CN104989364A - 酸刻蚀物理模拟实验中岩板表面刻蚀形态的评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了酸刻蚀物理模拟实验中岩板表面刻蚀形态的评价方法，依次包括以下步骤：(A)利用三维激光扫描仪对酸刻蚀后岩板的粗糙表面进行扫描，获取岩板表面的三维数据；(B)计算岩板表面的横向曲折比和纵向曲折比(C)利用和

Description

酸刻蚀物理模拟实验中岩板表面刻蚀形态的评价方法

技术领域

本发明涉及石油领域，尤其是酸化压裂领域中的酸刻蚀物理模拟实验中岩板表面刻蚀形态的评价方法。

背景技术

酸化压裂(简称酸压)是油气增产改造的主要措施，其主要是在高于油气储集层破裂压力或天然裂缝闭合压力条件下，将酸液(或前置液)注入储层，在储集层中形成新的人工缝或使天然裂缝张开，同时注入的酸液对裂缝表面造成非均匀刻蚀。酸液返排后，由于裂缝表面的粗糙不平，表面的凸起部分使裂缝在闭合压力作用下保持一定的开启程度，以此形成一条为流体提供流动空间、具有一定导流能力的裂缝，从而达到改善油气渗流条件和油气增产的目的。因此，裂缝导流能力是评价酸压成功与否的重要指标之一，而裂缝表面的刻蚀形态则是影响裂缝导流能力的重要因素。所以，合理地描述酸蚀裂缝表面的刻蚀形态，准确地对裂缝表面的刻蚀形态进行评价，对酸压工艺优化研究有着非常重要的作用。

裂缝导流能力是评价流体在裂缝中流动性的指标，裂缝导流能力越高，说明同一种流体在裂缝中的流动性就越好。裂缝导流能力包括初始导流能力和长期导流能力，初始导流能力是指裂缝在不受闭合压力作用，两个裂缝表面刚好接触但不相互挤压状态下的导流能力，长期导流能力是指在闭合压力作用下，两个裂缝表面相互挤压变形至一定闭合程度下的导流能力。

酸刻蚀物理模拟实验是指在实验室利用岩石样品(岩板)模拟现场酸压施工条件下酸液与裂缝表面岩石的反应，实验岩板表面即为裂缝表面。实验的目的一方面是获取用作酸蚀裂缝导流能力评价的测试样品(岩板)，对酸压效果进行预测，以优化酸压施工设计；另一方面是为酸刻蚀裂缝表面形态的量化表征提供更接近储层真实刻蚀形态的岩板，为后期对酸蚀裂缝导流能力的研究提供真实可靠的数据，为相关数学模型提供所需的可靠参数。

目前对于酸刻蚀裂缝表面刻蚀形态的描述和评价理论及方法，国外学者已经开展了大量工作。相比之下，国内开展的研究工作仍处于起步阶段，且现有的研究成果仍不能另人满意，主要是因为酸液对裂缝表面刻蚀的随机性极强，刻蚀形态复杂多变，很难描述。目前的研究主要是基于酸刻蚀物理模拟实验对岩板表面的刻蚀形态进行描述及评价，其成果也只是简单地将岩板表面的刻蚀形态分为均匀刻蚀、沟槽状刻蚀、点状刻蚀三种容易被明显区分的刻蚀类型进行评价，然而，在实际情况下，还有很多刻蚀形态不能准确地判定具体属于哪种刻蚀类型，故对岩板表面刻蚀形态的描述和评价工作尚不够全面，不够精细。

发明内容

本发明的目的在于提供酸刻蚀物理模拟实验中岩板表面刻蚀形态的评价方法，该方法原理可靠，操作简便，能够为酸压施工参数的优选提供指导。

为达到以上技术目的，本发明提供以下技术方案。

本发明利用油气储层的岩石样品(岩板)开展酸刻蚀物理模拟实验，通过改变不同实验参数(酸液粘度、酸液浓度、注酸排量)获得不同刻蚀形态的岩样。其中，刻蚀形态最好的岩样所对应的实验参数即为酸压施工参数优化的依据。

酸刻蚀物理模拟实验中岩板表面刻蚀形态的评价方法，依次包括以下步骤：

(A)开展酸刻蚀物理模拟实验，利用三维激光扫描仪对酸刻蚀后岩板的粗糙表面进行扫描，获取岩板表面的三维数据。

(B)利用步骤(A)中得到的三维数据计算岩板表面的横向曲折比和纵向曲折比两个参数。

(C)利用步骤(B)中得到的和两个参数对岩板表面的刻蚀形态进行分类如下：

(1)当时，岩板表面为均匀刻蚀形态，

(2)当时，岩板表面为点状刻蚀形态，

(3)当时，岩板表面为钉床刻蚀形态，

(4)当时，岩板表面为横向平槽刻蚀形态，

(5)当时，岩板表面为横向点槽刻蚀形态，

(6)当时，岩板表面为横向钉槽刻蚀形态。

(D)基于步骤(C)中的分类结果，对岩板表面各类刻蚀形态描述和评价如下：

(1)均匀刻蚀形态：岩板表面起伏平缓，无明显凹凸变化。均匀刻蚀形态的裂缝在闭合状态下无流体流动通道，初始导流能力和长期导流能力都几乎为零。该类刻蚀形态为最不理想的刻蚀形态。

(2)点状刻蚀形态：岩板表面有明显的凹凸变化，凸点与凹陷部分呈点状杂乱分布。均匀刻蚀形态的裂缝表面相互接触时，由于表面的凸点部分充当“支柱”的作用，裂缝中形成一定的流体流动空间，具有一定的初始导流能力，该刻蚀形态比均匀刻蚀形态好。但在闭合压力作用下，两个裂缝相互挤压，由于表面凸点容易被压碎，故随着闭合压力的增大，裂缝闭合较快，导流能力下降较快。

(3)钉床刻蚀形态：岩板表面凸起与凹陷部分呈点状杂乱分布，各点高低起伏变化比点状刻蚀形态更加明显，表面存在较高的凸点，形如钉床。由于表面高低起伏程度比点状刻蚀形态大，则钉床刻蚀形态裂缝中的空隙体积也比点状刻蚀形态裂缝中的空隙体积大，故钉床刻蚀形态裂缝的初始导流能力比点状刻蚀形态裂缝大。由于钉床刻蚀形态裂缝中的初始空隙体积更大，随着闭合压力的增加，在相同闭合压力下裂缝中的剩余空隙体积比点状刻蚀形态裂缝多，钉床刻蚀形态裂缝的导流能力下降速度比点状刻蚀形态裂缝慢，故钉床刻蚀形态比点状刻蚀形态好。

(4)横向平槽刻蚀形态：岩板表面横向(酸液流动方向)上分布刻蚀沟槽，槽底与槽岸表面平整，点状凸起与凹陷形态较少。但由于“沟槽”结构的存在，给流体流动提供了更加有利的“优势通道”，初始导流能力比钉床刻蚀形态裂缝高。在闭合压力作用下,槽岸起到支撑作用，由于支撑面积较大，横向平槽刻蚀形态裂缝的导流能力下降速度比钉床刻蚀形态裂缝慢，故横向平槽刻蚀形态比点状刻蚀形态好。

(5)横向点槽刻蚀形态：岩板表面横向(酸液流动方向)上分布刻蚀沟槽，槽底与槽岸比横向平槽刻蚀粗糙，其表面杂乱分布有较多的凸点与凹陷形态。横向点槽刻蚀形态的裂缝结合了横向平槽刻蚀形态和点状刻蚀形态两者的优点，其横向点槽刻蚀形态比前述几种刻蚀形态都好裂缝更佳的情况。

(6)横向钉槽刻蚀形态：岩板表面横向(酸液流动方向)上分布刻蚀沟槽，槽底与槽岸比横向点槽刻蚀更加粗糙，其表面存在较高的凸点，形如钉状。横向钉槽刻蚀形态的裂缝结合了横向平槽刻蚀形态和钉床刻蚀形态两者的优点，故横向钉槽刻蚀形态是最好的刻蚀形态。

(E)基于步聚(D)的描述和评价，将各类刻蚀形态按从最差到最好依次排序如下：均匀刻蚀形态，点状刻蚀形态，钉床刻蚀形态，横向平槽刻蚀形态，横向点槽刻蚀形态，横向钉槽刻蚀形态，从而为酸压施工参数优化提供指导。

所述的步骤(A)中获取岩板表面的三维数据有X、Y、Z三列，其中列X和列Y为岩板表面上各点的平面坐标，列Z为岩板表面各点的高度值。

所述的步骤(B)中参数和的计算采用以下公式：

$\begin{array}{cc}\stackrel{\‾}{{\mathrm{\ϵ}}_{cc}}=\frac{\underset{j=0}{\overset{N_y}{\Σ}}\underset{i=0}{\overset{N_x}{\Σ}}\sqrt{{{\mathrm{\ΔL}}_x}^2+{\[z_{(i+1,j)}-z_{(i,j)}\]}^2}}{N_x{N}_y{\mathrm{\ΔL}}_x}& \stackrel{\‾}{{\mathrm{\ϵ}}_{cl}}=\frac{\underset{i=0}{\overset{N_x}{\Σ}}\underset{j=0}{\overset{N_y}{\Σ}}\sqrt{{{\mathrm{\ΔL}}_y}^2+{\[z_{(j+1,i)}-z_{(j,i)}\]}^2}}{N_x{N}_y{\mathrm{\ΔL}}_y}\end{array}$

式中：ΔL_x—三维激光扫描仪在X方向上的扫描步长；

ΔL_y—三维激光扫描仪在Y方向上的扫描步长；

N_x—三维激光扫描仪在X方向上的扫描步数；

N_y—三维激光扫描仪在Y方向上的扫描步数；

z_(i,j)—岩板表面上x＝i,y＝j所在的点的高度值。

参数计算公式的推导过程如下：

1)利用岩板表面三维数据在三维坐标系中可生成一个曲面(即岩板的粗糙表面)。其中，y＝y_j(0≤j≤N_y)对应的是一条沿X方向(横向)曲线。由于相邻两个扫描点之间的距离非常小，可利用勾股定理算得点(x_i,y_j)和点(x_i+1,y_j)之间的曲线段长度为：

$\sqrt{{(x_{i+1}-x_i)}^2+{\[z_{(i+1,j)}-z_{(i,j)}\]}^2}=\sqrt{{{\mathrm{\ΔL}}_x}^2+{\[z_{(i+1,j)}-z_{(i,j)}\]}^2}$

2)通过累加，可算得y＝y_j对应的横向曲线长度为：

$\underset{i=0}{\overset{N_x}{\Σ}}\sqrt{{{\mathrm{\ΔL}}_x}^2+{\[z_{(i+1,j)}-z_{(i,j)}\]}^2}$

3)利用X方向的扫描总长度将上式进行无因次化为：

$\frac{\underset{i=0}{\overset{N_x}{\Σ}}\sqrt{{{\mathrm{\ΔL}}_x}^2+{\[z_{(i+1,j)}-z_{(i,j)}\]}^2}}{N_x{\mathrm{\ΔL}}_x}$

4)上述计算过程只处理了y＝y_j一条横向曲线，计算整个曲面上的所有横向曲线的平均值，即得到的计算公式为：

$\stackrel{\‾}{{\mathrm{\ϵ}}_{cc}}=\frac{\underset{j=0}{\overset{N_y}{\Σ}}\underset{i=0}{\overset{N_x}{\Σ}}\sqrt{{{\mathrm{\ΔL}}_x}^2+{\[z_{(i+1,j)}-z_{(i,j)}\]}^2}}{N_x{N}_y{\mathrm{\ΔL}}_x}$

的推导过程与的推导过程一致。

所述的步骤(C)中之所以采用 $\stackrel{\‾}{{\mathrm{\ϵ}}_{cc}}=1.1,\stackrel{\‾}{{\mathrm{\ϵ}}_{cc}}=1.2,\stackrel{\‾}{{\mathrm{\ϵ}}_{cl}}=1.1$ 和 $\stackrel{\‾}{{\mathrm{\ϵ}}_{cl}}=1.2$ 作为刻蚀形态分类的分界点，是基于对50块酸刻蚀岩板表面几何形态的观察和对其两个参数值(和)分析而总结得出的。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：采用该方法将酸刻蚀岩板表面的刻蚀形态分为6类，首次实现了酸刻蚀岩板刻蚀形态分类的数字化，并且比以往的笼统分类方法更明确、更详细，为酸压施工参数优化提供了重要的指导依据。

具体实施方式

下面对本发明的步骤进行详细说明。

酸刻蚀物理模拟实验中岩板表面刻蚀形态的评价方法，依次包括如下步骤：

(A)利用三维激光扫描仪对酸刻蚀后岩板的粗糙表面进行扫描，获取岩板表面的三维数据；

(B)利用步骤(A)中得到的三维数据计算岩板表面的横向曲折比和纵向曲折比两个参数；

(C)利用步骤(B)中得到的和两个参数，对岩板表面的刻蚀形态进行分类如下：

(1)当时，岩板表面为均匀刻蚀形态，

(2)当时，岩板表面为点状刻蚀形态，

(3)当时，岩板表面为钉床刻蚀形态，

(4)当时，岩板表面为横向平槽刻蚀形态，

(5)当时，岩板表面为横向点槽刻蚀形态，

(6)当时，岩板表面为横向钉槽刻蚀形态；

(D)基于步骤(C)中的分类结果，对各类刻蚀形态描述和评价如下：

(1)均匀刻蚀形态：裂缝在闭合状态下无流体流动通道，初始导流能力和长期导流能力都几乎为零；

(2)点状刻蚀形态：裂缝中形成一定的流体流动空间，具有一定的初始导流能力，但裂缝闭合较快，导流能力下降较快；

(3)钉床刻蚀形态：裂缝的导流能力下降速度比点状刻蚀形态裂缝慢；

(4)横向平槽刻蚀形态：裂缝的初始导流能力比钉床刻蚀形态裂缝高，导流能力下降速度比钉床刻蚀形态裂缝慢；

(5)横向点槽刻蚀形态：裂缝结合了横向平槽刻蚀形态和点状刻蚀形态两者的优点，比前述几种刻蚀形态都好；

(6)横向钉槽刻蚀形态：裂缝结合了横向平槽刻蚀形态和钉床刻蚀形态两者的优点，是最好的刻蚀形态；

(E)基于步聚(D)的描述和评价，将各类刻蚀形态按从最差到最好依次排序如下：

均匀刻蚀形态，点状刻蚀形态，钉床刻蚀形态，横向平槽刻蚀形态，横向点槽刻蚀形态，横向钉槽刻蚀形态。

所述的步骤(A)中获取岩板表面的三维数据包括X、Y、Z三列，其中列X和列Y为岩板表面上各点的平面坐标，列Z为岩板表面各点的高度值。

$\begin{array}{ccc}X& Y& Z\\ x_0& y_0& z_{(0,0)}\\ x_1& y_0& z{(1,0)}_{}\\ \mathrm{......}& & \\ x_i& y_j& z_{(i,j)}\\ \mathrm{......}& & \\ x_{N_x}& y_{N_y}& z_{\left(N_x,N_y\right)}\end{array}$

所述的步骤(B)中参数和的计算采用以下公式：

$\begin{array}{cc}\stackrel{\‾}{{\mathrm{\ϵ}}_{cc}}=\frac{\underset{j=0}{\overset{N_y}{\Σ}}\underset{i=0}{\overset{N_x}{\Σ}}\sqrt{{{\mathrm{\ΔL}}_x}^2+{\[z_{(i+1,j)}-z_{(i,j)}\]}^2}}{N_x{N}_y{\mathrm{\ΔL}}_x}& \stackrel{\‾}{{\mathrm{\ϵ}}_{cl}}=\frac{\underset{i=0}{\overset{N_x}{\Σ}}\underset{j=0}{\overset{N_y}{\Σ}}\sqrt{{{\mathrm{\ΔL}}_y}^2+{\[z_{(j+1,i)}-z_{(j,i)}\]}^2}}{N_x{N}_y{\mathrm{\ΔL}}_y}\end{array}$

式中：ΔL_x—三维激光扫描仪在X方向上的扫描步长；

ΔL_y—三维激光扫描仪在Y方向上的扫描步长；

N_x—三维激光扫描仪在X方向上的扫描步数；

N_y—三维激光扫描仪在Y方向上的扫描步数；

z_(i,j)—岩板表面上x＝i,y＝j所在的点的高度值。

Claims (3)

1.酸刻蚀物理模拟实验中岩板表面刻蚀形态的评价方法，依次包括如下步骤：

(A)利用三维激光扫描仪对酸刻蚀后岩板的粗糙表面进行扫描，获取岩板表面的三维数据；

(B)利用步骤(A)中得到的三维数据计算岩板表面的横向曲折比和纵向曲折比

(C)利用步骤(B)中得到的和两个参数，对岩板表面的刻蚀形态进行分类如下：

(1)当时，岩板表面为均匀刻蚀形态，

(2)当时，岩板表面为点状刻蚀形态，

(3)当岩板表面为钉床刻蚀形态，

(4)当岩板表面为横向平槽刻蚀形态，

(5)当时，岩板表面为横向点槽刻蚀形态，

(6)当时，岩板表面为横向钉槽刻蚀形态；

(D)基于步骤(C)中的分类结果，对各类刻蚀形态的描述和评价如下：

(1)均匀刻蚀形态：裂缝在闭合状态下无流体流动通道，初始导流能力和长期导流能力都几乎为零；

(2)点状刻蚀形态：裂缝中形成一定的流体流动空间，具有一定的初始导流能力，但裂缝闭合较快，导流能力下降较快；

(3)钉床刻蚀形态：裂缝的导流能力下降速度比点状刻蚀形态裂缝慢；

(4)横向平槽刻蚀形态：裂缝的初始导流能力比钉床刻蚀形态裂缝高，导流能力下降速度比钉床刻蚀形态裂缝慢；

(5)横向点槽刻蚀形态：裂缝结合了横向平槽刻蚀形态和点状刻蚀形态两者的优点，比前述几种刻蚀形态都好；

(6)横向钉槽刻蚀形态：裂缝结合了横向平槽刻蚀形态和钉床刻蚀形态两者的优点，是最好的刻蚀形态；

(E)基于步聚(D)的描述和评价，将各类刻蚀形态按从最差到最好依次排序如下：

均匀刻蚀形态，点状刻蚀形态，钉床刻蚀形态，横向平槽刻蚀形态，横向点槽刻蚀形态，横向钉槽刻蚀形态。

2.如权利要求1所述的酸刻蚀物理模拟实验中岩板表面刻蚀形态的评价方法，其特征在于，所述的步骤(A)中获取岩板表面的三维数据包括X、Y、Z三列，其中列X和列Y为岩板表面上各点的平面坐标，列Z为岩板表面各点的高度值。

3.如权利要求1所述的酸刻蚀物理模拟实验中岩板表面刻蚀形态的评价方法，其特征在于，所述的步骤(B)中参数和的计算采用以下公式：

$\stackrel{\‾}{{\mathrm{\ϵ}}_{cc}}=\frac{\underset{j=0}{\overset{N_y}{\Σ}}\underset{i=0}{\overset{N_x}{\Σ}}\sqrt{{{\mathrm{\ΔL}}_x}^2+{\[z_{(i+1,j)}-z_{(i,j)}\]}^2}}{N_x{N}_y{\mathrm{\ΔL}}_x},\stackrel{\‾}{{\mathrm{\ϵ}}_{cl}}=\frac{\underset{i=0}{\overset{N_x}{\Σ}}\underset{j=0}{\overset{N_y}{\Σ}}\sqrt{{{\mathrm{\ΔL}}_y}^2+{\[z_{(i+1,j)}-z_{(i,j)}\]}^2}}{N_x{N}_y{\mathrm{\ΔL}}_y}$

式中：ΔL_x—三维激光扫描仪在X方向上的扫描步长；

ΔL_y—三维激光扫描仪在Y方向上的扫描步长；

N_x—三维激光扫描仪在X方向上的扫描步数；

N_y—三维激光扫描仪在Y方向上的扫描步数；

z_(i,j)—岩板表面上x＝i,y＝j所在的点的高度值。