特低滲油田水力壓裂的壓裂液傷害實驗研究

張 博　張海勇　吳小張　吳 鵬

(1. 中海石油(中國)有限公司天津分公司， 天津 300452；2. 中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司， 天津 300452)

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特低滲油田水力壓裂的壓裂液傷害實驗研究

張 博1張海勇2吳小張1吳 鵬1

(1. 中海石油(中國)有限公司天津分公司， 天津 300452；2. 中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司， 天津 300452)

摘要：為了提高壓裂效果，針對特低滲油田水力壓裂液傷害進行實驗研究。在研究區(qū)儲層地質(zhì)特征分析的基礎(chǔ)上，以特低滲砂巖巖心為對象，對不同壓裂液造成的傷害進行實驗測定和分析，定量評價儲層壓裂液的傷害程度，分析造成儲層傷害的原因。認為黏土的存在是造成儲層傷害的主要原因，儲層傷害受到黏土含量、黏土類型、滲透率等多種因素的影響。建議從減少壓裂液的滯留吸附、提高破膠率、提高返排率方面著手改進壓裂液。

關(guān)鍵詞：壓裂液傷害； 特低滲油藏； 滲透率;傷害率

特低滲儲層孔隙度和滲透率低，物性差，應(yīng)用常規(guī)方法開采很難獲得工業(yè)油流，一般需要采取壓裂增產(chǎn)措施來獲得產(chǎn)能；但是，油田的增產(chǎn)作業(yè)會造成儲層的傷害。實踐證明，儲層傷害會降低油井產(chǎn)能，影響試井與測井資料解釋結(jié)果，進而影響合理制定開發(fā)方案及最終的采收率。對不同壓裂液造成的傷害進行實驗評價，有針對性地保護儲集層、預(yù)防地層傷害，對于石油生產(chǎn)企業(yè)來說非常重要。

很多學者研究壓裂技術(shù)時往往側(cè)重于裂縫及增產(chǎn)效果，而忽略了壓裂液對儲層造成的傷害[1-4]。本次研究首先在儲層地質(zhì)特征分析的基礎(chǔ)上，分析儲層潛在的傷害源，預(yù)測傷害類型和傷害程度；然后通過室內(nèi)實驗，定量評價儲層壓裂液傷害程度，查找研究區(qū)儲層傷害的具體原因；最后根據(jù)研究結(jié)果提出具體的儲層保護措施。

1研究區(qū)地質(zhì)概況

本次研究以鄂爾多斯盆地某特低滲油田為研究區(qū)域。通過巖心分析發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)的最小粒間孔隙為10 μm，最大粒間孔隙為40 μm，平均21.25 μm。絕大部分孔隙連通性較好，平均滲透率為0.221 8×10-3μm2，平均孔隙度為9.58%。研究區(qū)儲層礦物以石英(平均質(zhì)量含量34.4%)和長石(平均質(zhì)量含量31.5%)為主，方解石次之(平均含量8.4%)。此外，黏土礦物的絕對含量較高，黏土含量平均為22%，分布較均勻；黏土礦物類型多樣，有高嶺石、伊利石、綠泥石、伊蒙混層。不同的產(chǎn)狀對儲層傷害不同，表1所示為黏土礦物不同產(chǎn)狀對儲層傷害的影響。研究區(qū)特低滲儲層孔隙小，滲透率低，一旦造成傷害則很難消除。

2實驗部分

2.1實驗原理及實驗裝置

油氣層敏感性評價主要是通過巖心流動實驗，考察油氣層巖心與各種外來流體接觸后所發(fā)生的物理化學作用對巖石性質(zhì)(主要是滲透率)的影響程度。因此，根據(jù)達西滲流定律，在實驗設(shè)定的條件下注入各種與地層傷害有關(guān)的流體或改變滲流條件(流速、凈圍壓等)測定巖樣滲透率及其變化，以評價儲層滲透率傷害程度。圖1所示為壓裂液傷害實驗裝置示意圖。

1 — 驅(qū)替泵；2 — 圍壓泵；3 — 壓力傳感器；4 — 巖心夾持器；

2.2實驗流體

(1)地層水。標準鹽水按質(zhì)量進行配比，即NaCl2、CaCl2、MgCl2·6H2O的質(zhì)量比例為70∶6∶4。

(2)壓裂液。1、2、3井區(qū)壓裂液配方均不同。

①井區(qū)1,長4+5井：液體配方為0.4%CJ2-6+0.3%CF-5C+0.3%COP-1+0.1% CJSJ -2+0.1%BE-2；交聯(lián)劑為0.4%硼砂+0.4%APS ；交比為(100 ∶8)～(100 ∶12)；礦化度為83.66 mgL。

②井區(qū)2,長8井：液體配方為0.4%CJ2-6+0.5%CF-5D+0.5%COP-1+0.1%CJSJ-2；交聯(lián)劑為0.4%硼砂+(0.3%～0.4%)APS；交比為(100∶8)～(100∶12)；礦化度為58 800 mgL。

③井區(qū)3，長8井：液體配方為0.35%CJ2-6+0.5%CF-5D+0.5%COP-1+0.1%CJSJ-2+0.04%CJ-3(NaOH)；交聯(lián)劑為50% JL-2(硼砂)+4.0%APS ；交比為(100 ∶6)～(100 ∶8)。

2.3實驗步驟

(1)選取研究區(qū)目的層圓柱體巖心，完成洗油、烘干、測定孔隙度及滲透率等基礎(chǔ)工作。

(2)選取煤油作為流動介質(zhì)，用煤油脫水、過濾并除去巖心的水分和雜質(zhì)，抽空脫氣。

(3)按配方組成配制壓裂液，加入破膠劑和膠聯(lián)劑，形成凍膠之后，在70 ℃條件下予以破膠，然后過濾并收集濾液。

(4)將巖心抽空，用煤油飽和。

(5)測定壓裂液傷害前煤油的滲透率k1。

(6)將壓裂液濾液裝入高壓容器中，用壓力源加壓，使濾液從巖心夾扶器上端入口進入巖心。可根據(jù)巖心滲透率大小選用擠入壓差0.7、1.0、1.4 MPa，擠入濾液的時間不超過36 min，分別計量擠入1、4、9、16、25、30、36 min的濾液體積。擠入完畢后，關(guān)閉夾扶器兩端的閥門，使濾液在巖心中停留2 h，實驗溫度保持70 ℃。

(7)測定壓裂液傷害后的煤油滲透率k2。 待巖心冷卻至常溫再測定k2，要求驅(qū)替煤油量為孔隙體積的5～15倍。

3壓裂液傷害評價

壓裂作業(yè)是油氣井增產(chǎn)的一項重要技術(shù)手段，但在壓裂作業(yè)中壓裂液會給儲層帶來不同程度的傷害，嚴重時可能造成油氣井減產(chǎn)。通過實驗計算壓裂液傷害指數(shù)，可以預(yù)測壓裂可能帶來的儲層傷害，判斷壓裂液的可用性。

3.1壓裂液傷害評價方法

滲透率傷害率計算公式[5]：

(1)

式中：μd—— 滲透率傷害率，%；

k1—— 巖心擠壓裂液前的滲透率，10-3μm2；

k2—— 巖心擠壓裂液后的滲透率，10-3μm2。

3.2現(xiàn)場給定壓裂液傷害評價結(jié)果

表2所示為現(xiàn)場給定壓裂液傷害實驗結(jié)果。現(xiàn)場給定的壓裂液傷害指數(shù)均在35%以下：對井區(qū)1中儲層的平均滲透率傷害率約為30.74%；對井區(qū)2中儲層的平均滲透率傷害率約為32.31%；對井區(qū)3中儲層的平均滲透率傷害率約為30.77%。

3.3其他壓裂液巖心傷害實驗結(jié)果

目前，國內(nèi)廣泛使用的壓裂液體系為水基壓裂液。水基壓裂液由聚合物稠化劑、交聯(lián)劑、破膠劑、pH調(diào)節(jié)劑、殺菌劑、黏土穩(wěn)定劑等組成，具有價廉、綜合性能好、適用范圍廣等特點，但潛在的問題是稠化劑對儲層的傷害較嚴重。泡沫壓裂液具有易反排、傷害小、攜砂能力強等特點，適用于低壓、水敏性儲層，尤其是氣藏；油基壓裂液通常由烴類和破膠劑組成，具有與油藏配伍性好的優(yōu)點，缺點是成本高、耐溫性弱、濾失量大，適合水敏性強的油藏。表3所示為其他壓裂液傷害實驗結(jié)果。

所用的壓裂液配方包括泡沫壓裂液、清潔壓裂液、無殘渣壓裂液、水基壓裂液、油基壓裂液[6-8]。

表2　現(xiàn)場給定壓裂液傷害實驗結(jié)果

表3　其他壓裂液傷害實驗結(jié)果

泡沫壓裂液：泡沫質(zhì)量為50%～70%，基礎(chǔ)配方為(0.65%～0.70%)GRJ改性瓜膠+0.1%殺菌劑+1.0%FL236起泡劑+1.0%KCl黏土穩(wěn)定劑+0.3%DL210助排劑+(0.003%～0.06%)過硫酸銨+1.5%AC28 酸性交聯(lián)劑。

清潔壓裂液(VES-80)：基本組成為特殊表面活性劑、一定濃度的鹽溶液、激活劑和穩(wěn)定劑等。

無殘渣壓裂液：表面活性劑NRF201a的濃度范圍為2%～5%(低溫適用于低濃度)，實驗中加入5%的水溶性無機鹽，添加劑NRF201b。

水基壓裂液：0.4%HPG+0.4%YP-105(有機硼高溫交聯(lián)劑)+0.1%Na2CO3+0.01%過硫酸銨。

油基壓裂液：1.8%YJY-A3+1.8%JYJ-B+(1%～2%)有機堿+原油。

3.4不同壓裂液巖心傷害分析及改進

比較表2 和表3壓裂液傷害實驗結(jié)果，可以看出研究區(qū)使用的壓裂液對儲層的傷害率優(yōu)于其他水基壓裂液，但比泡沫壓裂液和其他新型清潔壓裂液傷害率高。

壓裂液對儲層的主要傷害類型有賈敏效應(yīng)、壓裂液殘渣對儲層的傷害，以及壓裂液與原油乳化造成的乳化堵塞、壓裂引起儲層黏土礦物膨脹與微粒運移、壓裂液對儲層冷卻所造成的冷“傷害”。壓裂液對地層巖心的傷害率反映了黏土膨脹、微粒運移、水鎖與殘渣堵塞等作用的綜合影響。在加入黏土穩(wěn)定劑且實驗流速小于臨界流速的條件下，壓裂液對地層巖心的傷害率主要反映了水鎖與殘渣堵塞的影響。建議對現(xiàn)有壓裂液的改進研究從減少壓裂液的滯留吸附、提高破膠效率、提高返排率等方面著手。

4壓裂液傷害機理分析

4.1壓裂作業(yè)對儲層的傷害

在壓裂施工中，壓裂液在儲層中易滯留產(chǎn)生液堵。在壓裂液的注入過程中，井壁上的殘渣可能沿支撐縫移動。壓裂結(jié)束后，這些殘渣返流堵塞填砂裂縫，降低裂縫導流能力，嚴重時會使填砂裂縫完全堵塞而致壓裂失敗。此外，低溫的壓裂液進入儲層，會降低儲層溫度，從而使原油中的蠟及瀝青析出，造成儲層傷害。

4.2外來流體與巖石礦物、流體低配伍性的傷害

作業(yè)過程中的工作液或外來流體進入儲集層，與儲層巖石相互作用，發(fā)生有害的物理反應(yīng)和化學反應(yīng)等，這往往是造成地層傷害的重要原因。

當含有固體顆粒的鉆井液濾液進入地層時，會在井壁形成濾餅，而濾餅會減緩濾液的侵入速度并阻礙鉆井液侵入近井地層。鉆井液濾液可能與地層固有的黏土發(fā)生反應(yīng)，導致黏土膨脹、松動或運移，而釋放的顆粒和細粒會被濾液帶進地層，堵塞孔隙，降低滲透率。

如果進入儲層的外來流體與地層流體之間配伍性不好，就會在儲層條件下引起有害的化學反應(yīng)，形成乳化物、有機結(jié)垢、無機結(jié)垢等，這些都將導致地層傷害。

4.3毛細管現(xiàn)象造成的傷害

巖石的潤濕性對油水在地下的分布及流動、毛細管力的大小均產(chǎn)生較強的影響。壓裂液起作用后，地層巖石的潤濕性發(fā)生變化，由水濕性轉(zhuǎn)變?yōu)橛蜐裥?。潤濕性的變化使毛細管自吸作用和液相滯留效?yīng)更加明顯。低滲透油層孔喉細小，黏土礦物發(fā)育，毛管力大，使得壓裂液返排困難、流體流動阻力增加，液相滯留在空隙和喉道中，產(chǎn)生相圈閉損害。油田作業(yè)中經(jīng)常使用的多種化學添加劑，可能與地層流體發(fā)生有害反應(yīng)，從而改變油水界面張力或?qū)е聺櫇裥赞D(zhuǎn)變，這種變化能降低原油在近井壁附近侵入帶的有效滲透率。伴隨著這種改變，外來油與地層水相互混合，或外來水相流體與地層中的油相互混合，形成乳化物及乳狀液。這些乳狀液在有乳化物、微粒或黏土顆粒時能穩(wěn)定存在，比孔喉尺寸大的乳狀液滴能堵塞孔隙，增加黏度，降低油水的有效流動能力，進而導致儲層產(chǎn)能下降。

4.4固體顆粒堵塞引起的傷害

鉆井液、完井液等各種工作液中往往含有2類固相顆粒：一類是為保持工作液密度、黏度和流變性而添加的有用顆粒及橋堵劑、暫堵劑；另一類是有害顆粒及雜質(zhì)，包括巖屑、砂子等固相物質(zhì)及固相污染物質(zhì)。井眼液柱壓力與地層壓力不平衡，導致這些外來固相顆粒會因過濾作用而在井壁形成泥餅或濾餅，堵塞過濾面。在注水開采過程中，如果注入水的水質(zhì)不符合要求，固相懸浮物和細菌隨之侵入地層，其傷害范圍會更大，傷害程度也更嚴重。固相顆粒堵塞傷害程度受外界因素的影響，而固相顆粒侵入后使油層滲透率下降的幅度與巖石的孔隙結(jié)構(gòu)有關(guān)。

5結(jié)語

在研究區(qū)儲層地質(zhì)特征分析的基礎(chǔ)上，以特低滲砂巖巖心為對象，對不同壓裂液造成的傷害率進行實驗測定和分析。結(jié)果表明，黏土的存在是造成儲層傷害的主要原因，儲層傷害同時受到黏土含量、黏土類型、滲透率等多種因素的影響。結(jié)合壓裂現(xiàn)場的實際情況，分析認為儲層傷害主要緣于壓裂液、外來流體與儲層配伍性差，以及毛細管現(xiàn)象和固相顆粒堵塞。

為了提高研究區(qū)的壓裂效果，減少現(xiàn)有壓裂液對儲層的傷害，建議從以下幾方面著手改進：

(1) 在鉆井過程中應(yīng)該降低濾液傷害率，推薦使用暫堵鉆井液及低固相、無固相聚合物射孔液，及時大量沖洗返排，同時還應(yīng)根據(jù)臨界排量確定合適的注水速度；

(2) 在生產(chǎn)中應(yīng)絕對避免清水進入儲層，以防低含鹽量造成黏土礦物膨脹，甚至破壞崩落；

(3) 進行注水作業(yè)及井下作業(yè)時，建議使用合適的黏土穩(wěn)定劑、防膨劑或采取周期性的黏土穩(wěn)定技術(shù),以控制其對儲層的傷害；

(4) 根據(jù)實驗中不同壓裂液對儲層的傷害程度對比結(jié)果，建議從減少壓裂液的滯留吸附、提高破膠效率、提高返排率等方面著手，以減少現(xiàn)有壓裂液對儲層的傷害。

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Study on the Hydraulic Fracturing Fluid Damage Test of Extra-Low Permeability Reservoir

ZHANGBo1ZHANGHaiyong2WUXiaozhang1WUPeng1

(1. Research Institute of Exploration and Development, Tianjin Branch of CNOOC Ltd., Tianjin 300452, China;2. Engineering Technology Branch of CNOOC Ltd., Tianjin 300452, China)

Abstract:In order to improve the fracturing effect, this paper carried on tests to study the fracturing fluid damage. Based on the geological characteristics analysis of the study area, reservoir in low permeability experiment measurements were conducted to evaluate the different fracturing fluid damage with sandstone cores, and analyze the causes of reservoir formation damage by different fracturing fluids. The results show that the presence of clay minerals is the main reason causing reservoir formation damage, and the influencial factors include the clay content, clay type and permeability. The evaluation of fracturing fluid damage by experimental method is accurate, so in order to improve the fracturing effect, we should decrease the retention adsorption of fracturing fluid, improve the gel breaking efficiency and increase the flow back rate.

Key words:fracturing fluid damage; extra-low permeability reservoir; permeability ratio; damage ratio

收稿日期：2015-06-10

基金項目：國家科技重大專項“油田開采后期提高采收率新技術(shù)”(2011ZX05009)

作者簡介：張博(1986 — )，男，河北秦皇島人，碩士，助理工程師，研究方向為油氣田開發(fā)。

中圖分類號：TE357

文獻標識碼：A

文章編號：1673-1980(2016)02-0082-05