酸压裂缝导流能力影响因素分析.pdf

第 1 8卷第 2期 2 0 1 1 年 3月 油气地质与采收率 Pe h o l e u m Ge o l o g y a n d Re c o v e r y Ef f i c i e nc y 1 l _ 1 8NO 2 Ma r 201 1 酸压裂缝导流能力影响因素分析 牟建业，张士诚(中国石油大学(北京)石油工程教育部重点实验室，北京 1 0 2 2 4 9)摘要：酸压是碳酸 盐岩 油气田大型增产 改造 的重要措施，酸压裂缝导流能力与酸蚀后裂缝 表面的粗糙程度 有关，不 规则裂缝表面使酸压导流能力预测变得较为困难。酸压裂缝导流能力由裂缝表面形状、闭合应力和岩石力学性质 决定，因而从裂缝粗糙表面形成机理角度研究了裂缝表面渗透率分布、岩性分布、温度和氢离子扩散系数对酸蚀裂 缝导流能力的影响。通过建立中尺度酸压模型，模拟酸液在碳酸盐岩裂缝中的流动，分析酸液在裂缝表面与岩石 的反应和裂缝表面形状随岩石溶解的变化，得到酸蚀裂缝 的表 面形状，然后计算裂缝 导流能力。研 究结果表 明，酸 蚀裂缝表面形状主要由油藏属性(渗透率和岩性在裂缝表面的空间分布)决定；闭合应力和岩石强度对酸压裂缝导 流能力的影响与裂缝形状相关；酸蚀沟槽较宽时，较小的闭合应力能使沟槽闭合；局部非均质性使酸蚀沟槽在较高 应力下保持张开，宏观非均质性使沟槽相互连接形成贯穿裂缝 的沟槽。关键词：酸压 裂缝 导流 能力 裂缝表面形状 岩石力学性质 闭合应力 中图分类号：T E 3 5 7 2 文献标 识码：A 文章编号：1 0 0 9 9 6 0 3(2 0 1 1)0 2 0 0 6 9 0 3 酸压是碳酸盐岩油气田增产改造的一项重要措 施，裂缝表面的粗糙程度影响酸压裂缝的导流能力。粗糙的裂缝表面使得准确计算酸压导流能力极其困 难，通常用经验公式来 计算导流能力_ 1 J。为深入分 析酸压导流能力，龚 明 考虑了粗糙裂缝表面对导 流能力的影响并推导 了新的导流能力经验公式；李 年银等 通过 实验方 法研究 了嵌入 强度、闭合压 力、酸类型、酸注入速度和酸注入量等因素对导流能 力的影响；温海飞等 则研究 了酸性压裂液对导流 能力的影响。前人主要在实验基础上定性地研究 了 酸压裂缝导流能力的影 响因素，笔者从粗糙裂缝表 面形成机理 出发，通过建立数学模型，研究了裂缝表 面形状等因素对酸压裂缝导流能力 的影响，以期为 油气藏酸压设计提供参考。1 数学模型 为模拟酸蚀裂缝表面形状随注入酸液的变化，建立 了中尺度酸压模型。假设条件为：流体为不 可压缩的牛顿流体；忽略重力影响；忽略酸一岩 反应生热对温度的影响。该模型模拟 了酸液注入碳 酸盐岩裂缝的过程，包括 3部分：模拟裂缝中的流 体流动得到压力和速度场；模拟酸流动得 到酸液 浓度的分布；计算酸、岩反应，得到裂缝表面形状。这几个过程是同时发生的，应耦合求解，但考虑到可 行性，采用 了顺序求解方式，先求解压力和速度场，然后求解酸液浓度分布，再通过酸岩反应计算裂缝 宽度分布。1 1 流体流动方程 基于假设，在每个时间步长里，通过求解稳态不 可压缩 N a v i e r S t o k e s 方 程 得 到压力 和速度场。在数值计算 中采用较小时间步长，每个时间步长内 更新裂缝边界，然后用更新 的边界条件重新计算压 力和速度场，即该过程是一个拟稳态过程。其动量 方程为 p(u +詈+警)一 +(+O 2_ uu+)p(u 尝+考+詈)一 雾+(窘+)c 2 p(O。w +)=一 +(+0。2 w+)c 3 式 中：p为流体密度，k g m ；“，W分别为，Y，Z 方向上流体 的速度，m s；p为压力，P a；为粘度，mP a S。质量守恒方程为+0w：0 r 41 收稿 期：2 0 1 1 0 1 1 1。作=者简介：牟 建业，男，讲帅，博士，从事油气 羽增产方面 的研究：作 联系电活：(0 1 0)8 9 7 3 4 5 9 3，E-m a i l：mo u j i a n y e I e d u c n。基金项 目：国家科技 霞大专项“大犁油气 田及煤 气开发”(2 0 0 8 Z X 0 5 0 1 7-0 0 3)7 0 油气地质与采收率 2 0 1 1年 3月 边界条件包括：入 口定量注入、出口定回压和垂 直于裂缝表面的速度为滤失速度。其他方向为非流 动边界。1 2酸液浓 度分布 方程 酸液浓度分布方程为 鲁+鲁+W Oz=(。eft 鲁)c 5 +=l n I()a a a y a y、v，、其中 C C。=(6)式中：C D为无 因次酸液浓度；t 为时间，S；D。为 有效扩散 系数，m s；C 为酸液浓度，k m o L m ；C i 为人 口处酸液浓度，k m o l m 。在 和 z方向，由于与对流相 比，扩散很小，因 此由浓度梯度产生的酸扩散可以忽略。边界条件包括：人口处酸液浓度恒定，裂缝表面 上酸液浓度由酸和岩石反应速度 隐式给定；初始条 件是各处酸液浓度为 0。1 3 裂缝宽度变化方程 在得到酸液浓度分布后，基于酸和岩石的反应 速度，可得裂缝宽度分布的方程 O t=鲁)L 一 =。=鲁)L 式中：Y (，z，t)和 Y (，z，t)为裂缝表面位置；为酸溶解岩石 的质量 与消耗酸的质量之 比；p 为 酸密度，k g m ；p 为 岩石的密度，k g m ；咖为孔隙 度 为与裂缝表面反应 的滤失酸量 与总滤失酸量 的比值；。为裂缝壁面上的滤失速度，m s。2 裂缝导流能力影响因素 2 1 裂缝表面形状 影响酸蚀裂缝表面形状的因素包括温度和岩性 分布、酸有效扩散系数、渗透率分布等。通过对 比分 析不 同酸蚀形状下的导流能力，确定各种因素对导 流能力的影响。温度和岩性分布温度对酸压的影响可以分成 2方面：一方面是对表面反应速度的影响，另一方面 是对酸液有效扩散系数的影响。温度的影响主要与 岩性分布有关，为隔离滤失对该分析的影响，可以认 为渗透率均匀分布。灰岩相对 白云岩更容易形成沟 槽，沟槽的深浅取决于灰岩、白云岩与酸反应的相对 速度。酸蚀裂缝表面 1 0 0 的总体酸蚀深度 比 7 0 的大，但形成的沟槽深度比 7 0的小(图 1)。沟 图 1 7 0和 1 0 0 o C时酸蚀裂缝表 面形状 酸有效扩散系数酸有效扩散系数是通过改变 扩散到裂缝表面的酸速度来影响裂缝表面形状 的。扩散系数增大时，氢离子运动到裂缝表面速度加快，缩短了活酸的作用距离。C o n w a y 等 研究 了温度、酸液浓度、岩石类型和酸类 型等影响因素对扩散系 数的影响，并推导 了扩散 系数计算经验公式。结果 表明，温度是影响扩散系数的主导因素。温度高时，一方面，酸、岩表面反应速度快；另一方面，氢离子扩 散系数变大，酸、岩总的反应速度 变快，从而缩短了 活酸作用距离。渗透率分布 渗透率分布决定滤失分布，一部 分滤失酸液在进入地层前与裂缝表面发生化学反 应。所以，渗透率分布对酸蚀裂缝表面形状有影响，表现在透率空间分布和非均质性 2个方面。渗透率 空间分布用半方差模 型描述 J，模型中的关联长度 表示关联强弱。对于裂缝表面渗透率非均质性，用 无因次标准方差来衡量 A D=孚(9)A：D=音(1 0)：_=orl n KO D (1 1)=l l l n K 式中：A 。为 方向无 因次关联长度；A 为 方 向的关联长度，m；L为裂缝长度，i n；A：。为 方向无 因次关联长度；A：为 方 向的关联长度，m；H为裂 缝高度，m；or。为无 因次标准方差；o r 为标准方差；K 为渗透率，1 0 一 m ；K为平均渗透率，1 0 m 。当 K=1 1 0 一 m 时 O r D=(1 2)l z 渗透率分布水平方 向关联长度较小 时，酸蚀裂 第 1 8卷第 2期 个建业等 酸 裂缝 导流能 影 响因素分析 缝表面的凹陷近于随机分布，凹陷间相互隔离；当渗 透率水平方 向关联长度较大时，裂缝表面形成 连续 沟槽。注酸时间越长，酸蚀深度越大，相应的导流能力 越大。由不 同注入时问渗透率水平方向关联长度对 导流能力的影响(图 2)可知，随关联长度增加，裂缝 导流能力增加。当 A 为 0 0 4时，导流能力增加 非常快，随着 A 。的增加，分散 的凹陷相互连接，形 成沟槽，沟槽中的流动阻力非常小，所 以导流能力增 加非常快；当 A 。大 于 0 4时，导流能力增加变缓，甚至趋平，沟槽从入 口到出口变得连续，此时再增加 A ，导流能力变化较小。基 昌 i 一 啪 图 2渗透率水平方向关联长度对导流能力的影响 由非均质性对导流 能力的影响(图 3)可 以看 出，。较小时，酸蚀裂缝宽度大多为无效宽度，闭合 裂缝宽度很小，所以导流能力很小；对于均质地层来 说，无论多少岩石被酸溶蚀，因为裂缝在闭合压力下 会闭合，所 以裂缝导流能力均不会有大的改善；当地 层 O-较大时，闭合裂缝 宽度较大，裂缝经酸蚀后导 流能力较高。暑1 昌 2 曲 图 3 渗透率非均质性 对导流能力的影 响 2 2 岩石力学性质与闭合应力 岩石力学性质与闭合应力对裂缝导流能力 的影 响与裂缝表面形状有关，酸压后，撑开裂缝的液压消 失，裂缝表面接触并发生变形。在闭合应力作用下，裂缝有可能完全闭合。N i e r o d e K r u k 导流能力经 验公式表明裂缝导流能力 随闭合应力下 降很快，同 时该公式的另一个岩石物性参数嵌入强度，反 映了裂缝抗变形能力对导流能力的影响。但是裂缝 表面变形，除了与上述参数有关外，还与岩石表面形 状有关。可以将局部裂缝沟槽简化成椭圆(图4)。a 陵 蚀裂缝表 形状 b 一酸蚀沟槽 的椭划近 似 图 4酸蚀裂缝截 面及椭 圆近似 变形 用椭圆近似变形计算局部缝宽随闭合应力的变 化，即()：。()一 等 了(1 3)式 中：W()为椭 圆宽度分布，n l；。(z)为椭圆最 大宽度，m；为闭合应力，MP a；E 为平 面应 变模 量，P a；h 为椭圆长轴半径，1T I；为垂直方 向的长度 自变量，m。给定闭合应力和岩石物性条件下，裂缝完全闭 合的条件为 W 0 (1 4)式中：h为椭圆长轴直径，m。当=2 0 MP a，E =2 0 0 0 0 MP a，W 0=0 2 m m 时，1 0 c m时，裂缝 闭合，表 明要得到较高的导流 能力，裂缝表面必须具有较好的局部非均质性，即较 窄的沟槽，才能使沟槽不闭合。除此之外还要有较 好的宏观非均质性，使沟槽相互连接，形成贯穿裂缝 的沟槽，形成较好的导流能力。闭合酸压能利用宏 观和微观非均质性形成较好 的导流能力，对 于闭合 酸压的现场应用效果屈静等 进行了论述。3 结论 裂缝导流能力 由酸蚀裂缝表面形状决定，即酸 蚀凹凸面的空间分布特征和深浅。凹凸面分布沿流 动方 向有较强的关联性时，分散的酸蚀 凹陷相互连 接形成沟槽，沟槽对导流能力贡献很大，因为其 中的 流动阻力很小。酸蚀裂缝表面酸形状主要 由裂缝表面物性即渗 透率和岩性 的分布决定。渗透率分布沿流动方 向有 较强的关联性时，裂缝表面易形成沟槽；如果关联性 较弱，则酸蚀凹陷分散分布，裂缝不易连通。渗透率 非均质性强时，裂缝 闭合宽度较大，导流能力大；反(下转 第 7 9页)第 l 8卷第 2期 彭松等 注干气开发凝析气藏注采压力系统研究 7 9 析气藏，经过多年开采，地层能量降低，反凝析严重，单井产量下降，须对其实行注气开发以提高凝析油 的采收率。运用系统试井资料，结合二项式产能方程，回归 出大涝坝 2号构造凝析气藏的一点法产能公式、地 层系数与无阻流量 的关系式，并据此推导 出气藏平 均产气能力方程。利用推导出的气藏平均产气能力方程，对注采 压力剖面及注采压力平衡 系统进行 了研究，并确定 所选 压缩 机 的泵 压 为 5 5 MP a。以经 济一产 能方 程一井底流压法为主，结合经验取值法综合确定大 涝坝 2号构造气藏的废弃压力为 1 7 MP a。应用结 果表明，笔者提出的注气开发凝析气藏注采压力系 统研究方法简便实用且可行。参考文献 2 3 4 5 6 7 8 9 1 O 苗大军，张渊，李 国院，等 注水 开发油藏 注采平衡 系统 研究 1 2 J 钻采工艺，2 0 0 2，2 5(3)：4 0 4 3 聂法健，郑世毅 凝析气井干扰试井压力动态分 析 J 油气地 质与采 收率，2 0 1 0，1 7(2)：9 8 1 0 0 范姝 注采压力系统 及合理注采 比研究 的一种方法 J 断块 油气 田，2 0 0 9，1 6(5)：7 2-7 4 唐延彦，李兆敏，苏庆郁，等 油井堵水后 地层压力分布及敏感 性分析 J 油气地质与采收率，2 0 1 0，1 7(4)：9 4-9 6 郭双根，汤承锋 克拉玛依砾岩油 田注采压力系统研究 J 新 疆石油地质，1 9 9 2，1 3(1)：6 5 7 3 曾流芳，赵国景，吕爱 民，等 孤 东七区西馆陶组上亚段 6 层 系合理压力水平研 究 J 油气地质与采收率，2 0 0 4，1 1(2)：4 5-4 7 许荣 奎，田树 全，李 宝泉，等 油 田注采 压力系 统研究及 应用 J 石油天然气学报(江汉 石油学 院学报)，2 0 0 5，2 7(3)：3 8 3 3 8 5 陈元千 确定气井绝对无阻流量的简单方法 J 天然气工业，1 9 8 7，7(1)：5 9 6 3 李 士伦，等 天 然气 工程 M 2版 北京：石油工 业出版 社，2 0 0 8：1 1 4 张伦友 S Y T 6 0 9 8-2 0 0 0天然 气可采 储量计 算方 法 S 北 京：中国标准 出版社，2 0 0 0 徐艳萍，周鲁艳，杨东民，等 利用经济一产能方程一井底 流压 法确定深层凝析气藏废弃压力 J 内蒙古石油化工，2 0 0 6，1 6 (5)：1 9 6 1 9 7 李士伦，王呜华，何 江川，等 气田及凝析气 田开发 M 北 京：石油工业 出版社，2 0 0 4 编辑常迎梅 -一 -(上接 第7 1页)之，裂缝 闭合宽度小，导流能力小。对于均质地层，则裂缝会闭合。当岩性沿层理方 向关联性较强时，酸化后易形成沟槽。闭合应力与岩石力学性质对裂缝导流能力的影 响与裂缝表面形状有关，当沟槽宽高比较小时，较小 的闭合应力就使沟槽 闭合，当沟槽宽高 比较大时，沟 槽能在很大的闭合应力下保持张开，所 以局部非均 质性对导流能力影响大；同时宏观非均质性使沟槽 相互连接，贯穿裂缝，形成有效裂缝。参考文献：1 N i e md e An e v a l u a t io n o f a c i d fl u i d l o s s a d d i t iv e s，r e t a r d e d a c i d s a n d a c i d i z e d f r a c t u r e c o n d u c t i v i ty C S P E 4 5 4 9，1 9 7 3 2 龚明 计算酸压裂缝导流能力的新模型 J 天然 气工 业，1 9 9 9，1 9(3)：6 8 7 2 3 李年银，赵立强，张倩，等 酸压 过程 中酸蚀 裂缝 导流能力 研究 J 钻采工艺，2 0 0 8，3 1(6)：5 9 6 2 4温海 飞，王瑞 常规酸性 压裂液对裂 缝导 流能力影 响的室 内研 究 J 国外油 田工程，2 0 0 9，2 5(6)：1 4 1 8 5C h u n g T J C o mp u t a t i o n a l fl u i d d y n a mi c s M N e w Y o r k：C am b rid g e Un i v e r s i t y P r e s s，2 0 02 6 C o n w a y M W，As a d i M，P e n n y G S，A c o m p a r a t i v e s t u d y o f s t r a i g h t g e l l e d e mu l s i fle d h y d r o c h l o ric a c i d d i f f u s i v i t y c o e ffi c i e n t u s i n g d i a p h r a g m c e l l a n d r o t a t i n g D i s k C S P E 5 6 5 3 2，1 9 9 9 7 D e u t s e h，J o u r n e l A G G S L I B g e o s t a t i s t i e a l s o f twa r e l i b r a r y and U S e r s g u i d e M N e w Y o r k：O x f o r d U n i v e rsi t y P r e s s，1 9 9 8 8 E c o n o m l d e s M J，N o l t e K G R e s e r v o i r s t i m u l a t i o n M 3 r d e d i t i o n Ne w J e rse y：Pr e n t i c e Hall，2 0 0 0 9 屈静，林立世，杨永华，等 闭合 酸压技术在 川东北 地区海 相碳 酸盐岩储 层开发 中 的应用 J 油气 地质 与 采收率，2 0 0 9，1 6 (5)：9 7 9 9 编辑裴磊