水基壓裂液對(duì)致密砂巖氣層的損害機(jī)理
——基于《水基壓裂液性能評(píng)價(jià)方法：SY/T 5107ü2016》的改進(jìn)

唐洪明 唐浩軒 何 江 趙 峰 張烈輝 廖紀(jì)佳 王 茜, 袁學(xué)芳

1.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2.“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)3.中國(guó)石油塔里木油田公司油氣工程研究院

0 引言

致密砂巖氣屬于非常規(guī)天然氣，儲(chǔ)層特低孔隙度、特低滲透率，孔喉半徑小、孔隙連通性差，導(dǎo)致排驅(qū)壓力大，并且黏土礦物含量高，大部分氣層原始含水飽和度較高[1-3]。在壓裂過程中，壓裂液對(duì)油氣層容易造成殘?jiān)秩?、微粒運(yùn)移、聚合物吸附和鹽析結(jié)晶等損害[4-8]。在致密砂巖氣層的壓裂過程中，堿性壓裂液會(huì)溶解敏感性礦物，嚴(yán)重時(shí)會(huì)加劇黏土礦物分散、運(yùn)移等化學(xué)行為。采用現(xiàn)行的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水基壓裂液性能評(píng)價(jià)方法：SY/T 5107ü2016》[9]（以下簡(jiǎn)稱行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)）來評(píng)價(jià)壓裂液對(duì)氣層滲透率的損害程度，實(shí)驗(yàn)流程包括以下步驟：①將流動(dòng)介質(zhì)從巖心一端擠入進(jìn)行驅(qū)替，使流動(dòng)介質(zhì)的流速低于臨界流速，直至流量及壓差穩(wěn)定，且穩(wěn)定時(shí)間不少于60 min；②將壓裂液濾液裝入高壓容器，采用壓力源加壓，使濾液從巖心另一端進(jìn)入，當(dāng)濾液開始流出時(shí)記錄時(shí)間，測(cè)定時(shí)間為36 min，之后關(guān)閉夾持器兩端閥門，使濾液在巖心中停留2 h，實(shí)驗(yàn)溫度為壓裂液適用溫度；③采取與步驟①相同的方法測(cè)定巖心受壓裂液濾液損害后的流動(dòng)介質(zhì)的滲透率。其中，步驟①、③均基于束縛水飽和度建立巖心含水飽和度，進(jìn)而采用氣體進(jìn)行滲透率測(cè)試；步驟②中采用的液體為壓裂液濾液。該實(shí)驗(yàn)流程難以真實(shí)反映和評(píng)價(jià)實(shí)際壓裂液對(duì)致密砂巖氣層的損害程度，原因如下：①依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，壓裂液濾液在注入巖心時(shí)是在一定的壓差下被緩慢注入，而在實(shí)際壓裂過程中，壓裂液是在高壓下瞬間進(jìn)入氣層；②巖心損害過程采用的是壓裂液濾液，其中不含壓裂液殘?jiān)?，這與現(xiàn)場(chǎng)使用的壓裂液液體組分有差異；③未考慮氣層原始含水飽和度，而是建立統(tǒng)一的束縛水飽和度。為此，筆者選取塔里木盆地庫(kù)車坳陷迪北地區(qū)下侏羅統(tǒng)阿合組（J1a）致密砂巖巖心，通過改進(jìn)實(shí)驗(yàn)流程與方法來模擬壓裂液侵入致密砂巖儲(chǔ)層的過程，進(jìn)而評(píng)價(jià)壓裂液對(duì)儲(chǔ)層的損害程度，并系統(tǒng)剖析了損害機(jī)理，以期為壓裂液性能優(yōu)化、壓裂效果評(píng)價(jià)等提供支撐。

1 現(xiàn)有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的不足

前述行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于開展壓裂液綜合性能評(píng)價(jià)具有指導(dǎo)意義，但對(duì)于致密砂巖氣藏而言，該標(biāo)準(zhǔn)中給出的實(shí)驗(yàn)方法不能真實(shí)評(píng)價(jià)壓裂液對(duì)基質(zhì)儲(chǔ)層的損害程度，進(jìn)而影響到對(duì)基質(zhì)儲(chǔ)層滲透率損害率的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)以及氣層損害機(jī)理的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也不利于對(duì)壓裂液性能形成客觀、真實(shí)的評(píng)價(jià)結(jié)果。因此，對(duì)該實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)是很有必要的。

1.1 壓裂液驅(qū)替模擬過程與實(shí)際壓裂液進(jìn)入氣層的過程差異大

通常開展的巖心損害評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)是將壓裂液濾液以低于臨界流速的速度進(jìn)行驅(qū)替，而在實(shí)際壓裂過程中，壓裂液被快速泵入井筒內(nèi)，且泵入速度高于其在地層中的濾失速度。由此，由壓裂液內(nèi)部壓力產(chǎn)生的張性環(huán)狀應(yīng)力使井筒中壓裂液沿軸向撕裂地層，并且隨著壓裂液的持續(xù)泵入使形成的裂縫繼續(xù)擴(kuò)展與延伸。儲(chǔ)層被壓裂液高壓壓開，壓裂液“瞬間”進(jìn)入裂縫和基質(zhì)儲(chǔ)層，儲(chǔ)層將受到壓裂液的復(fù)合型損害，包括速敏、鹽/水敏、水鎖、聚合物堵塞和流體不配伍等多種損害類型[4-8]。

另外，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)采用壓裂液濾液作為驅(qū)替介質(zhì)[9]，其中已過濾了殘?jiān)６趯?shí)際壓裂施工過程中，壓裂液中的殘?jiān)鼘?duì)氣層損害程度大，且殘?jiān)吭礁?，?duì)氣層的損害越嚴(yán)重。濾失后的壓裂液在分子結(jié)構(gòu)、黏度等流體性質(zhì)與實(shí)際壓裂施工中采用的壓裂液性質(zhì)存在很大差別，由此測(cè)試的實(shí)驗(yàn)結(jié)果缺乏代表性[6]。同時(shí)，由于致密砂巖巖心滲透率低，驅(qū)替速度慢，實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)，引起實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生誤差的因素多。

1.2 損害前后的滲透率測(cè)試中巖心含水飽和度不一致

對(duì)致密砂巖氣藏而言，部分儲(chǔ)層原始含水飽和度小于束縛水飽和度[10-12]。姚涇利等[13]通過在鄂爾多斯盆地東部石盒子組8段、太原組致密砂巖儲(chǔ)層進(jìn)行密閉取心，測(cè)得的原始含水飽和度平均值為18.3%，而采用氣/水相滲和核磁共振測(cè)得的束縛水飽和度平均值分別為38.0%和47.9%；氣層存在“亞束縛水”現(xiàn)象。

為客觀評(píng)價(jià)壓裂液對(duì)氣層的損害程度，需要在原始含水飽和度或者亞束縛水條件下測(cè)試壓裂液損害前后巖心的滲透率[5]。針對(duì)致密砂巖儲(chǔ)層，目前行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)未推薦在原始含水飽和度條件下開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)，而是推薦采用束縛水飽和度代替原始含水飽和度；同時(shí)，基于壓裂液驅(qū)替后的巖心，直接用氣體測(cè)試損害后的滲透率，此時(shí)巖心中壓裂液等可動(dòng)流體飽和度高，流量和壓差達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間長(zhǎng)，若為無機(jī)鹽加重壓裂液，在測(cè)試過程中還容易產(chǎn)生鹽析結(jié)晶，都會(huì)對(duì)滲透率測(cè)試帶來較大誤差。因此，筆者認(rèn)為在壓裂液損害前后，應(yīng)針對(duì)巖心快速建立相同的含水飽和度（該數(shù)值等于原始含水飽和度），在此基礎(chǔ)上分別測(cè)試壓裂液驅(qū)替前后的巖心滲透率，進(jìn)而評(píng)價(jià)壓裂液對(duì)致密砂巖氣層的損害程度。

2 改進(jìn)的致密砂巖氣層壓裂液損害評(píng)價(jià)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)樣品

實(shí)驗(yàn)巖心取自塔里木盆地庫(kù)車坳陷迪北地區(qū)侏羅系阿合組致密砂巖（J1a）組迪北102井，主要為中粗粒長(zhǎng)石巖屑砂巖，孔隙式膠結(jié)。儲(chǔ)集空間主要粒內(nèi)溶孔、鑄?？祝浯螢榫чg孔和殘余粒間孔（圖1-a）；膠結(jié)物含量6.25%，其中黏土礦物含量為5.54%，黏土礦物主要為毛發(fā)狀自生伊利石，其他膠結(jié)物為碳酸鹽巖和自生石英等。毛發(fā)狀伊利石屬于典型的速敏性損害礦物，成巖期形成的伊利石晶體表面和晶間孔干凈，微結(jié)構(gòu)發(fā)生變化易于甄別。掃描電鏡結(jié)果顯示，實(shí)驗(yàn)巖心中毛發(fā)狀伊利石晶體和自生石英加大邊晶體表面干凈，伊利石集合體呈叢生狀和橋接狀，伊利石晶體間形成大量像海綿一樣的管束狀孔喉（圖1-b、c），連通性較好。所選巖心孔隙度平均值為5.69%，滲透率平均值為1.08 mD，以特低孔、特低滲氣層為主。根據(jù)常規(guī)壓汞分析數(shù)據(jù)，氣層中值孔喉半徑平均值為0.21 μm，主流孔喉半徑平均為1.31 μm，均質(zhì)系數(shù)平均0.46，孔喉分選系數(shù)平均1.83。

圖1 實(shí)驗(yàn)巖心不同孔隙類型與黏土礦物微觀特征SEM照片（迪北102井，J1a組）

2.2 壓裂液 擊穿”砂巖基質(zhì)巖心損害實(shí)驗(yàn)方法

為了模擬壓裂過程中壓裂液對(duì)氣層的損害，筆者建立了壓裂液瞬間高壓“擊穿”砂巖基質(zhì)巖心損害實(shí)驗(yàn)方法，實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，該方法具有以下4個(gè)特點(diǎn)：①根據(jù)氣層的原始含水飽和度大小，實(shí)驗(yàn)巖心建立含水飽和度，本次研究針對(duì)“亞束縛水”氣層，原始含水飽和度（Swi）取30%；②對(duì)配置好的壓裂液加壓（無需提前破膠），模擬壓裂過程中，壓裂液高壓瞬間“擊穿”進(jìn)入巖心，壓力參考本文2.2.5部分內(nèi)容，按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)圍壓為驅(qū)替壓差的1.5倍以上；③將破膠劑溶解在壓裂液中，擱置時(shí)間不超過30 min，保證壓裂液在氣藏溫度下能夠破膠； ④實(shí)驗(yàn)后利用離心法、冰箱冷凍除濕法等方法，快速反排破膠后壓裂液，直到含水飽和度為30%，即與Swi一致。

圖2 改進(jìn)后壓裂液對(duì)氣層損害評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

2.2.1 巖心準(zhǔn)備

徑向取心，實(shí)驗(yàn)巖心直徑為25.4 mm，長(zhǎng)度為直徑的1.5倍以上。將圓柱體巖心兩端面磨平，且使兩端面與圓柱側(cè)面垂直；采用無水乙醇等試劑對(duì)巖心進(jìn)行清洗以去除殘留的油漬和鹽漬，然后將巖心烘干并稱重，得到巖心干重（G0）。

2.2.2 巖心飽和地層水

將巖心放入真空—高壓飽和裝置，抽真空12 h以上，真空壓力小于－0.01 MPa；向真空裝置內(nèi)注入脫氣后的模擬地層水，并浸沒巖心，繼續(xù)抽真空2 h以上；采用加壓裝置對(duì)飽和地層水的巖心加壓，加壓壓力大于25 MPa，并且維持高壓12 h以上；將巖心取出、稱重，記錄飽和地層水的巖心重量（Gw）。

2.2.3 建立巖心初始含水飽和度

采用離心法和冰箱冷凍除濕法建立巖心初始含水飽和度，離心轉(zhuǎn)速恒定為10 000 r/min，離心過程中每隔10 min調(diào)換一次巖心方向，以保證巖心中地層水分布均勻；每次離心后稱巖心重量（Gj），通過G0、離心前的Gw和每次離心后的Gj，計(jì)算巖心含水飽和度（Swj），如式（1）所示，直至Swj達(dá)到30%（假定氣層初始含水飽和度值）。

2.2.4 測(cè)試巖心氣相滲透率

將N2正向注入巖心進(jìn)行驅(qū)替，正、反向測(cè)試巖心在Swi下的基質(zhì)滲透率（Kg1）。壓裂液進(jìn)入巖心的方向定義為反向。

2.2.5 壓裂液瞬間“擊穿”巖心

利用加壓裝置對(duì)中間容器內(nèi)的壓裂液進(jìn)行加壓，當(dāng)中間容器內(nèi)壓力達(dá)到裂縫內(nèi)凈壓力（pnet）時(shí)，打開開關(guān)，將高壓壓裂液瞬間反向注入巖心。本次評(píng)價(jià)pnet取15 MPa，實(shí)驗(yàn)圍壓為其1.5倍，即22.5 MPa，軸壓為5 MPa。

pnet的計(jì)算公式為：

式中pnet表示裂縫內(nèi)凈壓力，MPa；pf表示裂縫內(nèi)壓力，MPa；δc表示裂縫閉合壓力，MPa。

實(shí)驗(yàn)過程會(huì)出現(xiàn)兩種情況：①壓裂液“擊穿”巖心，pnet壓力瞬間下降，3～5 PV（孔隙體積）壓裂液快速流經(jīng)巖心，實(shí)驗(yàn)結(jié)束；②pnet壓力壓裂液無法“擊穿”基質(zhì)巖心，在pnet=15 MPa形成的壓差下，驅(qū)替1 h，結(jié)束實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)步驟結(jié)束后，巖心內(nèi)部可能會(huì)產(chǎn)生肉眼無法觀察到的微裂縫，基質(zhì)滲透率將大幅增加，若產(chǎn)生這樣的結(jié)果則不作為評(píng)價(jià)基質(zhì)巖心滲透率損害的有效數(shù)據(jù)。

2.2.6 壓裂液破膠

壓裂液“擊穿”巖心后，整體密閉放置于巖心夾持器內(nèi)，使用恒溫箱加熱至儲(chǔ)層溫度，壓裂液破膠2 h以上；利用離心法、冰箱冷凍除濕法降低巖心中的含水飽和度，巖心含水飽和度達(dá)到30%為止。冰箱冷藏除濕法耗時(shí)長(zhǎng)，但殘余流體在巖石中分布更均一，更接近原地條件下殘余液體的分布狀況。

2.2.7 計(jì)算滲透率損害率

壓裂液在巖心中破膠后，再次采用N2測(cè)試巖心正、反向滲透率（Kg2），然后根據(jù)Kg1、Kg2計(jì)算巖心滲透率損害率（ηd），如式（3）所示，進(jìn)而評(píng)價(jià)壓裂液對(duì)巖心的損害程度（表1）。為了對(duì)比性說明壓裂液對(duì)基質(zhì)儲(chǔ)層的損害程度與機(jī)理，2.2.4部分和2.2.7部分均測(cè)試實(shí)驗(yàn)巖心正、反兩個(gè)方向的滲透率。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

筆者分別采用基于《水基壓裂液性能評(píng)價(jià)方法：SY/T 5107ü2016》的驅(qū)替法和考慮壓裂液瞬間“擊穿”砂巖儲(chǔ)層的改進(jìn)的損害實(shí)驗(yàn)方法（以下簡(jiǎn)稱改進(jìn)方法）開展實(shí)驗(yàn)，對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)而評(píng)價(jià)改進(jìn)方法的適應(yīng)性。天然氣由地層流向井筒為正向，壓裂液由井筒進(jìn)入地層為反向，壓裂液返排又是正向，通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比、評(píng)價(jià)了壓裂液作用后巖心正、反向滲透率損害率（ηd）。如表2所示，采用驅(qū)替法注入壓裂液（未加重體系），阿合組致密砂巖氣層束縛水飽和度大于50%，ηd大部分大于50%，損害程度屬于中等偏強(qiáng)，并且方向?qū)Ζ莇影響不大。方法改進(jìn)后，采用離心法、冰箱冷凍除濕法，建立了與氣層原始含水飽和度（30%）相近的含水飽和度，ηd最大為49.19%，其中4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)巖心采用正向測(cè)試得到ηd介于6.89%～49.13%，平均為22.51%，損害程度弱，采用反向測(cè)試得到ηd介于3.84%～43.83%?？梢钥闯觯诟倪M(jìn)方法評(píng)價(jià)得到的ηd較行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要低。7號(hào)巖心甚至出現(xiàn)了滲透率增加，原因是基于改進(jìn)方法的實(shí)驗(yàn)過程使巖心產(chǎn)生了微裂縫，從而使?jié)B透率大幅提高，不能代表基質(zhì)巖心的ηd，不用于統(tǒng)計(jì)分析?；诟倪M(jìn)方法得到的ηd包括了速敏、鹽/水敏、聚合物堵塞和不配伍沉淀等多種損害類型的綜合效應(yīng)，而并非單一性損害，更能客觀評(píng)價(jià)壓裂液對(duì)氣層的損害程度。按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，驅(qū)替出壓裂液后持續(xù)驅(qū)替36 min，流速、驅(qū)替壓差、驅(qū)替PV數(shù)等難以量化控制，尤其是含水飽和度；對(duì)于致密砂巖氣層，含水飽和度對(duì)ηd影響程度大，易于形成水鎖損害；改進(jìn)后的方法“擊穿”即可停止驅(qū)替，通過離心法、冰箱冷凍除濕法等方法將壓裂液損害前后的巖心建立相同含水飽和度，消除了含水飽和度存在差異對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響。

表1 壓裂液損害程度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)表

3.2 壓裂液對(duì)致密氣層的損害機(jī)理

表2 不同方法評(píng)價(jià)壓裂液對(duì)氣層損害程度結(jié)果對(duì)比表

壓裂液對(duì)氣層會(huì)造成無機(jī)結(jié)垢、固相堵塞、賈敏效應(yīng)、微粒運(yùn)移等多種損害類型[14-16]，筆者采用掃描電鏡（SEM）觀察巖心損害前后的微結(jié)構(gòu)，進(jìn)而系統(tǒng)分析了壓裂液對(duì)致密砂巖儲(chǔ)層的損害機(jī)理。

3.2.1 壓裂液殘?jiān)氯?/p>

壓裂液殘?jiān)吭酱?，?duì)氣層的損害越嚴(yán)重[6-8]。掃描電子顯微鏡下觀察巖心，普遍可見壓裂液殘?jiān)市鯛?、絮團(tuán)狀，高黏壓裂液高壓瞬間進(jìn)入基質(zhì)孔隙和裂縫，導(dǎo)致微粒運(yùn)移、壓裂液吸附/滯留、殘?jiān)氯麧B流通道等損害類型發(fā)生，從而降低氣層滲透率。

圖3 基質(zhì)巖心不同深度壓裂液堵塞類型SEM照片

為表征巖石孔喉對(duì)高分子聚合物的剪切與過濾作用，基于改進(jìn)方法開展實(shí)驗(yàn)后對(duì)基質(zhì)巖心不同深度進(jìn)行取樣觀察，重點(diǎn)觀察殘?jiān)氯锏暮颗c產(chǎn)狀。如圖3-a所示，實(shí)驗(yàn)后在巖心注入端（壓裂液殘?jiān)秩肷疃刃∮?.5 cm），巖石顆粒和孔隙表面十分污濁，殘?jiān)?、地層微粒、無機(jī)鹽包裹體等形成嚴(yán)重堵塞，壓裂液中的高分子包裹地層微粒呈絮團(tuán)狀附著于顆粒表面或充填粒間，對(duì)孔喉堵塞嚴(yán)重，并且，距離注入端面越近，損害程度越嚴(yán)重；如圖3-b所示，巖心中部（侵入深度介于1.5～3.0 cm）可觀察到顆粒表面或者孔喉中仍有殘?jiān)秩胄纬傻亩氯?，高分子聚合物呈薄膜狀賦存于顆粒表面，堵塞物含量減少；如圖3-c所示，在巖心出口端（侵入深度大于3.0 cm）可觀察到黏土礦物、骨架顆粒表面比較干凈，少見壓裂液殘?jiān)氯?，堵塞物含量明顯減少。

總之，壓裂液“擊穿”、進(jìn)入基質(zhì)巖心的過程中，大部分壓裂液殘?jiān)?、高分子聚合物等堵塞入口端巖心孔隙或者縫面孔隙，殘?jiān)患杀∧?，?dǎo)致基質(zhì)巖心滲透率大幅度降低，基質(zhì)巖心孔隙對(duì)壓裂液中的高分子聚合物具有剪切過濾作用，并且隨壓裂液侵入深度增加，高分子聚合物分子量會(huì)越來越小，對(duì)基質(zhì)儲(chǔ)層孔隙的堵塞程度減小。本次實(shí)驗(yàn)研究表明，殘?jiān)⒌貙游⒘５裙滔囝w粒對(duì)基質(zhì)孔隙或者縫面形成堵塞的深度小于3.0 cm。但殘?jiān)?、地層微粒等固相顆粒侵入深度與初始滲透率相關(guān)，滲透率越低，孔喉越細(xì)，對(duì)高分子聚合物的剪切越嚴(yán)重，殘?jiān)⒌貙游⒘５裙滔囝w粒侵入深度越小，反之則固相顆粒侵入深度越大。其次，隨著驅(qū)替壓裂液PV數(shù)增加，殘?jiān)⒌貙游⒘５鹊裙滔囝w粒侵入深度也會(huì)相對(duì)增大。

開展“擊穿”實(shí)驗(yàn)后，7號(hào)巖心產(chǎn)生了新裂縫。采用掃描電鏡對(duì)縫面進(jìn)行觀察，可見縫面十分污濁，壓裂液中高分子聚合物、殘?jiān)ね恋V物等堵塞物，賦存于顆粒表面和粒間，堵塞縫面孔，有時(shí)這些堵塞物顆粒間會(huì)形成包裹，堵塞裂縫和大孔隙。局部放大發(fā)現(xiàn)縫面孔堵塞以壓裂液殘?jiān)透叻肿游綔魹橹?，堵塞物十分致密，縫面孔堵塞程度明顯高于基塊巖心內(nèi)部孔隙（圖4-a）。黏土微粒與高分子聚合物、殘?jiān)刃纬砂氯缀恚ね恋鹊貙优c破裂巖石破裂有關(guān)（圖4-b）。縫面上可見毛發(fā)狀伊利石等黏土礦物呈定向排列，為壓裂液快速?zèng)_洗毛發(fā)狀伊利石等黏土導(dǎo)致的，少部分伊利石晶體被分散/運(yùn)移，絕大部分伊利石晶體被“壓彎”而成定向性，黏土晶體表面黏附有高分子（圖4-c）?？傊?，殘?jiān)势瑺?，進(jìn)入裂縫后將形成堵塞，同時(shí)殘?jiān)c地層微粒、高分子聚合物等還會(huì)形成包裹體，堵塞縫面孔。

圖4 壓裂液對(duì)縫面堵塞類型與產(chǎn)狀SEM照片

圖5 基質(zhì)巖心微粒運(yùn)移與堵塞特征SEM照片

3.2.2 微粒運(yùn)移

如圖5-a所示，可見凹凸不平，“菠蘿皮”瘤狀物（綠色箭頭），為鹽析產(chǎn)物；清晰可見毛發(fā)狀伊利石碎裂且形成分散狀晶體碎片（紅色箭頭），毛發(fā)狀伊利石晶體碎片易于運(yùn)移形成堵塞，伊利石的晶間微孔基本被壓裂液堵塞、覆蓋。如圖5-b所示，骨架礦物顆粒發(fā)育自生加大邊，加大邊礦物晶面干凈（綠色箭頭）；但經(jīng)過壓裂后，加大邊礦物晶面上被短柱狀呈分散狀、絮團(tuán)狀等黏土覆蓋，為毛發(fā)狀伊利石晶體壓裂過程中碎裂所致；同時(shí)黏土礦物微結(jié)構(gòu)由毛發(fā)狀、橋接狀轉(zhuǎn)變?yōu)楸∧?、分散狀等，這是由于外力導(dǎo)致伊利石晶體分散、運(yùn)移，進(jìn)而堵塞基質(zhì)孔隙，產(chǎn)生典型的速敏損害特征。如圖5-c所示，受外力作用下毛發(fā)狀和橋接狀伊利石晶體微結(jié)構(gòu)被破壞，毛發(fā)狀晶體破碎成短柱狀和晶體碎片，短柱狀晶體碎片雜亂堆積，賦存于粒間和粒表，對(duì)部分晶間孔造成堵塞。對(duì)比圖5與圖1可知，壓裂液“擊穿”巖心的過程中，由于驅(qū)替壓差大，流速快，必然會(huì)導(dǎo)致微粒運(yùn)移與堵塞，黏土礦物是主要的微粒源。因此微粒運(yùn)移與堵塞是壓裂過程中重要的損害類型之一，尤其在富含黏土礦物的儲(chǔ)層。

3.2.3 高分子聚合物滯留

壓裂液在儲(chǔ)層運(yùn)移時(shí)，高分子聚合物通常會(huì)吸附、滯留在孔隙和黏土礦物表面，在不同深度中有不同賦存形式。隨壓裂液進(jìn)入儲(chǔ)層深度增加，高分子聚合物質(zhì)量濃度和黏度均會(huì)逐漸降低，同時(shí)還會(huì)堵塞儲(chǔ)層中滲流通道，削弱儲(chǔ)層改造效果[14-16]。致密砂巖氣層孔喉細(xì)小，微孔發(fā)育，管束狀和彎片狀喉道為主，喉道易于堵塞，氣層抗損害能力弱。壓裂液進(jìn)入孔隙速度、壓裂高分子聚合濃度、返排時(shí)間等都會(huì)影響其吸附/滯留產(chǎn)狀，觀察到常見三種產(chǎn)狀；①薄膜層狀：在注入速度高、高分子聚合物濃度高的條件下，滯留的高分子聚合物呈薄膜層狀（圖6-a），類似于裂縫表面損害形式（圖4-c），是最嚴(yán)重的損害形式之一；②片團(tuán)狀：伊利石晶體集合體局部表面黏附，形成片團(tuán)狀，分布不均，局部覆蓋孔隙，部分晶間孔比較干凈（圖6-b），為注入速度低、高分子聚合物濃度高條件下巖心中高分子聚合物的滯留產(chǎn)狀；③晶體包裹狀：高分子聚合物在伊利石晶體表面吸附、滯留，晶體變粗、變短，局部有富集（圖6-c）；毛發(fā)狀伊利石晶體直徑小于1 μm（圖1-b、c），而高分子聚合物吸附、滯留后，伊利石晶體直徑介于1～2 μm；高分子聚合物的滯留會(huì)堵塞部分晶間微孔，但相對(duì)大的孔基本上仍是連通的，該滯留產(chǎn)狀對(duì)應(yīng)的注入條件為壓裂液黏度低、注入速度低，為儲(chǔ)層深部壓裂液的吸附/滯留產(chǎn)狀。單一高分子聚合物與殘?jiān)鼘?duì)氣層的損害形式掃描電鏡下很難區(qū)分，前者以絲狀、絲片狀等形式為主，后者以片狀形式為主。壓裂液從巖心表面向內(nèi)部運(yùn)移的過程中，高分子聚合物依次以薄膜層狀、局部片團(tuán)狀、晶體包裹狀滯留于儲(chǔ)層孔隙中。

3.2.4 鹽析結(jié)晶堵塞

流體蒸發(fā)會(huì)導(dǎo)致近井地帶礦化度升高，當(dāng)?shù)V化度超過地層水的溶解度時(shí)，會(huì)發(fā)生鹽析；鹽析容易發(fā)生在近井5 m范圍內(nèi)[10,17]，氣藏開發(fā)過程中鹽析主要發(fā)生于生產(chǎn)井區(qū)域[18]。加重壓裂液進(jìn)入氣層，隨著壓裂液逐漸返排，天然氣滲流將水分?jǐn)y帶出來，在地層條件下地層水中加入加重鹽必然會(huì)產(chǎn)生鹽析結(jié)晶，尤其是高溫高壓氣藏。加重壓裂液破膠后如果快速產(chǎn)生鹽析，比如裂縫表面上的壓裂液，高分子聚合物基本保持網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，但表面附著了大量他形鹽晶體（圖7-a）?；诟倪M(jìn)方法開展實(shí)驗(yàn)后，基質(zhì)巖心孔隙中觀察到了大量鹽析晶體，同時(shí)發(fā)現(xiàn)鹽晶體中有伊利石碎片包裹體，再次證明了伊利石晶體會(huì)分散、運(yùn)移，并與高分子聚合物形成包裹體；巖心中鹽結(jié)晶速度相對(duì)較慢，鹽析晶體相對(duì)粗大且呈半自形（圖7-b）。整體上講，鹽析晶體分布不均，裂縫是氣體滲流的主要通道，加重壓裂液如果干化速度快，高分子聚合物呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，鹽晶體呈他形，鹽晶體賦存于高分子聚合物分子的表層，鹽晶體與高分子聚合物分子形成的薄膜狀包裹層覆蓋裂縫表面。基質(zhì)孔隙內(nèi)，如果滿足鹽析條件，鹽析時(shí)間長(zhǎng)，鹽析晶體與高分子聚合物相互包裹，鹽析晶體還與大量毛發(fā)狀伊利石碎片形成包裹體（圖7-c）。上述現(xiàn)象說明了壓裂液進(jìn)入巖心中分布不均勻，裂縫、基質(zhì)孔隙中鹽析晶體形貌會(huì)有所不同。

圖6 壓裂液中高分子聚合物在氣層中不同產(chǎn)狀SEM照片

總之，壓裂液進(jìn)入氣層會(huì)以各種形式損害氣層，包括固相殘?jiān)?、微粒運(yùn)移、高分子聚合物吸附/滯留、鹽析等，此次筆者主要針對(duì)這些損害類型進(jìn)行了評(píng)價(jià)。針對(duì)壓裂液與地層水不配伍產(chǎn)生無機(jī)沉淀、黏土膨脹、水鎖、應(yīng)力敏感等損害類型的研究，已有較多研究成果，這里不再贅述。有些損害是暫時(shí)性的，可逐漸恢復(fù)，比如高分子聚合物滯留，有些損害是永久性的，比如微粒運(yùn)移、黏土膨脹等，且不同類型的損害有疊加效應(yīng)。目前還難以定量評(píng)價(jià)不同損害類型對(duì)儲(chǔ)層損害程度的貢獻(xiàn)大小。鉆井、完井、壓裂等不同階段損害形式，同時(shí)要針對(duì)具體油氣藏地質(zhì)特征開展針對(duì)性研究，進(jìn)而制訂針對(duì)性保護(hù)措施。

圖7 鹽析包裹晶體產(chǎn)狀與特征SEM照片

筆者盡管對(duì)壓裂液對(duì)儲(chǔ)層損害評(píng)價(jià)方法做了一些改進(jìn)，仍然存在著以下不足：①裂縫內(nèi)凈壓力（pnet）難以準(zhǔn)確計(jì)算，筆者本次根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值為15 MPa；②壓裂液“擊穿”巖心后，驅(qū)替壓裂液PV數(shù)的確定需要進(jìn)一步規(guī)范；③采取筆者建立的“擊穿”實(shí)驗(yàn)方法，部分致密巖心無法擊穿，導(dǎo)致滲透率測(cè)定困難或者測(cè)試誤差大；④無法定量評(píng)價(jià)每種損害類型對(duì)損害程度的貢獻(xiàn)率。建議今后在制定評(píng)價(jià)壓裂液性能的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，將氣、油流體介質(zhì)區(qū)分開；進(jìn)一步規(guī)范實(shí)驗(yàn)條件，包括圍壓、軸壓、驅(qū)替壓差、含水飽和度等參數(shù)；進(jìn)一步完善針對(duì)裂縫—孔隙型雙重介質(zhì)儲(chǔ)層，鉆完井液、壓裂液等工作液與儲(chǔ)層適應(yīng)性評(píng)價(jià)方法。

4 結(jié)論

1）改進(jìn)的壓裂液對(duì)氣層損害評(píng)價(jià)方法，考慮了氣層原始含水飽和度、壓裂過程中的高壓瞬間“擊穿”、殘?jiān)纫蛩氐挠绊?，更能客觀評(píng)價(jià)壓裂液對(duì)氣層的損害程度。

2）基于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)價(jià)結(jié)果顯示壓裂液對(duì)致密砂巖巖心的損害程度為中等偏強(qiáng)，評(píng)價(jià)方法改進(jìn)后損害程度為中等偏弱。

3）壓裂液殘?jiān)鼫粲诹芽p中是對(duì)滲透率造成損害的主要因素，絕大多數(shù)殘?jiān)鼫粼诨|(zhì)巖心表層（侵入深度小于3.0 cm）孔隙中，侵入深度大于3.0 cm后，較難觀察到基質(zhì)巖心孔隙內(nèi)有殘?jiān)|(zhì)孔隙對(duì)殘?jiān)羞^濾作用。

4）壓裂液從巖心表面向內(nèi)部運(yùn)移的過程中，高分子聚合物依次以薄膜層狀、局部片團(tuán)狀、晶體包裹狀滯留于儲(chǔ)層孔隙中。

5）鹽析晶體在裂縫、基質(zhì)巖心孔隙中分布不均，裂縫中鹽析晶體與高分子聚合形成復(fù)合包裹體，基質(zhì)孔隙中鹽析晶體與少量伊利石等碎片包裹形成復(fù)合體。

6）壓裂過程中存在著微粒運(yùn)移與堵塞，黏土礦物是主要的微粒源，速敏產(chǎn)生的伊利石碎片通常與壓裂液殘?jiān)⒏叻肿泳酆衔锏刃纬蓮?fù)合包裹體，堵塞裂縫與孔隙。