茍 波，李 驍，馬輝運，周長林

1.“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點實驗室·西南石油大學，四川 成都 610500

2.西南石油大學博士后科研流動站，四川 成都 610500

3.中國石油西南油氣田公司工程技術研究院，四川 成都 610017

引 言

碳酸鹽巖酸壓施工結(jié)束后，酸蝕裂縫能否提供充足的導流能力決定了油氣井能否實現(xiàn)建產(chǎn)、增產(chǎn)，因此準確評價儲層條件下酸蝕裂縫導流能力是酸壓工程方案設計焦點問題之一[1]。酸蝕裂縫導流能力實驗是認識酸壓裂縫流動能力最直接的手段，它常用目標儲層井下巖樣或露頭模擬酸壓時酸液在水力裂縫中的流動反應和刻蝕裂縫壁面巖石的過程，即酸刻蝕；然后測試酸刻蝕后巖板的導流能力，即導流能力評價。

大量的實驗認識到，影響酸蝕裂縫導流能力的主要因素分為兩類：（1）儲層地質(zhì)因素，包括：閉合壓力、儲層巖石礦物、溫度等；（2）工程因素，包括：酸液濃度、注酸時間、注酸工藝（多級交替、閉合酸化）、初始水力縫寬、酸液體系等[2-6]。這些實驗多用一對光滑巖板形成的間隙模擬前置液造縫形成的水力裂縫，然而大量的實驗和理論研究證實，由于碳酸鹽巖較強的非均質(zhì)性，形成的水力裂縫壁面非常粗糙[7]，粗糙的裂縫形貌會直接影響流體在水力裂縫中的流動行為（圖1）[8-9]。因此，實驗探索水力裂縫形貌對酸刻蝕行為及導流能力的影響，對真實評價儲層條件下酸壓裂縫的流動能力具有重要意義。

圖1 光滑裂縫、粗糙裂縫中的流線分布Fig.1 Distribution of flow line in smooth and rough fracture

筆者選用川西地區(qū)棲霞組儲層“豹斑”灰?guī)r，采用光滑巖板與粗糙巖板分別模擬光滑裂縫、粗糙裂縫兩種裂縫形貌，實驗研究了儲層高溫條件下，兩種裂縫形貌在不同注酸排量、注酸時間下的酸刻蝕行為及導流能力特征，為真實認識儲層條件下酸壓裂縫導流能力提供直接依據(jù)，同時也力促完善其實驗評價方法。

1 實 驗

1.1 實驗材料選取

雙魚石構(gòu)造棲霞組儲層，埋深6 800～7 500 m，地層壓力系數(shù) 1.4～1.9，地層溫度 150～159°C，儲層孔隙度1.2%～8.8%，是典型的致密灰?guī)r儲層。實驗巖樣采自地質(zhì)專家標定的野外棲霞組露頭剖面，露頭與井下巖芯礦物成分、孔隙特征匹配性較好（表 1），滿足酸刻蝕選樣需求，采用所選露頭開展酸刻蝕實驗具有一定代表性。按照 API標準制成長（175.0±0.2）mm、寬（35.0±0.2）mm、厚（50.0±0.2）mm、兩端打磨成圓弧為直徑（35±0.2）mm的毛坯巖樣。沿毛坯巖樣寬度方向的中線切割為兩塊巖板，并打磨光滑，制成光滑巖板；將毛坯巖樣放入劈縫器中，采用巴西劈裂實驗，形成粗糙張性裂縫，制成粗糙巖板。

表1 礦物、孔隙度匹配結(jié)果表Tab.1 Mineral and porosity matching results

實驗酸液體系為研究區(qū)所用的膠凝酸體系，配方為20%HCl+0.5%CT1-9B膠凝劑+2.0%CT1-7鐵穩(wěn)劑+1.0%CT5-12助排劑+2.0%CT1-3緩蝕劑+1.0%CT1-5B緩蝕增效劑。

1.2 實驗裝置

實驗采用西南石油大學自研設備“酸壓裂縫導流能力測試系統(tǒng)”（圖2），它包括：酸刻蝕模塊、裂縫激光掃描3D成像模塊和導流能力測試模塊。其功能分別為：酸刻蝕模塊模擬酸壓過程中酸刻蝕水力裂縫過程；裂縫激光掃描3D成像模塊獲取酸刻蝕前后水力裂縫壁面形態(tài)；導流能力測試模塊評價儲層條件下酸壓裂縫流動能力。

圖2 酸壓裂縫導流能力測試系統(tǒng)Fig.2 Acid-fracture conductivity testing system

1.3 實驗方案設計

為了更真實地模擬研究工區(qū)膠凝酸酸壓過程并考慮設備耐溫性能，實驗溫度設置為140°C。實驗室不能直接使用工程尺度的注酸排量，需根據(jù)流體力學中的雷諾數(shù)相似準則將工程尺度的注酸排量（m3/min）轉(zhuǎn)化為實驗室尺度的注酸排量（mL/min）；考慮到膠凝酸屬于非牛頓流體，推導了其在裂縫中流動的雷諾數(shù)相似準則。

酸液在地層酸壓裂縫中流動時的雷諾數(shù)為

式中：NRe,f—工程尺度酸液流動雷諾數(shù)，無因次；

ρ—酸液密度，kg/m3；

vf—地層裂縫中酸液流速，m/s；

wf—地層裂縫寬度，m；

μf—酸液表觀黏度，Pa·s；

qf—工程尺度注酸排量，m3/min；

hf—地層裂縫高度，m。

膠凝酸實為冪律流體，其表觀黏度μf可表示為[10]

式中：k—稠度系數(shù)，Pa·sn；

γ—剪切速率，s-1；

n—流變指數(shù)，無因次。

聯(lián)立式（1）～式（3），地層酸壓裂縫中流體流動的雷諾數(shù)表示為

類似地，推導出酸液在巖板形成的裂縫中流動時的雷諾數(shù)

式中：NRe,l—實驗尺度酸液流動雷諾數(shù)，無因次；

ql—實驗尺度注酸排量，mL/min；

wl—實驗巖板形成的裂縫寬度，m；

hl—巖板寬度，m。

由雷諾數(shù)相似準則，有

由式（4）～ 式（6）可得

統(tǒng)計現(xiàn)場資料獲取地層水力裂縫平均縫寬及縫高，根據(jù)酸液流變測試數(shù)據(jù)得流變指數(shù)n=0.159。由式（7）將工程尺度注酸排量轉(zhuǎn)化為實驗尺度注酸排量，結(jié)果如表2所示。

表2 排量轉(zhuǎn)化結(jié)果Tab.2 Results of acid injection-rate from engineering-scale to experiment-scale

實驗設計了模擬兩種條件時的粗糙巖板與光滑巖板的酸刻蝕行為及導流特征：1與2、4與5模擬定酸量條件下，注酸排量變化；1與3、4與6模擬定注酸排量條件下，注酸時間變化（表3）。

表3 酸刻蝕實驗方案Tab.3 Experimental scheme of acid-etching

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 注酸排量變化對不同水力裂縫形貌的酸刻蝕行

為及導流能力影響

2.1.1 酸刻蝕裂縫面特征

圖3展示了注酸排量變化對光滑巖板酸刻蝕形態(tài)的影響。光滑巖板刻蝕前，整個巖面較為光滑；酸刻蝕過程中，整個巖面均與酸液接觸，呈現(xiàn)不同程度的非均勻刻蝕。

圖4為在同一比例尺度下注酸排量變化對粗糙巖板酸刻蝕形態(tài)影響。與光滑巖板面相比，酸刻蝕前粗糙巖板面具有明顯的起伏度，酸刻蝕后巖面凸點有降低現(xiàn)象，凹點位置有加深現(xiàn)象。隨著注酸排量提升，這一現(xiàn)象更加明顯（圖4）。

圖3 注酸排量變化對光滑巖板酸刻蝕形態(tài)影響Fig.3 Effect of acid-injection rate on etching morphology of smooth rock plates

圖4 注酸排量變化對粗糙巖板酸刻蝕形態(tài)影響Fig.4 Effect of acid-injection rate on etching morphology of rough rock plates

為進一步定量分析裂縫面初始形態(tài)對酸刻蝕行為影響，選擇巖面高程頻數(shù)分布、巖面在零閉合壓力下接觸形成的裂縫中線輪廓迂曲度及裂縫縫寬3個參數(shù)對酸刻蝕前后的裂縫面進行定量表征與分析。

（1）高程頻數(shù)分布

高程頻數(shù)分布是指巖樣表面各點的高度在一定范圍內(nèi)所出現(xiàn)的頻數(shù)。高程頻數(shù)分布直方圖及其曲線能直觀地表現(xiàn)出巖樣表面的粗糙程度。根據(jù)光滑巖板、粗糙巖板酸刻蝕前后裂縫面高程為10～32 mm（圖 3，圖 4），取 2 mm 為步長，將高程劃分為如：[10 mm，12 mm）、[12 mm，14 mm）……[30 mm，32 mm]共11個區(qū)間段。

圖5為光滑巖板酸刻蝕前后巖面高程分布直方圖，光滑巖板酸刻蝕前高程分布穩(wěn)定，[24 mm，26 mm）內(nèi)高程占比100%；酸刻蝕后巖板高程分布呈現(xiàn)正態(tài)分布特征，高程已經(jīng)明顯下降約2 mm。同一對巖板上下巖面高程分布曲線類似，這是由于來自同一塊巖坯的相鄰切割面，其礦物分布相似[11]，因此，上下巖面酸刻蝕程度相近。酸刻蝕后1號巖板高程分布范圍為16～24 mm（圖5a）；2號巖板高程分布范圍為14～24 mm，且明顯出現(xiàn)了[14 mm，16 mm）和[16 mm，18 mm）兩個較低的高程分布區(qū)間（圖5b），表明隨著注酸排量提高，高程集中范圍變寬，酸刻蝕后巖板高程起伏變大，非均質(zhì)程度增強。

圖5 注酸排量變化對光滑巖板刻蝕前后高程頻數(shù)分布影響（1號 173 mL/min；2號 212 mL/min）Fig.5 Effect of acid injection-rate on elevation frequency distribution of smooth rock plates before-and-after acid-etching（No.1 173 mL/min；No.2 212 mL/min）

圖6為注酸排量變化對粗糙巖板酸刻蝕前后高程分布影響，可知酸刻蝕前粗糙巖板的上下裂縫面高程分布廣，且呈正態(tài)分布，但高程分布范圍存在一定差異。酸刻蝕后巖面高程分布均呈現(xiàn)“左移”現(xiàn)象，即較大高程頻率下降、較低高程頻率升高，上下巖板面峰值均減小，峰值頻率均增大，表示粗糙度減小，說明酸液對粗糙面的刻蝕起削平“峰”（凸起）、加深“谷”（凹陷）的作用，這可能是由于酸液在粗糙裂縫中流動時的湍流效應所引起[12]。4號上巖板刻蝕前后高程峰值變化2 mm，下巖板高程峰值變化4 mm，且明顯出現(xiàn)了[12 mm，14 mm）和[14 mm，16 mm）兩個較低的高程分布區(qū)間（圖6b），這是由于酸刻蝕前粗糙巖板的局部凹坑（圖4a），即高程為[14 mm，16 mm）加劇了酸液在巖板局部的湍流效應，從而加深了局部刻蝕深度，出現(xiàn)較低高程[12 mm，14 mm）；5號巖板酸刻蝕后高程“左移”現(xiàn)象更明顯，上巖板高程峰值由[24 mm，26 mm）變?yōu)閇20 mm，22 mm）；下巖板的高程峰值由[24 mm，26 mm）變?yōu)閇20 mm，22 mm），[22 mm，24 mm），表明注酸排量的提升更明顯增加了巖面刻蝕程度。

圖6 注酸排量變化對粗糙巖板刻蝕前后高程頻數(shù)分布影響（4號173 mL/min；5號212 mL/min）Fig.6 Effect of acid injection-rate on elevation frequency distribution of rough rock plates before-and-after acid-etching（No.4 173 mL/min；No.5 212 mL/min）

（2）初始縫寬及輪廓線迂曲度

酸刻蝕后巖面在零閉合壓力下剛好接觸形成的裂縫寬度稱為初始縫寬，其初始平均縫寬wˉ和最大縫寬wmax與酸刻蝕裂縫導流能力密切相關[13-14]。采用以線代面的方法提取裂縫中線輪廓[15]，并用輪廓線的迂曲度（輪廓線實際長度與輪廓線兩端點連線長度的比值）來表征裂縫的曲折程度。

圖7展示了光滑巖板酸刻蝕前后裂縫剖面曲線，光滑巖板表面刻蝕前高程較一致（圖7a），輪廓線迂曲度τ≈1.00，酸刻蝕后裂縫面τ≈1.20（表4），表明酸刻蝕后裂縫面變粗糙。裂縫初始縫寬和平均縫寬均不同程度增加；隨著注酸排量增加，迂曲度增加了約0.07，wmax和wˉ分別增加了0.92 mm和0.35 mm。

圖8揭示了粗糙巖板酸刻蝕前后裂縫剖面和縫寬變化。酸刻蝕前粗糙巖板高程分布廣，裂縫寬度在長度方向變化幅度大，表明酸液流動通道曲折復雜（圖8a，圖8c）；酸刻蝕后巖板最大縫寬和初始平均縫寬均呈現(xiàn)明顯增加，但迂曲度減?。ū?），表明酸液對巖板粗糙形貌存在削平“峰”、加深“谷”的作用（圖8b，圖8d）。隨著注酸排量增加，最大縫寬和初始縫寬分別增加了5.42 mm和0.63 mm，增加幅度明顯，輪廓迂曲度下降。

表4 裂縫面參數(shù)統(tǒng)計Tab.4 Statistics of fracture surface parameters

圖7 光滑巖板刻蝕前后裂縫剖面曲線對比Fig.7 Comparison of fracture profiles before-and-after acid-etching of smooth rock plates

圖8 粗糙巖板刻蝕前后裂縫剖面曲線對比Fig.8 Comparison of fracture profiles before-and-after acid-etching of rough rock plates

（3）裂縫面巖石溶蝕量

圖9展示了不同注酸排量下的巖板酸溶蝕量，在同樣注酸條件下，粗糙巖板（4號、5號）的溶蝕量明顯大于光滑巖板（1號、2號）溶蝕量，這是由于酸刻蝕前粗糙巖板迂曲度大于光滑巖板（表4），酸巖接觸面積大于光滑巖板，因此溶蝕量大，表明裂縫形貌對酸溶蝕量影響較大。隨著注酸排量的增加，光滑巖板溶蝕量增加11.75 g，粗糙巖板溶蝕量增加20.06 g，說明注酸排量對粗糙巖板的溶蝕影響更明顯。

圖9 不同注酸排量下的巖板溶蝕量Fig.9 Dissolution of rock plates with different acid injection-rate

2.1.2 導流能力特征

圖10為注酸排量變化時粗糙巖板、光滑巖板酸刻蝕后的裂縫導流能力，可知粗糙巖板初始導流能力更高，這是因為酸刻蝕后粗糙巖板的初始縫寬、最大縫寬大于光滑巖板（表4）；粗糙巖板導流能力保持更穩(wěn)定，呈臺階式變化，在高閉合壓力下仍有一定導流能力，這是由于相對于光滑巖板刻蝕后的形貌（圖3，圖5），粗糙巖板酸刻蝕后高程分布較廣（圖4，圖6），這意味著裂縫面支撐點較多，有利于導流能力保持。

圖10 不同注酸排量下粗糙巖板與光滑巖板酸蝕裂縫導流能力對比Fig.10 Comparison of acid-fracture conductivity between rough and smooth rock plate under different acid injection-rate

由圖10b知，隨著注酸排量的提高，相同閉合壓力下，粗糙巖板導流能力增加幅度在200～500 μm2·cm，而光滑巖板在 10～200 μm2·cm；表明注酸排量變化對粗糙巖板導流能力改善作用更明顯。

2.2 注酸時間變化對不同水力裂縫形貌的酸刻蝕行為及導流能力影響

2.2.1 酸刻蝕裂縫面特征

圖11展示了注酸時間為75 min時，光滑巖板和粗糙巖板的酸刻蝕形態(tài)。對比分析圖11a與圖3a，圖11b與圖4a知，在注酸排量一定的情況下，注酸時間由45 min增加到75 min時，光滑巖板和粗糙巖板的巖面刻蝕深度均明顯增加。

圖11 注酸時間75 min時粗糙巖板、光滑巖板酸刻蝕形態(tài)Fig.11 Acid-etching morphology of rough and smooth rock plates at 75 min acid injection-time

（1）表面高程頻數(shù)分布

圖12展示了注酸時間為75 min時刻蝕前后巖板高程頻數(shù)分布直方圖。由圖5a和圖12a知，隨著注酸時間增加，光滑巖板酸刻蝕后高程由16～24 mm拓展為12～22 mm，表明隨著注酸時間的增加，酸刻蝕后表面粗糙度變大。

圖12 光滑巖板與粗糙巖板刻蝕前后高程頻數(shù)分布直方圖Fig.12 Histogram of elevation frequency distribution before-and-after acid-etching of smooth and rough rock plates

對比圖6a、圖6b和圖12b、圖12c知，隨著注酸時間增加，酸刻蝕后粗糙巖板的上下裂縫面高程峰值“左移”現(xiàn)象更明顯，且高程峰值變化明顯，表明增加注酸時間，有利于增加巖面非均質(zhì)刻蝕程度。

（2）初始縫寬及輪廓線迂曲度

圖13展示了注酸時間為75min時，酸刻蝕前后裂縫輪廓線及縫寬變化。由圖13a、圖7b和表4知，隨著注酸時間增加，光滑巖板酸蝕裂縫面的最大縫寬和初始平均縫寬分別增加了1.22mm和0.78mm，酸刻蝕后輪廓線迂曲度增加了約0.1。

圖13 光滑巖板與粗糙巖板刻蝕前后裂縫剖面曲線Fig.13 Fracture profiles of smooth and rough plates before-and-after acid-etching

由圖13b、圖13c與圖8a、圖8b和表4知，隨著注酸時間增加，粗糙巖板的最大縫寬和初始縫寬分別增加了6.97 mm和1.98 mm，增加幅度明顯，而輪廓迂曲度下降0.13。

（3）裂縫面巖石溶蝕量

圖14展示了不同注酸時間下的巖板酸溶蝕量變化。隨著注酸時間的增加，光滑巖板（1號、3號）溶蝕量增加13.33 g，而粗糙巖板（4號、6號）溶蝕量增加30.47 g，說明注酸時間對粗糙巖板的溶蝕影響更明顯。

圖14 不同注酸時間下的巖板溶蝕量Fig.14 Dissolution of rock plates with different acid injection-time

2.2.2 導流能力特征

圖15為注酸時間變化時光滑巖板、粗糙巖板的導流能力變化。可知，同樣注酸條件下，粗糙巖板導流能力的保持能力明顯優(yōu)于光滑巖板。隨著注酸時間增加，在相同閉合壓力下，光滑巖板導流能力增幅在10～300μm2·cm，而粗糙巖板導流能力增幅在300～600μm2·cm，說明增加注酸時間對粗糙巖板導流能力的提升非常明顯。

圖15 不同注酸時間下粗糙巖板與光滑巖板酸蝕裂縫導流能力對比Fig.15 Comparison of acid-fracture conductivity between rough and smooth rock plate under different acid injection-time

3 結(jié) 論

（1）光滑巖板酸刻蝕后，裂縫面高程呈現(xiàn)正態(tài)分布，平均縫寬、最大縫寬增加，裂縫輪廓線迂曲度增加，酸刻蝕增加了裂縫面粗糙度；粗糙巖板酸刻蝕后高程峰值降低，平均縫寬、最大縫寬增加明顯，裂縫輪廓線迂曲度降低，酸刻蝕作用為對裂縫面的削“峰”深“谷”。

（2）在注酸量一定的條件下，注酸排量增加，粗糙巖板裂縫面的高程變化幅度、裂縫寬度增加幅度、酸溶蝕量明顯大于光滑巖板；在同一閉合壓力下，粗糙巖板酸刻蝕后的導流能力值及隨著注酸排量提升而增加的幅度均明顯高于光滑巖板，且粗糙巖板導流能力保持能力更好。

（3）在注酸排量一定的條件下，注酸時間增加，粗糙巖板刻蝕形態(tài)變化幅度以及導流能力提升幅度均明顯優(yōu)于光滑巖板，且導流能力保持能力也較好。

（4）致密灰?guī)r粗糙水力裂縫形態(tài)對注酸排量和注酸時間變化的敏感程度明顯高于光滑巖板，建議評價儲層酸蝕裂縫導流能力時以粗糙巖板為主，有利于認識地下酸壓裂縫的導流能力和分析其控制因素。