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酸化压裂导流能力的系统实验研究

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酸化压裂 压裂施工 压裂酸化
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酸化压裂导流能力的系统实验研究 M. S . et 翻译 : 王兴宏 操红梅 谢 政 (青海油田公司开发工艺研究所 ) 校对 : 饶 鹏 (青海油田公司开发工艺研究所 ) 摘 要 : 评价酸化压裂工艺增产措施成功的标准 , 就是看其产生的导流能力的大小 , 但这是很难预测的。我们做了一系列实验 , 在岩心室里使岩心在下面的条件下进行酸化 : 酸液在垂直裂缝中呈线性流动 , 并且有酸液滤失现象 , 然后对作为闭合应力函数的裂缝导流能力进行测量。结果发现 , 增加酸液的接触时间有时会降低裂缝的导流能力 , 酸液滤 失会增加 裂缝的导流能力 , 并且 r od e - Kr 测方法能准确预测岩石埋藏压力和闭合应力对酸压导流能力的影响。我们也观察到 , 当酸液在裂缝表面产生一深的酸蚀槽时能产生很高的导流能力。 主题词 酸化压裂 岩心 裂缝导流能力 酸化时间 滤失量 酸蚀形状 法闭合应力 一、介绍 在酸压设计中 , 首要讨论的问题是有效酸在裂缝中渗透的距离 , 酸液能产生的导流能力及酸压后增加的产量。因为在碳酸盐地层的处理中 , 与使用支撑剂的压裂方法相比 , 酸化压裂必须能产生足够大的导流能 力。酸压的导流能力很难预测 , 因为它是一种随机过程 , 如果裂缝壁被均匀溶蚀 , 那么裂缝闭合之后 , 几乎不产生导流能力 , 因此 , 预测酸压导流能力是一种经验方法。 在多数情况下都是利用 法进行裂缝导流能力的预测 , 这一方法是根据大量岩心裂缝导流能力实测数据而产生的。在这些实验中 ,在张力作用下使岩心产生垂直裂缝并使酸液流过裂缝 , 但没有酸液滤失现象。除 法外 , 还没有有关酸压裂缝导流能力的文献报道。 二、实验仪器和实验过程 在研究中 , 对 验装置进行了改进以使实验装置的拆卸更加容易 , 使测量结果更加可靠。图 1 是实验装置横截面的俯视图 , 岩心室内可放 2 块岩心。实验装置由一个岩心室、一个氟化橡胶垫片、两个像柱塞一样的岩心夹和压盖组成。除了岩心是矩形外 , 其余都是圆柱形。岩心放在夹持器的凹陷部位 , 这一凹陷部分的底部刻有许多槽 , 以提供酸液滤失通道。一氟化橡胶垫圈放在两个岩心夹之间 , 以便在酸化过程中对岩心和裂缝周围提供水力密封。 通过岩心室上的设备产生酸液流动 , 通过裂缝两端的 2 个酸液分配器使酸液均匀流过裂缝 , 通过酸液到岩心背部 的间歇流动产生酸液滤失 , 而且通过控制后压调节酸液滤失量。 图 2 是进行裂缝导流能力测量的设备示意图。通过 1 台小型计算机记录通过裂缝的压降值和岩心受力值。 图 1 岩心室结构示意图 图 2 裂缝导流能力实验流程图 酸化过程和导流能力的评价可通过以下过程实现 : 1、将岩心切割成 2 、 3 、 1 的长方体。 2 、酸化前 , 测量每块岩心的埋藏强度。测量方法采用 法。 3 、将岩心放在岩心夹持器的凹陷部分 , 并用硅树脂胶密封。 4 、氟化橡胶垫片放 在两个夹持器中间 , 以分开夹持器。通过岩心室压环下部的适当尺寸垫圈获得所需要的裂缝尺寸。裂缝宽度 0. 05 0. 1 表 1 裂缝导流能力实验结果 5 、设备组装好之后 , 岩心宽的位置要保证裂缝处于垂直方向。 6 、在酸化过程中 , 利用后压调节器使裂缝出口处的后压值为 1000 在酸液滤失实验中 , 打开滤失管线 , 通过调整滤失管线的后压 , 可以控制滤失量 , 酸液滤失量是酸液注入速度的函数。 7 、通过裂缝 , 以 4~ 10 注入速度连续注入酸液约 10~ 40 8 、对每次实验 , 收集从裂缝和滤失管线上流出的酸液 , 并测量酸液量和其浓度。 9 、酸化后 , 拆开岩心室 , 同时取出岩心夹持器和岩心 , 并测量岩心表面的粗糙度。 10 、重新组装岩心室 , 并把岩心放置在加压装置中以测其导流能力 , 在不断加压的条件下对裂缝注入盐水并测量通过岩心室的压差 , 最后测量裂缝导流能力。裂缝导流能力是闭合应力的函数。 三、结果讨论 到目前为止 , 已经做了 30 多次酸压导流能力的实验。以下是其中的 8 组实验及其显示的最重要的结果 , 实验条件和实验结果见表 1 。以下对四方面的内 容进行讨论 : ①酸液接触时间对酸压导流能力的影响 ; ②酸液的滤失量对酸压导流能力的影响 ; ③酸蚀形状对导流能力的影响 ; ④实验结果与 法预测结果进行比较。 1 , 酸液接触时间 图 3 和图 4 分别是用 云岩和印第安那的石灰岩岩心的酸液接触时间对酸压导流能力的影 图 3 酸化时间对白云岩裂缝导流能力的影响 图 4 酸化时间对石灰岩裂缝导流能力影响 响。在 云岩岩心实验中 , 几乎在所有闭合应力条件下 , 20 酸液接触时间产生的 导流能力比 40 产生的导流能力要高。特别是在高闭合应力条件下 , 长时间酸化产生的导流能力低于短时间酸化产生的导流能力。上述表明 , 长时间的酸化会削弱裂缝表面的岩石结构 , 导致变弱的岩石结构对闭合应力较敏感。对印第安那的石灰岩岩心进行实验有上述类似的结果 , 只有一点不同 , 在高闭合应力条件下 , 岩心酸化 20 比酸化 10 40 产生的导流能力要高。显然 , 在酸压过程中可能存在一个最佳的酸液接触时间。酸化时间太短或者太长都会导致较低的裂缝导流能力。因为井眼附近的裂缝会有最长的接触 时间 , 而且井眼附近的裂缝又是影响导流能力最关键的地方 , 因此 , 在某些地层的酸压过程中 , 必须把酸液替入裂缝深处 , 以防井眼附近裂缝的过度酸化 , 同时在裂缝深处获得一定的裂缝导流能力。在酸压设计中必须考虑这一情况。 2 , 酸液的滤失量 许多实验中 , 在同样的条件下 , 有滤失时产生的导流能力高于没有滤失时的导流能力。图 5 是 云岩的两种实验结果比较曲线 (实验 1 和 3) 。在实验 1 中 , 滤失量占酸液量的 15 %; 在实验 3 中 ,滤失管线是闭合的 , 故没有酸液滤失。在低闭合应力 下 , 两个实验结果类似 , 但是当闭合应力超过 2000 , 有酸液滤失时比无滤失时产生的裂缝导流能力要高得多。有酸液滤失时岩心表面有许多凹点 ,无滤失时没有凹点。因此 , 酸液在裂缝表面产生不均匀的溶蚀时 , 裂缝的导流能力会增加。 图 5 有无酸液滤失时的裂缝导流能力 3 , 酸蚀形状 在无酸液滤失的情况下反复进行了一些实验 , 实验中观察到的裂缝导流能力有很大差别 , 因为裂缝表面产生了不同的酸蚀形状。图 6 是印第安那石灰岩的两种实验所产生的裂缝导流能力曲线对比图 , 在这两种实验中在无酸液滤失的 情况下 , 以 10 注入速度注入酸液 40 实验 8 中 , 导流能力很高 , 而且随着闭合应力的增加 , 裂缝导流能力增加很慢。而在实验 7 中 , 当闭合应力增加时裂缝导流能力有很大幅度的下降 , 这一点正如所预测的那样。在测 量导流能力之前 , 对这些岩心裂缝表面的形状进行测定。图 7 表明 , 实验8 中的裂缝表面有一条深深的酸蚀通道 , 而实验 7 中的裂缝表面则有均匀的酸蚀现象。对岩心施加较高的闭合应力时有较深酸蚀通道的裂缝仍有一定的导流能力。在某些实验中 , 产生较深酸蚀通道的原因是碳酸盐岩的不稳 定溶蚀性 (弯曲的酸蚀通道表明了这一点 ) , 而碳酸盐岩的局部非均质性又可使酸蚀通道进一步加深。 图 6 有无酸蚀槽条件下的裂缝导流能力 图 7 实验 7 、实验 8 的缝宽形状 4 , 与 法的比较 对酸压导流能力的实验结果与 法预测的结论进行了比较 , 以确定是否能对 法进行改进。 法是根据岩石埋藏强度、闭合应力及溶解的岩石体积来预测裂缝导流能力。在酸压过程中 , 所溶解的岩石由一个称之为 理想裂缝宽度的参数 表示 , 义为在闭合之前的裂缝宽度。如果所有的酸液进入裂缝并溶解裂缝表面的岩石 (例如无酸液滤失现象 ) , 那么理想的平均宽度为岩石溶解量除以裂缝面积或由下式表达 : 式中 X ——— 酸液溶解能力 ; V ——— 酸液注入量 ; —— 裂缝高度 ; —— 裂缝长度的 1/ 2 。 从这个理想的裂缝宽度公式 , 得出酸压导流能力 的公式 : 其中 当 S 20000 , 当 S 20000 , (注 : 在早期出版物中 , 公式 (4) 中有一个印刷错误。原版中的常数是 19. 9 , 应改为 13. 9 是正确的 ) 对于在公式中所给的常数 , 位是 w i 单位是 σ c 和 S 需要对 法作一些说明。首先 ,这种方法是基于理想裂缝宽度 , 即所用的酸量 , 其指数是 2. 47 。因此 , 这一点说明增加酸液量 (酸液的接触时间 ) 将极大增加裂缝导流能力。如前所述 , 这一点不一定正确。第二 , 随着闭合应力的增加 , 预测的裂缝导流能力将以指 数的形式下降 , 因此导流能力和闭合应力的对数曲线呈直线形状 , 这一直线的斜率取决于岩石的埋藏强度。 法建立在没有滤失的实验基础上。在许多没有滤失的实验中 , 与 法预测的结果相比 , 这些实验结果与其一致 , 如图 8所示 , 这是实验 3 的对比曲线。在有滤失的实验中 ,如果用所有的酸液来计算理想的裂缝宽度 , 那么 法所预测的裂缝导流能力要高。但是 , 如果考虑了酸液滤失量 , 那么 法的预测结果更接近 于实验测得的导流能力。图 9 是实验 4 的结果 , 分别与不考虑滤失的 虑滤失的 测结果的对比曲线。图 9 表明 , 测曲线总是与实测导流能力曲线平行 , 这又说明了 图 8 实验结果与 曲线的对比 ( 无酸液滤失 ) 图 9 实验结果与 预测结果的对比 ( 有酸液滤失 ) 四、结论 1 、酸液的接触时间长比接触时间短所产生的裂缝导流能 力有时更低。这显然是较长时间的酸化削弱了裂缝表面的岩石结构 , 因此 , 与短时间的酸化压裂相比 , 在长时间酸化压裂后 , 当闭合应力增加时导流能力下降。 2 、在类似的酸化条件下 , 有酸液滤失的裂缝导流能力高于没有酸液滤失的裂缝导流能力 , 因为滤失酸在裂缝表面会产生更多的粗糙表面。 3 、当裂缝表面产生较深的溶蚀通道时 , 在高闭合应力的条件下 , 能保持较高的导流能力。 4 、 法能准确预测岩石埋藏强度、闭合应力对酸压导流能力的影响。在有酸液滤失的情况下 , 如果不考虑酸液滤失量 , 那 么这个方法能作出更好的预测。 资料来源于美国《 & 1999 年 4 月 收稿日期 (2000 10 24) 王兴宏等 : 酸化压裂导流能力的系统实验研究 9 © 1994
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