致密煤巖氣藏壓裂液損害實(shí)驗(yàn)評價

康毅力，周來誠，池曉明，李相臣，陳德飛，陳飛，

（1.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都610500；2.中國石油川慶鉆探工程有限公司長慶井下技術(shù)作業(yè)公司，陜西 西安710000）

0 引言

油氣藏開發(fā)過程中，儲層與流體接觸均會發(fā)生一定程度的儲層損害［1-2］。致密煤層氣井壓裂施工中，由于壓裂液對儲層的損害造成開發(fā)效果很不理想［3-4］。開展壓裂液損害研究是減少儲層損害，改善壓裂效果的基礎(chǔ)性工作［5-6］。

國外較早開展了壓裂液損害煤巖儲層的實(shí)驗(yàn)研究。1991年，Puri 等［7］對San Juan 和Black Warrior 盆地全直徑煤心進(jìn)行壓裂液損害實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，煤樣與完全破膠和重復(fù)過濾的凝膠壓裂液作用后，滲透率降低為初始值的10%～20%，受到損害后，用水和鹽酸溶液長期沖洗，滲透率也難以恢復(fù)；Palmer 等［8］對Black Warrior 盆地煤樣研究認(rèn)為，裂隙堵塞和基質(zhì)吸附膨脹是壓裂液損害煤巖儲層的2 大因素。Olsen 等［9］2003年和Chen 等［10］2007年也證實(shí)了壓裂液侵入會嚴(yán)重?fù)p害煤巖儲層。

在國內(nèi)，2002年叢連鑄等［11］使用80～100目煤粉壓制人造巖樣開展了巖心滲透率損害實(shí)驗(yàn)，研究表明，煤基質(zhì)吸附壓裂液后滲透率大幅降低，且不同煤化階段煤巖損害程度不同。2007年叢連鑄等［12］還使用IR和GC/MS 分析儀，對煤基質(zhì)吸附壓裂液進(jìn)行了探索性試驗(yàn)研究，證實(shí)了煤對壓裂液具有吸附作用，且對壓裂液中有機(jī)成分有更強(qiáng)的吸附性能。2008年陳進(jìn)等［13］研究認(rèn)為，潤濕接觸角的變化可以定性分析壓裂液對煤基質(zhì)的損害程度。

國內(nèi)外開展壓裂液對煤巖儲層損害評價時多采用煤粉壓制的人造巖心，不能真實(shí)反映煤巖儲層天然結(jié)構(gòu)特性，對煤巖的滲流能力評價不足。本文選取寧武盆地致密煤巖，鉆取柱狀煤巖樣品，開展了活性水壓裂液、離子平衡壓裂液、清潔壓裂液損害實(shí)驗(yàn)，建立了一種壓裂液損害煤巖天然結(jié)構(gòu)的評價方法，為開發(fā)過程中有效保護(hù)煤巖儲層提供基礎(chǔ)參數(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)巖樣與流體

實(shí)驗(yàn)煤樣均為沿平行層理方向鉆取的柱狀巖心（見圖1），60 ℃下烘48 h 后用氮?dú)鉁y克氏滲透率，液體（酒精）加壓飽和法測孔隙度。

圖1 柱狀煤樣

寧武盆地煤巖儲層滲透率為（0.01～0.86）×10-3μm2，有效應(yīng)力為3 MPa 時氣測滲透率為（0.034 2～0.802 4）×10-3μm2?？紤]煤巖強(qiáng)應(yīng)力敏感性［14］，原地條件下儲層滲透率小于0.1×10-3μm2，為致密煤巖儲層［15］。煤樣工業(yè)分析結(jié)果見表1。XRD 分析指出，灰分中以方解石為主。

表1 煤樣工業(yè)分析結(jié)果

實(shí)驗(yàn)使用的4 種壓裂液體系分別為： 活性水壓裂液（pH=7，黏度1 mPa·s）、離子平衡壓裂液（pH=6，黏度3 mPa·s）、清潔壓裂液A（pH=7，黏度1.8 mPa·s）、弱酸性清潔壓裂液B（pH=5，黏度0.6 mPa·s）。為了排除固相堵塞造成的損害，實(shí)驗(yàn)用壓裂液均進(jìn)行徹底破膠和重復(fù)過濾。

2 鹽敏實(shí)驗(yàn)

依據(jù)SY/T 5358—2002《儲層敏感性流動實(shí)驗(yàn)評價方法》進(jìn)行鹽敏實(shí)驗(yàn)評價，以確定KCl 溶液的臨界質(zhì)量分?jǐn)?shù)。巖心與不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的KCl 溶液接觸，分別測試其滲透率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 鹽敏實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖2可以看出，巖心與4%，3%，2%KCl 溶液接觸后發(fā)生損害，使用1%KCl 溶液反向沖洗，滲透率也難以恢復(fù)，反映了損害的不可逆性?；趯?shí)驗(yàn)結(jié)果，壓裂液損害實(shí)驗(yàn)中選擇1%KCl 溶液配制壓裂液，并作為驅(qū)替流體，以減小對巖心滲透率的損害。

3 壓裂液損害實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)流程和步驟

實(shí)驗(yàn)按SY/T 5107—2005《水基壓裂液性能評價方法》開展，實(shí)驗(yàn)流程見圖3。

圖3 壓裂液損害實(shí)驗(yàn)流程

步驟如下：1）將制備好的巖心裝入巖心夾持器，裝好流程；2）正向驅(qū)替1%KCl 溶液，驅(qū)替液量為巖心孔隙體積的10 倍以上，測定巖心滲透率K1，作為基準(zhǔn)液測滲透率；3）反向驅(qū)替壓裂液，驅(qū)替液量為巖心孔隙體積的2 倍以上，停止驅(qū)替，靜置10 h 以上；4）正向驅(qū)替1%KCl 溶液，直至流量達(dá)到穩(wěn)定，測得壓裂液損害后的滲透率K2。

3.2 實(shí)驗(yàn)評價

實(shí)驗(yàn)研究中，選用巖心基質(zhì)滲透率損害率作為評價參數(shù)。巖心基質(zhì)滲透率損害率計(jì)算公式為

式中：SIp為巖心基質(zhì)滲透率損害率，%；K1為巖心基準(zhǔn)滲透率，10-3μm2；K2壓裂液損害后的巖心滲透率，10-3μm2。

壓裂液損害實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。由表2可知，離子平衡壓裂液、活性水壓裂液、清潔壓裂液A 對巖心滲透率平均損害率分別為85.42%，46.61%，39.12%；同一種壓裂液，巖心初始滲透率越小，損害率越大；清潔壓裂液B 使巖心滲透率平均提高了46.57%。

表2 壓裂液損害實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 討論

4.1 壓裂液吸附造成煤基質(zhì)膨脹

煤層氣井壓裂中，壓裂液與煤層接觸造成的滲透率降低，一般是由于煤層裂隙被堵塞以及吸附液體引起煤基質(zhì)膨脹造成的［7］。本文測試中，壓裂液經(jīng)過徹底破膠和反復(fù)過濾，消除了壓裂液殘?jiān)滔嗲秩霌p害。

與常規(guī)砂巖不同，煤巖比表面積較大，具有很強(qiáng)的吸附各類液體和氣體的能力，吸附液體的后果之一是造成煤基質(zhì)膨脹［14，16］。煤巖總裂隙孔隙度僅為1%～2%，壓裂液吸附導(dǎo)致煤基質(zhì)極輕微的膨脹，也會引起裂隙孔隙度及滲透率大幅下降。此外，由于煤對液體的吸附引起的基質(zhì)膨脹過程是完全不可逆的，液體吸附會對煤層滲透率造成嚴(yán)重?fù)p害。

同一種壓裂液，隨著巖心滲透率升高，壓裂液對巖心的損害程度減弱。壓裂液侵入巖心后，引起吸附膨脹，使孔隙半徑減小，增大了孔隙中的毛細(xì)管力，對于初始滲透率較大的巖心，毛細(xì)管力的作用影響較弱，其滲透率下降幅度也較小。

4.2 煤樣潤濕性變化造成損害

壓裂液與煤接觸中，煤的潤濕性可能發(fā)生改變，造成巖石孔道中毛細(xì)管力的大小和方向發(fā)生改變，導(dǎo)致儲層滲透率降低［17-18］。接觸角的大小反映了液體對煤的潤濕程度，為了體現(xiàn)與4 種壓裂液反應(yīng)前后煤巖潤濕性變化情況，運(yùn)用接觸角測定儀對不同實(shí)驗(yàn)流體與煤樣的接觸角進(jìn)行了測量（見表3）。

表3 煤樣潤濕接觸角測試

由接觸角測量結(jié)果可知，活性水壓裂液、離子平衡壓裂液、清潔壓裂液A 與煤片潤濕接觸角損害后值和損害前值相比，都有較大程度的減小，說明與壓裂液作用后，煤親水性增強(qiáng)，煤基質(zhì)對壓裂液吸附能力增加，壓裂液返排困難，從而造成滲透率降低。巖心與這3 種壓裂液反應(yīng)，滲透率會大幅降低，使用KCl 溶液反向驅(qū)替后，滲透率得到一定程度的恢復(fù)，因?yàn)镵Cl 溶液與煤基質(zhì)接觸后，煤親水性減弱，進(jìn)而促進(jìn)外來液體的返排，降低對煤儲層的損害［19］。

4.3 弱酸性壓裂液溶蝕作用引起的滲透率升高

巖心與清潔壓裂液B 反應(yīng)后，滲透率得到了改善。寧武盆地煤巖天然裂縫孔隙度為0.5%～1.0%，天然裂縫是煤巖儲層滲透率的主要貢獻(xiàn)者。弱酸性清潔壓裂液B 酸溶蝕率為0.637%（見表4），為離子平衡壓裂液的26.5 倍，可以溶蝕煤巖天然裂縫充填物改善天然裂縫的連通性，進(jìn)而提高儲層滲透率。

表4 壓裂液濾液溶蝕率測定

5 結(jié)論

1）壓裂液損害實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，離子平衡壓裂液、活性水壓裂液、清潔壓裂液A 對巖心滲透率平均損害率分別為85.42%，46.61%，39.12%，同一種壓裂液，巖樣越致密，損害越嚴(yán)重；而清潔壓裂液B 使巖心滲透率平均提高了46.57%。

2）煤樣與離子平衡壓裂液、活性水壓裂液、清潔壓裂液A 作用后，潤濕接觸角減小，滲透率降低。

3）弱酸性壓裂液B 與煤樣作用，可以溶蝕煤巖天然裂縫充填物，改善天然裂縫的連通性，有利于提升煤巖儲層增產(chǎn)改造的效果。

［1］何建，康毅力，劉大偉，等．川渝地區(qū)碳酸鹽巖氣層鉆井堿敏性實(shí)驗(yàn)研究［J］．天然氣工業(yè)，2005，25（8）：60-61．

［2］張鳳東，康毅力，楊宇，等．致密氣藏開發(fā)過程水相圈閉損害機(jī)理及防治研究進(jìn)展［J］．天然氣地球科學(xué)，2007，18（3）：457-463．

［3］羅陶濤．沁水盆地煤巖儲層特征及壓裂增產(chǎn)措施研究［D］．成都：成都理工大學(xué)，2010．

［4］Fredd C N，Olsen T N，Brenize G，et al． Polymer-Free fracturing fluid exhibits improved cleanup for unconventional natural gas well applications ［R］．SPE 91433，2004．

［5］王鴻勛．水力壓裂原理［M］．北京：石油工業(yè)出版社，1999：30-45．

［6］林珊珊，張杰，王榮，等．速溶胍膠壓裂液的研制及再生可行性研究［J］．?dāng)鄩K油氣田，2013，20（2）：236-238．

［7］Puri R，King G E，Palmer I D． Damage to coal permeability during hydraulic fracturing［R］．SPE 21813，1991．

［8］Palmer I D，F(xiàn)ryar R T，Tumino K A，et al． Comparison between gelfracture and water-fracture stimulation in the black warrior basin［R］．SPE 23415，1991．

［9］Olsen T N，Brenize G,Frenzel T． Improvement processes for coalbed natural gas completion and stimulation［R］．SPE 84122，2003．

［10］Chen Z X，Khaja N，Valencia K L，et al．Formation damage induced by fracture fluids in coalbed methane reservoirs［R］．SPE 101127，2006．

［11］叢連鑄，汪永利，梁利，等．水基壓裂液對煤層儲氣層傷害的室內(nèi)研究［J］．油田化學(xué)，2002，19（4）：334-336．

［12］叢連鑄，陳進(jìn)富，李治平，等．煤層氣壓裂中壓裂液吸附特性研究［J］．煤田地質(zhì)與勘探，2007，35（5）：27-30．

［13］陳進(jìn)，劉蜀知，鐘雙飛，等．壓裂液吸附對煤層損害的實(shí)驗(yàn)研究及影響因素分析［J］．西部鉆探工程，2008，34（11）：62-64．

［14］李相臣，康毅力，羅平亞，等．考慮應(yīng)力作用的煤巖水相自吸實(shí)驗(yàn)研究［J］．天然氣地球科學(xué)，2011，22（1）：171-175．

［15］康毅力，羅平亞．煤巖氣藏開發(fā)分類探討［J］．西南石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，25（6）：19-23．

［16］唐艷玲，張高群，高海濱．HEC 煤層壓裂液的性能評價及應(yīng)用［J］．?dāng)鄩K油氣田，2000，7（3）：60-61．

［17］問曉勇，伊向藝，盧淵，等．不同壓裂液對煤巖滲透率傷害實(shí)驗(yàn)評價初探［J］．石油化工應(yīng)用，2011，30（3）：12-15．

［18］盧占國，李強(qiáng)，李建兵，等．頁巖儲層傷害機(jī)理研究進(jìn)展［J］．?dāng)鄩K油氣田，2012，19（5）：629-633．

［19］尹清奎，秦俊如，張建麗，等．晉城亞行煤層氣井水力壓裂技術(shù)研究［J］.斷塊油氣田，2012，19（2）：257-260．