羥丙基胍膠壓裂液濾餅對(duì)巖心傷害試驗(yàn)研究

王安培， 王穩(wěn)桃， 趙保才， 兌愛(ài)玲， 蔡樹(shù)行， 陳 麗

(1中原油田分公司石油工程技術(shù)研究院 2中國(guó)石化中原石油工程設(shè)計(jì)有限公司)

在使用植物膠及衍生物壓裂液進(jìn)行壓裂改造時(shí)，可在地層的不同部位產(chǎn)生多種因素的傷害：①壓裂濾失液在地層內(nèi)部引起的孔隙水鎖傷害、地層礦物與流體性質(zhì)發(fā)生變化引起的傷害[1-3]及壓裂液中的微細(xì)顆粒侵入后形成的內(nèi)濾餅傷害[4]；②壓裂液殘?jiān)梆粤黧w對(duì)支撐裂縫產(chǎn)生的傷害[5-7]；③在裂縫壁面形成的聚合物濾餅對(duì)地下流體滲流剖面的屏蔽堵塞作用所產(chǎn)生的傷害。到目前為止，有關(guān)壓裂液對(duì)巖心內(nèi)部的傷害和水力裂縫的傷害研究較多，而壓裂液濾餅對(duì)地層的傷害程度及影響因素所開(kāi)展的研究工作甚少，因而無(wú)論是對(duì)壓裂液濾餅特征的認(rèn)識(shí)還是在濾餅傷害防治措施上，均缺乏科學(xué)的試驗(yàn)依據(jù)。對(duì)此，試驗(yàn)以有機(jī)硼羥丙基胍膠羥壓裂液為試驗(yàn)介質(zhì)，研究了不同試驗(yàn)條件下壓裂液濾餅特征及對(duì)巖心的傷害程度，提出了植物膠壓裂液濾餅特征與巖心滲透率的傷害關(guān)系，為充分認(rèn)識(shí)植物膠壓裂液濾餅對(duì)地層的損害程度提出了重要的試驗(yàn)依據(jù)。

一、主要材料、儀器設(shè)備與試驗(yàn)方法

1.主要材料及儀器設(shè)備

人造巖心(氣體滲透率22.34～25.63 mD、102.9～127.4 mD)；二級(jí)羥丙基胍膠(山東東營(yíng)三源化工廠產(chǎn)品，水不溶物≤7.5%,0.6%黏度≥105 mPa·s)；有機(jī)硼羥丙基胍膠壓裂液(自制)；精制煤油；標(biāo)準(zhǔn)鹽水；QT-2多功能巖心模擬裝置(壓力：0～35 MPa,溫度：室溫≥200℃)；電子天平(精度0.1 mg)；恒溫干燥箱(精度：±1℃)；恒溫水浴(精度：±1℃)；WaRing混調(diào)器(0～20 000 r/min)。

2.試驗(yàn)方法

2.1 壓裂液制備

按照石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5107-2005《水基壓裂液性能評(píng)價(jià)方法》配制基液和壓裂液。

2.2 壓裂液濾餅制備

在一定溫度和壓差下往巖心中擠入有機(jī)硼羥丙基胍膠壓裂液1.0 h，然后取出巖心刮下濾餅，稱量后，在恒溫干燥箱105℃下烘干至恒重，然后計(jì)算壓裂液濾餅單位質(zhì)量及濾餅中固體物質(zhì)量百分比濃度。

2.3 巖心傷害率試驗(yàn)

(1)按石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5107-2005《水基壓裂液性能評(píng)價(jià)方法》處理煤油、配制標(biāo)準(zhǔn)鹽水、飽和巖心、測(cè)定巖心傷害前滲透率K1，然后擠入壓裂液60 min、測(cè)定巖心傷害后滲透率K2。

(2)取出巖心，由端面去掉濾餅，按原方向?qū)r心裝入巖心夾持器,繼續(xù)驅(qū)替精制煤油，至流量和壓差穩(wěn)定后持續(xù)60 min,測(cè)定巖心去掉濾餅后的傷害滲透率K3。

二、試驗(yàn)結(jié)果與討論

1.不同條件下壓裂液濾餅特征

壓裂液濾餅是在高壓作用下因液體大量濾失，使得聚合物和其它水不溶物局部濃度大幅度升高而形成的一種半固態(tài)致密性物質(zhì)。該物質(zhì)黏附在地層巖石支撐裂縫壁面,對(duì)儲(chǔ)層孔隙喉道起著封堵作用,因而阻礙了壓裂施工后流體的徑向流動(dòng)。但不同條件下壓裂液濾餅特征差異較大，由此而引起的傷害程度也不盡相同。對(duì)此，試驗(yàn)研究了不同羥丙基胍膠濃度、試驗(yàn)壓力、溫度、擠入時(shí)間、巖心滲透率等因素對(duì)壓裂液濾餅特征參數(shù)的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，在同一級(jí)別的巖心中，當(dāng)增加羥丙基胍膠濃度、試驗(yàn)壓力、溫度、擠入時(shí)間時(shí)，壓裂液濾餅濕重、烘干后重量、巖心壁面單位質(zhì)量、濾餅中固體物含量均有不同程度的增加；而在不同級(jí)別的巖心中，滲透率較高的巖心形成的濾餅參數(shù)值較高(見(jiàn)表1)。

表1 不同條件下形成的壓裂液濾餅特征試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由此可以預(yù)測(cè)，在壓裂施工過(guò)程中當(dāng)上述條件參數(shù)值增加時(shí)，可在人工裂縫壁面形成更加嚴(yán)重的濾餅，對(duì)地層產(chǎn)生更加嚴(yán)重的傷害。

2.不同羥丙基胍膠濃度下壓裂液濾餅對(duì)巖心滲透率的影響

試驗(yàn)在60℃、4.5 MPa壓差往巖心中擠壓裂液1.0 h的條件下研究了不同羥丙基胍膠濃度的壓裂液對(duì)巖心的傷害程度(見(jiàn)圖1)。試驗(yàn)結(jié)果表明：①羥丙基胍膠濃度越高，濾餅越致密，對(duì)巖心總傷害越嚴(yán)重；②無(wú)濾餅時(shí)巖心內(nèi)部傷害率隨著羥丙基胍膠濃度增加而降低，其原因是壓裂液濾餅的單位質(zhì)量與致密度隨著羥丙基胍膠濃度的升高而增加，控制液體濾失性能增強(qiáng)，液體濾失速度降低，侵入巖心內(nèi)部的流體量減少，傷害率較輕；③通過(guò)結(jié)果中壓裂液濾餅單項(xiàng)傷害和濾失液侵入傷害這兩個(gè)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在相同條件下濾餅對(duì)巖心壁面產(chǎn)生的屏蔽效應(yīng)所造成的傷害遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于濾失液侵入所造成的傷害。因此，在壓裂改造工藝中，施工后如何實(shí)現(xiàn)壓裂液濾餅的徹底降解是防止地層傷害、提高壓裂效果的重要措施。

圖1 羥丙基胍膠濃度與巖心傷害率的關(guān)系

3.不同試驗(yàn)壓差下壓裂液濾餅對(duì)巖心滲透率影響

試驗(yàn)在60℃、擠入濃度為0.6%的羥丙基胍膠壓裂液1.0 h的條件下研究了不同壓差下壓裂液濾餅及濾失液對(duì)巖心滲透性的傷害情況(見(jiàn)圖2)。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著試驗(yàn)壓差增大，巖心除去濾餅后的濾失液傷害、濾餅單項(xiàng)傷害以及保留濾餅時(shí)的巖心總傷害率均同步增加。其原因是加大壓裂液擠入壓力后可同時(shí)產(chǎn)生壓裂液濾失量速度加快、濾失量增加，濾失液侵入巖心內(nèi)部距離遠(yuǎn)、在巖心端面所產(chǎn)生的濾餅致密性增強(qiáng)等多種不利影響，使得傷害程度嚴(yán)重。

圖2 試驗(yàn)壓力與巖心傷害率的關(guān)系

4.不同試驗(yàn)溫度下壓裂液濾餅對(duì)巖心滲透率影響

試驗(yàn)在4.5 MPa壓差、擠入濃度為0.6%的羥丙基胍膠壓裂液1.0 h的條件下研究了不同溫度下壓裂液濾餅及濾失液對(duì)巖心滲透性的傷害情況(見(jiàn)圖3)。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著試驗(yàn)溫度升高，壓裂液受熱效應(yīng)影響使得半乳甘露聚糖中的羥基與水分子結(jié)合力減弱，壓裂液稠度降低，濾失量增加,使得各項(xiàng)因素引起的傷害率同步增加。經(jīng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步分析可知，溫度變化所引起的巖心傷害率變化幅度低于試驗(yàn)壓力變化的影響程度，并且溫度升高對(duì)巖心內(nèi)部造成的傷害率影響幅度較大，而對(duì)于濾餅影響幅度較小。一方面，溫度升高使得液體濾失嚴(yán)重，濾餅質(zhì)量增加；另一方面，在恒溫過(guò)程中可因熱效應(yīng)使得濾餅中部分高分子聚合物發(fā)生降解，降低濾餅的影響程度。

5.不同試驗(yàn)時(shí)間下壓裂液濾餅與巖心傷害率的關(guān)系

試驗(yàn)在4.5 MPa、60℃應(yīng)用0.6%的羥丙基胍膠壓裂液的條件下，研究了注入壓裂液時(shí)間對(duì)巖心滲透性的傷害情況(見(jiàn)圖4)。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著試驗(yàn)時(shí)間增加，壓裂液受擠壓時(shí)間影響使得液體總濾失量、濾失液侵入深度、濾餅致密性等因素升高，各項(xiàng)傷害程度嚴(yán)重。

圖3 試驗(yàn)溫度與巖心傷害率的關(guān)系

圖4 擠入壓裂液時(shí)間與巖心傷害率的關(guān)系

6. 不同滲透率巖心與傷害率的關(guān)系

試驗(yàn)分別采用兩組不同滲透性的巖心在4.5 MPa、60℃的條件下研究了0.6%羥丙基胍膠壓裂液因?yàn)V餅及濾失液對(duì)巖心滲透性的傷害情況(見(jiàn)表2)。試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于滲透率較低的B組巖心其平均總傷害率和濾餅單項(xiàng)傷害率均低于滲透率較高的A組巖心，其原因是低滲層具有更好的控制流體濾失能力，巖心端面形成的濾餅單位質(zhì)量較低，對(duì)巖心滲流通道的屏蔽效應(yīng)較弱，而因?yàn)V失液侵入后造成的巖心內(nèi)部傷害率兩組巖心則基本相近。

表2 壓裂液對(duì)不同滲透性巖心的傷害實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

注：Kg、K1、K2、K3分別為巖心氣體滲透率、煤油原始滲透率、保留濾餅時(shí)傷害后煤油滲透率、去除濾餅傷害后煤油滲透率；η1、η2、η3分別為存在濾餅時(shí)巖心總傷害率、去除濾餅后濾失液對(duì)巖心內(nèi)部傷害率、濾餅單項(xiàng)傷害率。

三、結(jié)論與認(rèn)識(shí)

(1)壓裂液濾餅特征參數(shù)與壓裂液中羥丙基胍膠濃度、試驗(yàn)壓力、溫度、擠入時(shí)間有關(guān)。當(dāng)上述試驗(yàn)條件值增加時(shí)，將引起壓裂液濾餅參數(shù)發(fā)生明顯的變化， 其濾餅質(zhì)量、巖心壁面濾餅單位質(zhì)量、濾餅中固體物含量均有不同程度的增加，使得巖心含有濾餅時(shí)的總傷害率和濾餅單項(xiàng)傷害率升高。

(2)在同一級(jí)別的巖心中，影響壓裂液濾餅參數(shù)的最主要條件是壓裂液中羥丙基胍膠濃度，而試驗(yàn)壓力、溫度和時(shí)間的變化影響程度則相對(duì)較低。

(3)當(dāng)提高試驗(yàn)壓力、溫度、擠入時(shí)間時(shí)，可使得濾餅傷害程度與濾失液對(duì)巖心內(nèi)部傷害程度加??；而聚合物濃度的增加，僅使得濾餅傷害程度加劇，而濾失液對(duì)巖心內(nèi)部傷害率降低。

(4)相同試驗(yàn)條件下滲透率較低的巖心具有更好的控制流體濾失能力，巖心端面形成的濾餅單位質(zhì)量較低，對(duì)巖心滲流通道的屏蔽效應(yīng)較弱，其平均總傷害率和濾餅單項(xiàng)傷害率均低于滲透率較高的巖心。

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