致密氣壓裂液與儲(chǔ)層全過(guò)程滲吸傷害規(guī)律研究

許冬進(jìn)，張濱海，李紫晗，薛錦善，陳金峰

1.非常規(guī)油氣省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心(長(zhǎng)江大學(xué)), 湖北 武漢 430100

2.油氣鉆采工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(長(zhǎng)江大學(xué)) ，湖北 武漢 430100

3.中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028

4.中國(guó)石油華北油田分公司第四采油廠，河北 廊坊 065000

致密砂巖氣是非常規(guī)天然氣的主要類型[1]，其物性較差，孔喉小，資源量大，常規(guī)開采方式無(wú)法獲得工業(yè)氣流，一般采用水平井和大規(guī)模水力分段壓裂的儲(chǔ)層改造方式[2]。致密氣儲(chǔ)層具有非均質(zhì)性強(qiáng)、孔隙半徑小、毛細(xì)管壓力現(xiàn)象明顯的特點(diǎn)，導(dǎo)致壓裂后大量壓裂液滯留在儲(chǔ)層中，給儲(chǔ)層帶來(lái)各種傷害[3]。這些傷害不僅影響到單井改造的效果，而且直接影響著油氣藏的整體開發(fā)效果。因此深入研究壓裂液滲吸傷害機(jī)理及解除方法，對(duì)于提高致密砂巖氣藏的開發(fā)水平、實(shí)現(xiàn)高效開發(fā)具有重要意義[4,5]。

國(guó)內(nèi)外許多專家學(xué)者針對(duì)壓裂液滲吸傷害的機(jī)理和影響因素開展了大量研究：STEPHEN[6]認(rèn)為，如果地層壓力不能克服毛細(xì)管壓力，且孔喉含水飽和度較大，則這部分孔喉可能不具備產(chǎn)能，特別是在低滲透致密氣藏中，毛細(xì)管壓力較大，對(duì)產(chǎn)能的影響較大；張琰等[7]從應(yīng)力敏感性、水鎖效應(yīng)和反向吸入現(xiàn)象3方面分析影響低滲氣藏?fù)p害的因素；賴南君等[8]通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出損害程度隨壓裂液與儲(chǔ)層接觸時(shí)間及作用壓力的增加而增加。

在滲吸傷害的研究手段上也不斷創(chuàng)新。DUTTA[9]利用CT掃描技術(shù)量化巖石的非均質(zhì)性，監(jiān)測(cè)壓裂液運(yùn)移隨時(shí)間和空間的變化，解釋毛細(xì)管壓力對(duì)低滲透砂巖樣品中流體運(yùn)移和滯留的影響；石華強(qiáng)等[10]通過(guò)核磁共振、巖心流動(dòng)等室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)蘇里格氣田胍膠類壓裂液傷害機(jī)理進(jìn)行詳細(xì)分析；黃禹忠等[11]采用電鏡掃描、恒速壓汞等方法研究了川西致密砂巖氣藏儲(chǔ)層的微觀結(jié)構(gòu)，評(píng)價(jià)了儲(chǔ)層敏感性及水鎖傷害，同時(shí)提出了壓裂液快進(jìn)快出的工藝對(duì)策，如減少液量、全程液氮伴注、提高返排壓差等。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于滲吸傷害機(jī)理的研究普遍只針對(duì)于作業(yè)入井外來(lái)流體或者壓裂液進(jìn)入儲(chǔ)層造成滲吸傷害規(guī)律和影響、或者解除傷害的方法，未見(jiàn)定量描述致密氣“壓裂-關(guān)井-返排”這一全過(guò)程的壓裂液滲吸傷害規(guī)律的研究。為此，筆者通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M致密氣壓裂全過(guò)程的滲吸傷害，利用低場(chǎng)核磁共振設(shè)備分析不同時(shí)刻滲吸前緣的位置以及巖心傷害程度的定量評(píng)價(jià)，為壓裂后返排解除傷害提供了定量的分析支持。

1 實(shí)驗(yàn)原理

圖1 壓裂過(guò)程中壓裂液在儲(chǔ)層中滲吸傷害示意圖Fig.1 Schematic diagram of imbibition damage of fracturing fluid in reservoir during fracturing

目前對(duì)于致密砂巖氣的開發(fā)方式，主要是直井分層壓裂和水平井分段壓裂的開采方式，如圖1 所示。在壓裂過(guò)程中，壓裂液與儲(chǔ)層接觸后發(fā)生滲吸作用，壓裂液在毛細(xì)管壓力的作用下進(jìn)入儲(chǔ)層空隙中占據(jù)氣體滲流通道造成傷害。致密砂巖氣的開發(fā)包括壓裂、壓后關(guān)井、開井返排壓裂液、正常生產(chǎn)這幾個(gè)過(guò)程，實(shí)驗(yàn)中選取裂縫壁面一個(gè)單元體巖心，室內(nèi)模擬整個(gè)過(guò)程中壓裂液與儲(chǔ)層滲吸作用的過(guò)程，研究不同時(shí)刻壓裂液進(jìn)入儲(chǔ)層的深度以及定量描述滲吸傷害的程度。

在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用低場(chǎng)核磁共振設(shè)備及其成像技術(shù)對(duì)巖心內(nèi)部的壓裂液滲吸情況進(jìn)行τ2譜、一維編碼實(shí)時(shí)成像分析，準(zhǔn)確地反映壓裂液在巖心中隨不同滲吸時(shí)間變化的運(yùn)移規(guī)律，從微觀角度對(duì)壓裂液傷害機(jī)理進(jìn)行定量客觀評(píng)價(jià)。

2 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器及材料

2.1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

SPEC-023核磁共振巖心分析儀、便攜式低磁場(chǎng)(3M)核磁共振分析儀、高精度電子天平、精密壓力表、環(huán)壓加壓泵、中間容器、UPUMP-100D恒壓恒速泵、皂膜流量計(jì)、高壓氮?dú)鈿馄康取?/p>

2.1.2 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)選用臨興致密氣區(qū)塊儲(chǔ)層巖心，為研究不同物性參數(shù)的滲吸規(guī)律，選取了2塊滲透率差異較大的巖心(編號(hào)96#和57#)，巖心的基本特征及參數(shù)如表1所示。實(shí)驗(yàn)所用壓裂液即為臨興致密氣區(qū)塊現(xiàn)場(chǎng)壓裂所用壓裂液體系[12]，其組成成分及質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.005%殺菌劑、0.1%黏土穩(wěn)定劑、0.02%氧化破膠劑、0.1%助排劑、0.18%pH調(diào)節(jié)劑、0.04%低溫破膠催化劑、0.3%胍膠、0.1%酶破膠劑、0.001%交聯(lián)劑。

表1 臨興區(qū)塊天然巖心基本參數(shù)

2.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)主要是利用核磁共振設(shè)備在線監(jiān)測(cè)模擬地層條件下的不同階段壓裂液的動(dòng)態(tài)滲吸過(guò)程，定量描述不同階段壓裂液與儲(chǔ)層間的滲吸速度和滲吸位置，揭示壓裂液在裂縫-基質(zhì)中滲吸分布規(guī)律[13]。

實(shí)驗(yàn)參數(shù)的設(shè)計(jì)主要根據(jù)臨興致密氣區(qū)塊儲(chǔ)層性質(zhì)及現(xiàn)場(chǎng)壓裂資料，儲(chǔ)層溫度為40℃，滲吸壓力為裂縫延伸壓力，滲吸時(shí)間根據(jù)不同層位的壓裂施工參數(shù)統(tǒng)計(jì)表(見(jiàn)表2)得到，太2段、盒8段的滲吸時(shí)間分別是235、208min。

表2 臨興致密氣區(qū)塊不同層位滲吸壓力和時(shí)間分析統(tǒng)計(jì)表

2.3 實(shí)驗(yàn)方法與步驟

1)對(duì)核磁共振設(shè)備進(jìn)行調(diào)試，確定射頻脈沖的頻率和接收機(jī)的相位。

2)測(cè)量實(shí)驗(yàn)巖心的初始質(zhì)量m0，再將實(shí)驗(yàn)巖心放在巖心夾持器中測(cè)量其初始滲透率K0。

3)將設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)條件對(duì)應(yīng)的液相加入中間容器，連接管線，在巖心夾持器中裝入巖心，將設(shè)定入口壓力，開始滲吸實(shí)驗(yàn)。

4)記錄干巖心的滲透率K0和質(zhì)量m0，將巖心放入巖心夾持器中并加環(huán)壓，巖心夾持器連接中間容器以及恒壓恒速泵，根據(jù)每塊巖心對(duì)應(yīng)層位的現(xiàn)場(chǎng)施工停泵壓差確定恒壓恒速泵的輸出壓力，通過(guò)核磁共振設(shè)備連續(xù)測(cè)出不同時(shí)刻巖心的核磁共振一維頻率編碼和核磁共振成像，記錄并保存數(shù)據(jù)。

5)測(cè)量并記錄已受壓裂液損害巖心的滲透率K1和質(zhì)量m1，計(jì)算得出巖心的損害率η1。

3 結(jié)果與分析

3.1 滲吸傷害實(shí)時(shí)τ2譜和成像分析

在多孔介質(zhì)中，孔徑越大，存在于孔中的H+弛豫時(shí)間(τ2)越長(zhǎng)；孔徑越小，存在于孔中的水受到的束縛程度越大，弛豫時(shí)間越短，即峰的位置與孔徑大小有關(guān)，峰的面積大小與對(duì)應(yīng)孔徑的多少有關(guān)。利用96#巖心的壓裂液動(dòng)態(tài)滲吸傷害過(guò)程獲得連續(xù)的τ2譜線(見(jiàn)圖2)，τ2譜結(jié)果分析表明，對(duì)比不同時(shí)刻的τ2譜，可以看出滲吸傷害實(shí)驗(yàn)早期壓裂液主要充填小孔道，后期主要充填大孔道。

圖2 96#巖心壓裂液動(dòng)態(tài)滲吸過(guò)程連續(xù)的τ2譜 Fig.2 Continuous τ2 spectrum of dynamic imbibition process of 96# core fracturing fluid

由于致密氣中不含H+且H+僅存在于壓裂液中，因此利用核磁共振技術(shù)采集到的信號(hào)為壓裂液中H+的信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理后獲得樣品的H+密度圖像，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)壓裂液在巖心內(nèi)部運(yùn)移的變化過(guò)程的成像[14,15]。圖像顏色的飽和度越高，代表該處的信號(hào)越強(qiáng)，聚集的壓裂液量越多；反之信號(hào)越弱，聚集的壓裂液量越少。該技術(shù)不僅可以更清晰直觀地呈現(xiàn)壓裂液進(jìn)入巖心的過(guò)程，而且可以看出不同時(shí)刻壓裂液前緣的位置及壓裂液在巖心中的分布情況。

利用核磁共振成像技術(shù)對(duì)96#巖心進(jìn)行成像分析，其結(jié)果見(jiàn)圖3。從成像結(jié)果可以看出，壓裂液從滲吸端面進(jìn)入，且因壓裂液與滲吸端面完全接觸，該處成像飽和度很高，即聚集的壓裂液液量較多。隨著滲吸時(shí)間的增加，原本成像飽和度低的位置逐漸被高飽和度取代，意味著壓裂液向巖心內(nèi)部侵入，并不斷“占據(jù)”巖心中的孔隙喉道，直至滲吸結(jié)束壓裂液不再向前推進(jìn)。但核磁共振成像只能系統(tǒng)地看出壓裂液在巖心中的滲吸狀態(tài)與分布情況，其結(jié)果較為“宏觀”，并不能精準(zhǔn)地判斷不同時(shí)刻壓裂液到達(dá)的位置，也不能實(shí)現(xiàn)對(duì)滲吸過(guò)程更加深入具體的分析。

圖3 96#巖心壓裂液不同注入時(shí)間下核磁共振成像結(jié)果Fig.3 Magnetic resonance imaging results of 96# core fracturing fluid at different injection time

3.2 滲吸傷害前緣實(shí)時(shí)表征分析

為了進(jìn)一步研究滲吸機(jī)理及過(guò)程，對(duì)其進(jìn)行量化分析，將2塊巖心壓裂液滲吸過(guò)程的核磁共振一維頻率編碼分別進(jìn)行處理，截取對(duì)應(yīng)巖心長(zhǎng)度且可呈現(xiàn)巖心內(nèi)部流體流動(dòng)規(guī)律的部分進(jìn)行繪圖，其結(jié)果如圖4所示。

圖4 壓裂液滲吸過(guò)程一維頻率編碼Fig.4 One-dimensional frequency coding of imbibition process of fracturing fluid

壓裂液進(jìn)入巖心的方向?qū)?yīng)核磁共振一維頻率編碼圖示中由左至右的方向。橫坐標(biāo)為對(duì)應(yīng)巖心的不同位置，左端為滲吸端面，即滲吸起始點(diǎn)，橫坐標(biāo)的數(shù)值越大，代表離滲吸端面距離越遠(yuǎn)，壓裂液進(jìn)入的深度越深；縱坐標(biāo)為信號(hào)幅度，其值越大，意味著采集到的信號(hào)量越多，壓裂液在此位置處分布量多，反之分布量少甚至不存在壓裂液。由以上核磁共振一維頻率編碼圖示可以看出，96#和57#巖心壓裂液驅(qū)通巖心的時(shí)間分別為182、208min，壓裂液隨滲吸時(shí)間的增加由左向右推進(jìn)，通過(guò)坐標(biāo)軸的讀取，可以得到不同時(shí)刻壓裂液進(jìn)入的深度值。對(duì)于巖心中的某一位置而言，隨著滲吸時(shí)間的增加，壓裂液液量逐漸增多，當(dāng)該處孔隙喉道被壓裂液全部占據(jù)并達(dá)到飽和時(shí)，壓裂液液量便不再增加。

將較為復(fù)雜抽象的一維頻率編碼結(jié)果轉(zhuǎn)化為更加簡(jiǎn)單具體的一維平面圖示(利用一維頻率編碼圖讀取某一時(shí)刻的滲吸前緣的位置)，便于更加具體直觀地表示不同時(shí)刻壓裂液在巖心中的位置變化規(guī)律。通過(guò)對(duì)一維頻率編碼的結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選與計(jì)算，得到壓裂液進(jìn)入巖心的深度隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線，如圖5所示。

3.3 滲吸傷害速度的實(shí)時(shí)表征分析

從用核磁共振成像技術(shù)對(duì)2塊巖心進(jìn)行成像的分析可知，隨著滲吸時(shí)間的增加，壓裂液進(jìn)入巖心深度總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但當(dāng)?shù)竭_(dá)一定深度時(shí)，壓裂液將不再前進(jìn)深入。滲吸初期的曲線斜率較大，即壓裂液進(jìn)入巖心深度增加幅度較大；后期斜率逐漸減緩，即壓裂液進(jìn)入巖心深度增加幅度減小。通過(guò)圖5可以大致估測(cè)出某一時(shí)刻壓裂液在巖心中滲吸到達(dá)的位置。

圖5 壓裂液進(jìn)入巖心的深度與時(shí)間關(guān)系Fig.5 The relationship between the depth and time of fracturing fluid into the core

針對(duì)滲吸速度與時(shí)間的變化規(guī)律展開進(jìn)一步分析，計(jì)算得到不同滲吸時(shí)間下壓裂液進(jìn)入巖心的速度為：

(1)

式中：v為壓裂液進(jìn)入速度，mm/h；xn為某時(shí)刻壓裂液前緣的位置，mm；xn-1為上一時(shí)刻壓裂液前緣的位置，mm；Δt為相鄰時(shí)間間隔，h。

繪制壓裂液進(jìn)入巖心的速度與時(shí)間的關(guān)系曲線，如圖6所示。由圖6可知，隨著滲吸時(shí)間增加，壓裂液進(jìn)入巖心速度逐漸減小，兩者之間的變化趨勢(shì)大致呈反比例函數(shù)關(guān)系：滲吸前期滲吸速度降低幅度很大，滲吸中期滲吸速度降低幅度減緩，滲吸后期滲吸速度較小且基本保持不變。由于初始狀態(tài)下的巖心內(nèi)部不含有壓裂液，孔隙喉道并未被壓裂液占據(jù)，巖心端面的壓裂液在較高毛細(xì)管壓力的作用下迅速進(jìn)入巖心內(nèi)部，因此滲吸剛開始時(shí)滲吸速度很大；隨著時(shí)間的增加，巖心孔隙喉道中充滿了越來(lái)越多的壓裂液，毛細(xì)管內(nèi)黏滯阻力變大且毛細(xì)管壓力減小，因此在滲吸前期，滲吸速度大幅度降低；滲吸后期，巖心孔隙喉道內(nèi)的壓裂液量接近飽和，毛細(xì)管內(nèi)的黏滯阻力較大并趨于穩(wěn)定，所以滲吸后期的滲吸速度較小且基本保持不變。

圖6 壓裂液進(jìn)入巖心的速度與時(shí)間關(guān)系Fig.6 The relationship between the velocity and time of fracturing fluid into the core

4 結(jié)論

1)壓裂液的滲吸傷害從壓裂液與儲(chǔ)層接觸就開始發(fā)生，隨著時(shí)間的增加，剛開始速度快，隨后越來(lái)越慢，到一定時(shí)間后基本上不再增加，進(jìn)入儲(chǔ)層的量也是越來(lái)越少。壓裂液進(jìn)入巖心的深度隨著滲吸時(shí)間的增加而增加，但當(dāng)?shù)竭_(dá)一定深度時(shí)，壓裂液將不再前進(jìn)深入。

2)從核磁共振的τ2譜來(lái)看，由于毛細(xì)管壓力的作用，壓裂液先進(jìn)入小孔隙，然后進(jìn)入大孔隙；孔喉越小其毛細(xì)管壓力的作用越大，具有較強(qiáng)的滯留壓裂液能力，因此滲透率較小的巖心受到壓裂液的損害程度更高。

3)通過(guò)核磁共振信號(hào)的一維編碼處理得到不同時(shí)刻壓裂液滲吸前緣的位置，可以定量描述整個(gè)滲吸過(guò)程中巖心的傷害程度；利用壓裂液滲吸速度可以表征整個(gè)滲吸規(guī)律和特點(diǎn)。