碳酸盐岩酸蚀裂缝表面形态特征的实验研究

第32卷第3期2020年6月
岩性油气藏
LITHOLOGIC RESERVOIRS
V ol.32No.3Jun.2020
收稿日期：2019-08-01；修回日期：2019-09-09；网络发表日期：2019-09-19基金项目：国家科技重大专项“超深裂缝性气藏井筒失稳机理及转向工艺优化研究”（编号：2016ZX05051）资助作者简介：冯炜（1993—），男，意大利帕多瓦大学在读博士研究生，研究方向为油气井工程和储层改造。

地址：（35131）Via G.Gradenigo 6，
Padova ，Italy 。

Email ：****************。

文章编号：1673-8926（2020）03-0166-07
DOI ：10.12108/yxyqc.20200316
引用：冯炜，杨晨，陶善浔，等.碳酸盐岩酸蚀裂缝表面形态特征的实验研究.岩性油气藏，2020，32（3）：166-172.
Cite ：FENG W ，YANG C ，TAO S X ，et al.Experimental study on the surface feature of acid-etched fractures in carbonate rocks.
Lithologic Reservoirs ，2020，32（3）：166-172.
碳酸盐岩酸蚀裂缝表面形态特征的实验研究
冯
炜1，2，3
，杨
晨1，3，4，陶善浔1，3，王财忠1，3
，陆彦颖5，张路锋3，周福建3
（1.中国石油大学（北京）石油工程学院，北京102249；2.意大利帕多瓦大学地球科学学院，帕多瓦35131；
3.油气资源与探测国家重点实验室，北京102249；
4.华北水利水电大学水利学院，郑州450046；
5.中国石油集团川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院，四川广汉618300）
摘要：酸压是碳酸盐岩储层改造的常规手段，酸液对岩石的非均质刻蚀使得裂缝表面呈现独特的形态特征，目前针对酸蚀前后裂缝表面形态特征的研究还不够深入。

因此，通过室内实验借助3D 扫描技术获得真实酸蚀裂缝表面几何形态数据，引入新的表征参数h n 和εh ，定量描述了裂缝表面的起伏程度，对比了酸蚀前后裂缝表面形态的变化。

结果表明：酸蚀反应掉水力裂缝的槽点；沿酸液流动方向形成明显的沟槽，凸起部分变缓，曲折比减小，总体起伏程度增大；垂直酸液流动方向上形成了连续的上下波动，曲折比和起伏程度均增大。

关键词：酸岩反应；裂缝表面形态；表征参数；起伏程度中图分类号：TE34
文献标志码：A
Experimental study on the surface feature of acid-etched
fractures in carbonate rocks
FENG Wei 1，2，3，YANG Chen 1，3，4，TAO Shanxun 1，3，WANG Caizhong 1，3
，LU Yanying 5，
ZHANG Lufeng 3，ZHOU Fujian 3
（1.College of Petroleum Engineering ，China University of Petroleum （Beijing ），Beijing 102249，China ；2.Department of Geosciences ，
University of Padova ，Padova 35131，Italy ；3.State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting ，China University of Petroleum （Beijing ），Beijing 102249，China ；4.School of Water Conservancy ，North China University of Water Resources and
Electric Power ，Zhengzhou 450046，China ；DC Drilling and Production Technology Research Institute ，
Guanghan 618300，Sichuan ，China ）
Abstract ：Acid fracturing is a common method for stimulating carbonate reservoir.The surface characteristics of
acid-etched fracture is unique due to the non-uniform acid-etching.At present ，the research on geometric feature of fracture surface before and after etching is not enough.In this paper ，advanced experimental devices were used to obtain real acid-etched fracture samples ，then the geometric characteristics of the fracture surface were ana ‐lyzed by using 3D scanning data ，and the new parameters h n and εh were defined to quantitatively describe the fluctuation degree.Furthermore ，the change of fracture surface patterns before and after acid-etching were com ‐pared.The results show that gullies and holes were formed on the fracture surface and the fluctuation degree in ‐
2020年冯炜等：碳酸盐岩酸蚀裂缝表面形态特征的实验研究167 creased，the tortuosity decreased along the flow direction and increased vertically to flow direction after acid-etching. Key words：acid-rock reaction；surface feature；description parameters；fluctuation degree
0引言
酸化压裂是碳酸盐岩储层改造的关键技术，通过前置液压开裂缝，将酸液工作液注入地层，利用酸岩反应非均匀刻蚀裂缝表面，形成具有导流能力的不闭合的酸蚀裂缝通道［1-4］。

裂缝内部流体流动状态及力学行为与酸蚀裂缝表面几何形态有很大的关系，因此对裂缝表面进行详细描述是后续增产改造研究的重要前提。

国内外学者从20世纪70年代起就对粗糙表面开展了大量形态表征的研究工作［5-7］。

Barton［8］通过大量的参数分析引入JRC参数用于表征表面的粗糙程度，并根据JRC数值将粗糙程度划分为10个等级，但此参数无法表征复杂表面情况。

Mandel‐brot［9］基于自相似性和仿射性率先提出分形理论，但是由于定义及介绍不明确，此方法的使用存在较大缺陷。

Lanaro［10］开始使用3D表面光度仪来获取裂缝表面的高度分布，并通过计算获取数据分析裂缝宽度情况。

随后，酸蚀裂缝表面形态的针对性研究逐渐开展。

Ruffet等［11］利用简单机械探针式表面轮廓仪扫描得到了酸蚀裂缝的高度分布数据，实现了对裂缝宽度、粗糙度、峰态等表征参数的首次计算。

赵仕俊等［12］成为首位利用3D激光轮廓仪对酸蚀裂缝表面形态研究的国内学者，但由于室内实验条件的限制并未得到酸蚀裂缝壁面的图像。

随后，卢渊等［13］利用成像软件实现了酸蚀裂缝的3D成像。

Neumann等［14］将酸蚀裂缝分类成均匀刻蚀、非均匀刻蚀和沟槽刻蚀，并进行了数字化成像。

曲冠政等［15］以页岩微裂缝的几何特征为例，定义了裂缝面的迂曲度、粗糙度和倾角等描述参数。

Lu等［16］提出横向曲折比和纵向曲折比2个参数从整体和平均的角度表征酸蚀裂缝形态，将岩样的刻蚀形态分为9类，首次实现了刻蚀分类的数字化，使得酸蚀裂缝表面的表征更具有针对性。

综合来看，随着宏观物理技术的改进与发展，裂缝面几何形态数据的获取变得更加精确，表征参数的不断优化，也给数字化的裂缝面形态赋予了更多的物理意义，但是对于酸蚀裂缝表面形态特征和酸蚀前后裂缝表面变化的研究还不够深入。

借助3D扫描技术，以裂缝表面形态数据为基础，引入新参数，完善描述手段，并从直观和数字化2个方面对酸蚀前后裂缝表面形态变化开展研究，总结其变化规律，以期为酸蚀裂缝形态的深入研究提供可靠依据。

1裂缝表面形态扫描设备与方法
为准确模拟现场酸压过程，本文通过开展室内真三轴压裂模拟实验、酸刻蚀模拟实验和3D扫描实验，获取真实酸蚀裂缝表面形态。

酸刻蚀物理模拟实验是分析酸蚀裂缝表面几何形态的基础，具体实验设备及方法介绍如下。

1.1真三轴压裂模拟实验
图1为本文研究所用的真三轴压裂模拟实验设备，装载区可放置尺寸为30cm×30cm×30cm的大尺寸岩样，加载区可给岩样施加x，y，z等3个方向的应力，来模拟不同应力条件下的裂缝起裂和扩展情况。

通过开展真三轴压裂模拟实验可以获得具有粗糙度的水力裂缝。

实验岩心为伊朗北阿区块碳酸盐岩，加载应力σ
h
，σ
H
，σ
z
分别为5.0MPa，7.5MPa，18.0MPa，注入速度60mL/min。

图1真三轴压裂模拟系统
Fig.1Triaxial fracturing simulation system
1.2酸刻蚀模拟实验
图2为实验所采用的酸刻蚀模拟系统。

实验样品采用API标准尺寸的岩样（图3），放置在采用哈氏合金为材质的API标准导流室。

另外此系统可给岩板施加10MPa的围压，注入速度可通过活塞泵调控，最大可达1L/min。

岩样制备需要经过线切割、涂胶等过程。

酸刻蚀实验时，可在岩板之间放置垫片来模拟不同裂缝宽度的酸刻蚀过程，通过酸刻蚀模拟实验可以获得用于研究的酸蚀裂缝岩板。

本次实验所用酸液为VES转向酸，酸岩接触时间30min，酸液注入速度为30mL/min，模拟裂缝宽度2mm 。

应力加载设备岩样装载区
大尺寸岩样
168
岩性油气藏第32卷第3期
图2酸刻蚀物理模拟系统
Fig.2Acid etching simulation system
图3API 标准尺寸岩板
Fig.3API rock samples
1.33D 扫描实验
本次实验所采用的3D 扫描仪如图4所示，该扫描仪采用激光扫描，精度高，x ，y 方向的步长为0.02mm 。

在扫描过程中，由投影设备发射细条蓝光，蓝光波长短，能量较充足，可缩短扫描时间。

数据收集过程中，可以有效过滤掉环境光的干扰。

该设备可以准确地获取被扫描物表面的真实空间坐标。

图43D 扫描仪Fig.43D scanner
2描述方法的引入
酸液对岩石的刻蚀是个复杂的反应过程，与岩
板矿物成分、渗透性及均质性等密切相关，从而导
致酸蚀后裂缝表面呈现各不相同的形态特征。

酸蚀裂缝表面形态的描述方法层出不穷，Lu 等［32］介绍了一种数字化描述方法，引入定义L cc （横向剖切曲边长度）、L cl （纵向剖切曲边长度）以及相对应的εcc （横向曲折比）、εcl （纵向曲折比），本次研究在此成果基础上改进与完善。

通过分析，此方法并不能十分完善地描述酸蚀裂缝的几何形态特征，如图5所示，取任意剖面，定x 长度相同时，这3个形态的曲边长度和曲折比是相同的，但是其形态完全不同，单用此方法是无法分辨出这3种形态区别。

图5裂缝表面3D 扫描成像图
Fig.5
3D scanning images of fracture surfaces
控制操作台
样品加载台扫描设备
动力泵
酸液加热设备酸液储存罐
岩板加持装置围压加载装置
3cm
20
100
30
20
10
204060
80100
120
140
20100
30
20
10
20
40
60
80
100
12
140
5
10
15
20
25
x
y z z /m m
y /m
m
x /m
m
z /m m
y /m
m
x /m
m
z /mm
x
y z
2020年冯炜等：碳酸盐岩酸蚀裂缝表面形态特征的实验研究169
针对图6分析可知，当曲线长度或曲折比相同时，其形态可以是均匀的上下起伏，也可以是有剧烈起伏点，其他处较平缓的。

因此需要引入其他参数来解决这一缺陷。

图6同曲折比下的不同裂缝形态
Fig.6
Different fracture patterns under the same
tortuosity ratio
以此3种情况为例，如图7中蓝色直线所示为计算后得出的这3条曲线所有高度分布的平均值所在的直线，可以直观地看出直线上下方曲线总长度存在明显的差异，此时定义任意点高度Z n 值与平均高度Z ˉ的比值为高度比h n ，即
h n =Z n
Z
ˉ（1）
此时可计算得到h n ，即n 个h 值，随后，根据h 值的范围，将其分类，运用数学统计的方法可以看出高度值的分布规律。

为方便理解，以图6中的3种情况为例，并且
图7不同裂缝形态的平均高度线
Fig.7Average height line of different fracture patterns
划分以1为基准，其中h 值＞1的数量记为P ，＜1的数量记为Q ，计算可得：（a ）P ＞Q ；（b ）P ＜Q ；（c ）P ≈Q 。

出现P ，Q 数量差别较大的原因为曲线的凹凸性，即图6（a ）中以水平线为准存在下凹的峰值，图6（b ）中以水平线为准存在上凸的峰值，而图6（c ）中基本都在均值线上下对称浮动。

引入h n ，与曲折比相结合，可以更好地对酸蚀裂缝形态进行描述。

为了h n 更数字化表达，定义各点h n 离差平方的均方差为εh ，即代表距离平均高度的起伏程度
εh =1n ∑i =1
n
()
1+||1-h i 2
（2）
应用此方法选取图6（a ），（b ）等2个酸蚀裂缝面的扫描数据，对扫描数据3D 重构，计算平均高度、曲折比、h n 分布及εh ，结果如表1所示：
表1平均高度、曲折比、h n 及εh 计算结果Table 1Circulations of average height ，sinuosity ，h n and εh
3酸蚀对裂缝表面的影响
为了更好地分析酸蚀作用对裂缝表面形态的影响，通过实验室内模拟得到真实形态特征的酸蚀裂缝岩板，借助3D 扫描图像及参数计算，从直观和数字化计算的2个角度研究了酸蚀前后裂缝表面形态的特征。

3.1直观解释
将酸蚀前［图8（a ）］、后［图8（b ）］裂缝表面形态
的成像图对比，可直观看出，岩板表面整体变得更加“平滑”，酸岩反应后，酸蚀裂缝表面没有出现类似水力裂缝的“糙点”。

具体分析可看，图8中黄色框与绿色框标记两处，酸蚀前水力裂缝出现了明显的突变“断痕”，裂缝表面也有较多的毛刺状凸起，对比酸蚀后形态，突变和凸起处都较平缓。

但可见酸蚀裂缝表面沿着酸液流动方向形成了明显的沟槽，可也将影响裂缝内流体流动的运动状态。

（a ）（b ）
点数
141531141531
Z
ˉ16.88312114.828946
横向曲折比1.3482741.384533
纵向曲折比1.1280631.107495
h n 小于1
6975972868
h n 大于1
7177268663
εh
1.7589516581.785860834
z /mm
x /mm
z /mm
x /mm
z /mm
x /mm
z /mm
x /mm
z /mm
x /mm
z /mm
x /mm
170岩性油气藏第32卷第3期图8酸蚀前（a）后（b）3D裂缝形态图
Fig.83D images of fracture surfaces before（a）and after
（b）acid-etching
3.2数字化解释
为了量化酸蚀前后裂缝表面的变化，借助3D
扫描数据和以上介绍的描述参数，从剖面的高度分
布数据开展研究，选定y=4mm和y=22mm剖面
为实例，从轮廓图、迂曲度、h
n 分布及ε
h
结果分析沿
酸液流动方向（x轴）的酸蚀前后变化，另外，选定
x=5mm和x=100mm处分析垂直酸液流动方向
（y轴）的酸蚀前后变化。

（1）沿酸液流动方向
图9为y=4mm和y=22mm的2剖面的高度
分布，取点步长0.2mm，可以看出，酸蚀后轮廓高度
明显低于酸蚀前，计算得y=4mm曲线酸蚀前、后
的平均高度Zˉ为17.0223374和16.56134467；y=
22mm曲线酸蚀前、后的平均高度Zˉ为15.01225913
和14.30429436。

同时，根据曲折比的定义与计算
方法，计算得y=4mm曲线酸蚀前、后的曲折比分
别为1.327818和1.1128168；y=22mm曲线酸蚀
前、后的曲折比分别为1.295031和1.105843。

根
据计算结果，可知酸蚀后沿着流动方向的曲折比降
低，即凸起点反应后的结果。

另外，通过计算后h
n
的分布，统计以0.1为步长区间点如下。

图9y=4mm和y=22mm剖面轮廓图
Fig.9Outline of y=4mm and y=22mm
如表2计算数据，以1为基准线，可发现酸蚀
前后大于1和小于1的变化很小，这与酸蚀前后的总体轮廓较小的趋势变化有关。

细分可见h
n
大于
1.1的分布数量减少与h
n
在1.0～1.1的数量增大，
说明突出点被酸蚀反应平缓，而h
n
小于1的数量变
化不大，低点位置的酸岩反应较均匀。

同时计算ε
h ，
酸蚀前、后分别是1.384044135和1.405539746。

说明虽然总体高度降低，曲折比降低，但是酸蚀后
总体起伏程度增大了。

同理，计算y=22mm时的参数，h
n
的分布如
表3所列。

计算酸蚀前、后ε
h
分别为1.482729406和1.492242264，总体起伏程度同样增大。

表2y=4mm的h
n
分布
Table2h
n distribution with y=4mm
x/mm
y=4酸蚀后酸蚀前0.5～0.6
1
0.6～0.7
42
41
0.7～0.8
139
133
0.8～0.9
72
70
0.9～1.0
56
51
1.0～1.1
203
162
1.1～1.2
57
90
1.2～1.3
130
144
1.3～1.4
7 24
20
16
12
8
z
/
m
m
020406080100120140160
x/mm
020406080100120140160 22
18
14
10
6
z
/
m
m
y=4mm（酸蚀前）
y=4mm（酸蚀后）
y=22mm（酸蚀前）
y=22mm（酸蚀后）
y z
x（a）
（b）
2020年冯炜等：碳酸盐岩酸蚀裂缝表面形态特征的实验研究
171
表3y =22mm 的h n 分布
Table 3h n distribution with y =22mm
值得一提的是，h n 从1.0～1.1，1.1～1.2，1.2～1.3的分布变化可以看出，分布数量总体从1.3向1.0转移，即沿着流动方向波动较大点的数量变少，与曲折比变小的规律一致。

（2）垂直酸液流动方向
另一方面，通过截取纵向剖面即x =5mm 和x =100mm 两处的高度轮廓数据，采用以上同样的分析方法，讨论垂直流动方向酸蚀前、后的表面起伏度变化（图10）。

发现酸蚀后发生了不均匀刻蚀，整体高度下降。

进一步计算得到x =5mm 曲线酸蚀前、
后的平均高度Z ˉ为12.17678374和11.90204601；x =
100mm 曲线酸蚀前、后的平均高度Z ˉ为17.94658736和17.54879672。

同时，计算得x =5mm 曲线酸蚀前后的曲折比分别为1.15118和1.176895；酸蚀前后εh 分别是1.159679097和1.165511178。

x =100mm 曲线酸蚀前、后的曲折比分别为1.097567和1.156521；酸蚀前、后εh 分别是1.09101552和1.095133717。

根据计算数据可得，酸蚀后垂直流动方向曲折比变大，起伏程度也变大。

图10x =5mm 和x =100mm 剖面轮廓图Fig.10Outline of x =5mm and x =100mm
如表4计算h n 数据，细分可见h n 为0.8～0.9，1.1～1.2的分布数量增大，相对应h n 为0.9～1.1的
分布数量减少，数据的变化说明高点与低点分布变多，起伏程度增大。

计算x =100mm 时的参数，得到一致的结果。

表4x =5mm 的h n 分布
Table 4h n distribution with x =5mm
根据以上计算结果，总结了酸蚀前后高度轮廓线随酸液流动剖面的变化关系，从而更好地解释说明了酸蚀作用对裂缝表面形态的影响（图11），由图11（a ）可知，沿酸液流动方向（x 轴方向），凸起部分随酸岩反应逐渐变缓、光滑，曲折比减小，但起伏度增大。

图11（b ）总结可知，酸蚀沿流动方向形成沟槽，导致在垂直方向上形成了连续的上下波动，导致曲折比和起伏程度增大。

图11酸蚀前后高度变化示意图
Fig.11Sketch of the height change before and after
etching
4结论
（1）通过引入新的表面高度分布h n 及计算表
y =22
酸蚀后酸蚀前
0.5～0.6
10
0.6～0.7136134
0.7～0.810094
0.8～0.93655
0.9～1.02210
1.0～1.18289
1.1～1.2203180
1.2～1.397127
1.3～1.45341
x =5酸蚀后酸蚀前
0.8～0.94940
0.9～1.02838
1.0～1.15767
1.1～1.22817
（a ）沿流动方向
（b ）垂直流动方向
z
x
z
y
161412108
z /m m 0
5
10
15
20
25
30
35
40
y /mm
x =5mm （酸蚀前）
x =5mm （酸蚀后）
5
10
15
20
25
30
35
40
y /mm
201816141210x =100mm （酸蚀前）
x =100mm （酸蚀后）
z /m m
172岩性油气藏第32卷第3期
面起伏程度ε
h
等2个评价参数，可更直观地对裂缝面的起伏趋势进行准确地描述。

（2）借助高精度3D扫描图形及评价参数的计算结果对酸蚀后裂缝表面形态进行了描述，发现酸蚀裂缝不具有毛刺状凸起特征，但沟槽和孔洞结构增大了裂缝表面起伏度。

（3）基于对酸蚀前后裂缝特定剖面的计算，对比了高度轮廓线的变化，得出沿酸液流动方向，凸起部分变缓，曲折比减小，起伏程度增大；酸蚀沿流动方向形成沟槽，在垂直流动方向上形成了连续的上下波动，导致曲折比和起伏程度均增大。

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（编辑：吕锡敏）。