水基壓裂液的儲層傷害機理實驗研究

曹彥超，曲占慶，郭天魁，許華儒，龔迪光

(中國石油大學(華東) 石油工程學院，山東 青島 266580)

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水基壓裂液的儲層傷害機理實驗研究

曹彥超，曲占慶，郭天魁，許華儒，龔迪光

(中國石油大學(華東) 石油工程學院，山東 青島 266580)

摘要：運用核磁共振技術(shù)從微觀角度系統(tǒng)分析了水基壓裂液對儲層的不同傷害機理。結(jié)合常規(guī)流動實驗，提出了一套評價壓裂液對儲層傷害的綜合性實驗方法，建立了每種傷害機理與傷害程度間的對應關(guān)系。實驗研究結(jié)果表明，壓裂液滲入巖心后均會不同程度地造成巖心內(nèi)束縛水增加、可動水滯留以及固相大分子物質(zhì)的吸附，從而引起儲層滲透率降低，并且對于不同滲透性巖心其傷害規(guī)律大不相同，較低滲透率巖心的傷害率比較高滲透率巖心的傷害率普遍要大。

關(guān)鍵詞：水基壓裂液；儲層傷害；黏土傷害；水鎖傷害；核磁共振

曹彥超，曲占慶，郭天魁，等.水基壓裂液的儲層傷害機理實驗研究[J].西安石油大學學報(自然科學版)，2016，31(2)：87-92,98.

CAO Yanchao，QU Zhanqing，GUO Tiankui，et al.Experimental study on damage mechanism of water-based fracturing fluid to reservoir [J].Journal of Xi'an Shiyou University (Natural Science Edition),2016,31(2):87-92,98.

引言

我國低滲透油氣藏資源豐富，開發(fā)潛力大，由于其巖性致密、滲透率低等特點，一般需要采取壓裂改造措施才能得到有效開采。然而，在壓裂儲層形成一定導流能力，填砂裂縫、改善流體滲流狀態(tài)的同時，壓裂液滲入地層會引起儲層傷害[1]。因此，進行壓裂液對儲層傷害機理的研究并據(jù)此改善壓裂液的性能，一直是重點研究課題。目前，對于水基壓裂液引起儲層傷害的研究，大多都是采用普通流動實驗方法進行評價，以壓裂液滲入前后巖心滲透率變化判斷儲層傷害程度，而沒有在微觀方面詳細分析傷害機理，不能確定引起儲層傷害的主次因素及某一因素的具體傷害程度[2-3]。本文運用低磁場核磁共振分析技術(shù)在微觀上分析了壓裂液對儲層的傷害規(guī)律，實現(xiàn)了對不同滲透性儲層傷害機理、傷害程度的更精確判斷，將對壓裂液性能改善及壓裂施工過程中的儲層保護具有指導意義。

1水基壓裂液的傷害機理分析

一般來說，水基壓裂液等外來流體進入地層孔隙介質(zhì)均會引起儲層滲透率降低，其損害機理主要有3個方面：黏土吸水傷害、水鎖傷害和固相吸附傷害。為對各種傷害進行準確分析，本文采用蒸餾水和不同添加劑配置的活性水作為外來水相進行實驗，模擬儲層黏土吸水傷害和水鎖傷害；采用活性水作為基質(zhì)的瓜膠壓裂液濾液進行實驗，模擬儲層固相吸附傷害。

(1)黏土吸水傷害

流體在低滲透儲層孔隙介質(zhì)中的存在形式有2種，即束縛流體狀態(tài)和可動流體狀態(tài)。巖心不含油的單相流動狀態(tài)下，飽和地層水后外來活性水相侵入，會造成巖石黏土吸水傷害[4-5]。這是由于幾乎所有油層砂巖顆粒均會不同程度地含有蒙脫石、伊利石等黏土礦物，外來流體的滲入會與這些巖石黏土礦物發(fā)生系列物理化學反應，打破原有離子間的平衡狀態(tài)，引起巖心內(nèi)黏土吸水，并且隨之引起黏土分散、運移，導致流體滲流空間減小，堵塞流動通道，造成巖心束縛水增加、滲透率下降。

(2)水鎖傷害

當儲層巖石孔隙內(nèi)的流體為油水兩相流動時，由于毛管力的作用，可動水相就會對油相產(chǎn)生附加阻力，阻礙油相流動，造成油相相對滲透率降低，即水鎖傷害[6-8]。飽和油束縛水狀態(tài)的巖心，由于外來活性水相的擠入，巖心內(nèi)束縛水與可動水均會發(fā)生變化。在巖心內(nèi)束縛水量增加，導致黏土吸水傷害的同時，若油相不能充分返排增加的可動水，滯留的可動水相就會對油相滲流產(chǎn)生附加的水鎖傷害。當油水體系確定時，外來流體侵入巖心所引起的水鎖傷害程度主要取決于可動水的滯留量，另外，水鎖傷害具有不穩(wěn)定的一面，可以在短期內(nèi)被解除，特別是對于滲透性較好的儲集層來說，這種傷害是不起決定性作用的。本文在進行研究時，用巖心飽和油束縛水條件下的油相滲透率來表示還沒有發(fā)生水鎖傷害的儲層原始滲流能力。

(3)固相吸附傷害

水基壓裂液的固相傷害主要是指外來流體中的未溶大分子物質(zhì)在巖心孔隙喉道內(nèi)吸附滯留，堵塞流體流動通道，而引起巖心滲透率降低的現(xiàn)象[9]。水力壓裂過程及壓裂液返排階段，壓裂液中大分子物質(zhì)(主要指流體所含大顆粒物質(zhì)、絲狀物、絮狀物等)對儲層的傷害主要有2種方式：一是其直徑大于巖石喉道半徑時，直接堵塞流體流動通道；二是其直徑較小時，由于喉道表面不規(guī)則，流體通過喉道時，部分固相物質(zhì)將滯留下來，從而造成堵塞。為使壓裂液充分滲入巖心，本文采用活性水作為基質(zhì)的瓜膠壓裂液濾液進行實驗模擬。

2儲層傷害的核磁共振實驗研究

壓裂液對儲層的不同傷害類型及傷害程度主要表現(xiàn)為巖心內(nèi)束縛流體及可動流體的分布及變化情況。本文在應用常規(guī)流動實驗手段的同時，將核磁共振T2譜分析技術(shù)應用于水基壓裂液對儲層傷害的研究，是因為利用核磁共振技術(shù)能夠定量檢測到壓裂液等外來液體滲入巖心及返排前后巖心內(nèi)束縛水、可動水以及壓裂液濾液的變化[10-11]，計算各自所占比例，從而在微觀上準確分析壓裂液對儲層的不同傷害類型及傷害程度。

2.1核磁共振實驗原理

本實驗利用核磁共振的弛豫特征分析油水在巖石中的存在狀態(tài)與性質(zhì)。在一定的假設(shè)條件下，巖石孔隙中流體所含氫核在外磁場中的弛豫行為主要取決于流體性質(zhì)以及巖石骨架的孔隙結(jié)構(gòu)、礦物組成。

巖石孔隙是由幾何尺寸不同的孔隙喉道組成的，不同的孔喉半徑分布有其獨特的特征弛豫時間T2。核磁共振測試實際獲取的是許多大小不同的孔隙中流體的氫核T2衰減曲線，而這些曲線所代表的巖石物理及流體特性是由包含巖石原始孔隙度、束縛流體、可動流體、流體類型等信息的回波串經(jīng)過多指數(shù)擬合(數(shù)學反演)得到的。目前，國內(nèi)外有許多不同的核磁共振多指數(shù)反演算法，但普遍采用王為民[12-13]等提出的奇異值分解反演算法和變換反演算法，從解的自由度的角度討論解的分辨率及最優(yōu)反演模型的選取原則。只有通過數(shù)學反演技術(shù)，才能計算出不同尺寸孔隙中的流體含量，即弛豫時間譜。

根據(jù)油層物理中的理論，弛豫時間譜表示巖心中大小不同的孔隙占總孔隙的比例，大孔隙所對應的弛豫時間較長，而小孔隙對應的弛豫時間較短。當巖石孔喉半徑小到一定程度時，孔隙內(nèi)的流體將受毛管力的束縛而無法自由流動，因此，在弛豫時間譜上存在一個明顯界限，這就是可動流體截止值[14-17]。弛豫時間比這一截止值大的流體為可動流體，小于這一截止值的為束縛流體，圖1為一塊普通砂巖巖心的典型弛豫時間譜，左峰下的面積表示束縛流體的含量，右峰下的面積為可動流體的含量。

2.2實驗方案設(shè)計

選取編號分別為第1組、第2組、…、第6組的6

圖1　一塊普通砂巖巖心的典型弛豫時間譜Fig.1Typical relaxation time spectra of a common sandstone core

組不同區(qū)塊的低滲透巖心，其中同一組巖心來自同一全直徑巖心，物性相似，每組中有3塊巖心，分別記為A、B、C，共18塊巖心進行實驗。實驗室飽和巖樣所用水是由蒸餾水和NaCl、CaCl2、MgCl2晶體按一定比例配制而成的模擬地層水，其密度為1.03 g/cm3，黏度為1.06 mPa·s，礦化度為30 000 mg/L。黏土吸水傷害實驗時，采用蒸餾水及一定比例添加劑(0.3%黏土穩(wěn)定劑+0.3%助排劑+0.2%殺菌劑+0.07%pH調(diào)節(jié)劑)配制的活性水作為外來水相，其密度為1.01 g/cm3，黏度為1.05 mPa·s。水鎖傷害實驗時，采用去氫煤油作為油相，其密度為1.92 g/cm3，黏度為1.20 mPa·s。由于去氫煤油中不含氫核(1H)，不會產(chǎn)生額外核磁共振信號。壓裂液固相吸附傷害實驗時，采用過濾后的瓜膠壓裂液濾液作為驅(qū)替液，其密度為1.05 g/cm3，黏度為2.87 mPa·s。所用巖心基本參數(shù)及具體分配方案參見表1。

表1　巖心基本參數(shù)和實驗類型分配

2.3實驗分析方法

實驗使用MR-DF核磁共振鉆井液分析儀對實驗巖心進行分析測試，定量檢測不同實驗階段巖心內(nèi)束縛流體、可動流體的含量及變化，并借助常規(guī)流動實驗，測試流體擠入前后巖心滲透率的變化情況。

黏土吸水傷害實驗的具體方法：每組選取1塊巖心(1-A、2-A、…、6-A)，首先，測量飽和地層水狀態(tài)下巖心水測滲透率(kw)，并進行第一次核磁共振測量；然后，反向擠入1.5倍巖心孔隙體積的活性水并放置2 h后，進行第二次核磁共振測量；之后，用地層水返排外來活性水，在返排量達到10倍孔隙體積時測水相滲透率kw1，并進行第三次核磁共振測量；最后，利用擠入活性水前后的kw與kw1計算巖心滲透率的最終傷害率。

水鎖傷害實驗的具體方法：每組選取1塊巖心(1-B、2-B、…、6-B)，首先，進行飽和地層水狀態(tài)下的核磁共振測量；再用去氫煤油進行驅(qū)替至不再出水，建立巖心的飽和油束縛水狀態(tài)，并測量該狀態(tài)下的油相有效滲透率(ko)及核磁共振圖譜；然后，反向擠入1.5倍孔隙體積的活性水并放置2 h后，進行第三次核磁共振測量；最后，用去氫煤油返排擠入的活性水，返排量達到10倍孔隙體積后，測量巖心在該狀態(tài)下的油相有效滲透率(ko1)，并進行返排完成后的核磁共振測量。利用擠入活性水前后巖心滲透率變化(ko與ko1)，計算活性水滲入對巖心油相有效滲透率的傷害程度。

固相吸附傷害實驗選取每組剩余巖心(1-C、2-C、…、6-C)進行，其具體做法類似于水鎖傷害實驗，只是將驅(qū)替液以瓜膠壓裂液濾液替代。

3儲層傷害的實驗結(jié)果與分析

對飽和地層水條件下的6塊巖心(1-A、2-A、…、6-A)進行黏土吸水傷害實驗，擠入活性水后巖心滲透率傷害以及驅(qū)替結(jié)束后巖心內(nèi)束縛水含量、相對增加量見表2。由于實驗選取的第1與第2組、第3與第4組、第5與第6組巖心具有相似的孔滲特性，從而也具有相似的核磁共振特征，因此，本文只列舉第1、3、5組巖心的核磁共振圖譜進行對比分析，其黏土吸水傷害的核磁共振圖譜見圖2。由于單相流體的作用不會產(chǎn)生其他傷害，因此，核磁共振測量束縛水的增加是引起巖心滲透率降低的根本因素。

對飽和油束縛水條件下6塊巖心(1-B、2-B、…、6-B)進行水鎖傷害實驗，油相返排前后巖心滲透率變化以及驅(qū)替結(jié)束后巖心內(nèi)束縛水、可動水含量與變化情況見表2，第1、3、5組巖心水鎖傷害的核磁共振圖譜見圖3。對比該6組實驗結(jié)果可知，同一層位巖心前2種傷害實驗中束縛水增加量比較接近，因此，引起比較相近的黏土吸水傷害。在計算水鎖傷害程度時，可用水鎖傷害實驗中滲透率總傷害減去黏土吸水傷害實驗中的滲透率總傷害。

表2　儲層傷害實驗測試結(jié)果

圖2　飽和地層水條件下巖心黏土吸水傷害的核磁共振T2圖譜Fig.2　NMR T2 spectra of cores damaged by clay water absorption under saturated formation water

圖3　飽和油束縛水條件下巖心水鎖傷害的核磁共振T2圖譜Fig.3　NMR T2 spectra of cores damaged by water locking under the oil saturation of irreducible water

對飽和油束縛水條件下6塊巖心(1-C、2-C、…、6-C)進行壓裂液固相傷害實驗，壓裂液返排前后巖心滲透率變化以及驅(qū)替結(jié)束后巖心內(nèi)束縛水、可動水含量與變化情況見表2，第1、3、5組巖心傷害情況的核磁共振圖譜見圖4。對比該6組實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，同一層位巖心后2種傷害實驗中束縛水增加量、可動水滯留量比較接近，因此，產(chǎn)生較為相近的黏土吸水傷害和水鎖傷害。在計算壓裂液固相傷害程度時，可用固相傷害實驗中滲透率總傷害減去水鎖傷害實驗中的滲透率總傷害。

圖4　飽和油束縛水條件下巖心壓裂液固相傷害的核磁共振T2圖譜Fig.4　NMR T2 spectra of cores damaged by the solid phase of fracturing liquid under the oil saturation of irreducible water

4結(jié)論和認識

(1)將常規(guī)流動實驗與核磁共振分析技術(shù)相結(jié)合，提供了一種有效評價水基壓裂液對儲層傷害的實驗方法。應用該方法，能夠準確計算壓裂液等外來流體滲入儲層后所引起的黏土吸水傷害、水鎖傷害以及固相傷害。

(2)實驗研究表明，水基壓裂液引起的儲層黏土吸水傷害程度與束縛水增加量呈正相關(guān)；引起的水鎖傷害程度與可動水滯留量呈正相關(guān)。

(3)水基壓裂液引起儲層傷害時，由于固相大分子物質(zhì)吸附、滯留引起的巖心滲透率傷害率最大，因此，它是壓裂液傷害儲層的主要因素；黏土吸水傷害程度與水鎖傷害程度二者相近，對儲層滲透率傷害貢獻較小，是次要因素。

(4)不同滲透率巖心擠入水基壓裂液后表現(xiàn)的滲透率傷害率不同，較低滲透率巖心的傷害率比較高滲透率巖心的傷害率要高。

(5)將核磁共振技術(shù)應用于水基壓裂液對儲層的傷害研究，可以實現(xiàn)不同傷害類型的客觀、準確評價，能夠建立每種傷害機理與傷害程度的對應關(guān)系，可為后續(xù)研究壓裂液性能改善和油層保護措施提供參考。

參 考 文 獻：

[1]李宗田，李鳳霞，黃志文.水力壓裂在油氣田勘探開發(fā)中的關(guān)鍵作用[J].油氣地質(zhì)與采收率，2010,17(5)：76-79.

LI Zongtian,LI Fengxia,HUANG Zhiwen.Key role of hydraulic fracturing in oil-gas field exploration and development[J].Petroleum Geology and Recovery Efficiency,2010,17(5):76-79.

[2]賀承祖，華明琪.壓裂液對儲層的損害及其抑制方法[J].鉆井液與完井液，2003,20(1)：49-53.

HE Chengzu,HUA Mingqi.Reservoir damage by fracturing fluid and its prevention[J].Drilling Fluid & Completion Fluid,2003,20(1):49-53.

[3]盧擁軍.壓裂液對儲層的損害及其保護技術(shù)[J].鉆井液與完井液，1995,12(5)：39-46.

LU Yongjun.Damage reservoir by fracturing fluid and its protection technology[J].Drilling Fluid & Completion Fluid,1995,12(5):39-46.

[4]楊正明，苗盛，劉先貴，等.特低滲透油藏可動流體百分數(shù)參數(shù)及其應用[J].西安石油大學學報(自然科學版)，2007,22(2)：96-99.

YANG Zhengming,MIAO Sheng,LIU Xiangui,et al.Percentage parameter of the movable fluid in ultra-low permeability reservoir and its application[J].Journal of Xi'an Shiyou University(Natural Science Edition),2007,22(2):96-99.

[5]劉彥學，王寶峰，劉建坤.壓裂液對低滲砂巖氣藏的水敏性傷害實驗研究[J].石油鉆探技術(shù)，2013,41(1)：70-75.

LIU Yanxue,WANG Baofeng,LIU Jiankun.Experimental study on water sensitive damage of fracturing fluid to low permeability gas reservoirs[J].Petroleum Drilling Techniques,2013,41(1):70-75.

[6]馬洪興，史愛萍，王志敏，等.低滲透砂巖油藏水鎖傷害研究[J].石油鉆采工藝，2004,26(4)：49-51.

MA Hongxing,SHI Aiping,WANG Zhimin,et al.Water blocking investigation on low permeability sandstone reservoirs[J].Oil Drilling & Production Technology,2004,26(4):49-51.

[7]付大其，朱華銀，劉義成，等.低滲氣層巖石孔隙中可動水實驗[J].大慶石油學院學報，2008,32(5)：23-26.

FU Daji,ZHU Huayin,LIU Yicheng,et al.Experimental study of the movable water in the rock pore of low permeability gas layer[J].Journal of Daqing Petroleum Institute,2008,32(5):23-26.

[8]趙春鵬，李文華，張益，等.低滲氣藏水鎖傷害機理與防治措施分析[J].斷塊油氣田，2004,11(3)：45-46.

ZHAO Chunpeng,LI Wenhua,ZHANG Yi,et al.Damage mechanism and prevention methods analysis of low permeability gas reservoir water blocking[J].Fault-Block Oil and Gas Field,2004,11(3):45-46.

[9]王尤富，周克厚，汪偉英，等.采油作業(yè)入井液固相顆粒與儲層損害關(guān)系的試驗研究[J].江漢石油學院學報，2001,23(4)：65-66.

WANG Youfu,ZHOU Kehou,WANG Weiying,et al.Relationship between solid particles from incoming well fluids in production and formation damage[J].Journal of Jianghan Petroleum Institute,2001,23(4):65-66.

[10]劉建坤，郭和坤，李海波，等.低滲透儲層水鎖傷害機理核磁共振實驗研究[J].西安石油大學學報(自然科學版)，2010,25(5)：46-49,53.

LIU Jiankun,GUO Hekun,LI Haibo,et al.Experimental study on the water-blocking damage mechanism of low permeability reservoir by nuclear magnetic resonance[J].Journal of Xi'an Shiyou University(Natural Science Edition),2010,25(5):46-49,53.

[11]李太偉，周繼東，金智榮，等.壓裂液對儲層傷害的核磁共振技術(shù)評價方法[J].重慶科技學院學報(自然科學版)，2014,16(6)：62-65.

LI Taiwei,ZHOU Jidong,JIN Zhirong,et al.Application of NMR technique in the evaluation of fracturing fluid damage[J].Journal of Chongqing University of Science and Technology(Natural Sciences Edition),2014,16(6):62-65.

[12]王為民.核磁共振測井理論與應用[M].北京：石油工業(yè)出版社，1998：18-43.

[13]王為民，李培，葉朝輝.核磁共振弛豫信號的多指數(shù)反演[J].中國科學:A輯，2001,31(8)：730-736.

WANG Weimin,LI Pei,YE Chaohui.Multi index inversion of NMR relaxation signal[J].Science in China:Series A,2001,31(8):730-736.

[14]王學武，楊正明，李海波，等.核磁共振研究低滲透儲層孔隙結(jié)構(gòu)方法[J].西南石油大學學報(自然科學版)，2010,32(2)：69-72.

WANG Xuewu,YANG Zhengming,LI Haibo,et al.Experimental study on pore structure of low permeability core with NMR spectra[J].Journal of Southwest Petroleum University(Science & Technology Edition),2010,32(2):69-72.

[15]WANG Weimin,MIAO Shen,LIU Wei.A study to determine the moveable fluid porosity using NMR technology in the rock matrix of xiaoguai oilfield[C].SPE 50903,1998.

[16]王為民，郭和坤，葉朝輝.利用核磁共振可動流體評價低滲透油田開發(fā)潛力[J].石油學報，2001,22(6)：40-44.

WANG Weimin,GUO Hekun,YE Chaohui.The evaluation of development potential in low permeability oil field by the aid of NMR movable fluid detecting technology[J].Acta Petrolei Sinica,2001,22(6):40-44.

[17]楊正明，姜漢橋，周榮學，等.用核磁共振技術(shù)測量低滲含水氣藏中的束縛水飽和度[J].石油鉆采工藝，2008,30(3)：56-59.

YANG Zhengming,JIANG Hanqiao,ZHOU Rongxue,et al.Measurement research on irreducible water saturation in low-permeability water-cut gas reservoirs using NMR techniques[J].Oil Drilling & Production Technology,2008,30(3):56-59.

責任編輯：董瑾

Experimental Study on Damage Mechanism of Water-based Fracturing Fluid to Reservoir

CAO Yanchao，QU Zhanqing，GUO Tiankui，XU Huaru，GONG Diguang

(Faculty of Petroleum Engineering,China University of Petroleum (East China),Qingdao 266580,Shandong,China)

Abstract:The different microscopic damage mechanisms of the water-based fracturing fluid to reservoir are studied using NMR technique,a set of comprehensive experimental methods for evaluating the reservoir damage of the fracturing fluid are put forward based on conventional flow experiment,and the damage degree of each damage mechanism is obtained.Experimental results show that the infiltration of the fracturing fluid will cause the increase of irreducible water,the retention of movable water and the adsorption of solid macromolecules on different degree,and therefore reduce reservoir permeability.Meanwhile,the damage laws of different permeability cores are different,and the damage of the fracturing fluid to low permeability cores is generally greater than that to high permeability cores.

Key words:water-based fracturing fluid;reservoir damage;clay damage;water locking damage;nuclear magnetic resonance (NMR)

文章編號：1673-064X(2016)02-0087-06

文獻標識碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1673-064X.2016.02.014

中圖分類號：TE357.1+2

作者簡介：曹彥超(1990-)，男，碩士，主要從事油井壓裂酸化增產(chǎn)增注技術(shù)研究。E-mail：cyc901019@163.com

基金項目：國家自然科學基金青年基金項目“徑向鉆孔引導水力壓裂裂縫定向擴展機理研究”(編號：51404288)；中國石油大學(華東)研究生創(chuàng)新工程資助項目(編號：YCX2014010)

收稿日期：2015-09-12