致密砂巖儲(chǔ)層壓裂液損害機(jī)理探討

徐兵威，李雷，何青，羅懿，張永春，李國峰

（中國石化華北分公司工程技術(shù)研究院，河南 鄭州450006）

壓裂液在壓裂施工過程中具有傳遞壓力、攜帶支撐劑和降低地層溫度等作用。壓裂作業(yè)時(shí)部分壓裂液進(jìn)入地層，引起儲(chǔ)層損害［1-6］，國內(nèi)外許多學(xué)者為此開展了大量研究。李志剛、蔣海、B.Bazin 等在進(jìn)行一系列室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究及現(xiàn)場試驗(yàn)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，指出液相圈閉損害、敏感性損害、固相侵入等是氣層產(chǎn)生儲(chǔ)層損害的主要原因［7-31］。壓裂液濾液滯留和殘?jiān)皆诹芽p表面，造成儲(chǔ)層孔隙堵塞和壓裂液無法返排，致使儲(chǔ)層滲透率降低，因此，在致密氣藏壓裂作業(yè)過程中，需實(shí)現(xiàn)壓裂液的高效返排，以加強(qiáng)儲(chǔ)層保護(hù)。

1 工區(qū)概況

大牛地氣田構(gòu)造上位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡北部東段，為典型的致密砂巖儲(chǔ)層。區(qū)內(nèi)構(gòu)造、斷裂不發(fā)育；總體為東北高、西南低的平緩單斜，平均坡降6～9 m/km，埋深2 400～2 900 m；自上而下發(fā)育盒3、盒2、盒1、山2、山1、太2 和太1 等7 套氣層，屬于上古生界石炭-二疊系海陸交互相含煤碎屑巖含油氣體系。

工區(qū)儲(chǔ)層物性差，非均質(zhì)性強(qiáng)。孔隙度主要分布在2%～10%，平均為7.45%；滲透率主要分布在（0.01～1.00）×10-3μm2，平均為0.47×10-3μm2；平均壓力系數(shù)為0.85～0.90；地溫梯度3.17 ℃/100 m?？傮w上屬于低孔、低滲、低壓致密砂巖氣藏?？紫额愋桶ｉg孔、次生溶孔、晶間微孔和微裂縫，以粒間孔和次生溶孔為主，喉道多以片狀和彎片狀為主。黏土礦物主要有伊利石、高嶺石、綠泥石以及伊/蒙混層，伊利石和高嶺石質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，綠泥石次之，伊/蒙混層最低。由各氣層地層水分析結(jié)果可知，水型均為CaCl2型，pH 值為6 左右，各層總礦化度差別較大，但總體而言，自下而上總礦化度逐漸降低。

2 壓裂液體系

工區(qū)使用的壓裂液體系為羥丙基瓜膠壓裂液體系。其基液為0.45%HPG（一級(jí)）＋1%KCl+0.1%甲醛+1%起泡劑+0.2%助排劑+0.2%Na2CO3； 交聯(lián)液為BCL-61 或CX-306 體系，交聯(lián)比為100∶0.3；破膠劑為膠囊破膠劑和過硫酸銨；液氮伴注比例為6%～9%。

為了評價(jià)該壓裂液體系對工區(qū)儲(chǔ)層的影響，開展了相關(guān)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究，得出其主要性能指標(biāo)：基液密度為1.005 g/cm3，pH 值為9，表觀黏度為59 mPa·s；交聯(lián)時(shí)間為110 s；初濾失量為4.96×10-4m3/m2，濾餅控制濾失系數(shù)為4.137×10-5m/min1/2； 基質(zhì)滲透率損害率為21.41%；破膠液表面張力為27.151 mN/m；殘?jiān)|(zhì)量濃度為314 mg/L。評價(jià)結(jié)果表明，該壓裂液體系性能指標(biāo)達(dá)到SY/T 5107 水基壓裂液性能評價(jià)體系標(biāo)準(zhǔn)。

經(jīng)激光粒度分析儀測定，該壓裂液破膠后殘?jiān)６却笮》植荚?.49～125.00 μm，其中，77%分布在31.00～88.00 μm，均值為67.01 μm［32］。破膠后壓裂液濾液與儲(chǔ)層地層水的配伍性實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)壓裂液濾液與地層水分別以1∶2，1∶1 和2∶1 比例配比時(shí)，隨著混合溶液中壓裂液濾液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，生成的沉淀質(zhì)量也隨之增加。這些白色沉淀為地層水中的CaCl2與壓裂液中的Na2CO3反應(yīng)后生成的CaCO3和CaSO4等不溶沉淀（見表1）。

表1 壓裂液濾液與地層水配伍性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 壓裂液對儲(chǔ)層的影響

壓裂液侵入地層的程度不僅與壓裂施工參數(shù)有關(guān)，而且與壓裂液及添加劑的性能、儲(chǔ)層物性、流體性質(zhì)等密切相關(guān)。壓裂液濾液侵入、破膠液殘?jiān)氯?、敏感性損害以及壓裂液與儲(chǔ)層不配伍等，都會(huì)引起嚴(yán)重的儲(chǔ)層損害，導(dǎo)致氣井產(chǎn)能降低［33-36］。

3.1 液相圈閉

儲(chǔ)層巖石致密、孔喉細(xì)小、巖石顆粒表面覆蓋易水化的薄膜，且儲(chǔ)層壓力低、生產(chǎn)壓差小，是儲(chǔ)層產(chǎn)生液相圈閉損害的內(nèi)在因素；而驅(qū)替壓差小、外來流體與巖石的潤濕角小、表面張力大和流體黏度大，是造成液相圈閉損害的外在因素。

工區(qū)儲(chǔ)層滲透率低，非均質(zhì)性強(qiáng)，孔喉細(xì)小。由于儲(chǔ)層壓力低，返排壓差極為有限，更易發(fā)生液相圈閉損害［37］?？缀碇械酿ね恋V物具有吸引極性水分子的能力，易在壁面形成水化膜，增大了孔隙的比表面積和束縛水的能力。儲(chǔ)層孔隙類型以微孔、細(xì)孔為主，毛細(xì)管力作用強(qiáng)，外來流體侵入儲(chǔ)層后，液相滯留效應(yīng)明顯。儲(chǔ)層中初始含水飽和度遠(yuǎn)低于束縛水飽和度，存在超低含水飽和度現(xiàn)象，使得液相侵入加速；而毛細(xì)管自吸現(xiàn)象則促使液相延伸至儲(chǔ)層更深處。其巖樣液相圈閉損害程度如表2所示。

表2 大牛地氣田巖樣液相圈閉損害程度

從表2可以看出，巖樣液相圈閉損害程度均達(dá)到30%以上，且當(dāng)滲透率小于0.10×10-3μm2時(shí)，可以達(dá)到85%以上。儲(chǔ)層物性越差，損害程度越大，越難恢復(fù)。

液相圈閉損害模式如圖1所示?？梢钥闯觯何⒖缀淼烙捎诿?xì)管力作用強(qiáng)，儲(chǔ)層壓力低，氣相不能有效突破液相，導(dǎo)致氣體殘留在孔隙中（見圖1a）；而在中—細(xì)孔喉道中，由于液相的存在，氣體滲流通道明顯減小，降低了氣體的滲流能力（見圖1b）。

圖1 液相圈閉損害模式

除儲(chǔ)層特性外，壓裂液性能對液相圈閉損害的影響不可忽視。壓裂液呈弱酸性，破膠液黏度較高，進(jìn)入儲(chǔ)層后易與儲(chǔ)層流體形成乳狀液，由于表面張力大，吸附在巖石表面，不易返排；裂縫壁面濾餅降低了巖石的滲透率，也加大了壓裂液的返排難度。

3.2 固相堵塞

壓裂施工過程中，壓裂液與儲(chǔ)層不配伍生成的沉淀、破膠后的壓裂液固相以及儲(chǔ)層微粒、黏土礦物等隨濾液進(jìn)入儲(chǔ)層，造成儲(chǔ)層損害，其損害方式主要分以下3 種［38］，固相損害模型見圖2。

1）表面沉淀引起的漸變式孔隙縮?。紫蹲冋?、孔壁襯填）。工區(qū)地層水屬于CaCl2水型，易與壓裂液中Na2CO3反應(yīng)后生成CaCO3，CaSO4等沉淀。壓裂液濾液進(jìn)入儲(chǔ)層，濾液前端與地層水生成沉淀，隨著濾液進(jìn)一步侵入地層，生成沉淀量逐漸減少，形成了漸變式縮小的孔隙結(jié)構(gòu)。

2）屏蔽作用引起的單個(gè)孔隙堵塞（孔喉堵塞）。羥丙基瓜膠壓裂液破膠后還存在一些短鏈分子和支狀分子，由于尺寸太大，無法進(jìn)入孔喉，僅吸附于裂縫表面上，形成了具有一定黏彈性的薄膜，即濾餅。濾餅一方面能阻止液相進(jìn)一步侵入儲(chǔ)層，但另一方面給壓裂液返排帶來了困難，導(dǎo)致大部分液體滯留于儲(chǔ)層中。同時(shí)，殘?jiān)矔?huì)吸附在支撐劑表面，降低支撐劑的導(dǎo)流能力；殘?jiān)吭酱?，損害就越嚴(yán)重。

3）粗濾作用引起的孔隙體積充填（由滾雪球效應(yīng)引起內(nèi)部形成濾餅）。壓裂施工過程中，壓力波動(dòng)和濾液的侵入易導(dǎo)致地層微粒、黏土礦物的脫落、運(yùn)移，從而堵塞喉道。大牛地氣田上古生界氣藏孔隙類型以粒間孔、次生溶孔為主，儲(chǔ)層物性相對較好，盒1 和盒2段孔隙類型屬于中孔細(xì)喉，易在喉道處形成堵塞［6］。

圖2 固相侵入模型

由圖2a可以看出：壓裂時(shí)，由于壓裂液殘?jiān)竭h(yuǎn)大于孔隙喉道，不易進(jìn)入孔喉，殘?jiān)饕性诹芽p與孔隙表面，阻止了壓裂液濾液進(jìn)一步侵入；壓裂液與儲(chǔ)層不配伍生成的沉淀主要吸附在孔隙表面，并隨著濾液侵入儲(chǔ)層深處； 而黏土礦物微粒粒徑大于孔隙喉道，少部分黏土微粒運(yùn)移到喉道附近，堵塞喉道，降低了儲(chǔ)層的滲透率。由圖2b可以看出：當(dāng)壓裂液返排時(shí)，由于裂縫和孔隙表面存在未完全破膠的壓裂液，殘?jiān)掣皆诳紫逗土芽p表面，阻礙了濾液的返排；壓裂液不配伍生成的沉淀以及運(yùn)移到孔隙和裂縫內(nèi)喉道附近的黏土礦物微粒，形成一層致密濾餅，進(jìn)一步減小了儲(chǔ)層的滲透率，使得壓后返排效果降低。

3.3 敏感性損害

工區(qū)黏土礦物類型有伊利石、高嶺石、綠泥石以及伊/蒙混層［28］。黏土礦物絕對質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.67%，其中，伊利石和高嶺石相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，伊利石為68.63%，高嶺石為21.67%，綠泥石次之，伊/蒙混層最低（見圖3）。黏土礦物的微粒粒徑在5.00 μm 左右，而該區(qū)塊儲(chǔ)層的平均喉道半徑分布在0.23～0.56 μm，黏土礦物微粒粒徑遠(yuǎn)大于平均喉道半徑，因此，基塊巖樣的黏土礦物顆粒很難分散運(yùn)移至喉道處發(fā)生堵塞，表現(xiàn)出較弱的速敏性。

圖3 大牛地儲(chǔ)層典型黏土礦物類型及微結(jié)構(gòu)

隨著儲(chǔ)層深度的增加，水敏、鹽敏損害程度整體上呈減弱趨勢，太原組基本沒有水敏性，鹽敏性為無或弱；這是由于隨著儲(chǔ)層深度的增加，高嶺石、伊利石和伊/蒙混層等黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)總體上逐漸減少，太1段基本不含伊/蒙混層。

大牛地儲(chǔ)層不但沒有HCl 酸敏性，而且?guī)r樣與酸液接觸后，滲透率都有不同程度的提高，最大可提高到原來的3 倍，最小也提高了20%；這主要是由于工區(qū)鐵綠泥石質(zhì)量分?jǐn)?shù)不高，HCl 酸敏程度較低，酸化解堵效果較好。

儲(chǔ)層存在的敏感性損害主要為堿敏和應(yīng)力敏感。發(fā)生堿敏的黏土礦物主要是晶格結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的伊利石、高嶺石和伊/蒙混層等礦物；當(dāng)高pH 值外界流體進(jìn)入儲(chǔ)層后，會(huì)與黏土礦物發(fā)生反應(yīng)，破壞黏土礦物的微結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致微粒分散運(yùn)移，堵塞喉道，降低儲(chǔ)層滲透率；另外，還會(huì)引起無機(jī)垢的生成，損害儲(chǔ)層。

大牛地氣田致密砂巖儲(chǔ)層基塊巖樣應(yīng)力敏感程度總體上為中等—強(qiáng)。儲(chǔ)層喉道為片狀或彎片狀類型，在有效應(yīng)力增加時(shí)極易變形，致使?jié)B流通道減小，滲透率降低；而裂縫在有效應(yīng)力增加時(shí)，也極易閉合。

3.4 其他

大牛地氣田部分氣井中含有凝析油，壓裂液進(jìn)入儲(chǔ)層會(huì)降低其溫度，使凝析油中的蠟、膠質(zhì)及瀝青質(zhì)等析出，堵塞喉道，從而造成儲(chǔ)層損害。

同時(shí)，進(jìn)入儲(chǔ)層的壓裂液會(huì)與儲(chǔ)層中固有的油和水發(fā)生乳化，形成乳化液堵塞地層。當(dāng)乳化液中的分散相在流經(jīng)儲(chǔ)層毛細(xì)管喉道時(shí)，產(chǎn)生賈敏效應(yīng)，引起儲(chǔ)層損害。壓裂液返排時(shí)形成氣、液兩相流時(shí)，形成很大的阻力，降低了壓裂液的返排率。另外，壓裂液進(jìn)入儲(chǔ)層可能造成儲(chǔ)層巖石的潤濕反轉(zhuǎn)，加大了返排的難度。

壓裂液破膠不完全及殘?jiān)鼘χ蝿┑膫εc顆粒直徑有關(guān)，粒徑越大，傷害越小，反之，傷害就越大。因此，現(xiàn)場壓裂設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮支撐劑嵌入、殘?jiān)鼘?dǎo)流能力的影響，盡可能使用低殘?jiān)鼔毫岩?，減少殘?jiān)鼘?dǎo)流能力的傷害程度。

綜上所述，壓裂液對大牛地氣田致密儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)的影響是多方面的，各因素之間相互關(guān)聯(lián)、相互疊加，造成儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)破壞更為嚴(yán)重。因此，加強(qiáng)壓裂改造過程中的儲(chǔ)層保護(hù)，特別是針對物性較差的致密氣藏儲(chǔ)層，防止濾液過度侵入并加速壓裂液返排至關(guān)重要。

4 結(jié)論

1）壓裂液侵入會(huì)造成儲(chǔ)層孔隙液相滯留、孔喉堵塞以及黏土礦物分散運(yùn)移，進(jìn)而導(dǎo)致原有的孔隙結(jié)構(gòu)遭到破壞；壓后壓裂液不能及時(shí)返排，進(jìn)一步加大了濾液、固相侵入儲(chǔ)層，致使儲(chǔ)層恢復(fù)程度低。

2）壓裂液對儲(chǔ)層損害具有不可逆性。儲(chǔ)層物性越差，滲透率越低，損害越嚴(yán)重，且難以恢復(fù)；因此，在作業(yè)過程中，須加強(qiáng)致密儲(chǔ)層的保護(hù)。

3）保護(hù)好致密儲(chǔ)層，需選用與儲(chǔ)層配伍性較好的壓裂液，減少濾液侵入以及固相對儲(chǔ)層和支撐劑的損害；提高液氮伴注比例，添加表面活性劑，減少液相在儲(chǔ)層孔隙中的滯留；采用強(qiáng)制裂縫閉合技術(shù)，建立合理的壓裂液返排制度，加快壓裂液的快速返排。

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