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酸化过程降低破裂压力微观机理分析

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地质 储层 沉积 地化 层序地层
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© 1994   刘 蜀 知   薛 仁 江   尚 凡 强(“ 油 气 藏 地 质 及 开 发 工 程 ” 重 点 实 验 室 · 西 南 石 油 大 学 )摘   要   破 裂 压 力 是 水 力 压 裂 设 计 的 关 键 参 数 ,而 酸 化 预 处 理 是 降 低 破 裂 压 力 的 措 施 之 一 。 由 于 岩 石 的 矿 物成 分 、 物 理 性 质 、 岩 石 强 度 以 及 孔 隙 结 构 等 对 破 裂 压 力 都 有 一 定 的 影 响 ,因 此 通 过 观 察 酸 化 过 程 岩 石 的 微 观 特 征 变化 来 研 究 其 降 低 破 裂 压 力 显 得 非 常 重 要 。 文 章 通 过 砂 岩 与 土 酸 等 强 酸 反 应 前 后 的 镜 下 、 全 岩 、 薄 片 等 一 系 列 实 验观 察 ,分 析 了 注 酸 引 起 岩 石 矿 物 组 成 及 微 结 构 改 变 ,从 而 改 变 岩 石 力 学 参 数 降 低 了 岩 石 的 破 裂 压 力 的 机 理 。关 键 词   微 观 观 察   酸 岩 反 应   破 裂 压 力   酸 化 预 处 理0  引 言随 着 压 裂 技 术 的 进 步 和 发 展 ,降 低 破 裂 压 力 成为 了 目 前 被 关 注 的 焦 点 ,而 酸 化 预 处 理 是 降 低 破 裂压 力 的 有 效 措 施 之 一 。 酸 和 可 溶 矿 物 反 应 ,在 微 观上 改 变 了 岩 石 本 身 物 性 参 数 、 矿 物 成 分 及 其 含 量 ,最 终 导 致 了 宏 观 上 岩 石 力 学 性 质 的 改 变 从 而 降 低岩 石 破 裂 压 力 。 为 了 更 加 深 入 了 解 酸 预 处 理 降 低破 裂 压 力 的 机 理 ,有 必 要 从 微 观 上 观 察 、 分 析 储 层岩 石 在 酸 化 前 后 岩 性 、 物 性 的 变 化 。1  扫 描 电 镜 实 验 观 察111  扫 描 电 镜 实 验 概 况扫 描 电 镜 的 微 区 分 析 ,被 广 泛 地 应 用 于 油 气 藏地 质 勘 探 及 开 发 工 程 、 机 械 、 材 料 、 化 工 、 生 物 等 领域 的 微 观 形 态 研 究 。 当 扫 描 电 镜 再 配 备 上 能 谱 仪 和 低 温 冷 冻 台 ,其 工 作 范 围 将 会 更 加 广 泛 ,它 可 以 在 观 察 样 品 的 同 时 方 便 地 半 定 量 或 定 量 地知 道 样 品 的 化 学 成 分 。本 文 实 验 仪 器 是 荷 兰 L 生 产 的 描 电 子 显 微 镜 ,该 仪 器 高 压 30 压1 大 倍 数 为 20倍 ~ 10万 倍 且 连 续 可 调 。 实验 所 用 岩 样 均 为 中 江 区 块 某 井 198518m~ 200214 溪 庙 组 浅 绿 灰 色 细 粒 及 中 粒 砂 岩 ,岩 心 致密 ,孔 隙 度 为 8% ,渗 透 率 为 0119 性 参 数 较差 。 为 了 明 显 、 准 确 地 看 到 酸 岩 反 应 引 起 的 岩 石 矿物 成 分 、 结 构 性 质 的 变 化 ,配 制 了 两 种 酸 液 : ① 土 酸(15 2% ; ② 盐 酸 和 氟 硅 酸 混 合 酸 (155 ,分 别 与 2#和 3#样 品 反 应 。112  砂 岩 注 酸 前 的 镜 下 观 察图 1、 图 2是 2#岩 样 注 酸 前 的 镜 下 观 察 照 片 ,图 3、 图 4是 3#岩 样 注 酸 前 的 镜 下 观 察 照 片 。 观 察发 现 :岩 石 内 部 基 本 没 有 粒 间 孔 ,原 生 粒 间 孔 大 部分 被 绿 泥 石 、 伊 利 石 或 自 生 石 英 所 充 填 ;基 质 表 面被 粘 土 矿 物 充 填 ,绿 泥 石 、 伊 利 石 较 多 ;绿 泥 石 生 在长 石 表 面 ,比 较 发 育 ;颗 粒 表 面 发 育 有 伊 利 石 ,为 环带 ;有 少 量 的 晶 内 溶 孔 。113  砂 岩 注 酸 后 的 镜 下 观 察图 5、 图 6是 2#岩 样 在 酸 ① 酸 化 后 的 镜 下 观 察照 片 ,图 7、 图 8是 3#岩 样 在 酸 ② 酸 化 后 的 镜 下 观察 照 片 。 观 察 发 现 :在 常 温 状 况 下 ,酸 ① 与 砂 岩 的图 1  2#样 长 石 表 面 有 粘 土 矿 物 充 填作 者 简 介   谢 小 蓉 , 女 ,汉 族 , 1981年 出 生 ,四 川 广 安 人 ;在 读 硕 士 研 究 生 ,主 要 从 事 油 气 增 产 方 面 的 技 术 理 论 研 究 。 电 话 : 15928140469。E - m 6316·第 31卷   第 3期                             天 然 气 勘 探 与 开 发                           开 发 试 采© 1994 ,产 生 了 很 多 溶 孔 ,并 且 可 以 清 晰看 到 矿 物 的 溶 孔 轮 廓 ,粘 土 矿 物 基 本 反 应 完 全 ,石 英在 酸 作 用 下 外 表 变 得 模 糊 ;酸 ② 与 粘 土 矿 物 反 应 能力 稍 弱 ,岩 样 表 面 有 部 分 剩 余 的 粘 土 矿 物 ,沿 长 石 解理 方 向 有 少 量 溶 孔 。 因 此 在 常 温 下 常 规 土 酸 的 酸 蚀效 果 明 显 强 于 盐 酸 和 氢 氟 硅 酸 混 合 酸 。由 以 上 观 察 看 出 ,土 酸 等 强 酸 通 过 与 岩 石 反 应 ,可 以 溶 解 岩 石 内 部 的 钙 质 、 泥 质 和 长 石 等 易 溶 可 溶矿 物 ,改 变 岩 石 本 身 的 各 矿 物 成 分 含 量 ,产 生 一 些 粒间 孔 和 晶 体 溶 孔 ,增 加 岩 石 孔 隙 的 同 时 ,一 定 程 度 上也 改 变 了 岩 石 孔 隙 本 身 的 连 通 性 ,最 终 导 致 岩 石 力学 性 质 的 变 化 ,这 有 利 于 作 业 时 顺 利 压 开 地 层 ;同 时·86·开 发 试 采                             天 然 气 勘 探 与 开 发                           2008年 9月 出 版  © 1994 ,从而 改 善 裂 缝 的 导 流 能 力 。2  全 岩 分 析 实 验与 扫 描 电 镜 相 对 应 的 是 全 岩 分 析 实 验 ,扫 描 电镜 是 从 矿 物 的 形 态 、 结 构 出 发 ,静 态 观 察 来 分 析 岩 石成 分 ;而 全 岩 分 析 的 理 论 依 据 则 是 从 各 矿 物 的 物 理性 质 出 发 ,利 用 定 量 分 析 各 矿 物 的 成 分 、 含量 。实 验 对 上 述 原 始 岩 样 及 用 20% 3% 0% 5% 0 入 处 理 后 的 岩 样 进行 了 全 岩 分 析 实 验 。 实 验 结 果 见 表 1。从 分 析 结 果 不 难 看 出 ,绿 泥 石 、 方 解 石 两 类 酸 敏矿 物 遇 酸 后 迅 速 发 生 反 应 ,在 酸 浓 度 不 高 的 情 况 下被 全 部 反 应 掉 ;伊 利 石 反 应 稍 弱 ,仅 仅 有 部 分 被 反 应掉 ;矿 物 骨 架 里 面 的 长 石 、 石 英 也 参 加 了 反 应 ,斜 长石 比 石 英 反 应 更 强 。表 1  岩 心 注 酸 前 后 的 全 岩 分 析 实 验 数 据 表实 验 项 目 矿 物 含 量 ( % )绿 泥 石 伊 利 石 石 英 斜 长 石 方 解 石未 处 理 4191 3177 22124 67154 115420% 3% 2102 26170 71128 020% 5% 1189 33143 64168 0矿 物 含 量 的 减 少 必 然 导 致 孔 隙 含 量 的 增 加 ,岩石 的 有 效 承 载 部 分 被 削 弱 ,显 而 易 见 ,岩 石 强 度 降低 ,达 到 了 降 低 岩 石 破 裂 压 力 的 目 的 。3  铸 体 薄 片 实 验 观 察311  砂 岩 注 酸 前 薄 片 观 察从 图 9、 图 10是 未 注 酸 情 况 下 的 照 片 中 可 看出 ,该 层 段 岩 石 基 质 成 分 主 要 为 :石 英 、 长 石 、 云 母 和其 它 杂 质 ;颗 粒 磨 圆 性 差 、 成 熟 度 低 、 分 选 性 中 等 ;胶结 物 主 要 为 泥 质 、 钙 质 胶 结 ,为 接 触 式 胶 结 、 从 薄 片颜 色 可 以 看 出 ,有 色 液 态 未 注 入 进 去 ,说 明 岩 石 孔 隙度 极 低 、 亦 或 孔 喉 结 构 差 、 毛 细 管 压 力 太 高 所 致 。312  砂 岩 注 酸 后 薄 片 观 察为 了 明 确 了 解 酸 岩 反 应 对 岩 石 矿 物 成 分 、 矿 物含 量 、 孔 隙 度 等 参 数 的 影 响 ,向 岩 心 内 注 入 15  2#样 未 注 酸 时 的 铸 体 薄 片(岩 石 矿 物 成 熟 度 低 、 结 构 致 密 )图 10  2#样 未 注 酸 时 的 铸 体 薄 片(有 杂 基 的 存 在 ,结 构 致 密 )(15 2% 酸 液 后 ,将 其 制 成 铸 体 薄 片 。 图11、 图 12是 2#岩 样 酸 后 薄 片 照 片 ,可 以 看 出 :注 酸 后的 岩 样 孔 隙 大 小 、 孔 隙 连 通 性 较 注 酸 前 有 明 显 改 善 ;岩 石 中 的 钙 质 基 本 反 应 完 全 ;由 于 岩 石 本 身 物 性 的影 响 ,粘 土 成 分 在 连 通 较 好 的 地 方 反 应 殆 尽 ,微 毛 细孔 隙 中 还 有 粘 土 矿 物 的 存 在 ;同 时 ,长 石 、 石 英 也 有部 分 参 加 了 反 应 。通 过 铸 体 薄 片 观 察 注 酸 前 后 的 变 化 不 难 看 出 :注 酸 前 岩 石 物 性 很 差 ,有 色 液 态 胶 根 本 没 有 注 进 去 ,孔 隙 连 通 性 差 、 毛 管 压 力 大 ,岩 石 胶 结 程 度 高 ,岩 心致 密 ,岩 石 为 接 触 式 胶 结 ,矿 物 成 熟 度 较 低 ;注 酸 后岩 石 物 性 得 到 较 大 改 善 ,孔 隙 度 明 显 增 大 增 加 。 由孔 隙 对 岩 石 力 学 参 数 的 影 响 可 知 ,孔 隙 的 增 加 使 得岩 石 力 学 参 数 呈 指 数 关 系 下 降 ,尤 其 是 初 始 孔 隙 度很 低 情 况 下 的 孔 隙 度 增 加 对 力 学 性 质 的 影 响 更 为 显著 。·96·第 31卷   第 3期                             天 然 气 勘 探 与 开 发                           开 发 试 采© 1994   孔 隙 变 化 分 析图 13、 图 14是 2#岩 心 注 酸 前 后 孔 隙 大 小 分 布图 ,可 以 看 出 注 酸 前 毛 细 管 孔 隙 (毛 管 孔 径010002015占 到 总 孔 隙 的 一 半 左 右 ,最 大孔 隙 直 径 21453 ;注 酸 后 孔 隙 结 构 明 显 得 到改 善 ,毛 细 管 孔 隙 减 少 ,与 之 相 对 应 的 超 毛 细 管 孔 隙(毛 管 孔 径 大 于 015 加 ,达 到 总 孔 隙 的 70%左右 ,最 大 孔 隙 直 径 21528且 增 加 幅 度 明 显 。 孔隙 度 的 增 加 ,使 得 岩 石 的 有 效 承 载 部 分 减 弱 ,岩 石 的强 度 降 低 ,从 而 降 低 岩 石 的 破 裂 压 力 。5  结 论(1)酸 液 与 岩 石 反 应 后 ,改 善 了 岩 石 物 性 参 数 ,使 地 层 吸 液 能 力 得 到 提 高 ,有 利 于 压 裂 施 工 时 提 高排 量 ;使 岩 石 力 学 性 质 发 生 变 化 ,降 低 地 层 岩 石 的 破裂 压 力 。(2)酸 化 过 程 降 低 岩 石 破 裂 压 力 的 机 理 是 :酸溶 解 岩 石 内 部 的 钙 质 、 泥 质 、 长 石 等 易 溶 矿 物 ,使 岩石 单 位 体 积 内 的 矿 物 含 量 下 降 ,孔 隙 度 增 加 。 两 个方 面 复 合 作 用 的 结 果 必 然 导 致 岩 石 受 压 承 载 部 分 减小 ,强 度 降 低 ,破 裂 压 力 降 低 。参 考 文 献1  刘 向 君 ,罗 平 亚 1石 油 测 井 与 井 壁 稳 定 [M ]1北 京 :石 油工 业 出 版 社 , 1999: 88 - 8912  李 颖 川 1采 油 工 程 [M ] 1北 京 :石 油 工 业 出 版 社 , 2002:297 - 29813  李 传 亮 1射 孔 完 井 条 件 下 的 岩 石 破 裂 压 力 计 算 公 式 [ J ]1石 油 钻 采 工 艺 , 2002, 24 (2) : 37 - 3814  唐 洪 明 ,孟 英 峰 ,吴 泽 柏 ,等 1酸 化 体 系 中 长 石 的 稳 定 性研 究 [ J ]1天 然 气 工 业 , 2004, 24 (12) : 116 - 11915  陈 作 ,田 助 红 ,俞 绍 诚 ,等 1异 常 高 压 、 高 温 的 低 渗 透 油 藏压 裂 增 效 技 术 研 究 与 应 用 [ J ]. 石 油 钻 采 工 艺 , 2000, 22(4) : 69 - 72.(收 稿 日 期   2008 - 04 - 08编 辑   景 岷 雪 )    ·07·开 发 试 采                             天 然 气 勘 探 与 开 发                           2008年 9月 出 版  © 1994 (1. 2. , ) v. 31, 3 , 53~ 57, 9 /25 /2008W a id of in a of p is of ic p of O : s, O N O F L Y S R, 1. il 2. il v. 31, 3 , 58~ 61, 9 /25 /2008 a as an of p at of p in p p at on to ly to p p to in p to a a 0 7 in p In m be O : O N O X O F F M S T J L I v. 31, 3 , 62~ 66, 9 /25 /2008to of p p to of p le , p a p be to p p is p of p as be an p of O : , p F C N D E L ab il · t. , 2008© 1994 , v. 31, 3 ,67~ 70, 9 /25 /2008p is On p of p p be by m p it is to of p on p m ic of a of m of as m m of p is O : m p p N O N L R, S ) il v. 31, 3 , 71~ 74, 9 /25 /2008on il p in by in s of to to it of to to O : O N O N N Q I il v. 31, 3 , 75~ 78, 9 /25 /2008t of p R is il as an we by we p on in O : p 译   科 技 信 息 组      审   校   何 颋 婷          编   辑   王 晓 清          ·6· t. , 2008
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