通过矿物改造快速提高深部和超深部碳酸盐储层的酸压裂传导性：一种新方法

《International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences》：Rapidly improving the acid-fracture conductivity in deep and ultra-deep carbonate reservoirs through mineral alteration: a new method

研究深部及超深层碳酸盐储层中PPN缓冲溶液协同酸化处理对裂缝导流性的提升机制。通过对比胶凝酸与有机酸在不同岩性（毛口石灰岩、嘉陵江泥质石灰岩）中的效果，发现200℃下4小时PPN处理使导流性分别提升29.4倍和19.0倍，同时修复酸损伤结构，降低闭合位移，硬度恢复率达39.4%-29.8%。该技术为超深层储层高效开发提供新方法

　　

陈向|邓兆旭|刘平莉|张天宇|杜娟|唐洪明|胡海泰|高轩|王中轩|何晓天

中国四川省成都市西南石油大学油气水库地质与开发国家重点实验室，610500

摘要

深部和超深部碳酸盐岩储层含有丰富的地热和天然气资源，而酸压裂缝的导电性是决定这些资源开发效率的关键因素。然而，高闭合应力和酸诱导的损伤可能导致裂缝闭合和导电性下降。矿物改变化学作用是指现有矿物在原位转化为新的化合物，但目前这一过程速度过慢（需要72小时）。Na₂HPO₄ + H₃PO₄ 缓冲溶液（PPN）已被初步证明能够有效提高岩石强度。本研究探讨了不同酸体系（凝胶酸和有机酸）以及PPN处理在200°C条件下对两种地层（毛口石灰岩和嘉陵江泥质石灰岩）的蚀刻形态、硬度和裂缝导电性的影响。实验结果表明，在超高温度下，PPN快速处理能够有效提高高闭合应力下的裂缝导电性，并揭示了其作用机制。经过4小时的PPN处理后，毛口地层和嘉陵江地层样品的裂缝导电性分别比未经处理的样品提高了29.4倍和19.0倍。酸溶解使岩石微观结构从致密紧密变为疏松多孔，形成大量溶解孔隙和微裂缝。相比之下，PPN处理将裂缝表面的碳酸盐矿物原位转化为更硬的羟基磷灰石，修复了酸诱导的结构损伤，从而提高了岩石强度和抗变形能力，减少了应力作用下的裂缝闭合位移。酸诱导的损伤使毛口地层和嘉陵江地层样品的硬度分别降低了25.6%和36.9%。PPN处理对石灰岩和泥质石灰岩均有效，岩石硬度的最大提升幅度分别为39.4%和29.8%。有机酸在泥质石灰岩中产生的蚀刻形态比凝胶酸更不均匀。本研究为深部和超深部储层中快速构建高导电性裂缝及高效能源开发提供了新途径。

引言

将本世纪全球温度上升控制在2°C以内是《巴黎协定》的核心目标，减少二氧化碳排放是实现这一目标的关键途径。1, 2, 3 地热能是一种可再生且清洁的能源，具有零碳排放特性。4, 5 天然气是一种低碳清洁能源，其碳排放量远低于煤炭或石油。全球地热资源非常丰富，相当于约4.27 × 10¹⁶吨标准煤，其中约88%埋藏在5000米以下，属于深部和超深部储层。6 碳酸盐岩是地热储层的典型岩性。7, 8, 9 此外，碳酸盐岩储层贡献了全球50%以上的石油和天然气储量及产量。10, 11 在中国，四川盆地和塔里木盆地已发现多个超深部（>6000米）碳酸盐气藏，代表性井包括申迪-塔克-1（亚洲最深的垂直井）和彭申-6（亚洲第二深的垂直井）。

深部和超深部碳酸盐岩储层通常具有极低的孔隙度和渗透率、超高的温度（>180°C）以及高的闭合应力（>27.6 MPa）。12, 13 酸压刺激是一种有效的技术，可用于提高超低孔隙度和渗透率碳酸盐岩储层的产气能力，并构建增强型地热系统（EGS）。14, 15, 16, 17, 18 其原理是利用酸液压裂地层，形成新的裂缝，并通过酸岩反应诱导裂缝的非均匀蚀刻，从而赋予裂缝导电性。然而，实验室和现场研究表明，随着闭合应力的增加，酸蚀裂缝的导电性会迅速下降，导致产气量和地热回收效率大幅降低。19, 20 此外，酸诱导的损伤还会加速导电性的下降。这是因为酸岩反应显著削弱了裂缝壁的嵌合强度（S_RE），最多可降低80%，21 使得支撑结构在闭合应力作用下容易破裂或嵌合，从而导致裂缝宽度（W_f）和裂缝导电性（wk_f）迅速减小（图1a）。

为了提高裂缝导电性，人们研究了酸体系优化、注入参数控制、多段交替酸压以及闭合裂缝酸化等方法。这些方法主要旨在生成蚀刻程度深、非均匀的裂缝表面，但仍然无法有效应对超深部储层和高闭合应力的挑战。20, 22, 23, 24 陈等人提出了一种称为矿物改变化学的技术，该技术可将裂缝表面的大量碳酸盐矿物转化为高强度化合物，并修复酸诱导的结构损伤（图1c）。这一过程增强了岩石硬度和嵌合强度，从而提高了裂缝壁抵抗闭合应力的能力，减少了变形，使裂缝宽度和导电性得以保持（图1a）。矿物改变化学通常不单独使用，而是与传统裂缝导电性增强方法结合应用，用于强化已经形成非均匀蚀刻形态的裂缝。

表1总结了矿物改变化学前后酸蚀岩块的岩石强度和导电性的变化情况。结果表明，矿物改变化学能够提高碳酸盐岩的强度和裂缝导电性，证实了其在储层酸压刺激中的潜力。然而，现有研究与实际深部和超深部储层条件存在较大差异，工程应用前仍需解决一些关键问题。首先，现有研究中的实验温度（≤75°C）远低于地层温度（>180°C），实验闭合应力（≤22.06 MPa）也低于地层闭合应力（>27.6 MPa）。此外，矿物改变化学剂（NH₄HPO₄）的分解温度为155°C，23 其处理时间长达72小时，难以满足超高温度、高闭合应力及快速硬化的工程要求。24, 25 陈和邓等人提出通过控制质量传递和反应动力学来加速矿物改变化学，并初步证实Na₂HPO₄ + H₃PO₄ 缓冲溶液（PPN）在200°C下处理4小时后能显著提高致密圆柱岩芯的岩石强度。然而，其在超高温度和高闭合应力条件下的作用机制和效果仍不明确。其次，以往的实验都是在孔隙度（14%～30%）和渗透率（8 × 10^?3–19 × 10^?3 μm²）较高的样品上进行的，且大多数研究对岩样进行了干燥处理。而深部和超深部储层的孔隙度和渗透率通常较低，储层岩石处于饱和状态。在这种条件下矿物改变化学是否有效尚不清楚。最后，现有研究中使用的酸溶液均为盐酸，与实际工程中使用的酸溶液有很大差异。凝胶酸和有机酸等是深部和超深部碳酸盐岩储层酸压刺激中常用的酸体系。24, 25 然而，这些酸对岩石强度的影响机制尚未被探索。

本研究旨在探讨PPN处理在超高温度（200°C）和高闭合应力（0–60 MPa）条件下对API标准碳酸盐岩块硬度和导电性的影响及其机制。通过表征酸蚀裂缝形态、裂缝壁岩石硬度、裂缝闭合量和裂缝导电性，本研究分析了不同酸体系（凝胶酸和有机酸）及PPN处理对岩块硬度和导电性的影响机制、趋势和关键控制因素。验证了PPN处理的有效性，并为深部和超深部碳酸盐岩储层中构建高导电性酸压裂缝提供了新途径。

实验材料

为消除矿物成分的影响和岩石样品的异质性，实验样品取自中国四川盆地的毛口地层石灰岩和嘉陵江地层泥质石灰岩。选择了相对均匀且无裂缝和孔洞的岩样。每个岩块的尺寸为长176.44毫米、宽35.92毫米、高24.15毫米，其表面平整。

化学成分

岩块的原始特性

毛口地层石灰岩样品的孔隙度范围为0.36%至1.31%，渗透率介于0.0027 × 10^?3至0.0170 × 10^?3 μm²之间；嘉陵江地层泥质石灰岩样品的孔隙度范围为0.88%至1.21%，渗透率介于0.0016 × 10^?3至0.0020 × 10^?3 μm²之间。这两种地层均具有超低孔隙度和超低渗透率的特征。

X射线衍射分析（图5）显示，毛口石灰岩主要由...

结论

本研究探讨了在超高温度和高闭合应力下快速PPN处理对饱和流体石灰岩和泥质石灰岩硬度和裂缝导电性的影响及其机制，得出了一些有趣的发现：

(1)

经过酸处理和PPN处理后，岩石样品的微观结构和硬度发生了显著变化。由于嘉陵江地层的粘土含量较高，其初始硬度较低（166.2–179.6...

未来工作

基于本研究，未来需要关注几个方面以加速该技术的现场应用。尽管酸溶液在超高温度下会迅速失去反应性并变为残余酸，理论上不应影响PPN的硬化过程，但可以在PPN注入前增加一个水注入阶段，以冲洗裂缝壁，消除残余酸的影响。未来的研究应重点关注...

作者贡献声明

陈向：撰写 – 审稿与编辑、资源管理、方法论设计、实验实施、资金筹集、数据分析、概念构建。邓兆旭：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、结果验证、项目管理、方法论设计、实验实施、数据分析、概念构建。刘平莉：撰写 – 审稿与编辑、实验监督、资源管理、项目管理、资金筹集。张天宇：结果验证。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了以下项目的资助：国家自然科学基金（52504041）、吉林大学地质资源开发技术与装备工程研究中心（25017）以及中国博士后科学基金（2025M772950）。