CN108106938A - 一种实验确定酸液对致密碳酸盐岩杨氏模量影响的方法 - Google Patents

一种实验确定酸液对致密碳酸盐岩杨氏模量影响的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种实验确定酸液对致密碳酸盐岩杨氏模量影响的方法，包括：（1）选用致密碳酸盐岩标准岩心，开展单轴抗压强度实验，建立致密碳酸盐岩单轴抗压强度和杨氏模量的经验关系式；（2）选用目标工区的全直径岩心，采用岩石刻痕仪开展岩石划痕实验，测试岩心的抗压强度，获取过酸前岩心的杨氏模量；（3）将酸液和岩心置于高温高压反应釜中浸泡反应；（4）将过酸浸泡后的岩心，在原划痕实验处再开展一次划痕实验，测试岩心的抗压强度，获取过酸后岩心的杨氏模量，确定酸液对致密碳酸盐岩杨氏模量的影响。本发明原理可靠，操作简便，真实评价储层条件下酸液对致密碳酸盐岩杨氏模量的影响，进一步提高致密碳酸盐岩的酸压改造效果。

Description

一种实验确定酸液对致密碳酸盐岩杨氏模量影响的方法
技术领域
本发明涉及石油工程领域一种实验确定酸液对致密碳酸盐岩杨氏模量影响的方法，通过实验定量确定酸液对致密碳酸盐岩杨氏模量的影响，为准确计算评估地层条件下酸压后裂缝导流能力提供依据，提高致密碳酸盐岩酸压方案设计的准确性，实现致密碳酸盐岩高效酸压改造。
背景技术
近年来，我国相继发现了大量致密碳酸盐岩油气藏，逐渐成为油气勘探开发的热点之一，如海相鄂尔多斯盆地大牛地气田，靖边气田，四川盆地川中震旦系磨溪——安岳气田，川西雷口坡气藏等；湖相渤海湾盆地、柴达木盆地、准噶尔盆地的致密油碳酸盐岩。由于储层致密，通常孔隙度小于10％，渗透率小于1.0×10-3μm2，难以自然获得工业油气，酸压是此类储层建产、增产的重要技术手段(魏新善,陈洪德,张道锋,等.致密碳酸盐岩储集层特征与天然气勘探潜力——以鄂尔多斯盆地伊陕斜坡东部奥陶系马家沟组为例[J].石油勘探与开发,2017,44(3):319-329)。
酸压是指在高于储层破裂压力或天然裂缝的闭合压力下，将酸液挤入储层，在储层中形成裂缝，同时酸液与裂缝壁面岩石发生化学反应，非均匀刻蚀裂缝壁岩石，形成沟槽状或凹凸不平的刻蚀裂缝，施工结束后裂缝不完全闭合最终形成具有一定几何尺寸和导流能力的酸蚀裂缝，实现油气井增产(李颖川.采油工程[M].石油工业出版社,2009)。导流能力是影响酸压效果的重要因素之一，它主要受酸刻蚀裂缝形态、酸刻蚀后岩石的力学强度、闭合应力等因素影响，其中酸刻蚀后岩石的力学强度是决定闭合应力下裂缝导流能力的重要因素。表征碳酸盐岩线弹性力学特征的两个重要参数为泊松比和杨氏模量，数值模拟研究表明泊松比对酸蚀裂缝导流能力影响不明显，而杨氏模量对导流能力影响明显，尤其是在高闭合应力条件下，酸刻蚀后岩石的杨氏模量越高，相应的酸蚀裂缝导流能力也越高(Deng J,Mou J,Hill A D,et al.A New Correlation of Acid-Fracture ConductivitySubject to Closure Stress[J].SPE Production&Operations,2011,27(2):158-169)，因此确定酸压后岩石的杨氏模量至关重要。
酸压过程中，由于酸岩化学反应，酸液会劣化岩石的力学强度(如降低杨氏模量)，酸压后岩石杨氏模量变化常采用实验方法确定(何春明,郭建春.酸液对灰岩力学性质影响的机制研究[J].岩石力学与工程学报,2013(s2):003016-3021)。对于孔隙发育的碳酸盐岩，常采用如下两种方法测试：一是选研究工区的标准岩心采用三轴岩石力学实验测试未与酸反应的岩心的杨氏模量；再选用另一岩心，用酸液驱替方式模拟酸压过程中酸对岩石的影响，然后再测试酸驱替后的岩石杨氏模量，并与之前未与酸反应岩石的杨氏模量对比(何春明,郭建春.酸液对灰岩力学性质影响的机制研究[J].岩石力学与工程学报,2013(s2):003016-3021)；二是测试酸液驱替前后声波在岩石中的传播速度变化来表征测试岩石杨氏模量变化(Barri A,Mahmoud M,Elkatatny S.Evaluation of Rock MechanicalProperties Alteration during Matrix Stimulation with Chelating Agents[J].Journal of Energy Resources Technology,2016,138(3):1-7)。然而对于致密碳酸盐岩，酸液很难驱替进入岩心内部，酸液仅在岩心端面反应，酸液主要是对岩石局部力学性质的破坏，采用三轴岩石力学测试或声波速度测试方法难以反映局部岩石力学性质的变化；另一方面，三轴岩石力学性质测试属于破坏性测试，即同一岩样测试岩石力学性质后，不能开展后续酸液驱替实验和岩石力学性质实验，因此常规的三轴力学测试方法难以真实反映过酸前后同一岩样杨氏模量变化，从而不利于定量评估酸液对致密碳酸盐岩杨氏模量影响，直接影响酸压设计中酸蚀裂缝导流能力计算的准确性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种实验确定酸液对致密碳酸盐岩杨氏模量影响的方法，该方法原理可靠，操作简便，实现了对同一岩样过酸前后杨氏模量的测试，有利于真实评价储层条件下酸液对致密碳酸盐岩杨氏模量的影响，提高碳酸盐岩酸压酸蚀裂缝导流能力的计算准确性，进一步提高致密碳酸盐岩酸压改造效果，具有广阔的市场前景。
为达到以上技术目的，本发明提供以下技术方案。
首先，选用目标工区的致密碳酸盐岩标准岩心，开展单轴抗压强度实验，建立致密碳酸盐岩单轴抗压强度和杨氏模量的经验关系式；然后，选用目标工区的全直径岩心，采用岩石刻痕仪开展岩石划痕实验，测试岩心的抗压强度，根据抗压强度和杨氏模量的经验关系式获取过酸前样品岩心的杨氏模量；其次，将全直径岩心未接触酸液部分用灌封胶密封，根据酸压过程中的储层温度和裂缝中的流体压力，注酸时间等确定实验条件，选用现场酸压用的酸液体系，将酸液和岩心置于高温高压反应釜中浸泡反应；最后，将过酸浸泡后的岩心再开展一次划痕实验，测试岩心的抗压强度，并根据抗压强度和杨氏模量的经验关系式获取过酸后样品岩心的杨氏模量，并与过酸前样品岩心的杨氏模量对比，从而确定酸液对致密碳酸盐岩杨氏模量的影响。
一种实验确定酸液对致密碳酸盐岩杨氏模量影响的方法，依次包括以下步骤：
(1)选用目标工区的致密碳酸盐岩标准岩心，开展单轴抗压强度实验，建立致密碳酸盐岩单轴抗压强度和杨氏模量的经验关系式；
(2)选用目标工区的全直径岩心，采用岩石刻痕仪开展岩石划痕实验，测试岩心的抗压强度，根据步骤(1)中抗压强度和杨氏模量的经验关系式获取过酸前样品岩心的杨氏模量；
(3)将全直径岩心未接触酸液部分用灌封胶密封，根据酸压过程中的储层温度和裂缝中流体压力，注酸时间确定实验条件，选用现场酸压用的酸液体系，将酸液和岩心置于高温高压反应釜中浸泡反应；
(4)将过酸浸泡后的岩心，在原划痕实验处再开展一次划痕实验，测试岩心的抗压强度，并根据步骤(1)中抗压强度和杨氏模量的经验关系式获取过酸后样品岩心的杨氏模量，并与过酸前样品岩心的杨氏模量对比，从而确定酸液对致密碳酸盐岩杨氏模量的影响。
在本发明中，所述步骤(1)中，选用目标工区致密碳酸盐岩标准岩心，开展单轴抗压强度实验，建立致密碳酸盐岩单轴抗压强度和杨氏模量的经验关系式，包括下列步骤：
1)选用目标工区致密碳酸盐岩岩心，将其制成标准圆柱体岩样，放置于恒温箱中烘干，然后采用三轴岩石力学测试系统开展单轴实验，获取岩心的抗压强度和杨氏模量；
2)按1)中方法测试至少10块岩心样本的抗压强度和杨氏模量，建立如下两种抗压强度和杨氏模量的经验关系式：
E＝C1σc+C2 (2)
根据已获取样本的抗压强度和杨氏模量，采用回归统计方法，按照式(1)或式(2)回归抗压强度和杨氏模量的经验关系式，确定关系式中的C1和C2，以及相关系数平方值R2。比较回归两式中的R2值，选R2较大的值对应的经验关系式为研究工区的抗压强度和杨氏模量的经验关系式，且要求选中的经验关系式中的R2>0.3；若式(1)、式(2)中对应的R2≤0.3，则增加测试样本数量，直到满足要求为止。
在本发明中，所述步骤(2)中，选用目标工区的全直径岩心，采用岩石刻痕仪开展岩石划痕实验，测试岩心的抗压强度，根据步骤(1)中抗压强度和杨氏模量的经验关系式获取过酸前样品岩心的杨氏模量，包括下列步骤：
1)以全直径岩心端面的一条直径为参考线，作两条与参考线垂直的切割线，且两条切割线关于圆心对称；将过圆心，且与参考线垂直的直径标定为划痕线，采用岩石刻痕仪开展岩石划痕实验，测试获取岩心端面的抗压强度分布；
2)根据抗压强度分布剖面，并由步骤(1)确定的抗压强度和杨氏模量的经验关系式获取测试岩心过酸前的杨氏模量分布。
在本发明中，所述步骤(3)中，将全直径岩心未接触酸液部分用灌封胶密封，根据酸压过程中的储层温度和裂缝中流体压力，注酸时间确定实验条件，选用现场酸压用的酸液体系，将酸液和岩心置于高温高压反应釜中浸泡反应，包括下列步骤：
1)岩心过酸前的处理制备：将做完划痕实验的岩心进行封胶处理，即未划痕端面采用灌封胶封装，而将划痕端面暴露；
2)过酸实验条件设置：实验酸液体系选择酸压施工所用的酸液体系；实验温度为酸压施工中裂缝温度；实验时间为注酸时间；实验压力为酸压裂缝中流体压力与地层压力之差，确定方法如下：
假设酸压裂缝的扩展按照PKN模型延伸，则酸压裂缝中的流体净压力为(埃克诺米德斯，等著,张保平，等译.油藏增产措施(第三版)[M].石油工业出版社,2002)：
酸压裂缝中的流体压力为：
酸压裂缝中流体压力与地层压力之差为：
(5)式中酸压裂缝中流体压力与地层压力之差Δp的单位为国际SI单位制，将其换算为油田单位制后，有：
式中：p为酸压裂缝中流体压力，Pa；σmin为地层最小水平主应力，MPa；E为接触酸液前岩石杨氏模量，Pa；μ为酸液黏度，Pa·s；Q为注酸排量，m3/s；L为裂缝长度，m；υ为岩石泊松比，无因次；h为裂缝高度，m；Δp为酸压裂缝中流体压力与地层压力之差，MPa；pe为地层压力，MPa；
3)将酸液和岩心置于高温高压反应釜中开展高温高压浸泡实验。
在本发明中，所述步骤(4)中，将过酸浸泡后的岩心，在原划痕实验处再开展一次划痕实验，测试岩心的抗压强度，并根据步骤(1)中抗压强度和杨氏模量的经验关系式获取过酸后样品岩心的杨氏模量，并与过酸前样品岩心的杨氏模量对比，从而确定酸液对致密碳酸盐岩杨氏模量的影响，包括下列步骤：
1)将酸液浸泡后的岩心清洗干净，并用岩石刻痕仪在原端面处再开展一次划痕实验，记录岩心的抗压强度分布数据；
2)由抗压强度分布数据，并由步骤(1)中确定的抗压强度和杨氏模量的经验关系获取过酸后样品岩心的杨氏模量；
3)对比过酸前后样品岩心的杨氏模量变化，确定酸液对致密碳酸盐岩岩心杨氏模量的影响。
与现有技术相比，本发明提供了一种实验确定酸液对致密碳酸盐岩杨氏模量的影响的方法，本方法采用岩石刻痕仪和高温高压反应釜仪器相结合的方式，准确评估了致密碳酸盐岩同一岩样过酸前后杨氏模量的变化，为酸压裂缝导流能力设计提供了可靠参数，本方法克服了现有方法不能准确评估酸压过程中致密碳酸盐岩杨氏模量变化的局限。
附图说明
图1是本发明中全直径岩芯制样后的示意图。
图2是本发明中岩石杨氏模量和单轴抗压强度关系图。
图3是本发明中岩石过酸前后岩石抗压强度变化图。
图4是本发明中岩石过酸前后岩石杨氏模量变化图。
具体实施方式
下面结合附图和应用实例进一步说明本发明，旨在对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。具体如下：
(1)选用目标工区致密碳酸盐岩的标准岩心，开展单轴抗压强度实验，建立致密碳酸盐岩单轴抗压强度和杨氏模量的经验关系式。
1)选用目标工区致密碳酸盐岩岩心，将其制成标准圆柱体岩样，直径25.4mm，长度约等于50mm，放置于恒温箱中烘干，然后采用三轴岩石力学测试系统开展单轴实验，获取岩心的抗压强度和杨氏模量；2)按1)中方法测试至少10块岩样的抗压强度和杨氏模量，建立抗压强度和杨氏模量的经验关系式。以塔里木盆地某致密碳酸盐岩油藏为例，采用三轴岩石力学测试系统开展了10个岩心的单轴压缩实验，获取了岩心的抗压强度和杨氏模量，按照式(1)、式(2)进行了拟合回归，发现相关系数平方值R2>0.3，且按照式(1)回归的R2更大，因此选择作为杨氏模量计算的经验关系式(见图2)。
(2)选用目标工区的全直径岩心，采用岩石刻痕仪开展岩石划痕实验，测试岩心的抗压强度，根据步骤(1)中抗压强度和杨氏模量的经验关系式获取过酸前样品岩心的杨氏模量。选择研究工区全直径岩心按照图1方式加工制样，采用岩石刻痕仪测试单轴抗压强度(见图3)，并由已经确定的经验关系式，确定过酸前岩心的杨氏模量(见图4)。
(3)将全直径岩心未接触酸液部分用灌封胶密封，根据酸压过程中的储层温度和裂缝中流体压力，注酸时间确定实验条件，选用现场酸压用的酸液体系，将酸液和岩心置于高温高压反应釜中浸泡反应。
将做完划痕实验的岩心采用灌封胶封装，即：在未划痕端面采用灌封胶封装(图1中的A、B、C、D、E面)，而将划痕端面暴露(图1中的O面)，便于实验接触酸液。实验酸液体系采用工区施工所用的胶凝酸体系，实验温度为酸液接触裂缝壁面岩石的温度120℃，酸液浸泡时间为现场的注酸时间30min，表1为酸压设计主要参数，由表1数据和式(6)确定的酸压裂缝中流体压力与地层压力之差为21.7MPa。
表1某井酸压设计部分基础参数
接触酸液前岩石杨氏模量E，Pa 4.18835×1010
接触酸液前岩石泊松比υ，无因次 0.26
地层最小水平主应力σmin，MPa 96.3
地层压力pe，MPa 76.7
酸液黏度μ，Pa.s 3.0×10-2
注酸排量Q，m3/s 0.1
酸压裂缝长度L，m 100
酸压裂缝高度h，m 50
根据确定的实验参数，采用高温高压反应釜开展酸液浸泡实验。
(4)将过酸浸泡后的岩心，在原划痕实验处再开展一次划痕实验，测试岩心的抗压强度，并根据步骤(1)中抗压强度和杨氏模量的经验关系式获取过酸后样品岩心的杨氏模量，并与过酸前样品岩心的杨氏模量对比，从而确定酸液对致密碳酸盐岩杨氏模量的影响。
将过酸浸泡后的岩心用清水清洗后，在原划痕处继续开展划痕实验，测试过酸后的岩心抗压强度(见图3)；并利用经验关系式确定过酸后的杨氏模量(见图4)。通过对比发现，岩心的杨氏模量在不同位置出现了不同程度的下降，将过酸后的岩石杨氏模量用于酸压设计中导流能力计算。

Claims (5)

1.一种实验确定酸液对致密碳酸盐岩杨氏模量影响的方法，依次包括以下步骤：
(1)选用目标工区的致密碳酸盐岩标准岩心，开展单轴抗压强度实验，建立致密碳酸盐岩单轴抗压强度和杨氏模量的经验关系式；
(2)选用目标工区的全直径岩心，采用岩石刻痕仪开展岩石划痕实验，测试岩心的抗压强度，根据步骤(1)中抗压强度和杨氏模量的经验关系式获取过酸前样品岩心的杨氏模量；
(3)将全直径岩心未接触酸液部分用灌封胶密封，根据酸压过程中的储层温度和裂缝中流体压力，注酸时间确定实验条件，选用现场酸压用的酸液体系，将酸液和岩心置于高温高压反应釜中浸泡反应；
(4)将过酸浸泡后的岩心，在原划痕实验处再开展一次划痕实验，测试岩心的抗压强度，并根据步骤(1)中抗压强度和杨氏模量的经验关系式获取过酸后样品岩心的杨氏模量，并与过酸前样品岩心的杨氏模量对比，从而确定酸液对致密碳酸盐岩杨氏模量的影响。
2.如权利要求1所述的一种实验确定酸液对致密碳酸盐岩杨氏模量影响的方法，其特征在于，所述步骤(1)包括下列步骤：
1)选用目标工区致密碳酸盐岩岩心，将其制成标准圆柱体岩样，放置于恒温箱中烘干，然后采用三轴岩石力学测试系统开展单轴实验，获取岩心的抗压强度和杨氏模量；
2)按1)中方法测试至少10块岩心样本的抗压强度和杨氏模量，建立如下两种抗压强度和杨氏模量的经验关系式：
<mrow> <mi>E</mi> <mo>=</mo> <msub> <mi>C</mi> <mn>1</mn> </msub> <msubsup> <mi>&amp;sigma;</mi> <mi>c</mi> <msub> <mi>C</mi> <mn>2</mn> </msub> </msubsup> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
E＝C1σc+C2 (2)
根据已获取样本的抗压强度和杨氏模量，采用回归统计方法，按照式(1)或式(2)回归抗压强度和杨氏模量的经验关系式，确定关系式中的C1和C2，以及相关系数平方值R2；比较回归两式中的R2值，选R2较大的值对应的经验关系式为研究工区的抗压强度和杨氏模量的经验关系式，且要求选中的经验关系式中的R2>0.3；若式(1)、式(2)中对应的R2≤0.3，则增加测试样本数量，直到满足要求为止。
3.如权利要求1所述的一种实验确定酸液对致密碳酸盐岩杨氏模量影响的方法，其特征在于，所述步骤(2)包括下列步骤：
1)以全直径岩心端面的一条直径为参考线，作两条与参考线垂直的切割线，且两条切割线关于圆心对称；将过圆心，且与参考线垂直的直径标定为划痕线，采用岩石刻痕仪开展岩石划痕实验，测试获取岩心端面的抗压强度分布；
2)根据抗压强度分布剖面，并由步骤(1)确定的抗压强度和杨氏模量的经验关系式获取测试岩心过酸前的杨氏模量分布。
4.如权利要求1所述的一种实验确定酸液对致密碳酸盐岩杨氏模量影响的方法，其特征在于，所述步骤(3)包括下列步骤：
1)岩心过酸前的处理制备：将做完划痕实验的岩心进行封胶处理，即未划痕端面采用灌封胶封装，而将划痕端面暴露；
2)过酸实验条件设置：实验酸液体系选择酸压施工所用的酸液体系；实验温度为酸压施工中裂缝温度；实验时间为注酸时间；实验压力为酸压裂缝中流体压力与地层压力之差：
<mrow> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>p</mi> <mo>=</mo> <mn>1.502</mn> <mo>&amp;times;</mo> <msup> <mn>10</mn> <mrow> <mo>-</mo> <mn>6</mn> </mrow> </msup> <msup> <mrow> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mfrac> <mrow> <msup> <mi>E</mi> <mn>3</mn> </msup> <mi>&amp;mu;</mi> <mi>Q</mi> <mi>L</mi> </mrow> <mrow> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msup> <mi>&amp;upsi;</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>)</mo> </mrow> <mn>3</mn> </msup> <msup> <mi>h</mi> <mn>4</mn> </msup> </mrow> </mfrac> <mo>&amp;rsqb;</mo> </mrow> <mrow> <mn>1</mn> <mo>/</mo> <mn>4</mn> </mrow> </msup> <mo>+</mo> <msub> <mi>&amp;sigma;</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>p</mi> <mi>e</mi> </msub> </mrow>
式中：p为酸压裂缝中流体压力，Pa；σmin为地层最小水平主应力，MPa；E为接触酸液前岩石杨氏模量，Pa；μ为酸液黏度，Pa·s；Q为注酸排量，m3/s；L为裂缝长度，m；υ为岩石泊松比，无因次；h为裂缝高度，m；Δp为酸压裂缝中流体压力与地层压力之差，MPa；pe为地层压力，MPa；
3)将酸液和岩心置于高温高压反应釜中开展高温高压浸泡实验。
5.如权利要求1所述的一种实验确定酸液对致密碳酸盐岩杨氏模量影响的方法，其特征在于，所述步骤(4)包括下列步骤：
1)将酸液浸泡后的岩心清洗干净，并用岩石刻痕仪在原端面处再开展一次划痕实验，记录岩心的抗压强度分布数据；
2)由抗压强度分布数据，并由步骤(1)中确定的抗压强度和杨氏模量的经验关系获取过酸后岩心的杨氏模量；
3)对比过酸前后岩心的杨氏模量变化，确定酸液对致密碳酸盐岩岩心杨氏模量的影响。
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