壓裂液傷害的計算機斷層掃描技術(shù)

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(1.中國石油 勘探開發(fā)研究院，北京 100083；2.中國石油 油氣藏改造重點實驗室,廊坊 065007；3.中國石油 大慶油田采油二廠，大慶 163461；4.中國石油 長慶化工集團有限公司，西安 710018)

壓裂液是壓裂施工的作用液體，其能夠在地層形成具有一定幾何形狀的高導(dǎo)流裂縫。壓裂液在改善油氣通道時，因為液體與儲層的相互作用會給儲層帶來傷害[1]，影響壓裂施工的效果，所以分析致密儲層的特點與壓裂液傷害的關(guān)系，對減少壓裂液傷害，提高壓裂效果有極大意義。目前，用于測試壓裂儲層傷害的試驗方法主要有：恒速壓汞、巖心基質(zhì)滲透率損害測定、敏感性、表面和界面張力、膨脹測試[2-6]等。上述方法通過模擬壓裂液及其破膠液在儲層中的作用過程，得到試驗數(shù)據(jù)，反映壓裂液性能對儲層傷害的影響程度。雖然上述方法能夠定性定量分析不同類型傷害的程度，但由于試驗對巖心的破壞性，所以不能對比分析傷害前后的巖心數(shù)據(jù)；由于可視化能力的限制，不能直觀表現(xiàn)傷害發(fā)生的位置和程度，進而難以分析傷害產(chǎn)生的具體原因。

CT(計算機斷層掃描)技術(shù)可以在不破壞巖心的前提下進行無損檢測[7-8]，分析巖心結(jié)構(gòu)、流體分布狀態(tài)、黏土礦物形態(tài)改變等參數(shù)。在石油工業(yè)的許多領(lǐng)域尤其是地質(zhì)勘探領(lǐng)域，采用CT技術(shù)對儲層和巖心性質(zhì)的研究已經(jīng)有很大發(fā)展[9]，如使用CT技術(shù)建立儲層巖心結(jié)構(gòu)模型[10-13]，將CT技術(shù)與巖心壓敏試驗結(jié)合分析儲層應(yīng)力敏感性[14]，將CT技術(shù)與核磁共振試驗結(jié)合分析巖心水驅(qū)油過程[15-16]等。

1 CT試驗方法

CT技術(shù)可以在巖心孔隙存在壓裂液等液體的情況下進行試驗，有利于對比傷害前后巖心的狀態(tài)、且可以定量分析和直觀觀察壓裂液儲層傷害的位置和程度。已有學(xué)者使用CT技術(shù)對儲層傷害進行分析，但僅僅局限于地質(zhì)角度，未與壓裂施工和壓裂液作用相結(jié)合[17-19]。筆者使用CT技術(shù)分析了壓裂液破膠液浸泡前后的巖心結(jié)構(gòu)、孔隙度和黏土體積等參數(shù)，將CT數(shù)據(jù)與壓裂液傷害研究試驗相結(jié)合，對壓裂液傷害的原因進行深入剖析。

采用微米-納米級CT 掃描系統(tǒng)對壓裂液傷害前后的巖心進行微觀分析過程為：① 建立傷害前后的孔-喉結(jié)構(gòu)微觀圖像；② 使用CT分析軟件定量計算傷害前后的孔隙度、滲透率的變化；③ 通過定性和定量數(shù)據(jù)對比，結(jié)合恒速壓汞、傷害等壓裂液性能評價試驗結(jié)果，解釋CT技術(shù)對傷害分析的補充作用；④ 通過CT圖像直觀分析傷害產(chǎn)生的位置、傷害程度和傷害原因。

2 實例分析

2.1 試驗條件

壓裂液浸泡后巖心碎屑會在孔-喉處產(chǎn)生膨脹和運移，進而使油氣滲流通道發(fā)生變化，即“傷害”。采用CT技術(shù)分析使用3種壓裂液破膠液浸泡同一儲層巖心前后發(fā)生的結(jié)構(gòu)改變和定量檢測結(jié)果，結(jié)合同一儲層巖心的恒速壓汞、傷害試驗等數(shù)據(jù)，分析CT數(shù)據(jù)對傷害分析的輔助作用。

CT試驗選用Phoenix nanotom m CT系統(tǒng)分析儲層巖心三維孔-喉結(jié)構(gòu)和建立3D圖像，利用VGStudio MAX軟件定量計算巖心孔隙度和滲透率；巖心取自鄂爾多斯盆地的延長組7段儲層，制成直徑為0.3 cm,長度為1 cm的圓柱體。試驗液體采用壓裂液破膠液，破膠液配方和制得條件見表1。浸泡過程中，破膠液常溫下浸泡72 h。采用ASPE730型恒速壓汞儀對巖心樣品進行孔-喉大小的定量分析；樣品是長7組儲層的近50個巖心樣品。采用美國千德樂6100型傷害儀等儀器，參考石油天然氣行業(yè)標準SY/T 5107-2015《水基壓裂液性能試驗方法》和SY/T 5971-2016《注水用黏土穩(wěn)定劑性能評價方法》測試壓裂液巖心基質(zhì)滲透率傷害率、膨脹率等性能數(shù)據(jù)。巖心樣品是同一儲層的巖心。

表1 壓裂液破膠液配方和制得條件

2.2 試驗結(jié)果

2.2.1 CT試驗結(jié)果

通過CT掃描得到的不同壓裂液破膠液浸泡傷害前后的巖心孔-喉結(jié)構(gòu)如圖1～3所示。CT定量測試得到的儲層參數(shù)包括傷害前后的孔隙百分比及體積減少率等(見表2)。孔隙度減少率=(傷害前孔隙度-傷害后孔隙度)/傷害前孔隙度×100%。

使用CT分析軟件可建立孔-喉結(jié)構(gòu)的球棍模型：在試驗中設(shè)定直徑大于5 μm的孔隙在圖中表現(xiàn)為“球”，直徑小于5 μm的孔隙在圖中表現(xiàn)為“棍”，球棍模型可以更明顯地表達浸泡后孔隙和喉道數(shù)量的變化和傷害產(chǎn)生的位置，以利于傷害因素的分析。以纖維素壓裂液為例，其孔-喉變化的球棍模型如圖4所示。

表2 CT定量測試得到的儲層參數(shù)

圖1 瓜膠壓裂液破膠液浸泡前后的巖心孔-喉CT圖像

圖2 纖維素壓裂液破膠液浸泡前后的巖心孔-喉CT圖像

圖3 低濃度瓜膠壓裂液破膠液浸泡前后的巖心孔-喉CT圖像

圖4 纖維素壓裂液破膠液浸泡前后的巖心孔-喉球棍模型

由CT圖像分析可知，儲層喉道多呈束狀、片狀等，孔-喉結(jié)構(gòu)不利于液體的運輸。由CT定量分析軟件分析可知，長7組致密油儲層孔隙和喉道都是微-納米級別，物性較好的儲層(滲透率>0.1 mD，1 mD=0.987×10-3μm2)存在20%～30%連通性較好的大喉道，喉道半徑大于4 μm，而物性較差儲層(滲透率<0.1 mD)喉道細小，半徑小于0.1 μm的喉道約占60%，且連通性差。有效儲集空間滲流能力差是傷害產(chǎn)生的根本原因。

2.2.2 恒速壓汞數(shù)據(jù)

使用恒速壓汞試驗進行孔隙、喉道及孔-喉連通性研究，數(shù)據(jù)見表3，由數(shù)據(jù)可知，主體喉道半徑為0.3 μm左右，主體孔隙半徑為160 μm左右，喉道細小，不利于儲層中的流體流動，儲層物理性質(zhì)差，容易產(chǎn)生傷害。分析其中5塊巖心樣品儲層孔-喉半徑比(見表4)，試驗數(shù)據(jù)顯示，滲透率低的樣品(Y2,Z143,N52)的孔-喉半徑比大，即大孔隙被小喉道所控制，連通性差。通過標準方法測試得到的與壓裂液傷害分析有關(guān)的參數(shù)見表5。

表3 孔-喉定量分析數(shù)據(jù)

表4 致密油儲層定量評價綜合對比

表5 壓裂液傷害性能評價參數(shù)

3 試驗數(shù)據(jù)分析

由CT掃描得到的不同壓裂液破膠液浸泡傷害前后的巖心孔-喉結(jié)構(gòu)圖可知，浸泡后孔-喉明顯減少，分布變稀。結(jié)合CT定量分析數(shù)據(jù)、恒速壓汞數(shù)據(jù)和壓裂液巖心基質(zhì)滲透率傷害性能評價數(shù)據(jù)可知，壓裂液儲層傷害主要是儲層和壓裂液雙方相互作用的結(jié)果。

(1) 致密儲層巖心物性差是引起儲層傷害的根本原因。儲層喉道多呈束狀、孔隙縮小型、片狀等；主體喉道半徑為0.3 μm左右，主體孔隙半徑為160 μm左右，喉道細小，不利于儲層中流體的流動；喉道半徑小于0.1 μm的喉道約占60%，細小喉道是形成傷害的主要位置；主要孔隙和喉道都是微-納米級別，有效儲集空間滲流能力差是傷害產(chǎn)生的根本原因。

(2) 壓裂液與儲層的相互作用是傷害的引發(fā)因素：壓裂液膨脹率數(shù)據(jù)說明，自身防膨脹效果較好的纖維素壓裂液在CT定量分析中，黏土物質(zhì)體積增加[20]最少，其作用原理為：黏土物質(zhì)膨脹對孔-喉的擠占少，對應(yīng)的孔隙率減小最少，黏土物質(zhì)體積增加也最少。壓裂液破膠液表面和界面張力數(shù)據(jù)說明了壓裂液的返排能力，易于返排的低濃度改性瓜膠壓裂液表面和界面張力數(shù)值低，其破膠液滯留在孔-喉中引起水鎖傷害[21-22]的可能性降低，其直觀表現(xiàn)為CT分析時，殘留液體占據(jù)的孔隙體積小。殘渣數(shù)據(jù)反映壓裂液產(chǎn)生堵塞孔-喉物質(zhì)[23-24]的多少，無殘渣的纖維素壓裂液在CT定量分析中對應(yīng)的孔隙度的減少率最小。因此，改善壓裂液膨脹、表面、界面和殘渣等各方面性能可以有效改變壓裂液破膠液對儲層的破壞程度。

(3) 巖心基質(zhì)滲透率傷害率是壓裂液傷害導(dǎo)致儲層滲透率改變的宏觀表示，是膨脹、運移、水鎖等傷害因素共同作用的結(jié)果。CT定性、定量、可視化分析的結(jié)果與巖心基質(zhì)滲透率傷害試驗結(jié)果一致。巖心基質(zhì)滲透率傷害率低的低濃度改性壓裂液和纖維素壓裂液，其黏土物質(zhì)的增加和孔隙的減少都相對較低。CT定性、定量、可視化的分析能力能更直觀反映上述傷害產(chǎn)生的原因和位置，為壓裂液傷害分析提供有效支持。

4 結(jié)語

(1) CT技術(shù)可以定量并直觀分析壓裂液儲層傷害的程度、位置和原因。通過CT技術(shù)在壓裂液傷害分析上的應(yīng)用可知，儲層喉道細小時不利于儲層中的流體流動。儲層結(jié)構(gòu)、不規(guī)則的孔隙結(jié)構(gòu)都是傷害的因素。

(2) CT技術(shù)可以有效印證其他分析手段得到的數(shù)據(jù)。CT定量分析數(shù)據(jù)與壓裂液傷害評價數(shù)據(jù)有較好的印證。黏土膨脹、表界面張力等作用效果都可以通過CT圖像直觀地反映。

(3) CT技術(shù)能建立球棍模型等直觀分析模型，能定量計算孔隙體積等孔-喉數(shù)據(jù)，有利于進一步分析產(chǎn)生傷害的儲層結(jié)構(gòu)特點和傷害產(chǎn)生的程度與位置。