层中酸化时间远远超过室内酸化实验的12 h,为了模拟从注酸一直到整个酸化反应完全结束的过程,配置了20 L的20%HCl胶凝酸,将岩心与酸液放置于耐酸容器中,并密封16 h后再取出。为了测得较为精确的样品溶蚀量,将取出的样品包裹干燥纸巾内1 h后再进行称重和尺寸参数测量,待基础参数测量完毕后,对相应的样品单轴压缩实验,单轴压缩实验采用位移控制,位移加载速率为 0.2 mm/
18、min。整个浸泡实验和力学实验在室温条件下进行,浸泡过程中温度变化不大,可以不用考虑温度对化学反应和岩石力学性质的影响。2实验结果分析2.1碳酸盐岩表面的刻蚀形貌特征酸岩反应是一个复杂的动力学反应过程,随着反应的进行,酸液溶蚀了碳酸盐岩表面的白云岩和方解石矿物颗粒改变了碳酸盐岩的微细宏观结构组织24-26。灰岩,组成矿物较为单一,酸液在其表面以均匀刻蚀为主(图1a);含云质灰岩,云质含量是影响酸液刻蚀碳酸盐岩结构的关键因素,在岩样表面形成较深的刻蚀槽(图1b);含灰质云岩和云岩,表面刻蚀形貌与构造发育特征密切相关。含灰质云岩结构欠发育,其以整体深度刻蚀为主导,但未出现蚓蚀形貌,但局部形成点状刻
19、蚀(图1c);云岩发育大量的藻纹层等生物碎屑,酸液易沿着藻纹层侵入岩样内部,但通过样品表面的刻蚀形貌可知,酸液对云岩刻蚀程度不大,沿着藻纹层处并未观察到明显通缝扩孔效应(图 1d),即藻纹层宽度并未发生明显的变化。总的来说,酸在含云质灰岩表面倾向于选择性刻蚀,形成蚓蚀刻槽,而含灰质云岩和云岩则以点状刻蚀和沿着结构面侵蚀为主。2.2岩石的应力-应变曲线特征以50%方解石含量为界限,绘制酸化前后灰岩类和白云岩类样品的应力-应变曲线对比图,2组实验样品的应力-应变曲线均表现出明显的峰前线弹性特征(图2)。在加载初始阶段,应力-应变曲线出现下凹现象,表明在单轴压应力作用下,碳酸盐岩样品内部矿物颗粒发生
20、滑移调整,使其压密特征明显。酸化对碳酸盐岩样品的应力-应变曲线影响显著,导致峰前线弹性阶段的斜率减小,而酸化对灰岩类和白云岩类样品的峰后阶段具有明显的差异。对于灰岩类样品,酸化导致其峰值破坏应变普遍增加,但仍然保留了原岩应力峰后即迅速跌落的脆性特征,而酸化对白云岩样品的峰值破坏应变影响不大,但影响峰后应力-应变曲线的脆性行为,应力跌落较为缓慢,表现出一定的延性行为。研究结果表明:酸致使碳酸盐岩强度变低、结构变软,可能与酸液进入晶体间间隙相关,进而通缝扩孔,而不是单纯地削弱矿物颗粒间的联结力。2.3岩石局部和宏观力学参数特征岩石局部力学参数通过压入硬度来表征,其又称岩石抗压入硬度,其过程是用一个
21、平底的圆柱形刚性压头压入岩石,直至岩石被压出一个坑穴,以单位压头面积上的载荷作为该岩石的压入硬度值。图3展示了酸化前后碳酸盐岩的压入硬度柱状对比图。由图3可知:酸化后碳酸盐岩的硬度整体呈现下降的趋势,而由于该种硬度是一种测试岩石局部力学性质的实验手段,碳酸盐岩自身固有的强非均质和酸对不同位置侵入程度存在差异,导致不同测试点可图1酸液作用后不同样品表面刻蚀形貌Fig.1Etching morphology of different samples afteracid etching2492024年第14卷 第2期张文,等.酸作用下碳酸盐岩刻蚀形貌及力学性能研究图2酸化前后碳酸盐岩的应力-应变曲线
22、Fig.2Stress-strain curves of carbonate rock before andafter acidification能会呈现压入硬度变化不大、甚至增加的现象,酸作用后灰岩类样品压入硬度由502.60879.82 MPa变化至 477.13539.36 MPa,下降了 5.72%28.92%,平均降幅为 15.03%;云岩类样品的压入硬度由545.62697.33 MPa 变化至 551.93642.43 MPa,下降了 9.45%19.92%,平均降幅为 16.15%。一般而言,岩石的硬度与抗压强度、断裂韧性等强度参数往往具有正相关性,因此,碳酸盐岩的表面硬度一定
23、程度上反映了碳酸盐岩基岩力学强度的变化特征。图4为计算出酸化前后碳酸盐岩弹性模量与单轴抗压强度关系柱状对比图,其中采用酸化后强度和弹性模量下降比例表示酸液对碳酸盐岩力学性能的劣化程度。由图4可知,酸化前碳酸盐岩抗压强度分布介于100.82167.73 MPa,酸化后岩石抗压强度图3碳酸盐岩酸化前后碳酸盐岩压入硬度柱状对比Fig.3Columnar comparison of indentation hardness ofcarbonate rocks before and after acidificationa.单轴抗压强度及强度劣化率b.弹性模量及刚度劣化率图4酸化前后碳酸盐岩力学参数值柱
24、状对比Fig.4Columnar comparison of mechanical parameters of carbonate rocks before and after acidification2502024年第14卷 第2期张文,等.酸作用下碳酸盐岩刻蚀形貌及力学性能研究分布介于44.03113.16 MPa,酸液使碳酸盐岩强度大幅度下降,其中纯方解石和白云石构成的碳酸盐岩强度和刚度劣化率较低,而同时含有相当比例的方解石和白云石的样品劣化率处于相对高值,尤以样品C4下降比例最大,强度和刚度劣化率分别达到了73.75%和76.01%,失去了大部分承载能力。对比酸作用后碳酸盐岩局部力学
25、性能降幅和宏观力学性能降幅,可以观察到酸作用后碳酸盐岩宏观力学性质降幅更大,表明酸作用后碳酸盐岩不单单是基质强度劣化导致的宏观强度劣化,还存在其他因素。2.4岩石破坏特征岩石破坏特征是碳酸盐岩储层酸压效果评价和后期完井方式选择需要考虑的重要因素,图5为酸化前后碳酸盐岩样品的破坏特征照片,酸化前碳酸盐岩多形成与最大主应力方向(轴向)呈一定夹角的破坏裂缝,主要以剪切破坏为主,共存一定程度的劈裂破坏,岩石破碎程度较高。部分碳酸盐岩破坏过程剧烈,在实验过程中往往可以听到脆性爆裂的声音,如C2样品、C3样品和C4样品,后续观察发现实验样品破坏程度大,侧面出现结构崩落的现象,并在破坏面上观察到大量的岩粉。
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