一种利用实验手段获取酸刻蚀裂缝表面接触比的方法

摘要

本发明公开了一种利用实验手段获取酸刻蚀裂缝表面接触比的方法，包括：（A）分别裁剪和原始岩板表面形状、大小相同的白纸和复写纸；（B）在光滑钢板上依次放置白纸、复写纸、酸刻蚀后的岩板，再将刚性压头放于岩板上，对刚性压头施加预定压力并稳定1分钟；（C）卸载压力，岩板粗糙表面与钢板之间的接触面积已由复写纸在白纸上留下印痕；（D）将印痕部分的像素除以整个纸张的总像素即得到该压力作用下此块岩板与钢板之间的接触比；（E）将接触比乘以20.25，即得到在该压力作用下，此块岩板所对应的两个岩板表面相互接触条件下的接触比。本发明原理可靠，操作简便，能够为酸蚀裂缝导流能力的研究提供准确的接触比数据。

权利要求

1.一种利用实验手段获取酸刻蚀裂缝表面接触比的方法，依次包括以下步骤：（A）分别裁剪和原始岩板表面形状、大小相同的白纸和复写纸；

（B）在光滑钢板（1）上依次放置白纸、复写纸、酸刻蚀后的岩板（3），岩板的粗糙表面向下，再将刚性压头（4）放于岩板上，对刚性压头施加一个预定压力并稳定1分钟；

（C）卸载压力，取出白纸，岩板粗糙表面与钢板之间的接触面积由复写纸在白纸上留下印痕；

（D）计算出印痕部分的像素与整个纸张的总像素，将印痕部分的像素除以整个纸张的总像素即得到该压力作用下此块岩板与钢板之间的接触比；

（E）将接触比乘以20.25，即得到在该压力作用下，此块岩板所对应的两个岩板表面相互接触条件下的接触比。

2.如权利要求1所述的利用实验手段获取酸刻蚀裂缝表面接触比的方法，其特征在于，所述步骤（B）中，在光滑钢板（1）上依次放置白纸、复写纸、酸刻蚀后的岩板（3），岩板的粗糙表面向下，将岩板（3）套于导流室（2）的内腔中，再将刚性压头（4）放于岩板上，对刚性压头施加一个预定压力并稳定1分钟。

说明书

一种利用实验手段获取酸刻蚀裂缝表面接触比的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及石油领域，尤其是酸化压裂领域中一种利用实验手段获取酸刻蚀裂缝表面接触比的方法。

背景技术

[0002] 酸化压裂(简称酸压)是油气增产改造的主要措施，其主要是在高于油气储集层破裂压力或天然裂缝闭合压力条件下，将酸液(或前置液)注入储层，在储集层中形成新的人工缝或使天然裂缝张开，同时注入的酸液对裂缝表面造成非均匀刻蚀。酸液返排后，由于裂缝表面的粗糙不平，表面的凸起部分使裂缝在闭合压力作用下保持一定的开启程度，以此形成一条为流体提供流动空间、具有一定导流能力的裂缝，从而达到改善油气渗流条件和油气增产的目的。

[0003] 裂缝导流能力是评价流体在裂缝中流动性的指标。在同一闭合压力条件下，裂缝导流能力越高，说明同一种流体在裂缝中的流动性就越好。而在闭合压力作用下两个裂缝表面相互接触的面积对导流能力有着重要影响。准确地获取两个裂缝表面的接触面积对研究导流能力计算模型、提高导流能力计算精度有着重要意义。

[0004] 为了使裂缝表面接触面积方便地用于计算，通常采用的方式是将接触面积无因次化，即将真实接触面积除以裂缝表面的总投影面积。经过无因次化处理后的接触面积称为无因次接触面积，或称为接触比。

[0005] 在实验室研究酸刻蚀裂缝导流能力所开展的实验是酸刻蚀物理模拟实验，是指在实验室利用切割成长方体、表面光滑平整的岩石样品(岩板)与酸液发生酸刻蚀反应，使岩板表面粗糙不平。以此模拟现场酸压施工条件下酸液与裂缝表面岩石的反应，实验岩板表面即为裂缝表面。实验的目的是获取用作酸刻蚀裂缝导流能力研究和评价的测试样品(岩板)，对酸压效果进行预测，以优化酸压施工设计。

[0006] 为了研究裂缝表面接触比对导流能力的影响，需要获取实验条件下的接触比值，目前采用的理论计算方法是计算两个粗糙表面接触比的赫兹接触公式，即：

[0007]

[0008] 上式中：α(pc)—两个粗糙表面的接触比；

[0009] pc—两个粗糙表面所受到的闭合压力大小；

[0010] σ*—两个粗糙表面的等效均方根不平度；

[0011] k*—两个粗糙表面的等效曲率；

[0012] E*—两个粗糙表面的等效弹性模量。

[0013] 其中，σ*、k*、E*三个参数的可计算为：

[0014]

[0015] k*＝k1+k2  (3)

[0016]

[0017] 上式中：σ1、σ2—两个粗糙表面的均方根不平度；

[0018] k1、k2—两个粗糙表面的曲率；

[0019] ν1、ν2—两个粗糙表面的泊松比；

[0020] E1、E2—两个粗糙表面的弹性模量。

[0021] 虽然赫兹接触公式提供了酸刻蚀裂缝表面在一定闭合压力作用下接触比计算方法，但从以上的参数可看出其计算过程比较复杂，尤其是计算均方根不平度和粗糙表面的曲率时，需要利用三维激光扫描仪对岩板的粗糙表面进行扫描，获取粗糙表面的三维数据。

发明内容

[0022] 本发明的目的在于提供一种利用实验手段获取酸刻蚀裂缝表面接触比的方法，该方法原理可靠，操作简便，能够为酸蚀裂缝导流能力的研究提供准确的接触比数据。

[0023] 为达到以上技术目的，本发明采用以下技术方案。

[0024] 本发明针对酸刻蚀裂缝表面的特殊性，利用赫兹接触公式分别推导了两个岩板表面相互接触条件下和一个岩板表面与一个刚性平面相互接触条件下的接触比算法。结果发现：在同一闭合压力作用下，两个岩板表面相互接触条件下的接触比是其中一个岩板表面与一个刚性平面相互接触条件下接触比的20.25倍。利用“20.25倍”的转换关系，首先在实验室开展一个岩板表面与一个刚性平面的接触实验，测得其接触面积，再将结果乘以20.25，即可得到两个岩板表面在相同闭合压力条件下的接触比。

[0025] 一种利用实验手段获取酸刻蚀裂缝表面接触比的方法，依次包括以下步骤：

[0026] (A)分别裁剪和原始岩板表面形状、大小相同的白纸和复写纸；

[0027] (B)准备一个光滑钢板，在光滑钢板上依次放置步骤(A)中准备好的白纸、复写纸、酸刻蚀后的岩板，岩板粗糙表面向下，再将刚性压头放于岩板上，对刚性压头施加一个预定压力并稳定1分钟；

[0028] (C)卸载压力，取出步骤(B)中放置的白纸，此时岩板粗糙表面与钢板之间的接触面积已由复写纸在白纸上留下印痕；

[0029] (D)将步聚(C)中获得的带有印痕的纸扫描成JPG格式的图片，并将图片导入图像处理软件PhotoShop中计算出印痕部分的像素与整个纸张的总像素，将印痕部分的像素除以整个纸张的总像素即得到该压力作用下此块岩板与钢板之间的接触比；

[0030] (E)将步骤(D)中计算得到的接触比乘以20.25，即得到在该压力作用下，此块岩板所对应的两个岩板表面相互接触条件下的接触比。

[0031] 首先将“20.25倍”的转换关系推导过程说明如下：

[0032] 酸液在裂缝表面的反应过程中有一项重要特征：考虑到裂缝中同一位置处对应的两个裂缝面壁局部区域的岩性组成、矿物含量及分布均相同，且所受的酸液刻蚀条件(酸液浓度、温度等)也相同，故虽然同一个裂缝表面各点的反应程度及溶蚀形态有差异，但两个裂缝表面的整体刻蚀情况(溶蚀程度、表面高差、粗糙程度等)应大致相同。因此可以认为：被酸液刻蚀后的同一对裂缝的两个粗糙表面具有相等的均方根不平度和平均曲率。

[0033] 当一对裂缝的两个粗糙表面在压力作用下接触时，在式(2)中则有σ1＝σ2＝σ。在式(3)中则有k1＝k2＝k。又因为同一对裂缝的两块岩板岩性相同，在式(4)中则有E1＝E2＝E。代入式(1)可得到两个岩板表面相互接触条件下的接触比计算式为：

[0034]

[0035] 上式中：αD(pc)—两个岩板表面的接触比；

[0036] pc—岩板表面所受到的闭合压力大小；

[0037] σ—岩板表面的均方根不平度；

[0038] k—岩板表面的曲率；

[0039] E—岩板表面的弹性模量；

[0040] ν—岩板表面的泊松比。

[0041] 在相同压力作用下，将上述两个岩板中其中的一个与光滑钢板接触。由于钢板光滑，则有则有σ钢＝0，k钢＝0。又因是刚性平面，则有：E刚→∞，ν刚→0。代入式(1)可得到一个岩板表面与一个刚性平面相互接触条件下的接触比计算式为：

[0042]

[0043] 上式中：αS(pc)—岩板表面与刚性平面的接触比；

[0044] pc—岩板表面所受到的闭合压力大小；

[0045] σ—岩板表面的均方根不平度；

[0046] k—岩板表面的曲率；

[0047] E—岩板表面的弹性模量；

[0048] ν—岩板表面的泊松比。

[0049] 将式(5)除以式(6)即可得出：

[0050]

[0051] 式(7)表明：在同一闭合压力作用下，两个岩板表面相互接触条件下的接触比是其中一个岩板表面与一个刚性平面相互接触条件下接触比的20.25倍。

[0052] 所述步骤(D)中，基于像素计算接触比的原理是：在相同分辨率的条件下，同一图像中某一块区域的像素所占整个图像总像素的比例即为该区域的面积所占整个图像面积的比例。

[0053] 本发明的效益是：提供一种获取酸刻蚀裂缝表面接触比的简单实验方法。该方法原理可靠，操作简便，能够为酸刻蚀裂缝导流能力的研究提供准确的接触比数据。

附图说明

[0054] 图1是一个岩板表面与一个光滑钢板接触时的接触比测量示意图。

[0055] 图1中，1、光滑钢板，2、导流室，3、岩板，4、刚性压头。

具体实施方式

[0056] 下面结合附图进一步说明本发明。

[0057] 被酸液刻蚀后的同一对裂缝的两个粗糙表面具有相等的均方根不平度和平均曲率。为了验证此观点，随机选取了5对酸刻蚀岩板，计算了每一对岩板两个粗糙表面的均方根不平度和平均曲率。计算结果如下(1-a代表第1对岩板的a表面，1-b代表第1对岩板的b表面)：

[0058]

[0059] 以上数据显示同一对岩板的两个裂缝表面的均方根不平度和平均曲率几乎相等，即表明成对裂缝表面被酸液刻蚀后的整体粗糙程度基本一致。因此，可以近似认为被酸液刻蚀后的同一对裂缝的两个粗糙表面具有相等的均方根不平度和平均曲率。

[0060] 一种利用实验手段获取酸刻蚀裂缝表面接触比的方法，依次包括以下步骤：

[0061] (A)分别裁剪和原始岩板表面形状、大小相同的白纸和复写纸；

[0062] (B)准备一个光滑钢板1，在光滑钢板1上依次放置白纸、复写纸、酸刻蚀后的岩板3(岩板3的粗糙表面向下)，为了更好地模拟地层中岩石不发生测向应变的条件，可用测量酸蚀裂缝导流能力用的导流室2，将岩板3套于导流室2的内腔中(见图1)，再将刚性压头4放于岩板上，对刚性压头施加一个预定压力并稳定1分钟；

[0063] (C)卸载压力，取出白纸，岩板粗糙表面与钢板之间的接触面积由复写纸在之前的白纸上留下印痕；

[0064] (D)将带有印痕的纸扫描成JPG格式的图片，并将图片导入图像处理软件，计算出印痕部分的像素与整个纸张的总像素，将印痕部分的像素除以整个纸张的总像素即得到该压力作用下此块岩板与钢板之间的接触比；

[0065] (E)将接触比乘以20.25，即得到在该压力作用下，此块岩板所对应的两个岩板表面相互接触条件下的接触比。