致密砂巖氣藏壓裂液體系對儲(chǔ)層基質(zhì)傷害性能評價(jià)

周偉勤，梁小兵

(陜西延長石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院, 陜西 西安 710000)

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致密砂巖氣藏壓裂液體系對儲(chǔ)層基質(zhì)傷害性能評價(jià)

周偉勤，梁小兵

(陜西延長石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院, 陜西 西安 710000)

致密砂巖氣藏由于其低孔低滲的儲(chǔ)層特性，必須通過壓裂增產(chǎn)措施才能實(shí)現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)產(chǎn)能。以延安氣田山西組致密砂巖氣藏為研究對象，探討了致密砂巖氣藏壓裂液評價(jià)方法，并進(jìn)行了壓裂液濾液對儲(chǔ)層巖石基質(zhì)滲透率傷害率和壓裂液傷害后核磁共振測試試驗(yàn)；研究中基于壓裂液與地層流體及工作液的配伍性研究，對壓裂液的乳化率和殘?jiān)M(jìn)行了測定，篩選出了3種適用于延安氣田致密氣高效開發(fā)的壓裂液體系?；趲r心傷害測試評價(jià)和核磁共振測試評價(jià)表明，羥丙基胍膠(一級)弱堿性壓裂液體系、羥甲基羥丙基胍膠酸性壓裂液體系、黏彈性表面活性劑VES體系雖均能滿足延安氣田壓裂液作業(yè)要求，但是對比其他2種壓裂液體系，羥丙基胍膠(一級)弱堿性壓裂液體系具有低傷害、低殘?jiān)透叻蹬诺膬?yōu)勢，建議采用羥丙基胍膠(一級)弱堿性壓裂液體系作為延長致密砂巖氣藏儲(chǔ)層改造的工作液體系，為該油田儲(chǔ)層保護(hù)和有效開發(fā)提供支持。

致密氣藏；砂巖氣藏；壓裂液；傷害率；延安氣田

延安氣田開發(fā)動(dòng)用的氣層為上古生界低滲致密砂巖氣藏，其主力儲(chǔ)層為石盒子組和山西組，埋深2117～3245m，壓力系數(shù)0.65～0.85MPa/1000m。儲(chǔ)層砂巖石英平均體積分?jǐn)?shù)66.5%，巖屑平均體積分?jǐn)?shù)22.3%，膠結(jié)物體積分?jǐn)?shù)10.50%，膠結(jié)物主要以黏土礦物為主。儲(chǔ)層平均孔隙度8.91%、平均滲透率0.6567mD，屬典型超低滲儲(chǔ)層。由儲(chǔ)層敏感性測試表明，具有強(qiáng)堿敏(堿敏指數(shù)0.98)、中等水敏(水敏指數(shù)0.53)、中等偏弱酸敏(酸敏指數(shù)0.31)，無速敏損害。

截至2016年3月，共計(jì)進(jìn)行20井次壓裂，均采用弱堿性和有機(jī)硼在堿性環(huán)境交聯(lián)的方式，全程伴注液氮助排，主支撐劑為20～40目中強(qiáng)陶粒，壓裂泵注均完成設(shè)計(jì)要求。但壓裂后測試無阻流量從0～102.7×104m3/d不等，壓裂效果不穩(wěn)定，表明儲(chǔ)層產(chǎn)能未能很好地全面被釋放，其壓裂液對儲(chǔ)層侵入傷害是影響產(chǎn)能釋放的關(guān)鍵因素之一。

而水力壓裂技術(shù)發(fā)展至今，使用的壓裂液已有多類，主要分為水基壓裂液、油基壓裂液、泡沫壓裂液、乳化壓裂液和清潔壓裂液[1～3]。由延安氣田儲(chǔ)層性質(zhì)可知，優(yōu)選壓裂液體系時(shí)，在考慮壓裂液性質(zhì)的同時(shí)，重點(diǎn)要控制對儲(chǔ)層基質(zhì)的傷害，尤其是水敏傷害和堿敏傷害。由此，初步可選取現(xiàn)用羥丙基胍膠(一級)弱堿性壓裂液體系、酸性壓裂液體系、黏彈性表面活性劑VES體系可作為適用于延安氣田的適用體系。因此筆者基于延安氣田儲(chǔ)層性質(zhì)和3種壓裂液體系基礎(chǔ)配方，優(yōu)化適用于該儲(chǔ)層的具體配方組成、評價(jià)對比常規(guī)性能指標(biāo)，并重點(diǎn)測試3種壓裂液體系對儲(chǔ)層基質(zhì)的侵入傷害，剖析傷害機(jī)理，從而給出最佳的壓裂液體系，為提高延安氣田壓裂有效性、充分釋放儲(chǔ)層產(chǎn)能提供一定借鑒。

1　試驗(yàn)部分

1.1試驗(yàn)材料及裝置

1) 主要試驗(yàn)材料羥丙基胍膠(一級)(工業(yè)品，延長油田提供)；羧甲基羥丙基胍膠( CMPHG) (東營市信德化工有限責(zé)任公司)；VESHD表面活性劑(自制，非離子表面活性劑/陰離子表面活性劑體積比=3∶1)；有機(jī)硼交聯(lián)劑(JL-1)(東營市信德化工有限責(zé)任公司)；有機(jī)鋯交聯(lián)劑(JL-13)(自制)；殺菌劑(戊二醛)(東營區(qū)東大化學(xué)儀器經(jīng)營部)；降濾失劑(羧甲基纖維素CMC)(東營區(qū)東大化學(xué)儀器經(jīng)營部)；(NH4)2S2O8( 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%) 、HCl、KCl、NaCl、MgCl2、CaCl2(國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，分析純) ；去離子水。

2) 主要試驗(yàn)設(shè)備TP-520 型電子天平；80-2 型離心沉淀器；博力飛-Ⅲ旋轉(zhuǎn)黏度儀；ESB-Ⅴ型電子表面平衡張力儀；高溫高壓動(dòng)態(tài)濾失儀；Magnet2000 型核磁共振巖樣分析儀。

1.2試驗(yàn)方法及原理

1.2.1壓裂液體系配制

主要針對現(xiàn)用羥丙基胍膠壓裂液體系、羧甲基羥丙基胍膠酸性壓裂體系和VESHD壓裂液體系進(jìn)行性能對比試驗(yàn)。其基本配方如下：

1)羥丙基胍膠(一級)弱堿性壓裂液體系0.3%～0.4%羥丙基胍膠(一級)+0.3%氣井助排劑+0.1%殺菌劑+0.15%Na2CO3+0.3%氣井起泡劑(或無)+1%～2%KCl+0.2%～0.5%黏土穩(wěn)定劑+0.01%～0.025%pH調(diào)節(jié)劑+2%JLS-2降濾失劑+1%～3%交聯(lián)劑，92%～95%水。

2)羧甲基羥丙基胍膠酸性壓裂體系0.4% GMHPG 溶液+2% 有機(jī)鋯交聯(lián)劑+0.06%過硫酸銨+2%鹽酸+0.4%黏土穩(wěn)定劑+0.4%助排劑+0.1%緩蝕劑，94%～95%水。

3)VESHD壓裂液體系2.8%～5%基礎(chǔ)表面活性劑(非離子表面活性劑)+1.2%～2%穩(wěn)定助劑(陰離子表面活性劑)+4%～10%交聯(lián)助劑(無機(jī)鹽溶液)+85%～93%水。VESHD體系配制時(shí)，將基礎(chǔ)表面活性劑按照2.8%～5%的比例加入到4%～10%交聯(lián)助劑水溶液中，然后再按照1.2%～2%體積比例加入陰離子表面活性劑，并不斷攪拌5min。以上配方中的百分?jǐn)?shù)為體積分?jǐn)?shù)。

1.2.2壓裂液體系基本性能評價(jià)

按照標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5107—2005《水基壓裂液性能評價(jià)方法》、SY/T 6380—1998《壓裂用破膠劑性能試驗(yàn)方法》、SY /T 5370 《表面及界面張力測定》進(jìn)行壓裂液基礎(chǔ)性能評價(jià)，主要評價(jià)交聯(lián)后壓裂液黏度、流變特性(稠度系數(shù)和流變特性指數(shù))、破膠時(shí)間、破膠液黏度、殘?jiān)?、破膠液表面張力、初濾量等7項(xiàng)基本性能。

1.2.3壓裂液體系對儲(chǔ)層基質(zhì)的傷害評價(jià)

基于致密氣藏的儲(chǔ)層物性及敏感性特征，在水力壓裂裂縫形態(tài)達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)模前提下，對氣藏產(chǎn)能釋放起關(guān)鍵作用的不是裂縫內(nèi)的導(dǎo)流能力，而是裂縫網(wǎng)絡(luò)所接觸的巖石基質(zhì)是否保護(hù)完好，即壓裂過程中壓裂液對基質(zhì)的傷害特性是選擇壓裂液的關(guān)鍵所在[4]。壓裂液對儲(chǔ)層基質(zhì)的傷害主要有液相傷害、固體傷害、壓裂液濾餅及濃縮傷害，其具體傷害形式[5，6]體現(xiàn)在黏土水化膨脹與分散運(yùn)移傷害(水敏傷害)、水鎖傷害、壓裂液殘?jiān)鼈Α毫岩簽V餅和濃縮傷害等。由前述壓裂液對儲(chǔ)層基質(zhì)的傷害機(jī)理分析可得，該區(qū)壓裂液傷害主要集中在水敏性黏土礦物的水敏傷害、濾液進(jìn)入喉道后造成的水鎖傷害以及破膠液向地層滲漏后在裂縫壁面形成的濾餅傷害。該研究將分別針對這3種傷害設(shè)計(jì)相應(yīng)試驗(yàn)，以實(shí)現(xiàn)單一因素的傷害評價(jià)。

1) 水敏性礦物的水敏傷害試驗(yàn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)所用濾液分別為3種壓裂液按照最佳配方配制，但不加稠化劑(胍膠、陰離子表面活性劑)。配制完成后均用3μm濾膜過濾得到壓裂液的模擬濾液；將巖心裝入夾持器中；正通標(biāo)準(zhǔn)鹽水(0.04mg/L)，測巖心滲透率K11；反通相應(yīng)的壓裂液模擬濾液穩(wěn)定后，放置2h；正通標(biāo)準(zhǔn)鹽水(0.04mg/L)，穩(wěn)定后測巖心滲透率K12；計(jì)算巖心傷害率：

(1)

2) 水鎖傷害評價(jià)試驗(yàn)設(shè)計(jì)同水敏傷害方式配制壓裂液，并均用3μm濾膜過濾得到壓裂液的模擬濾液，并在模擬濾液內(nèi)添加2%黏土穩(wěn)定劑，以消除水敏傷害影響；將巖心裝入夾持器中；正通標(biāo)準(zhǔn)鹽水(0.04mg/L)，穩(wěn)定后測巖心滲透率K21；保持3MPa壓差，正通濕氮?dú)膺M(jìn)行氣驅(qū)至束縛水(大于50PV)，結(jié)束氣驅(qū)；反通壓裂液模擬濾液1PV，放置2h穩(wěn)定；正通標(biāo)準(zhǔn)鹽水(0.04mg/L)，穩(wěn)定后測巖心滲透率K22；利用式(1)計(jì)算巖心傷害率(此時(shí)K1=K21，K2=K22)。

3) 濾餅侵入傷害評價(jià)試驗(yàn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)所用濾液分別為3種壓裂液按照最佳配方配制，添加稠化劑，并充分破膠；配制完成后均用3μm濾膜過濾得到壓裂液的模擬濾液；將巖心裝入夾持器中；正通標(biāo)準(zhǔn)鹽水(0.04mg/L)，測巖心滲透率K31；反通相應(yīng)的壓裂液模擬濾液穩(wěn)定后，放置2h，造成模擬水敏傷害；正通標(biāo)準(zhǔn)鹽水(0.04mg/L)，穩(wěn)定后測巖心滲透率K32；反通相應(yīng)的壓裂液破膠液1PV，形成濾餅；正通標(biāo)準(zhǔn)鹽水(0.04mg/L)，測巖心滲透率K33；利用式(1)計(jì)算巖心傷害率(此時(shí)K1=K32，K2=K33)。

表1　傷害試驗(yàn)所用天然巖心基本參數(shù)

4)核磁共振測試采用Magnet2000型核磁共振巖樣分析儀測量巖心內(nèi)部孔隙度分布[11]。首先對飽和標(biāo)準(zhǔn)鹽水的巖心進(jìn)行第1次核磁共振測量，壓裂液完成巖心水敏傷害和水鎖傷害后，采用標(biāo)準(zhǔn)鹽水反向驅(qū)替巖心，待水測滲透率穩(wěn)定后，取出巖心進(jìn)行第2次核磁共振測量。

傷害試驗(yàn)巖心均為山西組二段所取天然巖心，其試驗(yàn)方案及初始滲透率參數(shù)如表1所示。

2　試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1壓裂液體系基本性能評價(jià)對比

表2列出了3種壓裂液基本性能的測試結(jié)果。由性能指標(biāo)對比可得，3種壓裂液體系相關(guān)性能指標(biāo)均比較優(yōu)異，都滿足壓裂液通用指標(biāo)要求?？紤]到研究區(qū)儲(chǔ)層為致密砂巖儲(chǔ)層，同時(shí)儲(chǔ)層存在中等強(qiáng)度水敏性和中弱酸敏，因此為進(jìn)一步優(yōu)選壓裂液體系，需開展濾液的巖心傷害試驗(yàn)，以此對比分析最佳的壓裂液體系。

表2　壓裂液基本性能評價(jià)結(jié)果對比表

表3　水敏傷害試驗(yàn)測試結(jié)果

2.2壓裂液體系對儲(chǔ)層基質(zhì)傷害評價(jià)對比

1)水敏性礦物的水敏傷害試驗(yàn)結(jié)果按照水敏傷害測試試驗(yàn)方案，測試結(jié)果如表3及圖1所示。

由表3可看出，弱堿性壓裂液雖然其基礎(chǔ)流動(dòng)性指標(biāo)弱于酸性壓裂液和VESHD壓裂液，但其水敏傷害率最低。這可能是由于儲(chǔ)層存在一定酸敏性導(dǎo)致酸性壓裂液效果不太理想。同時(shí)VESHD壓裂液內(nèi)無機(jī)鹽含量較低，導(dǎo)致其水敏傷害最大，但如果增加防膨劑的配比又會(huì)影響其流動(dòng)性能，因此在選用VESHD壓裂液時(shí)，需進(jìn)一步優(yōu)化其無機(jī)鹽的含量。

2) 水鎖傷害評價(jià)試驗(yàn)結(jié)果按照水鎖傷害測試試驗(yàn)方案，測試結(jié)果如圖2及表4所示。

圖1　壓裂液體系水敏評價(jià)結(jié)果

圖2　壓裂液體系水鎖評價(jià)結(jié)果

表4　水鎖傷害試驗(yàn)測試結(jié)果

表5　濾餅侵入傷害率試驗(yàn)測試結(jié)果

圖3　壓裂液體系濾餅傷害評價(jià)結(jié)果

由表4可看出，弱堿性壓裂液雖然其基礎(chǔ)流動(dòng)性指標(biāo)弱于酸性壓裂液和VESHD壓裂液，但其水鎖傷害率也最低。弱堿性壓裂液、酸性壓裂液、VESHD壓裂液的滲透率最終恢復(fù)率分別為68.07%、67.43%、67.20%。圖2為滲透率恢復(fù)率隨注入量的變化曲線，從圖2可知，該試驗(yàn)中弱堿性壓裂液、酸性壓裂液的滲透率恢復(fù)率一定程度上快于VESHD壓裂液。

3) 濾餅侵入傷害評價(jià)試驗(yàn)結(jié)果按照濾餅侵入傷害測試試驗(yàn)方案，測試結(jié)果如表5及圖3所示。

由表5可看出，弱堿性壓裂液雖然其基礎(chǔ)流動(dòng)性指標(biāo)弱于酸性壓裂液和VESHD壓裂液，但其濾餅侵入傷害率最低。

4)壓裂液濾液對儲(chǔ)層巖石的傷害率由表6可清晰看出，3種壓裂液對巖心的水鎖傷害差別不大，這是由于儲(chǔ)層多孔介質(zhì)的微孔隙性，其氣液兩相分散空間狹小，自由度也小，因此液體性質(zhì)對氣液混合起泡的程度影響體現(xiàn)得不是很明顯；而對于水敏傷害，VESHD壓裂液的傷害程度明顯高于2種胍膠壓裂液的傷害，分析認(rèn)為VESHD體系表面活性劑交聯(lián)對含鹽量高低比較敏感，其黏土穩(wěn)定劑的添加受到一定限制，因此比較容易造成水敏礦物的膨脹、脫落；對于濾餅的傷害，弱堿性壓裂液明顯低于其他2種壓裂液體系，但從試驗(yàn)后巖心斷面的濾餅可以明顯觀測到弱堿性壓裂液的濾餅厚度較其他2種都厚，分析認(rèn)為濾餅的傷害較巖心斷面壓裂液滲入造成的傷害要小得多，因此測試的濾餅傷害，可能主要是巖心斷面的水敏傷害和外來流體侵入造成的不配伍造成的。

表6　壓裂液傷害率統(tǒng)計(jì)

圖4　核磁共振孔隙度分布

5) 巖心核磁共振結(jié)果對比由3種壓裂液巖心傷害核磁共振(圖4)可以看出：弱堿性壓裂液和酸性壓裂液濾失后的巖心孔隙度分量在弛豫時(shí)間上的分布較接近。其分布變化在1～10ms段孔隙度分量略有增加，在10～1000ms段減少，而弛豫時(shí)間與巖心孔喉半徑成正比。這表明壓裂液濾失過程中，部分巖心的大孔喉轉(zhuǎn)化為小孔喉，甚至在濾失過程中造成了孔喉堵塞現(xiàn)象，從而造成了大孔喉分布明顯下降，而小孔喉略有上升的現(xiàn)象。對比弱堿性壓裂液和酸性壓裂液濾失后的巖心孔隙度分量在弛豫時(shí)間上的分布發(fā)現(xiàn)，酸性壓裂液造成的孔喉堵塞程度明顯強(qiáng)于弱堿性壓裂液。從VESHD壓裂液濾失后的巖心孔隙度分量在弛豫時(shí)間上的分布可以看出，在VESHD壓裂液濾失后，其大小孔喉分布均存在明顯減小，這表明VESHD壓裂液由于表面活性劑的存在，更容易侵入儲(chǔ)層內(nèi)部造成水敏。

通過對3種壓裂液濾液巖心傷害核磁共振曲線的分析可以得出，在壓裂液優(yōu)選過程中，除了需要對壓裂液的基礎(chǔ)性能參數(shù)進(jìn)行評價(jià)優(yōu)選，還應(yīng)該從油層物理性質(zhì)出發(fā)，盡量選擇不容易侵入儲(chǔ)層內(nèi)部、不易造成水敏傷害的壓裂液。因此，雖然VESHD壓裂液具有較好的流變性能，但該儲(chǔ)層仍需選擇弱堿性壓裂液。

3　結(jié)論

1)對弱堿性壓裂液、酸性壓裂液和VESHD壓裂液進(jìn)行室內(nèi)基本性能評價(jià)表明，這3種壓裂液均能滿足延安致密砂巖氣藏中等強(qiáng)度水敏性和中弱酸敏地層特征施工要求。通過對比壓裂液初濾失性能，弱堿性壓裂液具有明顯的優(yōu)勢，這是因?yàn)槿鯄A性壓裂液在破膠后黏度高于酸性壓裂液和VESHD壓裂液。

2)壓裂液體系對儲(chǔ)層基質(zhì)傷害評價(jià)表明，在抵抗儲(chǔ)層水敏傷害、水鎖傷害和濾餅侵入傷害方面，弱堿性壓裂液均具有明顯優(yōu)勢。通過統(tǒng)計(jì)3種壓裂液對儲(chǔ)層的傷害率表明，弱堿性壓裂液的總傷害率為71.98%，明顯低于酸性壓裂液(91.37%)和VESHD清潔壓裂液(94.95%)，從而表明弱堿性壓裂液更能適應(yīng)延安氣田致密砂巖氣藏壓裂作業(yè)要求。

3)核磁共振測試表明，弱堿性壓裂液與酸性壓裂液具有相似的趨勢，均表現(xiàn)為由于壓裂液濾失部分大孔喉轉(zhuǎn)化為小孔喉，并導(dǎo)致部分大孔喉堵塞，從而造成了大孔喉分布明顯下降，而小孔喉略有上升現(xiàn)象。對比弱堿性壓裂液與酸性壓裂液濾失后孔隙分布分量表明，酸性壓裂液造成的孔喉堵塞比弱堿性壓裂液更加嚴(yán)重，因此弱堿性壓裂液具有相對較低的巖心侵入傷害。而對VESHD壓裂液核磁共振測試表明，其大孔喉與小孔喉的孔隙分布分量均出現(xiàn)下降，這表明VESHD壓裂液更易造成巖心侵入傷害。

4)在壓裂液優(yōu)選時(shí)候，不能僅評測其基礎(chǔ)性能指標(biāo)，還應(yīng)該綜合考慮巖石性質(zhì)，在基礎(chǔ)性能指標(biāo)達(dá)標(biāo)的情況下，盡量選擇不易侵入儲(chǔ)層內(nèi)部、不易造成水敏傷害的壓裂液?；诖耍m然VESHD壓裂液的流變性能最好，但該儲(chǔ)層仍需選擇羥丙基胍膠弱堿性壓裂液。

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[編輯]黃鸝

2016-04-27

周偉勤(1972-),男，高級工程師，現(xiàn)主要從事壓裂試油、試氣等研究，403593460@qq.com。

TE375

A

1673-1409(2016)29-0064-06

[引著格式]周偉勤，梁小兵.致密砂巖氣藏壓裂液體系對儲(chǔ)層基質(zhì)傷害性能評價(jià)[J].長江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版),2016,13(29):64～69.