水基壓裂液對儲層液相傷害的實驗研究

曹彥超，曲占慶，許華儒，郭天魁，楊升光，龔迪光

（1.中國石油大學（華東）石油工程學院，山東青島266580；2.長城鉆探工程有限公司壓裂公司，遼寧盤錦124010；3.西安石油大學石油工程學院，陜西西安710065）

水基壓裂液對儲層液相傷害的實驗研究

曹彥超1，曲占慶1，許華儒1，郭天魁1，楊升光2，龔迪光3

（1.中國石油大學（華東）石油工程學院，山東青島266580；2.長城鉆探工程有限公司壓裂公司，遼寧盤錦124010；3.西安石油大學石油工程學院，陜西西安710065）

文中從微觀角度系統(tǒng)分析了壓裂液對儲層造成的水敏傷害與水鎖傷害，并且將核磁共振分析技術應用于壓裂液對儲層液相傷害的研究領域，與常規(guī)流動實驗相結合，提出了一套評價壓裂液對儲層傷害的實驗方法，建立了每種傷害機理與傷害程度間的對應關系。實驗結果表明，壓裂液濾液滲入儲層后均會不同程度地造成束縛水增加、可動水滯留，從而引起儲層滲透率降低，造成儲層液相傷害，并且，對于不同滲透性儲層其傷害程度不同，通過增大返排量和加入表面活性劑的措施可以使液相傷害得到一定程度的緩解。研究成果對壓裂液性能優(yōu)化及油井壓裂改造，將具有重要指導意義。

水基壓裂液；水敏傷害；水鎖傷害；核磁共振

水力壓裂過程中，水基壓裂液造成的儲層傷害主要表現為水敏傷害、水鎖傷害及固相顆粒傷害。其中，水敏傷害與水鎖傷害主要是由于外來流體與儲層不配伍所引起的液相傷害，明顯不同于固相顆粒傷害，其傷害機理及解除方法更為復雜［1］。目前，對于壓裂液濾液引起儲層液相傷害的研究，大多采用普通驅替實驗方法，以濾液滲入前后巖心滲透率變化作為儲層液相傷害程度，而沒有從微觀上分析2種不同的傷害機理，因此，無法準確判斷引起儲層液相傷害的具體原因及傷害程度［2-4］。本文將低磁場核磁共振分析技術應用于壓裂液對儲層的液相傷害研究，評價壓裂液對儲層的液相傷害。

1　儲層液相傷害機理及影響因素

1.1水敏傷害

巖心在不含油狀態(tài)下，飽和地層水后，外來水相侵入會產生黏土礦物吸水傷害，即水敏傷害。這是由于，基本上所有產油砂巖顆粒均會不同程度地含有蒙脫石、伊利石等黏土礦物，外來水相與這些巖石黏土礦物的不配伍性打破了原有離子間的平衡狀態(tài)，引起巖心內黏土吸水，使得巖心束縛水增加，并且引起黏土吸水膨脹和分散運移，縮小了流體滲流空間，堵塞流動通道，造成巖心絕對滲透率的下降［5-6］。

1.2水鎖傷害

流體在低滲透儲層孔喉中的存在狀態(tài)主要分為束縛流體和自由可動流體。當儲層巖石孔隙內的流體為油水兩相流動時，可動水相就會在毛細管力的作用下對油相產生附加阻力，妨礙油相流動，造成油相相對滲透率的降低，即水鎖傷害。對于飽和油、束縛水兩相狀態(tài)下的巖心，外來水相的侵入會使得一部分水變?yōu)槭`水，造成巖心內束縛水的增加，引起水敏傷害；另一部分則是成為自由流動的可動水，若油相無法完全返排這些可動水，滯留的可動水就嚴重影響油相流動，從而引起水鎖傷害［7-8］。水鎖傷害的影響因素主要分為以下2個方面。

1.2.1毛細管效應

壓裂液等外來流體滲入水濕性的儲層孔喉后，會把儲層中的原油推向儲層深部，還在油水界面產生凹向油相的一個彎液面，從而產生毛細管壓力，阻礙油相流動。由毛細管力計算公式（1）可知，毛細管力與孔喉半徑成反比，孔喉較小的低滲透油藏將更易產生水鎖傷害。

式中：pc為油水間毛細管力，mN；σ為油水間界面張力，mN/m；θ為油水間接觸角，（°）；r為毛細管半徑，m。1.2.2賈敏效應

地層中發(fā)生油水兩相流動時，會有許多乳化液滴形成，這些乳化液在通過變化的巖心孔隙喉道時，會由于變形而產生附加阻力，見式（2）。

式中：pr為乳狀液阻力，mN；R1，R2分別為油、水液膜的曲率半徑，m。

目前，普遍認為影響水鎖傷害的因素［9-10］有：儲層孔隙結構、儲層滲透率、儲層中所含黏土礦物的種類及含量、含水飽和度、水相物理侵入深度、油水間界面張力、驅替壓力等。為了降低水鎖傷害程度，本文通過水基壓裂液傷害實驗，從降低儲層含水飽和度、降低油水界面張力、增大驅替壓差等方面著手研究。

2　儲層液相傷害的核磁共振實驗

2.1實驗原理

本實驗充分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。其理論基礎是，應用巖石孔隙中流體所含氫核在外磁場中的弛豫行為。在一定假設條件下，氫核的這種弛豫行為主要是由流體性質以及巖石骨架的孔隙結構、礦物組成決定的［11-13］。

巖石孔隙是由幾何尺寸大小不同的孔隙喉道組成的，每種半徑分布的孔喉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不同孔隙中流體的氫核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過多指數擬合（數學反演）得到的。目前，國內外有許多不同的核磁共振多指數反演算法，但普遍采用王為民等［14-15］提出的奇異值分解反演算法和變換反演算法。只有通過數學反演技術，才能計算出不同尺寸大小孔隙中的流體含量，即弛豫時間譜。

根據油層物理理論，弛豫時間譜表示巖心中大小不同的孔隙占總孔隙的比例。當巖石孔喉半徑小到一定程度時，孔隙內的流體將受毛細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。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。如圖1所示，左峰下的面積表示束縛流體含量，右峰下的面積為可動流體含量。

圖1　一塊普通砂巖巖心的典型弛豫時間譜

2.2實驗方案設計

選取5組不同的低滲透巖心進行實驗，每組中的3塊巖心都是來自于同一塊全直徑巖心，物性相似，巖心基本參數及具體分配方案見表1。巖樣飽和地層水時，采用的地層水為NaCl，CaCl2，MgCl2按一定比例配制而成的標準模擬地層水，其密度為1.06 g/cm3，黏度為1.09 mPa·s；采用去氫煤油作為油相，其密度為1.72 g/cm3，黏度為1.20 mPa·s，由于去氫煤油中不含氫核（1H），因此，不會產生核磁共振信號。采用普通活性水溶液和低表面張力活性水溶液作為外來流體，其中，普通活性水溶液為蒸餾水及添加劑（0.3%黏土穩(wěn)定劑+ 0.3%助排劑+0.2%殺菌劑+0.06%PH調節(jié)劑）配制而成，其密度為1.04 g/cm3，黏度為1.08 mPa·s；低表面張力活性水溶液由普通活性水溶液中加入0.25%的表面活性劑配制而成，密度為1.03 g/cm3，黏度為1.05 mPa·s室溫下界面張力約為同條件下普通活性水溶液的一半。

表1　巖心基本參數和實驗分配

2.3實驗分析方法

實驗過程中，使用MR-DF核磁共振鉆井液分析儀對巖心進行分析測試，定量檢測不同實驗階段巖心內束縛流體、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。

2.3.1水敏傷害實驗

每組選取一塊巖心（1-A，2-A，…，5-A），首先，進行飽和地層水狀態(tài)下巖心水測滲透率（Kw），并進行第1次核磁共振測量；然后，反向擠入1.5倍巖心孔隙體積的普通活性水溶液，放置2 h，進行第2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3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。

2.3.2水鎖傷害實驗

每組選取一塊巖心（1-B，2-B，…，5-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倍孔隙體積的普通活性水，放置2 h，進行第3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。

2.3.3儲層傷害解除實驗

主要根據上述水鎖傷害實驗方法，對剩余5塊巖心（1-C，2-C，…，5-C）進行實驗，只是用低表面張力活性水溶液替代普通活性水溶液。

3　儲層液相傷害實驗結果與分析

上述實驗巖心，擠入不同活性水溶液前后巖心滲透率變化以及驅替結束后巖心內束縛水與可動水含量、相對增加量見表2。

表2　實驗測試結果對比

由于實驗選取的第1與第2組，第3與第4、第5組巖心具有接近的孔滲特性，從而也具有相似的核磁共振特征，因此，本文只列舉第2組與第5組巖心的核磁共振圖譜進行對比分析。

進行水敏傷害實驗的2-A，5-A兩塊巖心的核磁共振圖譜如圖2a，2b所示，進行水鎖傷害及解除實驗的2-B，5-B，2-C，5-C四塊巖心核磁共振圖譜如2c—2f所示。

圖2　不同巖心的核磁共振圖譜

對比5組實驗測試結果，以及上述3組核磁共振圖譜可知，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，引起比較相近的水敏傷害。在進行水鎖傷害程度計算時，可用水鎖傷害實驗中滲透率總傷害減去水敏傷害實驗中的滲透率總傷害。

4　解除儲層液相傷害措施分析

4.1增加返排量

巖心水敏傷害實驗中，2塊巖心2-A，5-A的水敏傷害率與返排體積的關系曲線如圖3所示；巖心普通活性水水鎖傷害實驗中，2塊巖心2-B，5-B的水鎖傷害率與返排體積的關系曲線如圖4所示。

由實驗曲線可知，巖心水敏傷害程度與活性水溶液的返排體積沒有明顯關系，基本維持在一定值，而巖心水鎖傷害程度隨返排體積的增大明顯減小，滲透率下降率高達70%～80%，并且最終趨于穩(wěn)定。由此可以看出，活性水擠入巖心后造成的水敏傷害是不可逆、不可恢復的，而水鎖傷害可以通過增大返排體積得到部分解除，從而降低液相對儲層的傷害程度。

4.2降低表面張力

對比表2中飽和油束縛水條件下，巖心在普通活性水溶液與低表面張力活性水溶液侵入前后滲透率變化可知，2種情況下巖心水敏傷害程度相差不大，而水鎖傷害程度則有明顯不同。應用低表面張力活性水溶液傷害后的巖心水鎖傷害程度，比應用普通活性水溶液傷害后的巖心低5%左右。這是由于，降低流體間的表面張力，可以減小毛細管壓力，減少儲層中外來流體的滯留，提高油相相對滲透率；同時，表面活性劑還可以減緩賈敏效應，將賦存于細小孔隙吼道中的水驅替出來，增強外來流體的返排程度，降低水鎖傷害程度，從而降低液相的總傷害程度。

圖3　不同巖心水敏傷害程度與返排體積關系曲線

圖4　不同巖心水鎖傷害程度與返排體積關系曲線

5　結論

1）將常規(guī)流動實驗與核磁共振分析技術相結合，提供了一種有效評價水基壓裂液對儲層液相傷害的實驗方法。應用該方法，能夠準確計算出壓裂液等外來流體滲入儲層后所引起的水敏傷害、水鎖傷害及液相傷害的大小。

2）研究表明，水基壓裂液引起的儲層水敏傷害程度與束縛水增加量呈正相關；引起的水鎖傷害程度與可動水滯留量呈正相關。

3）不同滲透率巖心擠入水基壓裂液后表現的液相傷害程度不同，較低滲透率巖心的液相傷害程度比較高滲透率巖心的液相傷害程度要高。

4）通過增加水基壓裂液的返排量及提高返排效率，增加表面活性劑改善壓裂液性能，能夠有效降低壓裂液對儲層的水鎖傷害，從而降低壓裂液對儲層的液相傷害程度，保證合理的壓裂效果。

5）將核磁共振技術應用于水基壓裂液對儲層的液相傷害研究，可以實現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系，從而，對后續(xù)研究壓裂液性能改善和油層保護措施具有重要意義。

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（編輯王淑玉）

Experimental study on damage of water-based fracturing fluid to reservoir liquid phase

CAO Yanchao1，QU Zhanqing1，XU Huaru1，GUO Tiankui1，YANG Shengguang2，GONG Diguang3
（1.College of Petroleum Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266580，China；2.Fracturing Service Company，Great Wall Drilling Company Ltd.，CNPC，Panjin 124010，China；3.School of Petroleum Engineering，Xi′an Shiyou University，Xi′an 710065，China）

In this paper，the damage of water sensitivity and water locking caused by fracturing fluid to reservoir is analyzed from the microscopic point，and the nuclear magnetic resonance analysis technique is applied to fracturing fluid damage to the reservoir liquid phase.Combined with conventional flow experiments，an experimental method of evaluating the damage of fracturing fluid to reservoir is put forward，and the relationship between the damage mechanism and the degree of damage is established.The experiment results show that the fracturing fluid filtrate into the reservoir will cause different degrees of bound water and movable water retention，which will reduce the permeability of reservoir and result in the reservoir liquid phase damage.Moreover，the damages of different permeability reservoirs are unlike，which can be relieved by increasing the addition of return flow and injecting surface active agent.This study will provide some guiding to fracturing fluid optimization and oil well fracturing.

water-based fracturing fluid；water-sensitive damage；water-locking damage；nuclear magnetic resonance

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

TE357.1

A

10.6056/dkyqt201605030

2016-02-12；改回日期：2016-07-15。

曹彥超，男，1990年生，在讀碩士研究生，主要從事油井壓裂酸化增產增注技術研究。E-mail：cyc901019@163.com。

引用格式：曹彥超，曲占慶，許華儒，等.水基壓裂液對儲層液相傷害的實驗研究［J］.斷塊油氣田，2016，23（5）：676-680.

CAO Yanchao，QU Zhanqing，XU Huaru，et al.Experimental study on damage of water-based fracturing fluid to reservoir liquid phase［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2016，23（5）：676-680.