塔24 致密油試驗(yàn)區(qū)不同壓裂破膠液燜井效果評(píng)價(jià)

蔣建方，黃登鑄，唐 珊，祁生金，姜 杰，褚占宇，劉金棟

（1.中國(guó)石油大學(xué)非常規(guī)油氣科學(xué)技術(shù)研究院，北京 102249；2.中國(guó)石油大學(xué)石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249）

大慶油田塔24 區(qū)塊扶余儲(chǔ)層巖心平均液測(cè)孔隙度為10.39%，平均液測(cè)滲透率為0.017 1×10-3μm2，為典型致密儲(chǔ)層；該儲(chǔ)層陸源碎屑含量較高（80%～92%），巖石礦物成熟度低，石英含量27%～30%，黏土礦物以伊利石（14%）和綠泥石（25%）為主，含有較多伊蒙混層（58%）；儲(chǔ)層巖礦填隙物主要是方解石（15%），主要形式為膠結(jié)和交代石英、長(zhǎng)石，填隙物與基質(zhì)以點(diǎn)線接觸或懸浮接觸，充填進(jìn)一步降低了孔隙孔喉，薄片鑒定顯示孔隙以粒間溶蝕孔為主，孔隙孔徑為120 μm，喉道2 μm，面孔率僅4%；由于致密儲(chǔ)層孔隙度和滲透率低，孔隙孔喉小，毛管力大，在儲(chǔ)層壓裂增產(chǎn)過(guò)程中，滯留在儲(chǔ)層的壓裂液會(huì)以滲吸作用進(jìn)入巖石基質(zhì)[1-2]，引起儲(chǔ)層含水飽和度提高，對(duì)儲(chǔ)層造成液相傷害[3-4]，研究降低壓裂液對(duì)致密儲(chǔ)層的傷害對(duì)開(kāi)發(fā)致密油儲(chǔ)層具有重要意義。

近年在非常規(guī)油氣資源開(kāi)發(fā)過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)工程師發(fā)現(xiàn)壓裂液返排后燜井一段時(shí)間，油井產(chǎn)量會(huì)有一定幅度提升，但是對(duì)于燜井的增產(chǎn)機(jī)理不太明朗[7-8]。張寅，劉剛等[5-6]在涪陵區(qū)塊頁(yè)巖油藏和大慶古龍頁(yè)巖油區(qū)塊的燜井實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)燜井可以改變近井儲(chǔ)層物性，促進(jìn)油水置換，提高單井產(chǎn)能，該研究只在宏觀層面量化燜井能夠增加油的產(chǎn)出量沒(méi)有對(duì)其中的微觀機(jī)理進(jìn)行詳細(xì)闡述；達(dá)引朋等[9]通過(guò)地質(zhì)油藏精細(xì)建模和油藏?cái)?shù)值模擬方法從微觀角度研究燜井期間壓裂增能機(jī)理，結(jié)果表明超低滲儲(chǔ)層毛管力明顯，燜井期間會(huì)對(duì)壓裂液進(jìn)行滲吸，表面活性劑壓裂液會(huì)降低界面張力，減小毛管力作用；LEDH 等[10]通過(guò)數(shù)值模擬手段，發(fā)現(xiàn)燜井期間儲(chǔ)層對(duì)壓裂液的滲吸能夠?qū)?chǔ)層滲透率恢復(fù)起到一定作用，但沒(méi)有結(jié)合物模實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證；劉博峰等[2]以鄂爾多斯盆地S 區(qū)塊致密儲(chǔ)層巖心為對(duì)象，用胍膠、滑溜水和清潔壓裂破膠液開(kāi)展?jié)B吸實(shí)驗(yàn)和滲吸后巖心傷害評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明三種壓裂液均會(huì)對(duì)巖心造成水鎖傷害，清潔壓裂液的水鎖傷害率最低（15%）；陳志明等[11]學(xué)者利用動(dòng)態(tài)分析方法以及生產(chǎn)歷史約束，對(duì)長(zhǎng)慶頁(yè)巖油XC 井進(jìn)行燜井時(shí)間優(yōu)化，結(jié)果表明合理燜井時(shí)間為25～30 d；目前國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)燜井工藝在現(xiàn)場(chǎng)和數(shù)值模擬上均有研究，在滲吸驅(qū)油和壓裂液滲吸對(duì)儲(chǔ)層的傷害方面研究較多，但在室內(nèi)模擬燜井工藝、燜井降低滲透性傷害以及室內(nèi)分析機(jī)理方面報(bào)道很少。

由于現(xiàn)場(chǎng)燜井是在頁(yè)巖油藏區(qū)塊上，頁(yè)巖和致密油藏儲(chǔ)層物性上存在一定差異，所以其燜井產(chǎn)生的效果和燜井時(shí)間優(yōu)化可能不同于致密油藏，且數(shù)值模擬手段往往對(duì)邊界條件、材料屬性進(jìn)行簡(jiǎn)化，使得結(jié)果精度下降，所以本文利用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)方法對(duì)前人的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，可以使得結(jié)論合理可靠；實(shí)驗(yàn)在劉博峰等學(xué)者的研究基礎(chǔ)上，增加高分子聚合物壓裂液對(duì)巖心傷害和燜井對(duì)致密巖心滲透率影響的機(jī)理研究，借助LDL-IV 型巖心驅(qū)替流動(dòng)儀和接觸角測(cè)定儀，用不同壓裂破膠液對(duì)塔24 致密油試驗(yàn)區(qū)的巖心進(jìn)行巖心損害實(shí)驗(yàn)和模擬燜井實(shí)驗(yàn)，并測(cè)定燜井前后的巖心潤(rùn)濕角，分析不同壓裂破膠液在塔24 區(qū)塊燜井的適應(yīng)性。塔24 試驗(yàn)區(qū)作為大慶油田最重要的致密油儲(chǔ)層之一，對(duì)該儲(chǔ)層進(jìn)行燜井適應(yīng)性評(píng)價(jià)研究對(duì)開(kāi)發(fā)致密儲(chǔ)層具有指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要實(shí)驗(yàn)儀器與材料

高精度ISCO A100DX 恒壓恒流驅(qū)替泵，美國(guó)Teledyne 公司；LDL-IV 型巖心驅(qū)替流動(dòng)儀，海安發(fā)達(dá)石油儀器科技有限公司；BZY-2 界面張力儀，上海衡平儀器儀表廠。

地層水為礦場(chǎng)采出水，水型為NaHCO3型，礦化度為4 702 mg/L，pH 值為7.6；巖心和壓裂液配方及其助劑由礦場(chǎng)提供（見(jiàn)表1）。

表1 實(shí)驗(yàn)材料參數(shù)

1.2 壓裂液配制

（1）胍膠壓裂液配方：0.45%胍膠+0.06%Na2CO3+0.02%NaHCO3+0.15%助排劑+0.1%破乳劑+0.4%黏土穩(wěn)定劑+0.2%ZW-2+0.08%XP；交聯(lián)劑（4%GW150+7%DW90），交聯(lián)比為50∶1；破膠劑為0.05%過(guò)硫酸鉀。

（2）高分子聚合物壓裂液配方：0.25%聚合物；15%交聯(lián)劑，交聯(lián)比為50∶1；破膠劑為0.05%過(guò)硫酸鉀。

（3）表面活性劑壓裂破膠液配方：2%表面活性劑；30%表面活性劑交聯(lián)劑（KCl）；交聯(lián)比為50∶1；破膠劑為油或水。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 巖心損害實(shí)驗(yàn) 胍膠、高分子聚合物和表面活性劑破膠液的巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)均按SY/T 5107—2005《水基壓裂液性能評(píng)價(jià)方法》進(jìn)行。

1.3.2 燜井工藝適應(yīng)性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

（1）正向注入地層水，獲得巖心穩(wěn)定的水相滲透率K1；

（2）正向注入胍膠壓裂破膠液，待流出基本穩(wěn)定，停泵，關(guān)閉巖心夾持器兩端閥門，維持實(shí)驗(yàn)溫度和壓力，放置2 h；

（3）重復(fù)步驟（1），獲得水相滲透率K2；重復(fù)步驟（2），模擬燜井3 d；重復(fù)步驟（1），獲取水相滲透率K3；直至模擬燜井30 d，測(cè)出水相滲透率K5；

（4）計(jì)算胍膠壓裂破膠液不同燜井時(shí)間下各自的巖心滲透率損害率：ηd=（K1-Ki）/K1×100%，i=2，3，4，5；

（5）高分子聚合物壓裂破膠液重復(fù)胍膠燜井操作，分別重復(fù)步驟（1）～（4）；

（6）表面活性劑壓裂破膠液重復(fù)胍膠燜井操作，分別重復(fù)步驟（1）～（4）。

2 結(jié)果與討論

2.1 巖心損害評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

胍膠壓裂破膠液傷害實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見(jiàn)圖1），巖心的初始液測(cè)滲透率為0.017 8×10-3μm2，驅(qū)替?zhèn)蟮膸r心滲透率在13.38 PV 下降幅度24.23%，14.19 PV 開(kāi)始在地層水不斷驅(qū)替過(guò)程中滲透率小幅度上升最后在24 PV 趨于穩(wěn)定；作為廣泛應(yīng)用于開(kāi)發(fā)非常規(guī)儲(chǔ)層的胍膠壓裂液，由于破膠不徹底，殘?jiān)埬z很容易造成儲(chǔ)層傷害，且對(duì)巖心基質(zhì)傷害主要是水相傷害和胍膠滯留傷害[12-13]，由于胍膠相對(duì)分子質(zhì)量大，容易造成巖心孔隙堵塞，胍膠驅(qū)替結(jié)束后，巖心中大孔喉被胍膠分子堵塞，造成滲透率急劇下降，14.19 PV 巖心孔隙中吸附和滯留的胍膠分子被地層水逐漸稀釋，減小巖心堵塞，使得滲透率微量上升。

圖1 壓裂破膠液驅(qū)替對(duì)巖心的損害曲線

高分子傷害巖心滲透率主要是在地層水驅(qū)替過(guò)程中，孔喉中疏松填隙物的雜基會(huì)在高分子聚合物的吸附帶動(dòng)下發(fā)生顆粒運(yùn)移，造成顆粒堵塞傷害，并且驅(qū)替過(guò)程形成的濾餅會(huì)造成導(dǎo)流能力下降或者堵塞巖心中較大的孔喉，造成大孔喉減少小孔喉增加[14-15]，由于小孔喉數(shù)量增加，地層水驅(qū)替開(kāi)啟少量多裂縫，最終水相滲透率微量上升趨于穩(wěn)定；表面活性劑破膠液驅(qū)替后巖心滲透率變化不同于胍膠和高分子聚合物，由于表面活性劑壓裂液的相對(duì)分子質(zhì)量比胍膠、聚合物壓裂破膠液小，僅相當(dāng)于胍膠的1/5 000，因此表面活性劑通過(guò)巖心的流速和流量明顯高于胍膠、高分子聚合物壓裂破膠液，并且表面活性劑分子鏈上含親水和長(zhǎng)鏈?zhǔn)杷鶊F(tuán)，這些基團(tuán)在鹽介質(zhì)中形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[16]，在遇到地層水后網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能夠破膠，且破膠后沒(méi)有殘?jiān)斐啥氯缀?，地層水?qū)替的稀釋作用加大表面活性劑的破膠，能一定程度提高水相滲透率。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見(jiàn)表2），胍膠造成的巖心滲透率損害率比較大，傷害后損害率為18.54%，高分子聚合物次之16.20%，表面活性劑驅(qū)替后，對(duì)巖心滲透性有一定改善，滲透率提高了7.83%。

表2 壓裂破膠液驅(qū)替對(duì)巖心滲透率的影響

2.2 燜井工藝適應(yīng)性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

從燜井曲線（見(jiàn)圖2～圖4）可以看出，胍膠壓裂破膠液分別燜井2 h、3 d、15 d、30 d，巖心滲透率損害率逐漸下降，分別為16.87%、15.22%、15.06%和14.74%，可見(jiàn)胍膠壓裂破膠液燜井對(duì)巖心滲透率存在損害，并且損害率隨著燜井時(shí)間的延長(zhǎng)而降低，在燜井3 d 滲透率損害率減小比較明顯，隨著燜井時(shí)間的延長(zhǎng)，破膠液逐漸滲吸進(jìn)入巖心基質(zhì)并擴(kuò)散產(chǎn)生微裂縫[17]，巖心流動(dòng)能力提升，滲透率一定程度上得到改善，后期燜井15 d、30 d 滲透率損害率減小變緩甚至無(wú)變化，在30 d 滲透率傷害率達(dá)到最低值，這和陳志明等學(xué)者在長(zhǎng)慶頁(yè)巖油XC 井燜井時(shí)間優(yōu)化結(jié)果一致。

圖2 塔24 區(qū)塊4-4 號(hào)巖心胍膠壓裂液燜井工藝適應(yīng)性評(píng)價(jià)

圖3 塔24 區(qū)塊5-1 號(hào)巖心聚合物壓裂液燜井工藝適應(yīng)性評(píng)價(jià)

圖4 塔24 區(qū)塊5-2 號(hào)巖心表面活性劑壓裂液燜井工藝適應(yīng)性評(píng)價(jià)

高分子聚合物破膠液燜井后表現(xiàn)出來(lái)的特性與胍膠基本相似，但損害程度相對(duì)減小，由于高分子聚合物會(huì)在巖心裂縫壁面形成濾餅和聚合物殘?jiān)斐啥氯?，燜井2 h 后滲透率跳動(dòng)起浮比較大[18]，隨著燜井時(shí)間的延長(zhǎng)，巖心滲吸作用稀釋孔喉通道堵塞物，在燜井15 d 后逐漸趨于穩(wěn)定。表面活性劑壓裂破膠液燜井表現(xiàn)出來(lái)的特性與胍膠、高分子聚合物相反，燜井2 h 巖心滲透率明顯提高，燜井15 d 后滲透率趨于穩(wěn)定。由于表面活性劑破膠液的相對(duì)分子質(zhì)量小于胍膠和高分子聚合物，不易造成孔隙孔喉堵塞，另外表面活性劑可以降低油水表界面張力且該表面活性劑壓裂液體系為陽(yáng)離子型劑，可以降低巖石表面的親水性，使水相滲透率增加，同時(shí)注入地層水本身又是破膠劑，進(jìn)一步加大了表面活性劑交聯(lián)液的破膠程度，使巖心滲透率提升。

燜井實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見(jiàn)圖5），燜井可以減少巖心滲透率損害率，隨著燜井時(shí)間延長(zhǎng)損害率逐漸減小，燜井3 d 損害減小比較明顯，15 d 后減少幅度變??；表面活性劑燜井改善巖心滲透性的效果明顯好于胍膠和聚合物；巖心損害實(shí)驗(yàn)與模擬燜井30 d 結(jié)果對(duì)比（見(jiàn)表3），胍膠、高分子聚合物壓裂破膠液驅(qū)替和燜井均對(duì)巖心造成損害，但燜井會(huì)減少傷害程度，燜井30 d 高分子聚合物減少損害率幅度最大，其次為胍膠，表面活性劑無(wú)論驅(qū)替還是燜井30 d 均提高巖心滲透性[19]。

圖5 不同壓裂液燜井對(duì)巖心滲透率的傷害比較

表3 破膠液驅(qū)替和燜井30 d 后巖心滲透率損害率比較

2.3 巖石潤(rùn)濕角測(cè)定實(shí)驗(yàn)

表面活性劑、高分子聚合物和胍膠壓裂破膠液對(duì)塔24 區(qū)塊巖心燜井后的巖心潤(rùn)濕角測(cè)定（見(jiàn)圖6），燜井前三塊巖心在地層水、空氣下的潤(rùn)濕角差別不明顯分別為32°、31°和33°，表明巖心原本表現(xiàn)出來(lái)的特性是親水的；三種破膠液燜井后潤(rùn)濕角分別為68°、46°和41°，可以看出燜井后巖心潤(rùn)濕角變大，巖心親水性有所減弱，水相滲透性會(huì)有一定程度增加，但巖石沒(méi)有發(fā)生潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)，巖石表面還是親水，油相滲透率仍然大于水相滲透率；由于表面活性劑壓裂液為陽(yáng)離子型，陽(yáng)離子的正電荷與巖石表面的負(fù)電荷作用，吸附在巖石表面，陽(yáng)離子電荷越大，吸附作用越顯著，因此表面活性劑增大巖石潤(rùn)濕角的程度大于高分子和胍膠，另外表面活性劑能降低油水界面張力[20]，增大巖心潤(rùn)濕角，根據(jù)毛管力公式，潤(rùn)濕角增加或表面張力下降均會(huì)導(dǎo)致毛管力下降，減少儲(chǔ)層對(duì)壓裂液滲吸作用，有利于壓裂液的返排，減少儲(chǔ)層傷害。高分子聚合物和胍膠壓裂液中采用的黏土穩(wěn)定劑也是陽(yáng)離子型的，含量相對(duì)表面活性劑少，但對(duì)潤(rùn)濕性的影響機(jī)理是一樣的。

圖6 常溫常壓下水、空氣、塔24 區(qū)塊巖心三相潤(rùn)濕角變化

毛管壓力公式：

式中：ρ-毛管力，Pa；σ-界面張力，mN/m；θ-潤(rùn)濕角，°；r-孔隙半徑，mm。

潤(rùn)濕性實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見(jiàn)表4），三種壓裂液燜井后潤(rùn)濕角均增大，減弱了強(qiáng)親水地層的潤(rùn)濕性，但沒(méi)有使?jié)櫇裥苑崔D(zhuǎn)；表面活性劑對(duì)巖石潤(rùn)濕角的改變程度相對(duì)較大，高分子聚合物次之，胍膠最低；潤(rùn)濕角增大減緩了巖心對(duì)壓裂液的滲吸作用，使巖心水相滲透率提高，壓裂破膠液更容易返排，減小壓裂液對(duì)儲(chǔ)層的傷害。

表4 不同壓裂液對(duì)巖石潤(rùn)濕性變化影響程度

3 結(jié)論

（1）胍膠壓裂破膠液對(duì)巖心滲透性損害較大，高分子聚合物壓裂破膠液次之，表面活性劑壓裂破膠液可以提高巖心滲透性。

（2）壓裂破膠液燜井對(duì)降低儲(chǔ)層傷害具有效果，第3 d 燜井作用效果明顯，在燜井15 d 后，巖心滲透率傷害率降低幅度趨于穩(wěn)定，高分子聚合物壓裂破膠液燜井30 d 后降低巖心滲透率損害率的幅度最大。

（3）三種壓裂破膠液燜井處理后巖心的潤(rùn)濕角都變大；表面活性劑壓裂破膠液大幅度提高了巖心的潤(rùn)濕角，其次是聚合物、胍膠壓裂破膠液；表面活性劑增大潤(rùn)濕角，可以減少毛管力，有助于壓裂液返排減小對(duì)儲(chǔ)層的傷害。