酸預(yù)處理在水力壓裂中降低傷害機(jī)理研究

劉平禮，蘭夕堂，李年銀，羅志鋒，劉書杰

1.“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)，四川成都610500

2.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津塘沽300450

3.中海石油研究總院，北京朝陽100028

酸預(yù)處理在水力壓裂中降低傷害機(jī)理研究

劉平禮1*，蘭夕堂2，李年銀1，羅志鋒1，劉書杰3

1.“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)，四川成都610500

2.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津塘沽300450

3.中海石油研究總院，北京朝陽100028

低滲透儲層進(jìn)行常規(guī)加砂壓裂常常由于壓裂液破膠不徹底、殘?jiān)蜑V液傷害等問題而影響壓裂改造效果。壓裂前的酸預(yù)處理技術(shù)可降低壓裂過程中傷害，改善壓裂效果。利用激光粒度儀對常規(guī)壓裂液破膠與酸性環(huán)境下壓裂液破膠過程中瓜膠分子尺寸進(jìn)行定量觀測，研究不同破膠環(huán)境下巖石基質(zhì)傷害的主要因素；通過電鏡掃描對注入破膠液與酸液后傷害的巖芯進(jìn)行微觀分析。研究表明，在酸液存在條件下壓裂液破膠后瓜膠分子尺寸大幅度降低，瓜膠分子尺寸的降低比酸性環(huán)境對降低巖石滲透率傷害貢獻(xiàn)更大，酸液能夠很好地解除壓裂液傷害，提高巖芯滲透率，同時(shí)由于酸溶蝕可形成較為明顯的溶蝕孔道，進(jìn)一步提高基質(zhì)滲流能力。

酸液；預(yù)處理；水力壓裂；壓裂液；瓜膠尺寸；傷害

引言

理論研究表明，壓裂液殘?jiān)鼈墒箤?dǎo)流能力降低80%以上，增加壓裂液用量或提高瓜膠濃度都會導(dǎo)致導(dǎo)流能力下降；支撐劑嵌入和殘?jiān)木C合傷害可以使導(dǎo)流能力下降90%以上，而壓裂液殘?jiān)鼈?dǎo)流能力傷害最嚴(yán)重［1-2］。壓裂液破膠后，不溶性殘?jiān)诘貙又邪l(fā)生捕集作用而滯留在地層中。捕集作用包括機(jī)械捕集和水動力學(xué)捕集兩部分，通過小孔隙時(shí)流動受限，發(fā)生機(jī)械捕集，殘?jiān)肿酉嗷ダp結(jié)，使得線團(tuán)尺寸變大，流出孔隙的機(jī)會就大為減小，最終滯留在孔隙中；通過較大孔隙時(shí)發(fā)生水動力學(xué)捕集，殘?jiān)肿佑捎谒畡恿W(xué)因素而停留在孔隙中，因此研究壓裂液破膠后傷害機(jī)理對于尋求技術(shù)措施或者手段，幫助提高壓裂效果具有重要意義。已經(jīng)有實(shí)驗(yàn)研究表明，酸液能夠有效地降低并溶解壓裂液殘?jiān)?，并提出一種酸預(yù)處理壓裂技術(shù)，不僅可以促進(jìn)壓裂液破膠，還可降低破裂壓力，在加砂壓裂前注入一段酸液［3-4］，該酸液在壓裂施工結(jié)束后仍然具有對壓裂液殘?jiān)挠行芙?，同時(shí)可以促進(jìn)未完全破膠壓裂液破膠，目前Simon已經(jīng)研究了外來流體不同pH值與各種巖石礦物配伍性，結(jié)果表明低pH值流體與巖石配伍性更好，2002年Gdanski研究高pH值流體與黏土礦物反應(yīng)的兩個(gè)機(jī)理：中和黏土酸性，侵蝕黏土中氫氧化物導(dǎo)致黏土礦物結(jié)構(gòu)破壞，并認(rèn)為低pH流體對低滲透儲層滲透率傷害更小，Gupta D V S在2008年介紹一種低pH值壓裂液，中國陸地油田將酸化與水力壓裂結(jié)合已有應(yīng)用［5-8］，但對酸液能夠改善壓裂效果尚缺乏機(jī)理研究，對于酸液預(yù)處理提高壓裂改造效果缺乏理論認(rèn)識，本文對酸性環(huán)境下破膠機(jī)理進(jìn)行研究，同時(shí)對酸性環(huán)境下壓裂液傷害主控因素進(jìn)行探討。

1 問題提出

通過對壓裂液進(jìn)行破膠實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，使用常規(guī)破膠劑破膠的壓裂液體系在90?C破膠2 h后，測試黏度為5mPa·s，然而置于室溫下冷卻后，發(fā)現(xiàn)破膠液重新聚集、絮凝形成部分壓裂液凍膠，但當(dāng)加入酸液后壓裂液破膠很徹底，不會重新聚集而形成凍膠，由此考慮酸液存在下是否通過改變瓜膠分子的尺寸進(jìn)而影響破膠性能。文獻(xiàn)［9］提出了一種高密度自生熱壓裂液體系，該壓裂液體系破膠后流動性極好，不存在重新絮凝問題，且該壓裂液體系對巖石基質(zhì)的傷害率僅為22.3%。2011年趙立強(qiáng)等提出一種有機(jī)酯加砂壓裂隔離液，該隔離液能夠?qū)⑺嵋号c壓裂液隔開，防止酸液與壓裂液接觸后造成壓裂液提前破膠，因此酸液預(yù)處理在加砂壓裂中具有一定的可行性［10-11］。在此研究思路上，筆者對酸性環(huán)境下壓裂液的破膠機(jī)理進(jìn)行研究，主要進(jìn)行了常規(guī)壓裂液體系破膠后分子尺寸、酸性環(huán)境下壓裂液體系破膠后分子尺寸的研究，并通過巖芯流動實(shí)驗(yàn)分析酸液對解除壓裂液傷害的效果。

圖1 壓裂液基液瓜膠分子尺寸Fig.1 Guarmolecular sizeof base fracturing fluid

2 酸液對瓜膠壓裂液破膠后分子尺寸的影響

測試常規(guī)氧化劑破膠與酸性環(huán)境下氧化劑破膠后的分子尺寸大小，測試樣品為一級羥丙基瓜膠（昆山公司），破膠時(shí)間均為4 h，使用儀器為激光粒度儀，測量范圍為0.02～2 000.00μm。

測試的壓裂液配方為：

配方1：0.45%羥丙基瓜膠（基液）。

配方2：0.1%破膠劑（過硫酸銨）+0.45%羥丙基瓜膠+交聯(lián)劑（0.4%YC-150+0.55%YP-150）。

配方3：0.1%破膠劑（過硫酸銨）+交聯(lián)劑（0.4%YC-150+0.55%YP-150）+0.45%羥丙基瓜膠+10%螯合酸。

配方4：0.45%羥丙基瓜膠+交聯(lián)劑（0.4%YC-150+0.55%YP-150）+0.1%破膠劑（過硫酸銨）+10%生熱劑+10%螯合酸。

從圖1～圖4可以看出：壓裂液基液瓜膠分子水動力學(xué)尺寸的粒徑中值為73.620μm，常規(guī)氧化破膠后瓜膠壓裂液分子水動力學(xué)尺寸的粒徑中值為62.118μm，而在10%螯合酸環(huán)境下瓜膠破膠后分子水動力學(xué)尺寸的粒徑中值為21.123μm，自生熱壓裂液體系破膠后分子水動力學(xué)尺寸的粒徑中值僅為13.738μm，常規(guī)氧化破膠后瓜膠分子尺寸降低幅度15.6%，酸性環(huán)境下破膠后為71.3%，自生熱壓裂液體系為81.3%，該結(jié)果表明采用常規(guī)氧化劑進(jìn)行瓜膠壓裂液破膠對壓裂液分子尺寸影響不大，即使壓裂液破膠較為徹底，但瓜膠分子還可以通過絮凝、化學(xué)鍵力吸附、機(jī)械捕集等方式而重新形成大分子團(tuán)，從而對儲層造成嚴(yán)重傷害［12-13］，而酸性環(huán)境下，破膠后瓜膠分子水動力學(xué)尺寸降低幅度很大，瓜膠壓裂液分子很難重新聚集形成大分子團(tuán)，瓜膠分子降解徹底。

圖2 壓裂液常規(guī)破膠后瓜膠分子尺寸Fig.2 Guarmolecular size of conventionalgelbreaking

圖3 壓裂液酸性環(huán)境破膠后瓜膠分子尺寸Fig.3 Guarmolecu lar size of acid gelbreaking

圖4 自生熱壓裂液破膠后瓜膠分子尺寸Fig.4 Guarmolecular sizeof self-heatgelbreaking

3 壓裂液傷害流動實(shí)驗(yàn)分析

通過壓裂液破膠后分子尺寸的研究發(fā)現(xiàn)，在酸性環(huán)境下壓裂液破膠后分子尺寸大幅度降低，但由于酸性環(huán)境下破膠后破膠液依然具有一定的酸性，可能因?yàn)槠颇z液具有酸性使得巖芯滲透率傷害降低，而并非是瓜膠分子尺寸降低所致，那么酸性環(huán)境與瓜膠分子尺寸降低二者中誰起主導(dǎo)作用呢？需要研究不同環(huán)境下破膠后破膠液對巖芯傷害的主控因素，設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)方案，所用壓裂液配方為：0.45%羥丙基瓜膠（稠化劑）+1%助排劑+1%破乳劑+0.3%溫度穩(wěn)定劑+0.1%殺菌劑+2.0%KCl（防膨劑）+0.1%過硫酸銨（破膠劑），采用的酸液為緩速、低傷害螯合酸液體系，方案4所用殘酸液為收集的正驅(qū)酸液過程中流出的酸液，為更好地反映地層注液真實(shí)情況，將收集的驅(qū)替過程中流出的酸液按照1：10比例置于相同物性巖粉中繼續(xù)進(jìn)行反應(yīng)。

方案1：基液?→壓裂液破膠液?→基液（反向驅(qū)替）。

方案2：基液?→酸性環(huán)境下壓裂液破膠液?→基液（反向驅(qū)替）。

方案3：基液?→酸性環(huán)境下壓裂液破膠后調(diào)至中性?→基液（反向驅(qū)替）。

方案4：按照基液?→酸液?→壓裂液破膠液?→殘酸液（反向驅(qū)替）?→基液（反向驅(qū)替）步驟進(jìn)行巖芯流動實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5～圖8所示。

通過巖芯流動實(shí)驗(yàn)可以看出：方案1巖芯流動后，滲透率傷害率達(dá)到78%；方案2巖芯流動后，滲透率傷害率達(dá)到33%；方案3巖芯流動后，滲透率傷害率達(dá)到42%；方案4注入破膠液后巖芯滲透率傷害率為76%，當(dāng)注入殘酸液后，巖芯滲透率傷害得到恢復(fù)，注入殘酸結(jié)束后，巖芯滲透率傷害僅為3.6%。從方案1與方案2結(jié)果對比可以看出，常規(guī)破膠情況下，壓裂液傷害率最高，而在酸性環(huán)境下破膠后，巖芯滲透率傷害率大幅度降低；從方案1與方案3實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比可以看出，酸性環(huán)境下破膠后，即使破膠液pH調(diào)節(jié)至中性，破膠液對巖石滲透率也大幅度降低，通過方案2與方案3對比可以分析，瓜膠分子尺寸的降低比酸性環(huán)境對巖石滲透率的恢復(fù)貢獻(xiàn)幅度大，瓜膠分子尺寸的降低是降低破膠液對巖石傷害的主要因素；方案4模擬現(xiàn)場施工實(shí)際情況可以看出，起初注入酸液后，巖芯的滲透率有較大幅度提高，后續(xù)注入壓裂液后，巖芯滲透率降低幅度很大，當(dāng)注入殘酸液后，巖芯滲透率傷害得到恢復(fù)，當(dāng)最后注入基液后，巖芯滲透率有小幅度提高，滲透率較巖芯基液滲透率提高0.6%，說明酸預(yù)處理在壓裂過程中不僅能夠解除壓裂液傷害，而且還能小幅度提高巖石滲透率。

圖5 方案1巖芯流動效果Fig.5 Core flooding of p roject1

圖6 方案2巖芯流動效果Fig.6 Core flooding of p roject2

圖7 方案3巖芯流動效果Fig.7 Core flooding of project3

圖8 方案4巖芯流動效果Fig.8 Core flooding of project4

圖9 方案4壓裂液破膠液通過后掃描電鏡Fig.9 SEM of project4 fracturing fluid after gelbreaking

4 流動前后巖芯電鏡掃描分析

為了從微觀上更好地認(rèn)識酸液對解除壓裂液傷害情況，使用環(huán)境掃描電鏡對上述方案4流動實(shí)驗(yàn)過程中的巖芯進(jìn)行電鏡掃描，主要針對注入壓裂液后巖芯端面與注入酸液后巖芯端面進(jìn)行掃描。

從掃描電鏡圖9和10可以看出，對于壓裂液破膠液流動完畢后未反向驅(qū)替殘酸液（模擬返排）的巖芯，可以用肉眼看到巖芯前后端面附著有壓裂液濾餅形成，甚至有少部分交聯(lián)壓裂液凍膠狀物質(zhì)；使用掃描電鏡放大倍數(shù)100倍觀察時(shí)，這種現(xiàn)象更為明顯。而對于過壓裂液破膠液流動后又反向驅(qū)替殘酸液巖芯，巖芯端面的殘?jiān)?、濾餅及凍膠狀物質(zhì)很少，且?guī)r芯端面有較為明顯的溶蝕孔道，說明酸液能夠有效溶解壓裂液殘?jiān)?、濾餅和再次形成的凍膠。

圖10 方案4殘酸液通過后掃描電鏡Fig.10 SEM of project4 fracturing fluid after reacted acid

5 結(jié)論

（1）常規(guī)條件下破膠后瓜膠分子尺寸變化較小，而酸性環(huán)境下破膠后瓜膠分子尺寸降低幅度很大，其中自生熱壓裂液體系瓜膠分子尺寸降低幅度最大。

（2）壓裂液殘?jiān)鼘r芯滲透率傷害情況與破膠液瓜膠分子尺寸密切相關(guān)，降低破膠液中瓜膠分子尺寸有助于大幅度降低破膠液對儲層傷害。

（3）酸液預(yù)處理后不但能夠很好地降低破膠液中瓜膠分子尺寸，消除濾餅和部分殘?jiān)?，還能夠形成一定的酸溶蝕孔道，提高儲層滲透率，改善壓裂效果。

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編輯：牛靜靜

編輯部網(wǎng)址：http：//zk.swpuxb.com

A Study on Damage Reduction M echanism of Acid Preflushing During Hydraulic Fracturing

LIU Pingli1*，LAN Xitang2，LINianyin1，LUO Zhifeng1，LIU Shujie3
1.State Key Laboratory of Oiland GasReservoirGeology and Exploitation，Southwestpetroleum University，Chengdu，Sichuan 610500，China
2.Tianjin Branch Company，CNOOC，Tanggu，Tianjin 300450，China
3.Research Centerof CNOOC，Chaoyang，Beijing 100028，China

Hydraulic fracturing isan effectiveway to develop low permeability reservoir.However，halfway gelout，fracturing fluid residue and filtrate damage often reduce stimulation effect.On-site application of acid pretreatment fracturing technology hasbeen proved to be able to reduce damage during fracturing，but the damage reductionmechanism ofacid pretreatment remains unclear.In this paper，molecular dimensions of guar gum under both conventionaland acidic conditions are quantitatively observed by using laser particle analyzer（LPSA）.Principle factors affecting the damage of gelout fluid tomatrix in acidic environmentare also researched here.In addition，m icroanalysis of damaged core edge after injecting gelout fluid and acid fluid isconducted bymeansofscanning electronm icroscope（SEM）.We can draw conclusions from the results：molecular dimension of guar gum after gelout is significantly reduced underacidic condition，and the reduction ofmolecular dimension playsmore importantrole than acidic environmentin decreasing damage；acid fluid isable to effectively removedamage caused by fracturing fluid，increase core permeability，and form corrosion channels.

acid fluid；preflushing；hydraulic fracturing；fracturing fluid；guargum molecular dimensions；damage

劉平禮，1973年生，男，漢族，甘肅民勤人，副教授，主要從事采油工程教學(xué)和壓裂酸化方向研究工作。E-mail：liupingli@vip.163.com

蘭夕堂，1988年生，男，漢族，湖北荊州人，助理工程師，碩士，主要從事油氣藏增產(chǎn)理論與技術(shù)相關(guān)研究。E-mail：lanxt@cnooc.com.cn

李年銀，1979年生，男，漢族，湖北荊州人，副教授，博士，主要從事油氣藏動態(tài)及增產(chǎn)改造理論與技術(shù)方面的教學(xué)與科研工作。E-mail：linianying9@yahoo.com.cn

羅志鋒，1981年生，男，漢族，四川南部人，副教授，博士，主要從事油氣藏動態(tài)及增產(chǎn)改造理論與技術(shù)方面的教學(xué)與科研工作。E-mail：lzf103429@163.com

劉書杰，1966年生，男，漢族，新疆霍城人，教授級高級工程師，博士，主要從事海洋鉆完井工程方面的研究工作。E-mail：liushj@cnooc.com.cn

10.11885/j.issn.1674-5086.2014.03.28.01

1674-5086（2016）03- 0150-06

TE357.2

A

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2014- 03-28網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016- 05-27

劉平禮，E-mail：liupingli@swpu.edu.cn

國家科技重大專項(xiàng)（2011ZX05030- 005- 08）。