石油工程

火山岩储层压裂酸化过程中酸液渗吸/离子扩散特征——以准噶尔盆地石炭系火山岩为例

  • 杨柳 , 1 ,
  • 赵子恒 1 ,
  • 刘震 1 ,
  • 姜晓宇 1 ,
  • 公飞 1 ,
  • 孙怡康 1 ,
  • 高华凯 1 ,
  • 卢秋羽 , 2
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  • 1 中国矿业大学(北京)隧道工程灾变防控与智能建养全国重点实验室, 北京 100083
  • 2 中国石油大庆油田采油工艺研究院, 黑龙江大庆 163453
卢秋羽(1993-),女,黑龙江齐齐哈尔人,博士,中国石油大庆油田采油工艺研究院工程师,主要从事油气田开发研究。地址:黑龙江省大庆市让胡路区大庆油田采油工艺研究院,邮政编码:163453。E-mail:

杨柳(1987-),男,山东潍坊人,博士,中国矿业大学(北京)力学与土木工程学院副教授,主要从事CO2地质封存与驱煤层气-页岩油气研究。地址:北京市海淀区学院路丁11号,中国矿业大学(北京)力学与土木工程学院,邮政编码:100083。E-mail:

Copy editor: 胡苇玮

收稿日期: 2025-06-18

  修回日期: 2025-12-10

  网络出版日期: 2025-12-15

基金资助

国家自然科学基金面上项目“页岩油储层前置CO2压后渗吸驱油机制研究”(52374014)

Acid imbibition and ion diffusion characteristics during fracturing and acidizing of volcanic rock reservoirs: A case study of Carboniferous volcanic rocks in Junggar Basin, NW China

  • YANG Liu , 1 ,
  • ZHAO Ziheng 1 ,
  • LIU Zhen 1 ,
  • JIANG Xiaoyu 1 ,
  • GONG Fei 1 ,
  • SUN Yikang 1 ,
  • GAO Huakai 1 ,
  • LU Qiuyu , 2
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  • 1 State Key Laboratory for Tunnel Engineering, China University of Mining and Technology (Beijing), Beijing 100083, China
  • 2 CNPC Daqing Oilfield Production Technology Institute, Daqing 163453, China

Received date: 2025-06-18

  Revised date: 2025-12-10

  Online published: 2025-12-15

摘要

选取准噶尔盆地石炭系角砾岩、安山岩、凝灰岩及英安岩4类岩样,采用X射线衍射、扫描电镜和核磁共振3种方法对酸化前后的火山岩样品进行表征,研究火山岩储层压裂酸化过程中酸液渗吸/离子扩散特征。结果表明,侵入的酸液会溶蚀矿物、改变孔隙结构,且不同岩性火山岩酸化溶蚀效果存在显著差异,角砾岩与安山岩因富含方解石等易溶矿物,酸化后孔隙连通性大幅提升。火山岩富油与富水孔隙中酸蚀效果也存在明显差异,酸液在富水孔隙内以H+扩散溶蚀为主,在富油孔隙中以渗吸溶蚀为主。富水孔隙中形成的水合氢离子网络强化了H+扩散能力,促使各级孔隙均匀溶蚀,孔隙趋于均质化,分形维数降低。富油孔隙中酸液以毛管压力驱动的渗吸作用为主,优先溶蚀小孔,中大孔隙溶蚀滞后,整体酸蚀程度较低,孔隙非均质性保持较高水平。酸液渗吸/离子扩散过程均呈现“线性—过渡—稳定”3阶段演化特征:线性阶段酸液渗吸/H+扩散距离与时间平方根成正比;过渡阶段H+扩散速率因黏土矿物水化沉淀导致的孔喉堵塞而降低,酸液渗吸溶蚀使得流体渗流能力增强,抵消了毛管压力衰减的影响,渗吸速率继续增加;稳定阶段酸液渗吸/离子扩散均达平衡状态。

本文引用格式

杨柳 , 赵子恒 , 刘震 , 姜晓宇 , 公飞 , 孙怡康 , 高华凯 , 卢秋羽 . 火山岩储层压裂酸化过程中酸液渗吸/离子扩散特征——以准噶尔盆地石炭系火山岩为例[J]. 石油勘探与开发, 2025 , 52(6) : 1448 -1459 . DOI: 10.11698/PED.20250347

Abstract

Four types of volcanic rock samples, i.e. breccia, andesite, tuff, and dacite, selected from the Carboniferous in the Junggar Basin were characterized through experiments such as X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM) and nuclear magnetic resonance (NMR) for identifying the acid imbibition and ion diffusion behaviors during fracture acidizing in volcanic rock reservoirs. The results demonstrate that the invaded acid dissolves the minerals and alters the pore structure in the reservoir. Volcanic rocks of different lithologies exhibit substantial variations in their acidification and dissolution effects. Breccia and andesite, which contain abundant calcite and other soluble minerals, show markedly improved pore connectivity after acidizing. In addition, pronounced differences are observed between the acid-induced dissolution responses of oil-rich and water-rich pores within volcanic rocks. In water-rich pores, acid-induced dissolution is dominated by H⁺ diffusion, whereas in oil-rich pores, imbibition-driven dissolution is the primary mechanism. The hydrated hydrogen-ion network formed in water-rich pores enhances H⁺ diffusion, facilitating uniform dissolution across pore scales. As a result, the pore structure becomes more homogenized, leading to a reduction in fractal dimension. In oil-rich pores, acid imbibition driven by capillary pressure is the predominant mechanism, enabling small pores to be dissolved preferentially, followed by medium to large pores. Consequently, the overall extent of acid erosion remains limited, and pore heterogeneity persists at a high level. Both the acid-imbibition and ion-diffusion processes exhibit a three-stage evolution: linear- transitional-stable. In the linear stage, the acid imbibition and H⁺ diffusion distances scale proportionally with the square root of time. In the transitional stage, the H⁺ diffusion rate decreases due to pore-throat blockage induced by the hydration and precipitation of clay minerals. Concurrently, acid imbibition and mineral dissolution enhance the fluid flow capacity, partially offsetting the attenuation of capillary pressure, and sustaining the increase in imbibition rate. In the stable stage, both acid imbibition and ion diffusion approach equilibrium.

0 引言

近年来,中国火山岩探明储量已占全球探明总储量的53%[1-8],准噶尔盆地已成为中国西部火山岩油气藏勘探的主阵地。然而火山岩储层具有岩相种类多、孔隙结构及矿物组成复杂等特点,导致储层预测和评价面临巨大挑战,制约了其高效勘探开发[9-13]。压裂酸化技术作为非常规油气开发的重要手段,具有良好的解堵增产增注作用,近年来得到了广泛应用[14-16]。然而火山岩储层酸化前后孔隙结构溶蚀机理尚不清楚,且酸液渗吸及H+扩散规律复杂,目前压裂酸化技术应用难度较大。
压裂酸化过程中酸液与岩石之间涉及复杂的物理化学过程,其导致岩石中矿物的溶解和沉淀,改变微孔隙结构并影响流体的流动性。选用适当的酸液能达到解堵效果,有效提高岩心基质渗透率[17]。在酸液浸泡对火山岩微观结构的影响中,酸岩化学作用主要影响碳酸盐和黏土矿物的含量[18]。多数碳酸盐矿物易与酸液快速反应,溶蚀孔隙与小尺寸的层状裂缝结构,显著破坏矿物颗粒的堆叠形态[19]。当酸液接触到裂缝壁面时,发生溶蚀作用,疏松的堵塞物和溶蚀物从孔隙和裂缝壁面剥蚀下来[20]。同时,酸液会溶解堵塞裂缝的无机矿物,增加孔隙与裂缝间的连通性[21]。如此既能解除堵塞,又能有效沟通孔隙-裂缝双重介质,增强孔隙结构的连通性。
酸液-岩石相互作用在一定程度上影响了流体在孔隙结构中的渗流能力。酸液渗流行为受到火山岩岩性、矿物组成、温压条件、孔隙类型(富水孔隙、富油孔隙)等多种因素的影响[22-23]。不同岩性火山岩矿物组分差异明显,内部可溶性矿物的溶解程度会显著影响酸液渗吸强度及离子扩散速率[24]。酸液溶解黏土矿物后会诱导内部微裂缝的扩展,进而增强孔隙结构的渗流能力[25]。Zhang等[26]通过岩板支架对压裂液施加冷却作用,发现温度降低会抑制酸岩反应体系内H+的扩散效率。值得注意的是,酸液在火山岩富水孔隙与富油孔隙中的运移机制存在明显差异,运移方式分别以H+扩散和渗吸作用为主[27-29]。Irannezhad等[30]通过改变多孔微模型水湿区和油湿区的比例,指出不同润湿比例的孔隙流动模式存在明显差异。
综上所述,火山岩储层存在强非均质性,原油难以成片连续分布,导致酸液在火山岩富水、富油孔隙内的运移规律存在明显差异。目前不同岩性火山岩酸液作用前后孔隙结构的演化规律尚不清楚,富油孔隙中酸液渗吸与富水孔隙中离子扩散机制的研究仍然较少。因此,本文以准噶尔盆地石炭系火山岩岩心为研究对象,研究酸液-岩石相互作用下不同岩性火山岩孔隙结构及矿物组分的演化规律,以及富水孔隙与富油孔隙内的酸液渗吸/离子扩散特征。研究结果可为火山岩油藏压裂酸化技术设计提供理论指导和技术支撑。

1 实验介绍

1.1 实验样品

本文实验以准噶尔盆地石炭系角砾岩、安山岩、凝灰岩及英安岩4种岩性火山岩为研究对象。采用线切割工艺将井下岩心制成25 mm×40 mm的柱塞样品,物性测试分析发现岩心孔隙度在6.42%~7.83%,渗透率在(0.129 5~0.389 0)×10-3 μm2。为清除样品中的残油,用石油醚清洗样品21 d,然后将样品置于干燥箱中干燥至样品质量不变。

1.2 实验设计

火山岩储层存在强非均质性,原油难以成片连续分布,而富水孔隙与富油孔隙中酸液运移规律存在较大差异。富油孔隙中酸液需通过渗吸作用克服油相阻力实现孔隙侵入与酸蚀反应,富水孔隙中地层水会稀释酸液并影响H+扩散路径。此外,地层温度与压力环境也会影响酸岩反应动力学过程。为了研究不同岩性火山岩富水/富油孔隙的酸液运移机制差异及温压条件的影响,设置了3组对比实验,实验设计如表1表3所示。
表1 不同岩性火山岩富水孔隙酸液浸泡实验设计
样品
编号
岩性 样品状态 酸液类型 孔隙度/
%
渗透率/
10-3 μm2
A1 角砾岩 饱和水 10%HCl+1% HF 7.62 0.318 5
A2 英安岩 饱和水 10%HCl+1% HF 6.42 0.129 5
A3 安山岩 饱和水 10%HCl+1% HF 7.23 0.389 0
A4 凝灰岩 饱和水 10%HCl+1% HF 7.35 0.293 5

注:实验温度25 ℃、压力0.1 MPa

表2 不同岩性火山岩富油孔隙酸液浸泡实验设计
样品
编号
岩性 样品状态 酸液类型 孔隙度/
%
渗透率/
10-3 μm2
B1 角砾岩 饱和油 10%HCl+1% HF 7.83 0.331 2
B2 英安岩 饱和油 10%HCl+1% HF 6.53 0.140 2
B3 安山岩 饱和油 10%HCl+1% HF 7.26 0.386 2
B4 凝灰岩 饱和油 10%HCl+1% HF 7.36 0.287 3

注:实验温度25 ℃、压力0.1 MPa

表3 不同温压条件下安山岩富油孔隙酸液浸泡实验设计
样品编号 岩性 样品状态 酸液类型 温度/℃ 压力/MPa
C1 安山岩 饱和油 10% HCl+1% HF 70 30
C2 安山岩 饱和油 10% HCl+1% HF 80 30
C3 安山岩 饱和油 10% HCl+1% HF 90 30

1.3 实验方法

1.3.1 酸化实验

基于火山岩压裂酸化现场工艺,采用含10%HCl和1%HF的复合酸液对火山岩样品进行酸化处理:①将火山岩样品置于真空处理后的容器中,进行饱和水或饱和油处理;②将饱和完成后的火山岩样品转移至聚四氟乙烯耐酸容器中,向容器内注入预先配制的复合酸液,完全浸没岩样,以保证反应界面的全面接触;③将容器置于通风柜中,直至酸化结束(T2谱信号稳定),用无水乙醇反复洗涤以终止酸岩反应并去除表面残留酸液。

1.3.2 矿物组分和孔隙结构表征

实验采用X射线衍射、扫描电镜和核磁共振3种分析方法对酸化前后的火山岩样品进行表征,研究火山岩酸化前后孔隙结构、矿物组成和流体动用能力的变化。
X射线衍射技术能够通过分析矿物样品的X射线衍射图谱,确定岩石矿物的种类和含量。首先将待测火山岩样品置于玛瑙研钵中进行机械粉碎处理,确保粒径小于75 μm(200目)。随后采用连续扫描模式采集衍射数据,获取矿物种类及相对含量。针对酸化前后的火山岩样品分别进行X射线扫描,进而对比分析酸化过程中火山岩矿物成分的演化规律。
扫描电镜可以提供高分辨率的图像,适用于观察和分析火山岩薄片样品的二维孔隙结构和酸液的溶蚀效应,获得的图像可以揭示火山岩表面形貌和孔隙结构变化。基于扫描电镜观察,分析酸液浸泡前后不同尺度(毫米(1 mm)、百微米(500 μm)、微米(50 μm))的表面溶蚀情况,进一步对不同观测尺度下火山岩的溶蚀特征进行评价。
核磁共振测试之前,火山岩样品被水/油完全饱和,T2谱能直接反映孔隙大小和分布的变化。酸液浸泡过程中间隔进行核磁共振测试,测量过程中使用保鲜膜将岩心包裹,尽量减少空气对测试结果的影响。当T2谱信号趋于稳定时,说明酸蚀反应已达到动态平衡。以同组实验中达到动态平衡所需时间的平均值作为酸岩反应平衡时间。

2 实验结果及分析

2.1 矿物及孔隙结构的演化特征

2.1.1 矿物组分的变化

不同岩性火山岩酸化前后矿物组分变化如图1所示。4种岩性火山岩的初始矿物组成均以石英和斜长石为主体矿物。同时呈现一定的岩性差异性,其中角砾岩与凝灰岩中存在少量的赤铁矿,角砾岩中方解石含量显著高于其余3种岩性,安山岩中黏土矿物占比相对突出。酸化反应中,黏土矿物、方解石和赤铁矿为主反应矿物,且不同岩性中高活性矿物的类型存在差异。角砾岩中方解石与酸液的反应活性最强,酸化后占比降低13.7个百分点。安山岩中黏土矿物与酸液反应活性最强,酸化后占比降低18个百分点。而英安岩与凝灰岩酸化反应过程中各类矿物组分的酸液反应活性差异较小,无显著的优先反应,各类矿物的含量波动幅度相对较小。
图1 不同岩性火山岩样品酸化前后矿物组分变化

2.1.2 孔隙结构的变化

基于具有特征性气孔的凝灰岩样品,采用扫描电镜在3个不同尺度(毫米、百微米、微米)上观测并分析了酸液对表面微观孔隙结构的溶蚀规律(见图2)。酸化前孔隙以气孔为主,酸蚀作用具有明显的孔隙扩容、孔-缝连通性强化效果。毫米尺度下,气孔边缘粗糙度明显增强,孔隙度从9.51%增加到15.31%,表明酸蚀形成了新的次生孔隙。在百微米尺度下,酸液对凝灰岩裂缝边界处产生了显著的溶蚀作用。一方面原生气孔的溶蚀深度显著增加,孔隙体积扩大;另一方面孔间原生连通缝发生扩展,消除了渗流通道的堵塞,形成更连续的孔-缝网络。微米尺度下,观察到明显的赤铁矿溶蚀现象,溶蚀位置形成凹陷,同时岩石表面形成大量明显的次生凹坑,进一步增加了微米级孔隙的分布密度。其余3类岩性中,角砾岩与安山岩中高活性矿物(方解石、黏土矿物)优先溶蚀形成凹陷,拓展表面孔隙结构的展布范围,同时增强孔隙间连通性;英安岩高活性矿物含量较低且各类矿物反应活性差异较小,溶蚀后仅能观测到少量分散性的凹坑。
图2 凝灰岩岩样酸化前后不同尺度表面孔隙变化

2.2 富水孔隙内的酸性离子运移特征

2.2.1 核磁共振T2谱分析

火山岩富水孔隙内以水相填充为主,酸液进入后与水相混合形成连续的水相体系,无界面张力阻碍,此时酸液运移被H+扩散主导。从T2谱响应(见图3)来看,4种岩性样品的酸蚀作用均表现出中、小孔幅值的显著增加,但不同岩性的T2谱演化模式存在明显差异。酸化前后角砾岩与安山岩T2谱峰值变化以中小孔幅值的增加为主,而英安岩与凝灰岩T2谱峰值水平向波动较大。
角砾岩与安山岩孔隙连通性较好,H+扩散效率高且溶蚀产物易随水相快速迁移。T2谱峰值呈现中小孔幅值增幅明显、水平向无明显波动的现象。酸化过程对其原生孔隙的溶蚀作用微弱,主要以溶蚀形成次生中小孔为主。这表明H+在原生孔隙内的扩散作用较强,滞留时间短,扩散范围较广。英安岩与凝灰岩呈现中大孔占比降低、小孔占比升高的特征,火山岩微观非均质性直接导致H+扩散的连续性下降,溶蚀产生的矿物颗粒难以有效迁移,易滞留堆积,进而堵塞孔道。堵塞后的中大孔会被割裂为更小的孔隙,最终表现为中大孔占比缩减、小孔占比增加的现象。
图3 不同岩性火山岩富水孔隙酸化前后T2

2.2.2 核磁共振成像分析

图4所示,4种岩性的火山岩样品酸化后核磁成像的信号分布范围与信号强度均增加,表明酸化过程中在H+扩散溶蚀作用下,岩心内部渗流通道发育程度显著提升,流体流动能力增强,有效波及范围大幅扩展。酸蚀后不同岩性岩心内流体赋存特征呈现明显差异。角砾岩中方解石含量较高,岩心中部发育方解石胶结带,酸化过程中该区域反应活性较高,伴随明显的气体逸出。核磁信号高值区沿方解石带扩展,该区域流体的赋存量增加显著。英安岩与凝灰岩孔隙非均质性较强,不同区域的孔隙连通程度存在差异,导致H+扩散过程中富集程度呈现空间分异,因此酸蚀后岩心内核磁信号强度呈现非均匀分布特征。其中,英安岩内部流体赋存呈现局部富集模式,而凝灰岩主要沿着特征孔隙溶蚀扩容,气孔/杏仁孔内的流体赋存量增加显著。安山岩孔隙连通性较好,H+均匀扩散,右侧区域渗流通道分布较多,整体呈现横向均匀扩容的现象。
图4 不同岩性火山岩富水孔隙酸化前后核磁共振成像

2.3 富油孔隙内的酸液渗吸特征

2.3.1 核磁共振T2谱分析

在富油孔隙中,酸液以渗吸作用为核心运移机制,在毛管压力驱动下克服油膜阻力,渗吸进入孔隙内并与矿物发生反应。酸液渗吸导致的T2谱演化(图5)主要呈现出两种模式:角砾岩与凝灰岩以谱峰右移、拓宽为主,体现渗吸溶蚀主导的孔隙扩容;英安岩与安山岩以谱峰收窄为主,体现渗吸溶蚀引发的小孔富集与孔隙结构均质化。角砾岩因其高含量的方解石矿物,酸液渗吸进入孔隙后,在高浓度酸性离子作用下迅速溶蚀碳酸盐矿物,并沿孔壁溶蚀扩容,使小孔溶蚀逐渐转化为中孔。而凝灰岩在酸液渗吸溶蚀作用下,部分原生气孔会与次生小孔逐渐沟通。英安岩内孔隙结构呈现局部富集式分布,酸液渗吸仅能选择性溶蚀,产生的矿物颗粒易滞留堵塞孔喉,将其割裂为更多小孔。安山岩原生孔以中小孔为主且连通性较好,酸液均匀渗吸后溶蚀孔壁,使小孔数量持续增加且尺寸更趋均一。
图5 不同岩性火山岩富油孔隙酸化前后T2
安山岩在富水/富油孔隙酸化前后的T2谱面积、峰值水平位移的波动均较小,孔隙富集类型影响较低。因此基于安山岩进一步开展了高温(70~90 ℃)高压(30 MPa)下的酸液浸泡实验,以揭示不同温压条件下的酸液渗吸规律,实验结果如图6所示。在70~90 ℃温度条件下,酸化后安山岩的T2谱峰值均呈现明显抬升,并且谱面积显著扩大(见图6a),表明高温高压条件下酸蚀作用引起了明显的孔隙扩容;随着温度的增加,酸液渗吸溶蚀的有效持续时间大幅延长,孔隙的溶蚀扩容程度进一步提高。从T2谱总峰面积的演化规律(见图6b)来看,70 ℃条件下,在酸化10 h后T2谱总峰面积增长就趋于停滞,酸液的渗吸溶蚀过程较快达到动态平衡。随着温度的升高,T2谱总峰面积增长持续时间显著延长,增幅逐步扩大。可见,温度的升高不仅提高了酸岩反应的动力学速率,强化了矿物溶蚀效率,同时增强了酸液在富油孔隙中的渗吸能力,使其能够突破油相阻滞,持续向孔隙深部扩散并促进酸蚀反应。
图6 不同温压条件下安山岩富油孔隙酸化前后T2谱总峰面积变化

2.3.2 核磁共振成像分析

常温常压下不同岩性火山岩富油孔隙酸液渗吸前后核磁共振成像如图7所示。不同岩性火山岩富油孔隙内的酸液渗吸运移模式呈现显著差异。角砾岩、英安岩与安山岩主要受分散性孔隙主导,前期酸液克服油膜阻力,中期渗吸溶蚀范围均匀扩展,后期形成明显的渗吸溶蚀通道,流体赋存量显著增加。而凝灰岩特征性孔隙(气孔、杏仁孔)发育明显,特征孔隙发育方向会显著影响渗吸作用,其复杂的孤立气孔结构导致渗吸作用无明显指进路径,酸液渗吸过程中难以形成稳定的优势路径。
图7 常温常压下不同岩性火山岩富油孔隙酸液渗吸前后核磁成像
高温高压下安山岩富油孔隙酸液渗吸前后核磁共振成像如图8所示。高温高压条件利于酸液快速克服油膜阻力与孔隙结构的双重约束,显著强化酸液的渗吸溶蚀效果。当温度为70 ℃时,受酸岩反应速率较低的限制,岩心溶蚀程度较弱且溶蚀范围有限。随着温度升至80 ℃,渗吸强度及酸岩反应效率提高,酸液与岩石基质接触更充分,溶蚀范围明显扩展。当温度达到90 ℃时,渗吸溶蚀效果大幅提升,岩心内部出现局部剧烈溶蚀形成的集中高信号区。
图8 高温高压下安山岩富油孔隙酸液渗吸前后核磁成像

2.4 H+扩散和酸液渗吸相关关系

2.4.1 H+扩散/酸液渗吸溶蚀规律

图9所示,对不同岩性火山岩富水孔隙酸化前后T2谱峰面积进行了定量分析。H+通过扩散作用均匀侵入大、中、小孔内,酸蚀后各种岩性均呈现出小孔总峰面积增大、中大孔总峰面积降低的趋势。但受矿物组分反应活性与原始孔隙结构的影响,H+在不同岩性孔隙内的扩散效率与反应强度存在显著差异,最终导致4种岩性火山岩呈现出不同的孔隙溶蚀特征。其中角砾岩与安山岩以中小孔发育为主,且矿物组成中包含方解石、黏土等反应活性较高的易溶矿物,H+可高效扩散并与矿物发生反应,促使中小孔持续溶蚀扩张,最终表现为孔隙结构的显著扩容,T2谱总峰面积分别增加30.4%和61.5%。而英安岩和凝灰岩的基质矿物以石英与斜长石为主,反应活性相对较低,酸化反应的速率与程度受限。H+易在大孔中局部富集,扩散范围降低,且反应产物易在孔内沉淀聚集。最终总孔隙增幅较小,T2谱总峰面积仅分别增长17.1%和6.7%。
图9 不同岩性火山岩富水孔隙酸化过程中T2谱总峰面积及各峰面积变化
图10所示为不同岩性火山岩富油孔隙酸化过程中的T2谱峰面积演化曲线。富油孔隙酸化以酸液渗吸为核心机制,其渗吸强度受孔隙尺度与基质矿物的双重影响。小孔内的毛管压力更强,酸液优先渗吸进入小孔隙,而中、大孔隙的毛管压力较弱,酸液渗吸难度较大。因此4种岩性均呈现出小孔T2谱峰面积显著增加、中大孔隙谱峰面积变化微弱的特征。其中,安山岩的小孔T2谱峰面积在酸化初期(0~0.75 h)即呈现显著突增,这是由于安山岩中黏土矿物含量较高,且孔隙结构相对均质。黏土矿物的高反应活性为酸液渗吸提供了化学驱动力,均质孔隙结构则降低了渗吸阻力,使渗吸溶蚀程度在酸化前期快速提升。而角砾岩、英安岩与凝灰岩的小孔T2谱总峰面积随酸化时间呈均匀增长趋势,呈现稳定渗吸特征。
图10 不同岩性火山岩富油孔隙酸化过程中T2谱总峰面积及各峰面积变化

2.4.2 H+扩散/酸液渗吸机制

酸蚀后孔隙结构的非均质性和复杂性变化可通过核磁共振分形维数定量表征,其计算方法如下[28-29]
$\lg w=(3-D) \lg T_{2}+(D-3) \lg T_{2 \max }$
图11为分形维数统计结果,可见富水和富油孔隙的演化规律存在显著差异。在富水孔隙中,H+通过连续的水相介质扩散,驱动大、中、小孔均发生一定程度的溶蚀,4种岩性的总分形维数DN均呈现降低的趋势。凝灰岩酸化后DN1升高,这是由于凝灰岩原始气孔连通性较差,制约了溶蚀产物的迁移,滞留的沉淀物在气孔表面发生吸附堆积,增加了孔隙表面的粗糙度与结构复杂程度。其余岩性的DN1均呈现不同程度的降低,说明酸液溶蚀作用导致孔隙结构的复杂程度降低。
图11 火山岩富水孔隙中H+扩散、富油孔隙中酸液渗吸过程分形维数分析
在富油孔隙中,酸液渗吸过程受毛管压力梯度控制,优先沿毛管压力较强的小孔通道推进。中、大孔隙因毛管压力相对较弱,溶蚀程度显著滞后。酸液渗吸溶蚀后,角砾岩、英安岩及凝灰岩的总分形维数DN变化幅度较小,且始终维持在较高水平。而安山岩的DN则呈现显著降低趋势。这是由于安山岩内部富含高反应活性的黏土矿物,且孔隙结构致密均质。较强的矿物溶蚀反应显著提升了孔隙连通性,进一步增强了毛管渗吸驱动力,促使酸液克服渗流阻力并导致基质溶蚀显著,最终推动孔隙结构向简单均质化演化,分形维数随之出现明显的下降。

2.4.3 H+扩散与酸液渗吸关联分析

图12为不同岩性火山岩在富水孔隙H⁺扩散溶蚀、富油孔隙酸液渗吸溶蚀后的孔隙结构分形维数演化曲线。富水孔隙经H+扩散溶蚀后的分形维数,普遍低于富油孔隙经酸液渗吸溶蚀后的分形维数。这是由于富水孔隙中,连续水相为H+提供了均匀的扩散介质,H+可大面积、无选择性地侵入各级孔隙并溶蚀矿物,促使孔隙网络的连通性显著提升,孔隙结构的均匀性增强,对应分形维数降低。富油孔隙中,酸液以渗吸为核心传质方式,而不同尺度孔隙的毛管压力存在显著差异。小孔隙毛管压力更强,酸液优先发生选择性渗吸溶蚀,中大孔隙的溶蚀过程受抑制。最终孔隙结构的非均质性仍维持在较高水平,分形维数较高。
图12 火山岩富水孔隙与富油孔隙酸蚀后分形维数及酸液渗吸/离子扩散距离随时间平方根的变化曲线
为进一步揭示富水、富油两种孔隙内酸化作用的本质差异,从动力学角度剖析了H+扩散与酸液渗吸强度的控制机制,并据此建立定量化的反应动力学模型。在富水孔隙中,酸液与岩心内部的H+浓度梯度差异较小,酸化过程中H+扩散系数可近似视为恒定值,H+扩散通量与浓度梯度呈正相关关系。同时,由于酸液经水相稀释后,其H+浓度与孔隙水的H+浓度差值较小,可将化学梯度驱动的扩散过程等效转化为体积流动主导的扩散速度进行定量表征[30]
$v=\frac{J}{C}=\frac{V}{A_{\mathrm{c}} t}$
在富油孔隙酸液渗吸过程中,酸岩反应引发的矿物溶蚀直接引发了微观孔隙结构的重构,进而导致岩心宏观物性参数(孔隙度、渗透率)的动态变化。基于此,首先对核心物性参数进行动态修正,同时采用渗吸距离与时间平方根的关联关系表征酸液渗吸动力学行为,据此将渗吸距离表示为:
$D_{\mathrm{imb}}=\frac{V_{\mathrm{imb}}}{A_{\mathrm{c}}}=\sqrt{\frac{2 \phi(t) K(t) S_{\mathrm{wf}} p_{\mathrm{c}}}{\mu_{\mathrm{w}}}} \sqrt{t}$
对4种岩性的统计数据进行归一化处理,得到综合表征曲线(如图12b所示)。离子扩散与酸液渗吸过程均呈现出3阶段演化特征。在阶段1(线性阶段),H+扩散与酸液渗吸过程均与时间平方根呈现良好的线性相关性,表明反应初期的浓度差(H+扩散驱动力)与初始毛管压力(渗吸驱动力)均能驱动酸岩反应高效启动。进入阶段2(过渡阶段),H+扩散与酸液渗吸过程呈现出相反的演化趋势:H+扩散曲线的斜率逐渐减小,扩散速率显著减缓,主要是由于溶蚀生成的矿物颗粒沉淀以及黏土矿物水化膨胀效应增加了离子传输阻力,阻碍了H+的进一步迁移;酸液渗吸曲线的斜率显著增大,渗吸速率呈加快态势,这是由于酸蚀反应拓宽了孔喉半径,使岩心渗透率得到提高,而渗透率改善所带来的流体流动性增强效应,抵消了毛管压力衰减产生的负面影响,最终驱动酸液向岩心内部持续渗吸。在阶段3(稳定阶段),随着体系内有效酸液浓度消耗殆尽,酸岩反应达到动态平衡状态,离子扩散距离与酸液渗吸距离均不再随时间延长而变化,综合表征曲线趋于平稳。

3 结论

不同岩性火山岩酸化改造效果存在显著差异。角砾岩与安山岩因富含方解石、黏土等高活性易溶矿物,酸化后孔隙连通性大幅提升,流体有效波及范围显著扩展。凝灰岩酸蚀作用主要沿气孔、杏仁孔等特征孔隙边缘进行,溶蚀后特征孔隙内流体赋存量明显增加。而英安岩中高活性矿物含量较低,酸蚀作用较弱且酸化过程中各类矿物反应活性差异较小,整体孔隙结构的改善程度有限。
酸液在富水与富油孔隙运移机制存在明显差异,富水孔隙中连续水相构建的水合氢离子网络强化了H⁺扩散能力,促使大、中、小孔隙发生均匀溶蚀,孔隙结构趋于均质化,分形维数降低。而富油孔隙中,酸液以毛管压力驱动的渗吸作用为主,优先溶蚀毛管压力较强的小孔,中大孔隙溶蚀滞后,整体酸蚀程度低于富水孔隙,孔隙非均质性维持在较高水平。
富水孔隙中H+扩散与富油孔隙中酸液渗吸过程均呈现“线性—过渡—稳定”的3阶段演化规律。线性阶段,渗吸与离子扩散距离均与时间平方根呈正比,分别由毛管压力与浓度差推动酸岩反应的进行。过渡阶段呈现差异化特征,H+扩散速率因黏土矿物水化沉淀导致的孔喉堵塞而降低。酸液渗吸溶蚀使得岩心渗透率增加,流体渗流能力增强,抵消了毛管压力衰减的影响,渗吸速率继续增加。稳定阶段,H+扩散距离与渗吸作用距离保持不变,酸岩反应达动态平衡。
符号注释:
Ac——表面积,m2C——离子浓度,mol/m3D——分形维数,无因次;Dimb——渗吸距离,m;DN——总孔隙分形维数,无因次;DN1——吸附孔(中、小孔隙)的分形维数,无因次;DN2——渗流孔(大孔隙)的分形维数,无因次;
J——扩散通量,mol/(m2·s);K——渗吸液渗透率,m2pc——毛管压力,Pa;Swf——渗吸前缘饱和度,%;t——时间,s;T2——横向弛豫时间,ms;T2max——最大横向弛豫时间,ms;v——离子扩散速度,m/s;V——酸液体积变化量,m3Vimb——渗吸体积,m3w——小于某一横向弛豫时间的累计孔隙体积分数,%;μw——渗吸液黏度,Pa·s;ϕ——岩石孔隙度,%。
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