应力作用下碳酸盐岩储层酸蚀表面形貌的数值模拟与演化机制分析

针对酸压裂过程中碳酸盐岩储层裂缝导流能力难以长期维持的问题，研究人员通过3D激光扫描构建酸蚀形貌模型，结合时间硬化蠕变模型（time-hardening creep）开展有限元分析（FEA），揭示了应力作用下酸蚀表面粗糙度方差与杨氏模量（Young’s modulus）、泊松比（Poisson's ratio）等参数的定量关系，为优化酸压裂设计提供理论依据。

　　

碳酸盐岩储层是全球油气开发的重要目标，但这类储层天然渗透率低，需要通过酸压裂（acid fracturing）技术注入酸液刻蚀裂缝表面，形成凹凸不平的微观结构以维持导流能力。然而，地下应力会使裂缝逐渐闭合，传统实验难以模拟复杂应力环境下形貌的动态演化过程。现有研究多采用简化模型，无法精确反映真实酸蚀表面的非均匀特性，导致裂缝长期导流能力预测存在偏差。

中国石油大学（华东）的研究团队在《Geoenergy Science and Engineering》发表论文，创新性地将高精度3D激光扫描与有限元分析（FEA）相结合，首次实现了应力作用下真实酸蚀形貌演变的精细化模拟。研究通过扫描Φ25mm×50mm石灰岩岩心酸蚀表面，构建亚毫米级精度的三维模型；采用时间硬化幂律蠕变模型（time-hardening power-law creep）描述岩石流变特性，系统分析了不同力学参数（杨氏模量、泊松比）和载荷条件（轴向压力、围压）对形貌演化的影响。

实验室实验
选用石灰岩露头样本，在密闭反应釜中以5 wt% HCl进行酸岩反应，通过3D激光扫描获取酸蚀后表面点云数据，建立包含微凸体（micro-convexes）和沟槽（grooves）的几何模型。

模型构建
基于真实扫描数据建立有限元模型，通过网格敏感性分析确定最优单元尺寸（0.5mm），采用六面体单元划分网格。蠕变模型参数通过三轴压缩实验标定，模拟中考虑轴向压力（20-60MPa）和围压（10-30MPa）组合工况。

应力分布与应变幅度
应力云图显示高应力区（>40MPa）集中于微凸体顶部，沟槽区域应力低于10MPa。应变分析表明微凸体高度下降率达12.3%，导致粗糙度方差从初始0.48降至0.22，非均匀刻蚀特征显著弱化。

参数敏感性分析
相关系数表明：泊松比（0.796）对粗糙度方差影响最大，其次为载荷时间（0.792）；杨氏模量（0.743）相关性最弱。轴向压力增大使微凸体塑性变形加剧，而高围压（30MPa）下形貌趋于均质化。

结论与意义
该研究首次定量揭示了酸蚀形貌在应力场中的自适应性演化规律：①微凸体优先发生塑性变形，导致表面粗糙度方差与载荷时间呈负指数关系；②泊松比是控制形貌稳定性的最关键参数，高泊松比（>0.25）岩石能更有效维持残余粗糙度；③建立的3D扫描-有限元耦合方法突破了传统实验的时空尺度限制，为酸压裂施工参数优化（如酸液浓度、闭合应力设计）提供了数字化评估工具。这项成果对延长碳酸盐岩储层增产有效期具有重要工程指导价值，未来可结合数字孪生技术实现裂缝导流能力的动态预测。