碳酸盐岩酸蚀裂缝空间演化规律研究

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碳酸盐岩储层地质结构复杂,非均质性极强,油气储集不连续。因此酸压成为这类储层建产、稳产和增产的关键技术。酸蚀裂缝导流能力是衡量酸压施工效果的重要参数之一。获得较高且稳定的酸蚀裂缝导流能力,对于目前深层、高温高压的碳酸盐岩储层改造来说至关重要。酸蚀裂缝渗流空间的形态与大小直接决定导流能力的高低,准确地表征酸蚀裂缝渗流空间对评价酸蚀裂缝的导流能力具有重要的意义。受益于酸液的非均匀溶蚀和裂缝面的滑移效应,酸蚀裂缝在闭合应力作用下仍能构建有效的渗流空间,从而保持较高的导流能力。由于裂缝面有着复杂的表面形态,导致研究闭合过程中裂缝面接触问题变得十分困难,裂缝面微凸体在不同接触方式下的变形机理有待完善。同时,目前主要基于单一的二维参数对酸蚀裂缝表面形态进行研究,而鲜有涉及酸蚀裂缝渗流空间形态的定量化描述,酸蚀裂缝的空间形态表征参数缺乏。因此,明确酸压滑移裂缝形成机制,完善酸蚀裂缝面闭合机理,实现酸蚀裂缝渗流空间重构,建立一套针对渗流空间的量化表征方法,揭示滑移效应下渗流空间的演化规律是十分必要的。采用有限元软件对应力干扰区天然裂缝滑移效应进行数值模拟,阐述了裂缝沟通区的天然裂缝滑移理论,明确了人工裂缝滑移机制,并总结了酸蚀软化效应对滑移裂缝的影响规律。选取人工裂缝与天然裂缝不同夹角,对应力干扰区天然裂缝滑移效应进行数值模拟。研究结果表明,人工裂缝诱导应力和注入流体对裂缝壁面的挤压,导致天然裂缝壁面的滑移。无论人工裂缝与天然裂缝夹角如何,均会存在滑移效应且形成机制存在差异,滑移效应在酸压过程中具有一定的普遍性。天然裂缝滑移理论表明,裂缝沟通区的天然裂缝先是发生滑移,然后产生酸液刻蚀,滑移程度主要受岩石的杨氏模量、泊松比、地应力差、夹角、天然裂缝长度及缝面摩擦系数等因素影响。同时,人工裂缝滑移一方面是在裂缝起裂时产生,另一方面则是由裂缝面差异化刻蚀形成的等效滑移。而酸蚀软化效应下缝宽减少量与闭合应力存在幂函数关系。由于滑移效应的作用,II区内裂缝两面微凸体在接触闭合时存在正接触与侧接触状态,由此才能形成更为有效的渗流通道。基于细观力学,考虑微凸体完全弹性-弹塑性-完全塑性三个变形阶段。对于正接触,在弹塑性变形阶段引入插值法,建立微凸体正接触模型,克服了常规模型的不足,通过高斯分布规律,映射到整个裂缝面,形成裂缝面接触模型。该模型能够较好地描述在法向应力增加过程中裂缝的闭合行为,具有较高的可靠性。对于侧接触,基于经典KE模型,完善三个变形阶段的微凸体接触机理,通过高斯分布规律,从而形成裂缝面侧接触模型。利用数字化方法重构酸蚀裂缝空间,借助自写程序开展酸蚀裂缝滑移作用下演化规律研究。结果表明,随着滑移距离的增加,等效酸蚀裂缝空间形态相较于初始形态差异较大,等效空间高度的极大值与滑移距离正相关,未接触比例随滑移距离的变化无明显规律。引入曲率概念,构建7×7网格模型,将空间某点四个方向上的特征予以描述,并赋予不同权重,建立复杂空间体曲率计算方法,从而有效表征了酸蚀裂缝空间的变化特征。等效酸蚀裂缝空间的平均曲率与滑移距离存在二次函数关系,滑移距离越大,平均曲率越大,形成的酸蚀空间越趋复杂,渗流通道越有效。对酸蚀裂缝平均缝宽的研究表明,滑移效应显著增加酸蚀裂缝的平均缝宽,滑移前裂缝空间形态越复杂,滑移后平均缝宽增加倍比越大。在构建平均缝宽与平均曲率关系模型基础之上,考虑裂缝面的闭合程度(吻合度)、闭合应力以及岩石力学参数,获得了基于酸蚀裂缝渗流空间曲率的导流能力预测模型。结合酸蚀软化效应与裂缝面闭合变形特征,以及滑移效应下酸蚀裂缝演化规律,最终建立了多因素影响下酸压滑移裂缝导流能力预测模型。
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