王玉芳，杜建軍，牛新年

碳酸鹽巖酸壓裂縫導流能力隨縫長變化規(guī)律研究

王玉芳1，杜建軍2，牛新年3

（1.中國地質調查局油氣資源調查中心，北京100029；2.中國地質科學院地質力學所，北京100081；3.中石油塔里木油田測井中心，新疆庫爾勒841000）

酸壓裂縫的縫長和導流能力是評價酸化壓裂效果的2個重要指標，通過應用FracproPT軟件對碳酸鹽巖酸壓過程中酸蝕裂縫導流能力和縫長變化趨勢的擬合，總結了碳酸鹽巖油氣藏不同儲層類型中的裂縫導流能力隨縫長的變化規(guī)律，從裂縫導流能力隨縫長的變化趨勢中可以半定量判斷碳酸鹽巖儲層中縫洞發(fā)育帶的發(fā)育規(guī)模。擬合結果與地震和測井解釋結果相結合，對定性和定量判斷碳酸鹽巖縫洞發(fā)育體的規(guī)模具有重要意義。

碳酸鹽巖；酸壓；裂縫導流能力；裂縫縫長；縫洞發(fā)育帶

酸化壓裂是碳酸鹽巖油氣藏提高采收率的重要措施，酸壓裂縫導流能力和酸壓縫長是影響壓裂效果的重要因素，對儲層改造后的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)有重要的作用。國內外對酸蝕裂縫導流能力實驗和根據(jù)實驗推導的理論計算模型有很多［1～20］，但對裂縫導流能力隨縫長的變化規(guī)律還缺少研究。本文通過FracproPt軟件對不同儲層類型的碳酸鹽巖酸壓改造后裂縫導流能力隨縫長變化關系進行了擬合分析，總結了碳酸鹽巖油氣藏中基質孔隙型、裂縫孔洞型、裂縫型、孔洞型及溶洞型等不同類型儲層的裂縫導流能力隨縫長的變化規(guī)律。擬合結果與地震和測井解釋結果對比結合，可以定性和定量判斷儲層類型及縫洞發(fā)育體的規(guī)模。

1　FracproPT軟件中酸壓裂縫導流能力模型

FracproPT軟件使用三維壓裂裂縫幾何形狀模型確定酸液段在不斷擴展的壓裂裂縫內部的延伸，每個段的酸消耗率被分別追蹤，巖石的累積溶蝕和相應的裂縫導流能力被作為壓裂裂縫壁面上的分布狀態(tài)來計算，同時考慮了裂縫寬度上酸濃度的變化以及在特定酸消耗率條件下裂縫壁面處的酸反應速率。軟件中采用了Nierode-Kruk關系式［1］計算酸蝕裂縫導流能力。

Nierode-Kruk方法［1］通過實驗預測酸蝕裂縫導流能力。在酸壓過程中，所溶解的巖石由理想裂縫寬度 （wi）表示 （wi定義為閉合之前的裂縫寬度）。如果所有的酸液進入裂縫并溶解裂縫表面的巖石 （例如無酸液濾失現(xiàn)象），則理想的平均寬度為巖石溶解量除以裂縫面積或由下式表達：

式中：wi——裂縫寬度，m；φ——孔隙度，無量綱；hf——裂縫高度，m；xf——裂縫長度的1/2；V——酸液注入量，m3；X——酸液溶解能力，g/100 g水。

Nierode-Kruk方法根據(jù)巖石埋藏強度、閉合應力及溶解的巖石體積預測裂縫導流能力。基于上述理想裂縫寬度公式，用不同巖心做了大量實驗，得出酸壓裂縫導流能力 （Cf）公式：

式中：Srock——巖石嵌入強度，MPa；Cf——酸壓裂縫導流能力，10-3μm2·m；σc——閉合應力，MPa。

Beg等［21］也曾通過實驗驗證了該方法的準確性，實驗結果見圖1。

圖1　實驗結果與N-K曲線對比Fig.1 Contrast between experimental result and N-K curve

巖心酸化在巖心室里進行，酸化條件：酸液在垂直裂縫中呈線性流動，并且有酸液濾失現(xiàn)象；然后對作為閉合應力函數(shù)的裂縫導流能力進行測量。結果發(fā)現(xiàn)，增加酸液的接觸時間有時會降低裂縫的導流能力，酸液濾失會增加裂縫的導流能力，因此Nierode-Kruk方法能準確預測巖石埋藏壓力和閉合應力對酸壓導流能力的影響。

FracproPT軟件在應用Nierode-Kruk方法計算酸壓裂縫導流能力時將Nierode-Kruk預測公式整理為：

由上述公式可以看出，假設其他參數(shù)不變，在理想情況下，隨著裂縫長度的增加，裂縫寬度變窄，Cf值應該逐漸減?。划斎斯ち芽p溝通儲層的縫洞發(fā)育體后，儲層的孔滲性能變好，相當于裂縫寬度變大。因此酸蝕裂縫導流能力Cf值與裂縫長度有關，同時也與人工裂縫溝通范圍內儲層的發(fā)育程度有關。

在酸蝕裂縫導流能力與縫長關系變化的擬合過程中，可以利用斜率突變的點進行儲層縫洞發(fā)育體規(guī)模的判斷。碳酸鹽巖酸蝕裂縫導流能力是很難模擬計算的。通過寬度為w的通道的流速與w3成正比，如果酸蝕通道不受力，這種比例關系可以用于計算酸蝕裂縫的導流能力。然而油藏中的地應力始終是使通道閉合。如果酸蝕非常均勻，則酸蝕裂縫的閉合可以按與橢圓裂縫縫寬計算相似的方法進行，只不過其中的凈壓力是負值。以上面論述為基礎，利用酸壓井擬合的酸蝕裂縫導流能力隨縫長變化關系可以定量判斷儲層縫洞的發(fā)育規(guī)模，在酸蝕裂縫導流能力和縫長變化關系擬合曲線中，孔洞型儲層和溶洞型儲層的導流能力有異?，F(xiàn)象，即導流能力減小的過程中出現(xiàn)拐點，下降的斜率減小甚至出現(xiàn)增大的現(xiàn)象。該方法與地震資料中串珠狀反射是儲層縫洞發(fā)育帶相結合，可以定性和定量判斷縫洞發(fā)育體的規(guī)模。

2　不同儲層類型裂縫導流能力隨縫長的變化規(guī)律

本文對大量碳酸鹽巖儲層酸壓探井進行了壓后擬合評價，歸納、總結、分析后發(fā)現(xiàn)，碳酸鹽巖油氣藏不同儲層類型中的裂縫導流能力曲線隨酸壓裂縫縫長有一定的變化規(guī)律。

2.1基質孔隙型

基質孔隙型儲層中天然裂縫不發(fā)育，以基質孔隙為主。這類儲層酸壓裂縫導流能力的曲線擬合規(guī)律 （見圖2）是：酸壓時支撐劑在鋪置濃度的有效范圍內，人工裂縫的導流能力下降較慢，支撐有效縫長較長，在人工裂縫末端導流能力下降很快；酸壓形成的酸蝕裂縫在近井地帶裂縫導流能力較大，遠離井筒后呈凹形下降，酸蝕裂縫的有效縫長比支撐縫長短。

圖2　XX1井6322～6415 m凈壓力擬合裂縫導流能力與縫長的關系 （酸壓）Fig.2 Relationship between net pressure fitting flow conductivity and acid fracture length at 6322～6415m in the Well XX1

2.2孔洞型

截至2017年底，全球油氣田總數(shù)為14047個，其中油田8411個，氣田5636個；在產(chǎn)油氣田為3833個，其中在產(chǎn)油田2536個，在產(chǎn)氣田1297個。全球油氣田主要分布于133個國家、408個含油氣盆地，主要分布在中亞-俄羅斯、中東、非洲、美洲、亞太和歐洲6個地區(qū)。全球油氣經(jīng)濟剩余可采儲量為2121億噸油當量，技術剩余可采儲量為3849億噸油當量。其中，原油經(jīng)濟剩余可采儲量為1216億噸，技術剩余可采儲量為2203億噸；天然氣經(jīng)濟剩余可采儲量為107萬億立方米，技術剩余可采儲量為195萬億立方米。通過分析上述在產(chǎn)油氣田可以看到，2017年全球油氣開發(fā)呈現(xiàn)以下八大特征。

孔洞型儲層中除了基質孔隙外還有部分小的溶孔，這類儲層酸壓的酸蝕裂縫導流能力隨縫長變化曲線形態(tài)整體呈凹形，但在一定區(qū)域內導流能力隨縫長變化有明顯的拐點，曲線變化的斜率減小 （見圖3、圖4）。

2.3裂縫孔洞型

裂縫孔洞型儲層中除了基質孔隙和小的溶孔外，還有天然裂縫發(fā)育。這類儲層的酸蝕裂縫導流能力與縫長關系曲線以直線加凹型為主 （見圖5）。曲線形態(tài)與碳酸鹽巖儲層裂縫和孔洞的發(fā)育程度有關。

圖3　XX2井6619～6645 m酸蝕裂縫導流能力與酸蝕縫長關系Fig.3 Relationship between acid etched fraetloe conductivity and fracture length at 6619～6645 m in the Well XX2

圖4　XX3井5763～5770 m酸蝕裂縫導流能力與酸蝕縫長關系Fig.4 Relationship between acid etched fraeture conductivity and fracture length at 5763～5770 m in the Well XX3

圖5　XX4井6603～6619 m凈壓力擬合裂縫導流能力與縫長的關系 （直線型）Fig.5 Relationship between net pressure fitting flow conductivity and fracture length at 6603～6619 m in the Well XX4

2.4裂縫型

裂縫型儲層中天然裂縫發(fā)育。根據(jù)天然裂縫的發(fā)育程度和發(fā)育規(guī)模，裂縫型儲層的酸蝕裂縫導流能力與縫長關系曲線形態(tài)大致分3種，分別為凹形、凸型和直線型 （見圖6—圖8）。凹型曲線表明天然裂縫不太發(fā)育；直線型曲線表明近井地帶的天然裂縫相對較發(fā)育，這與測井解釋結果比較吻合；凸型曲線表明地層中天然裂縫比較發(fā)育，酸壓濾失較大。

2.5溶洞型

溶洞型儲層中發(fā)育規(guī)模較大的溶洞。該類儲層的酸蝕裂縫導流能力隨縫長變化曲線多數(shù)在一定區(qū)域內導流能力隨縫長呈凸型變化并有明顯的拐點，曲線變化的斜率減小，甚至為水平段或增加 （見圖9、圖10）。擬合發(fā)現(xiàn)溶洞發(fā)育位置與地震解釋的結果非常吻合。

圖6　XX5井5940～5960 m凈壓力擬合裂縫導流能力與縫長的關系 （凹形）Fig.6 Relationship between net pressure fitting flow conductivity and fracture length at 6603～6619 m in the Well XX5

圖7　XX6井6326～6370 m凈壓力擬合裂縫導流能力與縫長的關系 （直線型）Fig.7 Relationship between net pressure fitting flow conductivity and fracture length at 6326～6370 m in the Well XX6

圖8　XX7井5850～5920 m凈壓力擬合裂縫導流能力與縫長的關系 （凸型）Fig.8 Relationship between net pressure fitting flow conductivity and fracture length at 5850～5920 m in the Well XX7

圖9　XX8井6438～6448 m凈壓力擬合裂縫導流能力與縫長的關系Fig.9 Relationship between net pressure fitting flow conductivity and fracture length at 6438～6448 m in the Well XX8

圖10　XX9井5579～5630 m凈壓力擬合裂縫導流能力與縫長的關系Fig.10 Relationship between net pressure fitting flow conductivity and fracture length at 5579～5630 m in the Well XX9

3　XX10井6785～6805 m酸壓改造實例

通過酸壓壓后擬合評價，一方面可判斷碳酸鹽巖儲層的類型，另一方面對裂縫孔洞發(fā)育帶進行判斷和定量分析，并結合測井與地震解釋結果可進一步認識儲層地質特征。

3.1XX10井地質概況

XX10井所在地區(qū)斷裂發(fā)育，以走滑斷裂為主。該井位于3組 （東西向、南北向、北東—南西向）走滑斷裂的交匯區(qū)，一條南北向斷裂從井旁穿過，斷開層位從寒武系至石炭系，斷距不大，延伸范圍約6.0 km。該井東部斜坡帶總體表現(xiàn)為一傾向南東的斜坡；井區(qū)奧陶系發(fā)育相對較全，主要為斷裂與具有較強非均質性巖溶儲層組成的復合圈閉。

XX10井不同目的層段的斷裂組合及走向基本一致。儲集空間為溶蝕縫洞，儲集類型分為溶洞型、孔洞型、裂縫-孔洞型、裂縫型4種；橫向呈層狀展布，平面上廣泛分布、連片發(fā)育。

3.2XX10井地震解釋

XX10井的井眼鉆探在明顯串珠反射上（見圖11），井旁可能有大型溶洞發(fā)育。改造井段處距離串珠中心約50 m（見圖12），同時最大地應力方向為北東—南西向，人工裂縫有利于溝通最有利儲層。天然裂縫發(fā)育方向為北西—南東向，與最大主應力方向垂直，有利于溝通更多天然裂縫。

圖11　過XX10井分頻地震剖面Fig.11 Frequency division seismic section through the Well XX10

圖12　XX10井物探平面屬性圖Fig.12 Geophysical exploration plane graph of XX10 well

3.3酸壓施工及酸蝕裂縫導流能力擬合結果

XX10井酸壓施工曲線見圖13，從中可以看出，前置液進入地層后，施工泵壓出現(xiàn)了一個明顯的下降，下降約20 MPa，分析認為前置液溝通了縫洞系統(tǒng)。后期注入酸液的過程壓力沒有大的波動，但在注入未交聯(lián)酸的2個階段，由于未交聯(lián)酸摩阻較大，壓力實際上是下降的，地層進液并不困難，縫洞系統(tǒng)溝通較好。頂替階段排量從5.0 m3/min下降到2.4 m3/min左右，壓力上升約5 MPa，分析認為主要是排量下降過快，裂縫內出現(xiàn)壓力回傳造成的。綜上所述，從酸液進入地層開始，壓力是持續(xù)下降的。

圖13　XX10井6785～6805 m酸壓施工曲線Fig.13 Acid fracturing curve at 6785～6805 m in the Well XX10

該層酸蝕裂縫導流能力和縫長關系擬合圖見圖14，擬合儲層發(fā)育帶距井眼43 m，與地震解釋的50 m距離接近。人工裂縫延伸方向上從43～105 m酸蝕導流能力有異常，是儲層發(fā)育帶。

4　結論

碳酸鹽巖基質孔隙型儲層加砂壓裂人工裂縫的導流能力下降較慢，支撐有效縫長較長，在人工裂縫末端導流能力下降很快；酸壓形成的酸蝕裂縫在近井地帶裂縫導流能力較大，遠離井筒后呈凹形下降，酸蝕裂縫的有效縫長比支撐縫長短。

圖14　XX10井凈壓力擬合裂縫導流能力與縫長的關系Fig.14 Relationship between net pressure fitting flow conductivity and fracture length in the Well XX10

碳酸鹽巖裂縫孔洞型和裂縫型儲層的酸蝕裂縫導流能力與縫長關系曲線形態(tài)較復雜，主要跟儲層中天然裂縫的發(fā)育程度有關。

碳酸鹽巖溶洞型和孔洞型儲層的酸蝕裂縫導流能力隨縫長變化具一定的規(guī)律性，多數(shù)曲線在一定區(qū)域內導流能力有明顯的拐點，曲線變化斜率減小，甚至為水平段或斜率增大，認為該區(qū)域是孔洞型或溶洞型儲層發(fā)育帶。

通過對酸蝕裂縫導流能力隨縫長變化趨勢的擬合，可以定性判斷儲層類型，并半定量判斷儲層發(fā)育帶的發(fā)育規(guī)模，該方法與地震解釋資料中串珠狀反射是儲層縫洞發(fā)育帶相結合，對定性和定量判斷縫洞發(fā)育體的規(guī)模有重要意義。

［1］ Nierode D E，Kruk K F.An evaluation of acid fluid loss additives，retarded acids and acidized fracture conductivity［J］. SPE4549，1998.

［2］ Gangi A F.Variation of whole and fractured porous rock permeability with confining pressure［J］.Rock Mech Min Sci Geomech Abstr，1978.

［3］ Walsh J B.Effect of pore pressure and confining pressure on fracture permeability［J］.Rock Mech Min Sci Geomech Abstr，1981.

［4］ Tsang Y W，Witherspoon P A.Hydromechanical behavior of a deformable rock fracture subject to normal stress［J］. Geophys Res，1981.

［5］ Gong Ming.Mechanical and hydraulic behavior of acid fractures experimental studies and mathematical modeling［D］. Austin：The University of Texas，1997.

［6］ Gong Ming，Lacote S，Hill A D.A new model of acid fracture conductivity［J］.SPE39431，1998.

［7］ Gong Ming，Lacote S，Hill A D.New model of acid fracture conductivity based on deformation of surface asperities［J］. SPE57017，1999.

［8］ Jianye M.Modeling acid transport and non-uniform etching in a stochastic domain in acid fracturing［D］.Texas：Texas A&M University，2009.

［9］ Mou Jianye，Zhu D，Hill A D.New correlations of acid fracture conductivity at low closure stress based on the spatial distributions of formation properties［J］.SPE131591-PA，2011：195～202.

［10］ Mou Jianye，Zhu D，Hill A D.A new acid fracture conductivity model based on the spatial distributions of formation properties［J］.SPE127935，2010.

［11］ Deng Jiayao.Mechanical behavior of small-scale channels in acid etched fractures［D］.Texas：Texas A&M University，2010.

［12］ Deng Jiayao，Mou Jianye，Hill A D，et al.A new correlation of acid conductivity subject to closure stress［J］. SPE140402，2011.

［13］ Flach T A.Creating and measuring acid fracture conductivity in the laboratory［D］.Austin：The University of Texas，1997.

［14］ Malik M A.A new technique for laboratory measurement of acid fracture conductivity［J］.SPE19580，1989.

［15］ 李年銀，趙立強，張倩，等.酸壓過程中酸蝕裂縫導流能力研究 ［J］.鉆采工藝，2008，31（6）：59～62.

LI Nian-yin，ZHAO Li-qiang，ZHANG Qian，et al.Study on acid etched fracture conductivity in acid fracturing［J］. Drilling&Production Technology，2008，31（6）：59～62.

［16］ 蔣衛(wèi)東，汪緒剛，蔣建方，等.酸蝕裂縫導流能力模擬實驗研究 ［J］.鉆采工藝，1998，21（6）：33～36.

JIANG Wei-dong，WANG Xu-gang，JIANG Jian-fang，et al.Simulation experimental research on acid-etched fracture conductivity［J］.Drilling&Production Technology，1998，21（6）：33～36.

［17］ 王興宏，操紅梅，謝政，等.酸化壓裂導流能力的系統(tǒng)實驗研究 ［J］.國外油田工程，2001，17（2）：6～9.

WANG Xing-hong，CAO Hong-mei，XIE Zheng et al.System experimental study on acid fracturing conductivity［J］. Foreign Oilfield Engineering，2001，17（2）：6～9.

［18］ 程秋菊，馮文光，周瑞立.酸蝕裂縫導流能力實驗研究 ［J］.石油化工應用，2011，30（12）：83～87.

CHENG Qiu-ju，F(xiàn)ENG Wen-guang，ZHOU Rui-li.Experimental study on acid fracturing conductivity［J］.Petrochemical Industry Application，2011，30（12）：83～87.

［19］ 李小剛，楊兆中，張俊良，等.酸壓裂縫導流能力研究回顧與展望 ［J］.新疆石油地質，2012，33（2）：241～243.

LI Xiao-gang，YANG Zhao-zhong，ZHANG Jun-liang，et al.Review and prospect of study on acid fracturing conductivity ［J］.Xinjiang Petroleum Geology，2012，33（2）：241～243.

［20］ 陳星宇，楊兆中，李小剛，等.酸蝕裂縫導流能力實驗及預測模型研究綜述 ［J］.斷塊油氣田，2012，19（5）：618～621.

CHEN Xing-yu，YANG Zhao-zhong，LI Xiao-gang，et al.Overview of study on experiment and predicting model of acidetched fracture conductivity［J］.Fault-block Oil&Gas Field，2012，19（5）：618～621.

［21］ Beg Mirza S，Kunak A Ogua.A system atic experimental study of acid fracture conductivity［J］.Austin：The University of Texas.

STUDY ON ACID FRACTURE CONDUCTIVITY WITH LENGTH VARIATION IN CARBONATE RESERVOIR

WANG Yu-fang1，DU Jian-jun2，NIU Xin-nian3

（1.Oil&Gas Surυey，CGS，Beijing 100029，China；2.Institute of Geomechanics，China Academy of Geological Sciences，Beijing 100081，China；3.Logging Center of Tarim Oilfield Subdiυision of CNPC，Kuerle 841000，Xinjiang，China）

Based on the method of Nierode-Kruk theory，the change law between fracture conductivity and fracture length in different types of carbonate reservoir was obtained through fitting the change trend of the acid fracture conductivity with length variation，and the fracture-cave scale of the carbonate reservoir was semi-quantitatively determined based on this law.The fitting results combined with seismic and log interpretation has great significance on qualitative and quantitative judgment of the fracture-cave scale in the reservoir.

carbonate reservoir；acid fracture；fracture conductivity；fracture length；fracture-cave developed zone

TE357

A

1006-6616（2015）04-0546-09

2015-05-20

王玉芳 （1977-），女，山東臨朐人，碩士。主要從事油氣藏工程及非常規(guī)油氣資源調查及勘探等方面的研究。E-mail：147444819@qq.com