致密砂巖油藏壓裂液傷害實(shí)驗(yàn)研究

趙金省, 李斌, 馬景洋, 楊艷寧, 居迎軍

(1.陜西省油氣田特種增產(chǎn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710065； 2.西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院， 西安 710065；3.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第六采油廠， 定邊 718606)

致密砂巖油藏滲透率低、孔喉細(xì)小且孔喉結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在壓裂過程中由于壓裂液濾失、返排不徹底等因素極易造成儲(chǔ)層傷害[1-2]。壓裂液對(duì)儲(chǔ)層的傷害可以分為固相傷害和液相傷害,其中固相傷害主要是對(duì)裂縫導(dǎo)流能力的傷害，具體包括壓裂液殘?jiān)氯?，濾餅、液體濃縮降低儲(chǔ)層導(dǎo)流能力等傷害。壓裂液液相傷害主要是對(duì)儲(chǔ)層基質(zhì)的傷害，具體包括黏土膨脹等水敏傷害、濾液中的大分子物質(zhì)堵塞孔喉、水鎖等傷害[3-7]。

針對(duì)致密砂巖油藏壓裂多用的是羥丙基胍尓膠壓裂液，羥丙基瓜爾膠是由瓜爾膠化學(xué)改性而成的一種低傷害壓裂液稠化劑，具有高黏度、殘?jiān)?、水溶性好，?duì)砂巖油藏低傷害的特點(diǎn)[8]。另外，近些年針對(duì)致密油氣藏開展的大規(guī)模壓裂多用到滑溜水壓裂液，滑溜水壓裂液具有減阻性能好、儲(chǔ)層傷害小、降低壓裂施工摩阻、施工成本小的特點(diǎn)[9-10]。但對(duì)于致密砂巖油藏，其孔喉細(xì)小且連通性差，無(wú)論哪類型的壓裂液，濾失以及返排不徹底都會(huì)造成儲(chǔ)層基質(zhì)和支撐裂縫的傷害，因此有必要針對(duì)常用壓裂液體系(交聯(lián)胍膠壓裂液、滑溜水壓裂液和線性膠壓裂液)對(duì)儲(chǔ)層基質(zhì)和支撐裂縫導(dǎo)流能力的傷害進(jìn)行評(píng)價(jià)。

目前，針對(duì)壓裂液對(duì)儲(chǔ)層傷害的研究比較多[9-14]，包括壓裂液破膠過程中的殘?jiān)鼈?、黏土吸水膨脹損害、導(dǎo)流能力傷害等。張穎等[9]針對(duì)JHFR滑溜水壓裂液對(duì)瑪湖1井區(qū)天然巖心的傷害進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明滲透率傷害率為17.80%和18.34%。袁旭等[3]利用裂縫導(dǎo)流儀研究了壓裂液侵入對(duì)裂縫導(dǎo)流能力的影響，結(jié)果表明，壓裂液侵入造成支撐劑破碎和嵌入程度加劇，導(dǎo)流能力傷害達(dá)到 60% 以上。Wang等[14]研究了致密砂巖壓裂后殘留的破膠液對(duì)裂縫導(dǎo)流能力的影響，研究表明，破膠液對(duì)裂縫導(dǎo)流能力的不利影響主要發(fā)生在閉合壓力大于50 MPa的區(qū)域。以上研究多是針對(duì)單一的傷害因素，沒有針對(duì)不同類型壓裂液對(duì)儲(chǔ)層基質(zhì)和支撐裂縫的傷害進(jìn)行對(duì)比。針對(duì)此，現(xiàn)采用核磁共振和驅(qū)替實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)比研究滑溜水壓裂液、線性膠壓裂液和交聯(lián)胍膠壓裂液3種壓裂液體系對(duì)儲(chǔ)層基質(zhì)和支撐裂縫導(dǎo)流能力的傷害，有助于理解壓裂液對(duì)儲(chǔ)層的傷害機(jī)理并指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

1 儲(chǔ)層孔喉特征

環(huán)西勘探新區(qū)位于鄂爾多斯盆地西南、環(huán)縣以西偏北部，長(zhǎng)8儲(chǔ)層是主力油藏之一，砂巖儲(chǔ)層致密，孔喉連通性差，儲(chǔ)層改造傷害大、返排率低。長(zhǎng)8 儲(chǔ)層平均孔隙度7.34%，平均滲透率0.185×10-3μm2?？紫额愋鸵粤ｉg溶孔為主、粒內(nèi)溶孔和顆粒溶孔次之，粒間孔、微孔和鑄?？鬃钌?圖1)。喉道類型以片狀、彎片狀和管束狀為主，其中彎片狀喉道發(fā)育程度高，還發(fā)育一部分縮徑狀喉道。平均孔喉中值半徑0.056 μm，平均孔喉半徑0.164 μm，平均喉道分選系數(shù)2.128，并且整體表現(xiàn)為孔喉細(xì)小，分選差的特點(diǎn)。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和藥劑

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括壓裂液對(duì)巖心基質(zhì)的傷害實(shí)驗(yàn)和壓裂液對(duì)支撐裂縫的傷害，用到的主要設(shè)備包括GG871-B型高溫高壓濾失儀(青島創(chuàng)夢(mèng)儀器有限公司)、RS600型哈克流變儀[賽默飛世爾科技(中國(guó))有限公司]、QBZY-1型全自動(dòng)表面/界面張力儀(上海方瑞儀器有限公司)、MiniMR型核磁共振測(cè)試儀(蘇州紐邁電子科技有限公司)、CMS-300型覆壓孔滲測(cè)試儀(美國(guó)巖心公司)、DLY-Ⅲ裂縫導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)儀(江蘇詩(shī)禮石油科研儀器有限公司)。壓裂液采用滑溜水壓裂液、線性膠壓裂液和交聯(lián)胍膠壓裂液，對(duì)應(yīng)的壓裂液配方為， 滑溜水壓裂液體系：0.25%減阻劑+0.3%油井黏土穩(wěn)定劑+0.3%結(jié)構(gòu)穩(wěn)定劑；線性膠壓裂液體系：0.30%羥丙基胍尓膠+0.1%殺菌劑+0.5%油井助排劑+0.55%油井黏土穩(wěn)定劑+0.3%調(diào)節(jié)劑；交聯(lián)胍膠壓裂液體系：0.3%羥丙基胍尓膠+0.1%殺菌劑+0.5%油井助排劑+0.55%油井黏土穩(wěn)定劑+0.3%調(diào)節(jié)劑+100∶0.5交聯(lián)劑。

2.2 壓裂液性能參數(shù)

利用高溫高壓濾失儀分別測(cè)試3種壓裂液的濾失系數(shù)。將交聯(lián)胍膠壓裂液、滑溜水壓裂液和線性膠壓裂液在儲(chǔ)層溫度(80 ℃)下充分破膠，按照SY/T 5107—2016《水基壓裂液性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》，測(cè)試破膠液的黏度、表面張力和殘?jiān)?，測(cè)試結(jié)果見表1。

由表1可以看出，由于滑溜水壓裂液和線性膠壓裂液不含有交聯(lián)劑，其濾失系數(shù)要高于交聯(lián)胍膠壓裂液的濾失系數(shù)。3種壓裂液破膠液在儲(chǔ)層溫度(80 ℃)下的黏度為 2.1～3.6 mPa·s，且破膠時(shí)間均小于1 h，滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求；3種壓裂液破膠液的表面張力相差不大，在29.55～34.41 mN/m 范圍內(nèi)。3種壓裂液破膠液的殘?jiān)肯嗖钶^大，滑溜水壓裂液由于不含有羥丙基胍尓膠成分，其殘?jiān)孔畹?，交?lián)胍膠壓裂液和線性膠壓裂液體系的殘?jiān)枯^高。

表1 壓裂液的性能參數(shù)

2.3 實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)步驟

2.3.1 基于核磁共振的壓裂液基質(zhì)傷害實(shí)驗(yàn)

壓裂液在儲(chǔ)層基質(zhì)內(nèi)的濾失會(huì)造成水鎖、液體滯留、堵塞孔喉等基質(zhì)傷害，根據(jù)核磁共振技術(shù)測(cè)試巖心注壓裂液前后的T2譜以及滲透率的變化，分析3種壓裂液對(duì)儲(chǔ)層基質(zhì)的傷害機(jī)理。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：①巖心烘干，氣測(cè)原始滲透率K1；②巖心飽和地層水，測(cè)核磁共振T2譜；③注入不同類型壓裂液1.0 PV，注入破膠劑待壓裂液破膠后，注入氮?dú)獬浞址蹬?；④保留濾餅和去掉濾餅后再次測(cè)定其滲透率K2，并計(jì)算壓裂液對(duì)巖心的傷害率；⑤飽和地層水，測(cè)核磁共振T2譜。

2.3.2 壓裂液對(duì)支撐裂縫導(dǎo)流能力的傷害實(shí)驗(yàn)

支撐裂縫導(dǎo)流能力的大小直接影響壓裂儲(chǔ)層改造的效果，利用裂縫導(dǎo)流能力測(cè)試儀對(duì)20～40目石英砂形成的支撐裂縫分別注入3種壓裂液，測(cè)試并分析壓裂液殘?jiān)鼘?duì)支撐裂縫導(dǎo)流能力的傷害。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：①在導(dǎo)流室內(nèi)加入鋪砂濃度為6 kg/m2的20～40目石英砂；②液測(cè)原始支撐裂縫不同閉合壓力下的導(dǎo)流能力；③分別注入5 PV的滑溜水壓裂液、胍膠壓裂液和交聯(lián)胍膠壓裂液；④注入破膠劑，充分破膠并返排；⑤再液測(cè)不同閉合壓力下的導(dǎo)流能力；⑥分析對(duì)比注壓裂液前后的導(dǎo)流能力。

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.4.1 基質(zhì)傷害

由于壓裂液含有高分子成分，在壓裂液向儲(chǔ)層濾失過程中，黏稠的高分子成分會(huì)粘附在裂縫巖石壁面上形成濾餅，濾餅一方面可以阻止壓裂液向儲(chǔ)層的進(jìn)一步濾失，另一方面在裂縫閉合開井投產(chǎn)后濾餅也會(huì)增加儲(chǔ)層內(nèi)的油水向裂縫內(nèi)的滲流。因此，實(shí)驗(yàn)中分別測(cè)試了注入壓裂液后含濾餅和不含濾餅的巖心滲透率和傷害率。測(cè)試結(jié)果見表2。

表2 不同壓裂液巖心基質(zhì)傷害率

為了更微觀地分析壓裂液侵入儲(chǔ)層對(duì)儲(chǔ)層孔喉半徑分布的影響，實(shí)驗(yàn)采用核磁共振技術(shù)分別對(duì)注壓裂液前后的巖心進(jìn)行T2譜測(cè)試。根據(jù)核磁共振原理，T2表示的是孔隙流體中的氫核的橫向弛豫時(shí)間，T2譜的分布也就代表了孔隙半徑分布[15]。根據(jù)基于T2譜的孔徑大小分類方法[16]，可以按照T2譜的大小將孔隙分成4類：微孔(T2<1 ms)、小孔(1 ms100 ms)。3種壓裂液注入巖心前后的T2譜分布曲線見圖2。

圖2 3種壓裂液注入巖心前后的T2譜分布曲線Fig.2 T2 spectrum distribution curve of core before and after injection of three kinds of fracturing fluid

由表2可以看出，由于3種壓裂液的濾失性差異，滑溜水壓裂液和線性膠壓裂液的濾失系數(shù)較大，濾失到基質(zhì)內(nèi)的基液較多，導(dǎo)致基質(zhì)傷害率：滑溜水壓裂液>線性膠壓裂液>交聯(lián)胍膠壓裂液?；|(zhì)傷害程度和濾失系數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，濾失系數(shù)越大，基質(zhì)傷害越大，但由于濾餅的存在可以有效抑制壓裂液的進(jìn)一步侵入，因此3種壓裂液對(duì)儲(chǔ)層基質(zhì)的傷害程度比較小，6塊巖樣的基質(zhì)傷害率在13.83%～24.19%，平均19.88%。對(duì)于濾餅傷害，由于線性膠壓裂液和交聯(lián)胍膠壓裂液含有高分子成分羥丙基瓜爾膠，形成的濾餅厚度更大，濾餅傷害也就越大，使得濾餅傷害率：交聯(lián)胍膠壓裂液>線性膠壓裂液>滑溜水壓裂液。濾餅傷害程度和濾失系數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，濾失系數(shù)越小，濾餅傷害就越大。交聯(lián)胍膠壓裂液濾失系數(shù)最小，壓裂液難以侵入巖心基質(zhì)，實(shí)驗(yàn)觀察到巖心出口并不是黏稠的壓裂液，而是比較清澈的液體，巖心進(jìn)口端表面附著大量殘留物即泥餅，說明壓裂液進(jìn)入巖心很少，固體殘?jiān)鼩埩粼趲r心表面，所以交聯(lián)胍膠壓裂液對(duì)巖心基質(zhì)傷害較小，但濾餅傷害最大。整體看來，3種壓裂液對(duì)巖心的濾餅傷害要大于基質(zhì)傷害，而且基質(zhì)傷害越小，其濾餅傷害就越大。

由圖2可以看出，3種壓裂液注入巖心前后的T2譜分布均產(chǎn)生了一定差異，其中1#巖心和3#巖心分別注的滑溜水壓裂液和線性膠壓裂液，其濾失系數(shù)大于交聯(lián)胍膠壓裂液，因此1#巖心和3#巖心注壓裂液前后的T2譜差異要大于交聯(lián)胍膠壓裂液。由于交聯(lián)胍膠壓裂液濾失系數(shù)最小，3#巖心注壓裂液前后的T2譜變化不大。這和表2中測(cè)試的基質(zhì)傷害規(guī)律是一致的。而且，注壓裂液前后的T2譜差異主要發(fā)生在中孔和大孔，說明針對(duì)致密砂巖，壓裂液對(duì)儲(chǔ)層基質(zhì)的傷害主要是對(duì)儲(chǔ)層中孔和大孔的傷害。

2.4.2 支撐裂縫導(dǎo)流能力傷害

壓裂過程中的返排不徹底，會(huì)使一部分破膠液殘?jiān)鼫粼谥瘟芽p中，降低支撐裂縫的導(dǎo)流能力，進(jìn)而影響油井產(chǎn)能。針對(duì)此，采用油田常用的20～40目石英砂填制人工裂縫導(dǎo)流室，測(cè)試注壓裂液后前后的導(dǎo)流能力變化。導(dǎo)流能力測(cè)試結(jié)果見圖3，導(dǎo)流能力傷害率計(jì)算結(jié)果見表3。

圖3 支撐裂縫注壓裂液前后的導(dǎo)流能力變化Fig.3 Variation of conductivity before and after injection of fracturing fluid in propped fractures

表3 3種壓裂液對(duì)支撐裂縫導(dǎo)流能力的傷害率

由圖3和表3可以看出，3種壓裂液注入后，導(dǎo)流能力都有所下降。注入滑溜水壓裂液后，導(dǎo)流能力和原始支撐裂縫的導(dǎo)流能力相比下降的不明顯，而注入胍膠和交聯(lián)胍膠后，導(dǎo)流能力下降的比較明顯，對(duì)導(dǎo)流能力的傷害率也要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于滑溜水壓裂液，而且交聯(lián)劑的加入使得交聯(lián)胍膠壓裂液對(duì)導(dǎo)流能力的傷害要大于線性膠壓裂液。3種壓裂液對(duì)支撐裂縫導(dǎo)流能力的傷害大小和破膠液的殘?jiān)坑嘘P(guān)，殘?jiān)吭礁?，?duì)支撐裂縫導(dǎo)流能力的傷害也就越大。隨著閉合壓力的不斷增大，傷害率也增大。分析原因主要是壓裂液破膠后殘?jiān)煞终掣皆谥蝿┛紫吨?，使得液體通過滲流通道的阻力變大；而隨著閉合壓力增大，支撐劑被壓的越緊實(shí)致密，使得傷害率增大較明顯。

3 結(jié)論

(1)3種壓裂液對(duì)儲(chǔ)層基質(zhì)傷害和濾餅傷害和濾失系數(shù)有關(guān)，濾失系數(shù)越大，基質(zhì)傷害越大，濾餅傷害越小?；|(zhì)傷害率：滑溜水壓裂液>線性膠壓裂液>交聯(lián)胍膠壓裂液。濾餅傷害率：交聯(lián)胍膠壓裂液>線性膠壓裂液>滑溜水壓裂液。對(duì)于致密砂巖，3種壓裂液對(duì)儲(chǔ)層的濾餅傷害要大于基質(zhì)傷害。

(2)針對(duì)致密砂巖儲(chǔ)層，壓裂液的濾失主要進(jìn)入中孔和大孔，說明壓裂液對(duì)儲(chǔ)層基質(zhì)的傷害主要是對(duì)儲(chǔ)層中孔和大孔的傷害。

(3)3種壓裂液對(duì)支撐裂縫導(dǎo)流能力的傷害大小和破膠液的殘?jiān)坑嘘P(guān)，殘?jiān)吭礁?，?duì)支撐裂縫導(dǎo)流能力的傷害也就越大。閉合壓力越高，支撐裂縫導(dǎo)流能力傷害率也越高。