自懸浮支撐劑覆膜材料對(duì)儲(chǔ)層滲透率影響研究

陳 清，曹偉佳，田中原，盧祥國(guó)，閆 冬

現(xiàn)有壓裂施工通常在異地站點(diǎn)配制壓裂液，然后運(yùn)輸?shù)绞┕ぞ畧?chǎng)，不僅產(chǎn)生配制和運(yùn)輸操作費(fèi)用，而且也不利于應(yīng)對(duì)壓裂規(guī)模調(diào)整和突發(fā)事件給壓裂液用量變化帶來(lái)的影響[1?3]。自懸浮支撐劑可以實(shí)現(xiàn)井場(chǎng)在線配制和注入，不僅減去了壓裂液配制和運(yùn)輸費(fèi)用，而且便于施工規(guī)模調(diào)整，減少了施工材 料浪費(fèi)風(fēng) 險(xiǎn)[4?6]。

與傳統(tǒng)“攜帶液+支撐劑”體系相比較，自懸浮支撐劑還具有以下特點(diǎn)：

（1）依據(jù)目標(biāo)油藏溫度和注入水礦化度狀況，通過(guò)調(diào)整自懸浮支撐劑顆粒外表覆膜材料類型和覆膜量 來(lái)滿足施 工要求[7?8]。

（2）若自懸浮支撐劑在顆粒外表覆膜材料完全水化前通過(guò)注入泵，可以大幅度減小剪切作用對(duì)攜帶液黏度的影響，確保支撐劑從井筒到裂縫的長(zhǎng)距離運(yùn) 移[9?10]。

長(zhǎng)期以來(lái)，自懸浮支撐劑制作技術(shù)為Fairmount Santrol公司所掌握，其制作工藝和配方組成少有文獻(xiàn)報(bào)道。為了滿足壓裂施工需求，作者前期開(kāi)展了新型自懸浮支撐劑制作工藝和配方組成研究，獲得了中試產(chǎn)品。針對(duì)3種自懸浮支撐劑覆膜材料即“中分”聚合物、疏水締合聚合物和胍膠，本文以華北油藏條件為模擬對(duì)象，開(kāi)展了覆膜材料攜帶液濾失作用對(duì)巖心滲透率影響的實(shí)驗(yàn)研究和機(jī)理分析，為自懸浮支撐劑礦場(chǎng)應(yīng)用技術(shù)決策提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)條件

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

覆膜材料包括大慶華龍祥化工科技有限公司生產(chǎn)的“中分”聚合物（細(xì)粉，有效質(zhì)量分?jǐn)?shù)90%），東北石油大學(xué)實(shí)驗(yàn)室自制的疏水締合聚合物（細(xì)粉，有效質(zhì)量分?jǐn)?shù)90%），大慶油田井下作業(yè)公司提供的胍膠（細(xì)粉，有效質(zhì)量分?jǐn)?shù)90%）。胍膠交聯(lián)劑為東北石油大學(xué)實(shí)驗(yàn)室自制，有效質(zhì)量分?jǐn)?shù)100%。破膠劑為過(guò)硫酸銨，市場(chǎng)購(gòu)買(mǎi)。實(shí)驗(yàn)用水為目標(biāo)油藏模擬水，水質(zhì)分析見(jiàn)表1。

表1 水質(zhì)分析Table 1 Water quality analysis mg/L

實(shí)驗(yàn)巖心為石英砂環(huán)氧樹(shù)脂膠結(jié)人造柱狀巖心，滲透率分別為 10×10-3、60×10-3、200×10-3μm2。行業(yè)實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定巖心長(zhǎng)度3～4 cm。長(zhǎng)度過(guò)短，巖心實(shí)驗(yàn)中注入速度達(dá)到臨界流速之前，攜帶液已經(jīng)發(fā)生突破，壓力很難穩(wěn)定。因此，本文采用傳統(tǒng)規(guī)格巖心（長(zhǎng)度9.8 cm）。

1.2 儀器設(shè)備和實(shí)驗(yàn)步驟

采用中華人民共和國(guó)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6302-2009[12]進(jìn)行攜帶液儲(chǔ)層傷害評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)。圖1為驅(qū)替實(shí)驗(yàn)設(shè)備和流程。除平流泵和手搖泵外，其它設(shè)備置于80℃恒溫箱內(nèi)。

圖1 驅(qū)替實(shí)驗(yàn)設(shè)備和流程示意Fig.1 Flow char t of displacement exper iment equipment

實(shí)驗(yàn)步驟：

（1）巖心抽真空飽和水，計(jì)算孔隙體積和孔隙度，據(jù)此篩選重復(fù)性較好的巖心。

習(xí)近平總書(shū)記強(qiáng)調(diào)要把解決突出生態(tài)環(huán)境問(wèn)題作為民生優(yōu)先領(lǐng)域,還老百姓藍(lán)天白云、繁星閃爍。數(shù)據(jù)顯示:2017年,受理群眾環(huán)境舉報(bào)13.5萬(wàn)件,直接推動(dòng)解決群眾身邊的環(huán)境問(wèn)題8萬(wàn)多個(gè)[4];2013年至2017年,全國(guó)空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)的城市從3個(gè)增加到了99個(gè)。可見(jiàn),無(wú)論是解決經(jīng)濟(jì)的長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展,還是當(dāng)前老百姓關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題,習(xí)近平生態(tài)文明思想強(qiáng)調(diào)“以人為本”,以老百姓日益增長(zhǎng)的對(duì)美好生活的向往和需求為價(jià)值取向。

（2）傷害前滲透率K1測(cè)定：將巖心放入夾持器內(nèi)，將模擬水反向注入巖心（從出口端到入口端）進(jìn)行水測(cè)滲透率測(cè)定，排量分別為0.5、1.0、1.5 mL/min，直至壓差穩(wěn)定，穩(wěn)定時(shí)間不少于30 min。

（3）傷害過(guò)程：將攜帶液濾液按照設(shè)計(jì)注入速度注入巖心，濾液開(kāi)始流出時(shí)記錄時(shí)間和累計(jì)濾失量，濾失時(shí)間3 min。濾失結(jié)束后，取出巖心并用濾紙輕輕擦拭掉端面殘留濾液，巖心放回夾持器，關(guān)閉兩端閥門(mén)，在油藏溫度下放置2 h。

（4）傷害后滲透率K2測(cè)定：采用模擬水注入巖心，直至巖心注入壓差穩(wěn)定為止，計(jì)算攜帶液傷害后滲透率，巖心傷害率計(jì)算：

式中，ηd為傷害率，%；K1為巖心傷害前滲透率，μm2；K2為巖心傷害后滲透率，μm2。

1.3 方案設(shè)計(jì)

攜帶液濾液對(duì)儲(chǔ)層滲透率的影響，即傷害主要來(lái)源于攜帶液在巖心孔隙內(nèi)滯留而產(chǎn)生的附加滲流阻力，其大小與巖心滲透率、濾失量和濾失壓差有關(guān)。1.3.1 恒速實(shí)驗(yàn) 方案1?1—1?3：“中分”聚合物質(zhì)量濃度10 000 mg/L，過(guò)硫酸銨質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3%，破膠時(shí)間 1.0、2.5、5.0 h（完全破膠）；方案 2?1—2?3：疏水締合聚合物質(zhì)量濃度10 000 mg/L，過(guò)硫酸銨質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%，破膠時(shí)間1、3、6 h（完全破膠）；方案3?1—3?3：胍膠攜帶液（胍膠 0.65%+ 交 聯(lián) 劑0.6%），過(guò)硫酸銨質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3%，破膠時(shí)間1、2、4 h（完全破膠）。

1.3.2 恒壓實(shí)驗(yàn) 方案4?1：“中分”聚合物質(zhì)量濃度10 000 mg/L，過(guò)硫酸銨質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3%，破膠時(shí)間 5 h，濾失壓差 1.9、3.5、4.2 MPa，巖心滲透率10×10-3μm2，濾失時(shí)間 1 min；方案 4?2：疏水締合聚合物攜帶液質(zhì)量濃度10 000 mg/L，過(guò)硫酸銨質(zhì)量分?jǐn)?shù) 0.2%，破膠時(shí)間 6 h，濾失壓差 1.9、3.5、4.2 MPa，巖心滲透率 10×10-3μm2，濾失時(shí)間 1 min；方案4?3：胍膠攜帶液（胍膠0.65%+交聯(lián)劑0.6%），過(guò)硫酸銨質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3%，破膠時(shí)間4 h，濾失壓差1.9、3.5、4.2 MPa，巖心滲透率 10×10-3μm2，濾失時(shí)間 1 min。

2 結(jié)果分析

2.1 恒速實(shí)驗(yàn)

覆膜材料類型、破膠時(shí)間和滲透率對(duì)巖心傷害率影響結(jié)果見(jiàn)表2。

從表2可以看出，在攜帶液破膠時(shí)間相同條件下，隨巖心滲透率增加，攜帶液濾失量增大，但傷害率減小。在巖心滲透率相同（近）條件下，隨攜帶液破膠時(shí)間增加，攜帶液濾失量增大，但傷害率減小。由此可見(jiàn)，采用破膠劑可以大幅度減少攜帶液對(duì)儲(chǔ)層傷害。與“中分”聚合物溶液相比較，疏水締合聚合物溶液和胍膠溶液對(duì)巖心傷害率變化規(guī)律十分相似，但后者傷害率絕對(duì)值較大。

圖2為攜帶液濾失和后續(xù)水驅(qū)過(guò)程中，注入壓力（壓差）與注入PV關(guān)系。

圖2 注入壓力與PV關(guān)系Fig.2 Relationship between injection pressure and PV

從圖2可以看出，在注入速度一定條件下，隨攜帶液注入量即濾失量增加，注入壓力大幅度升高。隨巖心滲透率增加，注入壓力降低。在后續(xù)水驅(qū)階段，隨注入量增加，注入壓力下降并最終趨于平穩(wěn)。進(jìn)一步分析可知，盡管3種攜帶液完全破膠以后黏度相差不大（低于10 mPa·s），但它們各自在巖心中滯留和產(chǎn)生附加滲流阻力，即傷害率卻存在較大差異，其中疏水締合聚合物溶液滯留能力最強(qiáng)，傷害率最大，其次是胍膠溶液，再次是“中分”聚合物溶液。機(jī)理分析認(rèn)為，傷害率大小主要取決于攜帶液在巖心孔隙內(nèi)滯留量多少和耐沖刷能力強(qiáng)弱。由此可見(jiàn)，3種攜帶液中疏水締合聚合物在多孔介質(zhì)內(nèi)滯留作用較強(qiáng)，傷害程度較大。

2.2 恒壓實(shí)驗(yàn)

覆膜材料類型和濾失壓差對(duì)巖心傷害率影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。從表3可以看出，在巖心滲透率和濾失時(shí)間相同條件下，隨濾失壓差增大，累計(jì)濾失量增加，傷害率增大。在3種攜帶液中，胍膠攜帶液濾失量較大，傷害率較高。

在攜帶液濾失和后續(xù)水驅(qū)過(guò)程中，注入壓差與濾失量和傷害率關(guān)系見(jiàn)圖3。從圖3可以看出，隨濾失壓差增加，濾失量和傷害率逐漸增加；當(dāng)壓差達(dá)到3.5 MPa時(shí)，“中分”聚合物攜帶液和胍膠攜帶液濾失量均達(dá)到了5 mL以上，超過(guò)1 PV，表明濾失液體已經(jīng)波及整個(gè)巖心孔隙，此時(shí)繼續(xù)增加濾失壓差，濾失量繼續(xù)增加但傷害率增加幅度不大。與“中分”聚合物攜帶液和胍膠攜帶液相比較，疏水締合聚合物破膠液在多孔介質(zhì)內(nèi)滯留量較多，產(chǎn)生的附加滲流阻力較大。

表3 恒壓條件下傷害率測(cè)試Table 3 Results of reservoir damage rate at constant pressure

圖3 濾失量和傷害率與濾失壓差關(guān)系Fig.3 Relationship between the filtrate loss,reservoir damage r ate and the pressure differ ence

與“恒速實(shí)驗(yàn)”相比較，“恒壓實(shí)驗(yàn)”濾失量相對(duì)較小，傷害率較大。機(jī)理分析表明，在“恒速實(shí)驗(yàn)”中，注入速度保持恒定，注入壓力（壓差）呈現(xiàn)逐漸升高態(tài)勢(shì)。低壓時(shí)攜帶液只能進(jìn)入巖心大孔隙（滲流阻力較低），壓力升高后開(kāi)始進(jìn)入中孔隙，最后進(jìn)入小孔隙。

3 結(jié) 論

（1）在“恒速實(shí)驗(yàn)”條件下，巖心滲透率越大，濾失量越大，傷害率越??；破膠時(shí)間越長(zhǎng)，濾失量越大，傷害率越小；破膠液對(duì)巖心滲透率、傷害率的影響與其黏度關(guān)系不大，主要取決于攜帶液破膠后在多孔介質(zhì)內(nèi)滯留量和耐沖刷能力。

（2）在“恒壓實(shí)驗(yàn)”條件下，濾失壓差越大，濾失量越大，傷害率呈現(xiàn)“先增加后趨于平穩(wěn)”變化趨勢(shì)。與“恒速實(shí)驗(yàn)”相比較，盡管“恒壓實(shí)驗(yàn)”濾失量相對(duì)較小，但傷害率較大。

（3）傷害率大小關(guān)系：疏水締合聚合物＞“中分”聚合物＞胍膠。