CN112268917A - 一种低渗透岩石酸损伤效果的评价方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低渗透岩石酸损伤效果的评价方法，包括以下步骤：选择多块物性特征差值、以及动态力学特性差值均小于阈值的岩样；将选取的多块岩样分为酸损伤实验组和空白对照组，并分别测试每块岩样的微观结构；采用酸损伤实验组的岩样进行酸损伤实验；测试酸损伤实验后酸损伤实验组岩样的物性特征、动态力学特性、微观结构；根据酸损伤实验前后岩样的物性特征、动态力学特性、以及微观结构的变化对酸损伤效果进行定量的评价。本发明能够准确认识酸化压裂对低渗透岩石的损伤效果，能为低渗透岩石的改造工艺选择提供理论依据，对后期指导完成压裂和酸化改造施工有着重要的意义。

Description

一种低渗透岩石酸损伤效果的评价方法
技术领域
本发明属于石油天然气开采技术领域，特别涉及一种低渗透岩石酸损伤效果的评价方法。
背景技术
低渗透岩石是地下石油和天然气储存的主要介质和地质环境，我国有丰富的低渗透油气资源。在该类地质环境勘探开发过程中通常需要对其进行酸化压裂改造，改造施工过程中，酸液进入地层与岩石发生反应，这可能会使岩石的微观结构和矿物组成发生改变，削弱岩石力学强度，进而影响酸压效果。因此准确认识酸化压裂对低渗透岩石的损伤效果，能为低渗透岩石的增产改造提供理论依据，对后期指导完成酸化压裂施工有着重要的意义。
发明内容
针对上述问题，本发明旨在提供一种能够准确认识酸化压裂对低渗透岩石的损伤效果的低渗透岩石酸损伤效果的评价方法。
本发明的技术方案如下：
一种低渗透岩石酸损伤效果的评价方法，包括以下步骤：
选择多块物性特征差值、以及动态力学特性差值均小于阈值的岩样，所述物性特征包括岩样的孔隙度和渗透率，所述孔隙度的阈值为5％，所述渗透率的阈值为0.06×10-3μm2；所述动态力学特性包括利用岩石的横、纵波波速计算出的岩石动态杨氏模量、泊松比，所述动态杨式模量的阈值为4GPa，所述泊松比的阈值为0.02。
将选取的多块岩样分为酸损伤实验组和空白对照组，并分别测试每块岩样的微观结构，所述微观结构通过扫描电子显微镜和或CT扫描设备获得。
采用酸损伤实验组的岩样进行酸损伤实验，所述酸损伤实验采用土酸浸泡进行实验，所述土酸的质量浓度为1％HF+12％HCl、1.5％HF+12％HCl、2％HF+12％HCl、2.5％HF+12％HCl、3％HF+12％HCl中的任意一种或多种，所述浸泡的时间为1h、1.5h、2h、2.5h中的任意一种或多种。
测试酸损伤实验后酸损伤实验组岩样的物性特征、动态力学特性、微观结构；
根据酸损伤实验前后岩样的物性特征、动态力学特性、以及微观结构的变化对酸损伤效果进行定量的评价。
作为优选，还包括选择一块空白对照组的岩样一分为二，其中一份进行抗拉强度实验，另一份进行酸损伤实验后再进行抗拉强度实验。
作为优选，还包括选择一块空白对照组的岩样一分为二，其中一份进行抗剪切强度实验，另一份进行酸损伤实验后再进行抗剪切强度实验。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明能够准确认识酸化压裂对低渗透岩石的损伤效果，能为低渗透岩石的酸压改造提供理论依据，对后期指导完成钻井与施工有着重要的意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中岩样损伤前孔隙度分布图；
图2为本发明实施例中岩样损伤前渗透率分布图；
图3为本发明实施例中声波速度与轴向应力关系图；
图4为本发明实施例中声波速度与温度关系图；
图5(a)为本发明实施例中岩样酸损伤前的扫描电子显微镜的测试结果分别放大1000倍的图；
图5(b)为本发明实施例中岩样酸损伤前的扫描电子显微镜的测试结果分别放大5000倍的图；
图5(c)为本发明实施例中岩样酸损伤前的扫描电子显微镜的测试结果分别放大500倍的图；
图6为本发明实施例中P685号井岩样抗剪强度测试结果图；
图7为本发明实施例中P664号井岩样抗剪强度测试结果图；
图8(a)为本发明实施例中1号岩样酸损伤前后的扫描电镜观测结果对比图；
图8(b)为本发明实施例中3号岩样酸损伤前后的扫描电镜观测结果对比图；
图8(c)为本发明实施例中5号岩样酸损伤前后的扫描电镜观测结果对比图；
图9(a)为本发明实施例中岩样酸损伤后的CT扫描结果图；
图9(b)为本发明实施例中岩样酸损伤后的CT扫描结果图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的技术特征可以相互结合。除非另外定义，本发明公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明公开使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。
本发明提供一种低渗透岩石酸损伤效果的评价方法，包括以下步骤：
首先选择多块物性特征差值、以及动态力学特性差值均小于阈值的岩样，所述物性特征包括岩样的孔隙度和渗透率，所述孔隙度的阈值为5％，所述渗透率的阈值为0.06×10-3μm2；所述动态力学特性包括利用岩石的横、纵波波速计算出的岩石动态杨氏模量、泊松比，所述动态杨式模量的阈值为4GPa，所述泊松比的阈值为0.02。
所述孔隙度为单位外表体积岩石内的孔隙体积，其定义式为：
Figure BDA0002735839930000031
式中：Φ为孔隙度，％；Vp为岩石孔隙体积，cm3；Vb为岩石外观体积，cm3；Vs为岩石骨架颗粒体积，cm3。
利用式(1)可以通过测定岩石外观体积、岩石骨架颗粒体积和岩石孔隙体积三个参数中的任意两个来测定岩样孔隙度。
在一个具体的实施例中通过测定岩石外观体积、岩石骨架颗粒体积来计算所述岩样的孔隙度。
所述岩石外观体积的计算公式为：
Figure BDA0002735839930000032
式中：D为岩心直径，cm；L为岩心长度，cm。
所述岩石骨架颗粒体积通过氦气孔隙度仪进行测量，所述氦气孔隙度仪为现有技术，具体结构在此不再赘述。具体的，将标准室充满一定压力的气体，打开标准室与岩心室的阀门，使气体向岩心室等温膨胀。通过标准室体积和前后压力和体积数据即可计算出所述岩石颗粒体积。考虑温度变化和非理想气体特性，引入温度T和气体偏差因子Z使测试结果更准确。所述岩石颗粒体积计算公式为：
Vs＝Ve-V (3)
其中：
pV＝znRT (4)
Figure BDA0002735839930000033
Figure BDA0002735839930000041
式中：Ve为岩心室体积，cm3；V为岩心室除骨架颗粒外的体积，cm3；p为等温膨胀后压力，MPa；z为等温膨胀后气体偏差因子，无量纲；n为物质的量，mol；R为摩尔气体常量，J/(mol·K)；T为等温膨胀后温度，k；C为常数，无量纲；pk为等温膨胀前压力，MPa；Vk为标准室体积，cm3；zk为等温膨胀前气体偏差因子，无量纲；Tk为等温膨胀前温度，k。
在一个具体的实施例中，所述孔隙度测试结果如图1和表1所示：
表1孔隙度测试结果
Figure BDA0002735839930000042
如表1所示，选取的8块岩样的孔隙度基本一致都在10％～15％，岩样间的孔隙度差值均小于阈值5％，符合选样要求。
所述渗透率是指岩石允许流体通过的能力，在一个具体的实施例中使用氦气来测试所述岩样的渗透率，根据达西公式，所述气体渗透率的计算式为：
Figure BDA0002735839930000043
式中：Kg为气测渗透率，D；Q0为气体体积流量，cm3/s；Pa为大气压力，MPa；μ为气体动力粘度，mPa·s；A为岩样横截面积，cm2；P1为岩样进气端绝对压力，MPa；P2为岩样出口端绝对压力，MPa。
其中气体流量Q0通过使用浮子流量计进行计量，因为所使用的流量计读数表示标准状况0.1MPa、20℃时的体积流量，因此在计量气体体积流量时需要校正，校正公式为：
Figure BDA0002735839930000044
式中：Q0为校正后标况下流量，ml/s；Q'0为流量计直接读数，ml/s；t为温度，℃。
在一个具体的实施例中，若考虑滑脱效应的影响，则需行克氏校正，做出Kg—
Figure BDA0002735839930000045
图，将直线延长与纵轴相交，纵轴的截距即是所求的克氏渗透率，即等效液体测得的渗透率。其中，
Figure BDA0002735839930000051
在一个具体的实施例中，所述渗透率测试结果如图2和表2所示：
表2渗透率测试结果
Figure BDA0002735839930000052
如表2所示，选取的8块岩样的渗透率均在0.02～0.08×10-3μm2的范围内，岩样间的渗透率差值均小于阈值0.06×10-3μm2，符合选样要求。
测量所述岩样的动态力学特性时，利用声波速度进行计算，能够避免对岩样产生破坏，影响测试结果。所述声波速度的计算公式为：
Figure BDA0002735839930000053
Figure BDA0002735839930000054
式中：Vl为纵波速度，m/s；Vt为横波速度，m/s；Δtl为纵波时差，μs；Δtl0为纵波在探头中传播时差，μs；Δtt为横波时差，μs；Δtt0为横波在探头中传播时差，μs。
利用测试得到的纵波和横波速度就可以计算出所述动态力学参数：
动态杨氏模量：
Figure BDA0002735839930000055
式中：E为杨氏模量，GPa；ρ为岩石体积密度，g/cm3；
泊松比：
Figure BDA0002735839930000056
式中：υ为泊松比，无量纲。
地下岩石被采集到地面，由于应力释放导致岩石中原有的微裂缝张开，在声波速度测试时可能带来很大的影响，声波速度与轴向应力关系图如图3所示；声波速度与温度关系图如图4所示，温度对声波速度的影响不大。在一个具体的实施例中，测试岩样均选至地层深度1000米左右，地层压力在15MPa左右。因此在测量岩样声波速度时，轴向应力设置为15MPa，温度设置为30℃，模拟岩样在地层条件下的真实情况。测试结果如表3所示：
表3声波速度测试结果
Figure BDA0002735839930000061
如表3所示，选取的8块岩样的动态杨式模量均在18～20GPa的范围内，岩样间的动态杨式模量差值均小于动态杨式模量阈值4GPa，所述泊松比均在0.20～0.22的范围内，岩样间的泊松比的差值均小于泊松比阈值0.02，符合选样要求。
综上所述，测试的8块岩样符合物性特征差值、以及动态力学特性差值均小于阈值的要求。同理，可采用上述方法对气体岩样进行测试，选择符合条件的岩样进行平行对比实验。
将选取的多块岩样分为酸损伤实验组和空白对照组，并分别测试每块岩样的微观结构，所述微观结构通过扫描电子显微镜和或CT扫描设备获得，其中编号为1的岩样酸损伤前的扫描电子显微镜的测试结果如图5(a)、5(b)、5(c)所示。
采用酸损伤实验组的岩样进行酸损伤实验，所述酸损伤实验采用土酸浸泡进行实验，所述土酸的质量浓度为1％HF+12％HCl、1.5％HF+12％HCl、2％HF+12％HCl、2.5％HF+12％HCl、3％HF+12％HCl中的任意一种或多种，所述浸泡的时间为1h、1.5h、2h、2.5h中的任意一种或多种。
在一个具体的实验中，采用上述符合要求的编号为1-5的岩样在常温常压下分别进行1％HF+12％HCl、1.5％HF+12％HCl、2％HF+12％HCl、2.5％HF+12％HCl、3％HF+12％HCl酸液浸泡2小时的酸损伤实验。
根据上述实验的酸损伤效果选择效果最好的一组酸液采用编号为6-8的岩样分别进行浸泡1小时、1.5小时、2.5小时的酸损伤实验，
测试酸损伤实验后酸损伤实验组岩样的物性特征、动态力学特性、微观结构，根据酸损伤实验前后岩样的物性特征、动态力学特性、以及微观结构的变化对酸损伤效果进行定量的评价。
在一个具体的实施例中，酸损伤后的岩样质量变化如表4所示：
表4酸损伤前后质量变化情况
岩心编号 损伤前质量(g) 损伤后质量(g) 质量减少量(g) 质量减少百分比(％)
1 62.89 61.16 1.73 2.75
2 52.59 50.44 2.15 4.08
3 62.43 59.23 3.20 5.13
4 61.37 57.99 3.38 5.50
5 62.65 59.40 3.24 5.18
6 64.70 63.00 1.70 2.63
7 61.69 59.58 2.10 3.41
8 61.66 58.21 3.95 6.40
根据表4可知，HF浓度和酸损伤时间对岩样的影响均不大，但酸损伤时间变化比HF浓度变化对质量损失的影响大。
酸损伤后的岩样孔隙度变化如表5所示：
表5酸损伤前后孔隙度变化情况
Figure BDA0002735839930000071
Figure BDA0002735839930000081
根据表5可知，孔隙度变化量很小变化幅度在0.67～8.65％；酸液对孔隙度影响不大；HF浓度变化对孔隙度的影响程度没有酸损伤时间变化对孔隙度的影响程度大。
酸损伤后的岩样渗透率变化如表6所示：
表6酸损伤前后渗透率变化情况
岩心编号 损伤前 损伤后 变化量 变化百分比
1 0.031 0.024 -0.006 -21.863
2 0.032 0.038 0.006 19.502
3 0.044 0.046 0.001 4.041
4 0.025 0.022 -0.002 -11.512
5 0.077 0.083 0.006 8.260
6 0.021 0.027 0.006 31.281
7 0.073 0.083 0.009 13.543
8 0.002 0.022 0.019 692.861
根据表6可知，渗透率的变化幅度还是比较大，在4～31％之间，但是渗透率变化量并不大，这是因为初始时渗透率极低。其中编号为1、4的岩样渗透率不仅没有增大，反而减低了，这可能是因为在酸损伤实验中发生了酸敏。
酸损伤后的岩样动态杨氏模量变化如表7所示：
表7酸损伤前后动态杨氏模量变化情况
Figure BDA0002735839930000082
Figure BDA0002735839930000091
根据表7可知，酸损伤后岩样的杨氏模量降幅在11～22％之间，HF浓度和酸损伤时间的变化对杨氏模量降幅的影响都不大。
酸损伤后的岩样泊松比变化如表8所示：
表8酸损伤前后泊松比变化情况
岩心编号 损伤前 损伤后 变化量 变化百分比
1 0.22 0.22 0.00 0.00％
2 0.20 0.12 -0.08 -40.00％
3 0.22 0.25 0.03 13.64％
4 0.22 0.20 -0.02 -9.09％
5 0.22 0.23 0.01 4.55％
6 0.22 0.12 -0.10 -45.45％
7 0.20 0.28 0.08 40.00％
8 0.21 0.24 0.03 14.29％
根据表8可知，编号为2、4、6的岩样酸损伤后泊松比减小，其横向正应变在酸损伤后减小，编号为1的岩样酸损伤后泊松比无变化，其余编号岩样酸损伤后泊松比增大，其横向正应变在酸损伤后减大，HF浓度和酸损伤时间的变化对泊松比的影响都大。
在具体的实施例中，编号1、3、5岩样酸损伤后的扫描电镜观测结果如图8(a)、8(b)、8(c)所示，从图中可以发现酸损伤前岩样很致密，基质孔隙很少，但是微裂缝却很多，这与前文介绍的储层微裂缝发育一致。酸损伤后，岩样出现了一系列的孔、洞，矿物晶粒间的物质减少了，晶粒表面也不再光滑平整。这说明矿物晶粒间的粘土矿物被溶蚀掉了，晶粒本身也被部分溶蚀掉，但是粘土矿物溶蚀更加严重。仅从扫描电镜结果看，酸液对低渗透岩样的损伤效果是比较强烈的。
在具体的实施例中，编号1的岩样酸损伤后的CT扫描观测结果如图9(a)、9(b)所示，从图中可以看到酸损伤后岩样的四周孔隙增加了，这表明酸液主要在岩样的表面附近区域发生反应。
优选的，本发明还包括选择至少一块空白对照组的岩样将每块岩样一分为二，其中一份进行抗拉强度实验，另一份进行酸损伤实验后再进行抗拉强度实验。
在另一个具体的实施例中，采用编号11-15的岩样进行测试，每块岩样均为将一块岩样一分为二中的一份小岩样，测试时严格按照GB/T 50266-2013《工程岩体试验方法标准》进行测试，将岩样加工成高径比为1:1即r＝h＝25mm的小岩样。
酸损伤后的岩样质量变化如表9所示：
表9酸损伤前后质量变化情况
Figure BDA0002735839930000101
根据表9可知，酸损伤后岩样质量变化处于4.14～4.66％之间，变化范围很小，由此可以认为HF浓度对质量变化的影响很小。
酸损伤后的岩样抗拉强度变化如表10所示：
表10酸损伤前后抗拉强度变化情况
Figure BDA0002735839930000102
根据表10可知，酸损伤后岩样的抗拉强度降幅均在27％左右。由此可以说明HF浓度的变化对岩样的抗拉强度影响不大。
优选的，本发明还包括选择一块空白对照组的岩样一分为二，其中一份进行抗剪切强度实验，另一份进行酸损伤实验后再进行抗剪切强度实验。
在一个具体的实验中，采用编号21-26的岩样进行测试，其中21、22和23号岩样来自于P685井，24、25和26号岩样来自于P664井，每块岩样均为一块一分为二的一块岩样中的一份小岩样。
岩样直剪实验测得的数据如表11所示：
表11抗剪强度测试数据
Figure BDA0002735839930000111
将表11测得的数据做成一条剪切强度与法向应力的关系曲线分别如图6、图7所示，根据图中直线公式和Mohr-Coulomb理论可以计算出P685井岩样的内聚力C＝9.32MPa，内摩擦角
Figure BDA0002735839930000112
P664井岩样的内聚力C＝8.09，内摩擦角
Figure BDA0002735839930000113
酸损伤前后内聚力和内摩擦角如表12所示：
表12酸损伤前后内聚力和内摩擦角变化情况
Figure BDA0002735839930000114
根据表12可知，P685和P664井岩样的内聚力均有降低，降幅分别为13.30％和7.75％；内摩擦角变化小且无明显变化规律。
现有技术中，例如CN108959724A中，评价酸损伤效果时仅通过岩样酸损伤前后的抗压强度进行评价，CN102011580A中，评价酸损伤效果时仅通过储层不同矿物质的总的损伤变量进行评价，都太过局限。而本发明通过筛选物性特征和动态力学特性相似的岩样，根据空白对照组和酸损伤实验组的物性特征、动态力学特性、以及微观结构的变化对酸损伤效果进行定量的评价，能够更加全面和准确地认识酸化压裂对低渗透岩石的损伤效果，能为低渗透岩石的增产改造提供理论依据，对后期指导完成酸化压裂施工有着重要的意义。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种低渗透岩石酸损伤效果的评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
选择多块物性特征差值、以及动态力学特性差值均小于阈值的岩样；
将选取的多块岩样分为酸损伤实验组和空白对照组，并分别测试每块岩样的微观结构；
采用酸损伤实验组的岩样进行酸损伤实验；
测试酸损伤实验后酸损伤实验组岩样的物性特征、动态力学特性、微观结构；
根据酸损伤实验前后岩样的物性特征、动态力学特性、以及微观结构的变化对酸损伤效果进行定量的评价。
2.根据权利要求1所述的低渗透岩石酸损伤效果的评价方法，其特征在于，所述物性特征包括岩样的孔隙度和渗透率。
3.根据权利要求2所述的低渗透岩石酸损伤效果的评价方法，其特征在于，所述孔隙度的阈值为5％，所述渗透率的阈值为0.06×10-3μm2。
4.根据权利要求1所述的低渗透岩石酸损伤效果的评价方法，其特征在于，所述动态力学特性包括利用岩石的横、纵波波速获取的岩石动态杨氏模量、泊松比。
5.根据权利要求4所述的低渗透岩石酸损伤效果的评价方法，其特征在于，所述岩石动态杨氏模量的阈值为4GPa，所述泊松比的阈值为0.02。
6.根据权利要求1所述的低渗透岩石酸损伤效果的评价方法，其特征在于，所述微观结构通过扫描电子显微镜和或CT扫描设备获得。
7.根据权利要求1所述的低渗透岩石酸损伤效果的评价方法，其特征在于，还包括选择一块空白对照组的岩样一分为二，其中一份进行抗拉强度实验，另一份进行酸损伤实验后再进行抗拉强度实验。
8.根据权利要求1所述的低渗透岩石酸损伤效果的评价方法，其特征在于，还包括选择一块空白对照组的岩样一分为二，其中一份进行抗剪切强度实验，另一份进行酸损伤实验后再进行抗剪切强度实验。
9.根据权利要求1-8中任意一项所述的低渗透岩石酸损伤效果的评价方法，其特征在于，所述酸损伤实验采用土酸浸泡进行实验，所述土酸的质量浓度为1％HF+12％HCl、1.5％HF+12％HCl、2％HF+12％HCl、2.5％HF+12％HCl、3％HF+12％HCl中的任意一种或多种，所述浸泡的时间为1h、1.5h、2h、2.5h中的任意一种或多种。
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