胍膠壓裂液對儲集層滲透率的傷害特征

徐林靜，張士誠，馬新仿

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胍膠壓裂液對儲集層滲透率的傷害特征

徐林靜，張士誠，馬新仿

（中國石油大學(xué)石油工程教育部重點實驗室，北京102249）

常規(guī)胍膠壓裂液破膠后對巖心滲透率仍存在一定傷害，影響壓裂改造后油氣井的產(chǎn)能。在分析胍膠壓裂液組分的基礎(chǔ)上，采用人造巖心和天然巖心進(jìn)行了動、靜態(tài)吸附實驗和巖心傷害實驗。人造巖心傷害實驗結(jié)果表明，胍膠壓裂液的破膠液對巖心基質(zhì)傷害主要分為水相傷害和胍膠滯留傷害，其中水相傷害占比高于胍膠滯留傷害；吸附實驗結(jié)果表明，破膠液中胍膠分子在巖心孔隙中的滯留主要分為吸附和捕集，其中胍膠分子的平均吸附量占43.6%，平均捕集量占56.4%；天然巖心傷害實驗也證實，胍膠壓裂液的破膠液對天然巖心的傷害主要是水相傷害，相對水相傷害，破膠后的胍膠分子對巖心滲透率的影響則較弱。

胍膠壓裂液；傷害特征；儲集層滲透率；吸附；捕集

胍膠壓裂液濾液引起的地層黏土膨脹、水鎖、潤濕性反轉(zhuǎn)、地層流體配伍性差等都會造成壓裂液對儲集層的傷害［1-3］。胍膠破膠液中一般包含水、聚合物、表面活性劑、鹽類等，其中水會引起地層黏土礦物的膨脹、分散、運(yùn)移，導(dǎo)致堵塞巖石孔道，阻礙壓裂液返排和油氣流動［4-6］；聚合物具有一定的吸附能力，可以吸附在巖石孔隙表面，導(dǎo)致巖石孔喉半徑減小，滲透率降低［7-8］；表面活性劑也可以吸附在巖石表面，一般會影響巖石潤濕性變化，導(dǎo)致油水相對滲透率變化；此外，其他因素也可以導(dǎo)致傷害的發(fā)生［9-11］。本文通過實驗，詳細(xì)研究胍膠壓裂液對儲集層傷害的主要特征，以期對改進(jìn)常規(guī)胍膠壓裂技術(shù)工藝有所裨益。

1　胍膠壓裂液對儲集層傷害的實驗

（1）主要實驗材料速溶胍膠SRG-1，工業(yè)純；交聯(lián)劑HTC-160，工業(yè)純；助排劑SL-P，工業(yè)純；（NH4）2S2O8，分析純；石英砂，粒徑0.21～0.38 mm，人造巖心；Na2CO3，分析純；KCl，分析純；蒽酮，分析純；半乳糖，分析純；甘露糖，分析純；硫酸，質(zhì)量分?jǐn)?shù)98%；去離子水。

（2）主要實驗設(shè)備UV798紫外-可見光分光光度計；RPS-830巖心分析及流體多功能驅(qū)替系統(tǒng)；高溫高壓孔滲聯(lián)測系統(tǒng)，分析天平，感量0.000 1 g.

（3）胍膠破膠液的配制SRG-1+0.3%HTC-160+ 1%KCl+0.1%SL-P+0.03%（NH4）2S2O8+0.1%Na2CO3（配方比例均為質(zhì)量百分比），首先在DJ1C攪拌器中加入去離子水491.35 g，攪拌時加入0.5 gSRG-1，溶解5 min后加入5 gKCl，1.5 mLSL-P，1.5 mLHTC-160，0.15 g（NH4）2S2O8，將溶液放置在90℃水浴中破膠2 h，得到SRG-1質(zhì)量濃度為0.1%的破膠液。按此方法分別配制SRG-1質(zhì)量濃度為0.2%，0.3%，0.4%，0.5%，0.6%的破膠液備用。

（4）胍膠質(zhì)量濃度測定胍膠質(zhì)量濃度的測定采用蒽酮比色法。胍膠主要成分是半乳甘露聚糖，在濃硫酸作用下，半乳甘露聚糖經(jīng)脫水反應(yīng)生成糠醛或羥甲基糠醛，糠醛與蒽酮發(fā)生反應(yīng)生成藍(lán)綠色糠醛衍生物，半乳甘露聚糖含量越高，衍生物顏色越深，顏色深淺與濃度正相關(guān)，因此可用于半乳甘露聚糖的定量分析。

首先測定胍膠標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量濃度曲線，測試過程中改變胍膠質(zhì)量濃度，測定壓裂液破膠液吸光度（圖1）。從圖1可看出，在測試范圍內(nèi)胍膠質(zhì)量濃度與吸光度線性相關(guān)，回歸線相關(guān)程度較高。故根據(jù)圖1得出胍膠破膠液中胍膠質(zhì)量濃度的計算公式為

圖1　胍膠破膠液中胍膠標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量濃度曲線

（5）胍膠分子吸附測定水溶性聚合物可以通過氫鍵在巖石表面上吸附，對聚合物來說，相對分子質(zhì)量越大，均方回旋半徑越大，吸附量越小。同樣，胍膠是半乳甘露聚糖，胍膠分子上含有大量羥基，可以與石英砂表面的硅氧鍵形成氫鍵結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致吸附發(fā)生。

靜態(tài)吸附量由一定量吸附劑在溶液中吸附前、后所吸附物質(zhì)的質(zhì)量濃度變化算出

實驗過程中使用粒徑212～380 μm石英砂，使用前經(jīng)蒸餾水洗滌、烘干。將石英砂放入胍膠破膠液中，用蒽酮比色法測定石英砂放入前后液體中胍膠質(zhì)量濃度的變化，通過（2）式計算胍膠的靜態(tài)吸附量。

胍膠在石英砂上的飽和吸附量符合Langmuir等溫吸附式，即

將Langmuir等溫吸附式進(jìn)行變換，可得

從（4）式可看出，c/Γ與c呈直線關(guān)系，據(jù)此，可求得飽和吸附量Γmax和常數(shù)b.

根據(jù)（4）式和圖2，可以計算得出胍膠破膠液中胍膠分子在石英砂表面的飽和吸附量為526 μg/g.

通過驅(qū)替實驗評價可以研究胍膠破膠液中胍膠分子對巖心產(chǎn)生的動態(tài)吸附傷害，具體實驗步驟如下：①巖心飽和1%KCl水溶液，測定孔隙體積和孔隙度；②將巖心裝入RPS-830巖心驅(qū)替系統(tǒng)，加圍壓10 MPa；③以1 mL/min排量通1%KCl水溶液，直至驅(qū)替壓力穩(wěn)定；④以1 mL/min排量通胍膠破膠液，直至驅(qū)替壓力穩(wěn)定，每隔1 min收集1次產(chǎn)出端液體，用蒽酮比色法分析其中胍膠質(zhì)量濃度ci；⑤以1 mL/min排量通1%KCl水溶液，直至壓力穩(wěn)定，收集此過程中的產(chǎn)出液，分析其胍膠質(zhì)量濃度cd.

圖2　c/Γ與c的關(guān)系

（6）巖心傷害測定巖心傷害實驗中所采用的巖心分別為人造巖心及元壩地區(qū)典型天然巖心（表1）。

表1　人造巖心基本物性參數(shù)

巖心傷害的測試方法參考SY/T 5107—2005《水基壓裂液性能評價方法》，具體實驗步驟如下：①巖心飽和煤油，測定孔隙體積和孔隙度；②將巖心裝入RPS-830巖心驅(qū)替系統(tǒng)，加圍壓10 MPa；③反向通煤油，直至驅(qū)替壓力穩(wěn)定，計算巖心滲透率；④正向通胍膠破膠液，直至驅(qū)替壓力穩(wěn)定，記錄排出油量；⑤反向通煤油，直至壓力穩(wěn)定，記錄排出水量，計算傷害后巖心滲透率。

2　實驗結(jié)果及討論

（1）人造巖心傷害特征為了分析胍膠破膠液中胍膠對人造巖心傷害情況，首先需要分析不含胍膠溶液的對巖心的傷害特征，測定了1%KCl水溶液、不含胍膠的破膠液對人造巖心的傷害情況（不含胍膠的破膠液與胍膠破膠液配方基本相同，只是不含有速溶胍膠SRG-1），實驗結(jié)果見表2.

1%KCl水溶液用作外來流體進(jìn)行傷害實驗時，溶液只發(fā)生水相滯留傷害，不存在任何化學(xué)劑傷害，水相易滯留在巖心孔隙中不能被驅(qū)出，導(dǎo)致巖心含水飽和度升高，油相流動滲透率降低。

表2不同類型液體對巖心滲透率傷害率

不含胍膠的破膠液中不含聚合物，只有小分子化合物和表面活性劑，由于表面活性劑具有較低的表面張力，其毛細(xì)管力較小，因此水相易從孔隙中排出，巖心孔隙中含水飽和度降低，因而不含胍膠的破膠液對巖心的傷害率應(yīng)比1%KCl水溶液傷害率低。巖心傷害實驗結(jié)果顯示：不含胍膠的破膠液平均傷害率43.20%，低于1%KCl水溶液平均傷害率46.46%.

含胍膠的破膠液傷害率在3種液體類型中最高，不含胍膠的破膠液水相滯留產(chǎn)生的巖心平均傷害率為43.20%，胍膠破膠液產(chǎn)生的巖心平均傷害率為56.54%，胍膠破膠液中水相傷害的占比約為76.40%，可見，水相傷害仍為胍膠壓裂液傷害的主要組成；另一方面基于胍膠分子傷害：胍膠破膠液中胍膠并未被完全破膠，研究表明，氧化破膠劑并不能完全降解胍膠分子，約有20%～30%的胍膠分子沒有發(fā)生變化。由于胍膠分子中存在大量的羥基，未完全降解的胍膠分子易與砂巖巖心中的硅原子形成硅氧鍵，從而產(chǎn)生聚合物的吸附傷害現(xiàn)象。未破膠的胍膠分子以多層吸附的形式與巖心表面相互作用，降低孔喉半徑，調(diào)整巖石表面潤濕性，從而導(dǎo)致較強(qiáng)的傷害現(xiàn)象。

圖3為胍膠破膠液驅(qū)替過程中巖心出口端產(chǎn)出液的胍膠質(zhì)量濃度變化曲線，取樣間隔為1 min.可看出，胍膠破膠液注入約1.35 PV時產(chǎn)出端檢測到胍膠分子，此后產(chǎn)出液中胍膠質(zhì)量濃度不斷升高；當(dāng)注入約4 PV時，產(chǎn)出液中胍膠質(zhì)量濃度基本不變，說明此后的驅(qū)替過程基本達(dá)到穩(wěn)定；合并注入4.7～8.1 PV中的產(chǎn)出液，分析其中胍膠質(zhì)量濃度為5 029 mg/L.

圖3巖心產(chǎn)出液中胍膠質(zhì)量濃度變化曲線

根據(jù)聚合物吸附滯留理論，聚合物在巖心中的動態(tài)吸附過程應(yīng)存在以下關(guān)系：

胍膠破膠液驅(qū)替過程中注入的胍膠總量減去產(chǎn)出的胍膠總量，應(yīng)為胍膠的動態(tài)滯留量Γ2，破膠液驅(qū)替結(jié)束后水驅(qū)產(chǎn)出的胍膠量為捕集量Γt.根據(jù)（5）式，動態(tài)滯留量減去捕集量應(yīng)為動態(tài)吸附量Γa.因此，可按下式計算動態(tài)吸附量：

根據(jù)（6）式計算，胍膠破膠液中胍膠分子在人造巖心中的動態(tài)滯留量平均為880 μg/g，動態(tài)吸附量平均為384 μg/g，捕集量平均為496 μg/g.數(shù)據(jù)說明胍膠破膠液中胍膠分子在巖心孔隙中滯留存在吸附和捕集現(xiàn)象，吸附約占43.6%，捕集約占56.4%.因此，壓裂液返排過程中降低巖石孔喉中滯留的胍膠量，對于獲取良好的壓裂改造效果具有積極的意義。

（2）天然巖心傷害特征實驗巖心選自元壩地區(qū)典型天然巖心，采用X射線衍射技術(shù)分析了此巖心的主要礦物組成及黏土礦物相對含量（表3）。所測試巖心主要以細(xì)砂巖為主，石英含量62%～84%，黏土礦物含量7%～12%，主要以伊利石和綠泥石為主。選擇此類天然巖心的目的是降低巖心驅(qū)替過程中黏土膨脹、運(yùn)移等傷害的占比，便于單獨分析胍膠壓裂液體系對砂巖巖心的傷害特征。

根據(jù)SY/T 5358—2010《儲層敏感性流動實驗評價方法》，測試了實驗巖心的水敏指數(shù)（表4）。通過對元壩104井、元壩29井、元陸2井、元陸6井儲集層巖心在室溫條件下的敏感性評價結(jié)果表明，此儲集層為弱到中等偏弱水敏，水敏指數(shù)10%～34%，臨界礦化度33 000 mg/L，實驗結(jié)果說明測試巖心水敏程度較弱。

表3元壩地區(qū)全巖礦物組分

元壩地區(qū)巖心平均滲透率為0.1 mD，平均孔隙度10%，屬于低孔特低滲致密砂巖。對元壩地區(qū)天然巖心進(jìn)行了巖心傷害率的測定。從表5中可看出，胍膠壓裂液破膠液對元壩地區(qū)天然巖心傷害率在20%～32%.由表4已知，元壩地區(qū)儲集層巖心水敏指數(shù)已經(jīng)達(dá)到10%～34%.這說明胍膠壓裂液的破膠液對地層巖心的傷害主要是水相傷害，相對于水相傷害而言，胍膠壓裂液各組分對巖心滲透率的影響則較弱，這與人造巖心中的實驗結(jié)果基本一致。

表4　巖心水敏測試實驗結(jié)果（臨界礦化度33 000 mg/L）

表5　胍膠破膠液對天然巖心滲透率的傷害率

3　結(jié)論

（1）胍膠壓裂液的破膠液對巖心基質(zhì)傷害主要為水相傷害和胍膠滯留傷害，其中水相傷害的占比高于胍膠傷害；胍膠破膠液中胍膠分子在巖心孔隙中滯留存在吸附和捕集現(xiàn)象，其中吸附量約占43.6%，捕集量約占56.4%.

（2）天然巖心傷害實驗進(jìn)一步證實，胍膠壓裂液的破膠液對元壩地區(qū)巖心的傷害主要是水相傷害，相對于水相傷害而言，胍膠壓裂液各組分對巖心滲透率的影響則較弱。對于此類儲集層，提高壓裂液返排，降低水相傷害，對于減小巖心滲透率傷害、提高儲集層壓裂改造效果、增加油氣產(chǎn)量，具有重要的作用。

符號注釋

A——吸光度，無量綱；

b——回歸線的截距，無量綱；

b1——吸附平衡常數(shù)，無量綱；

c0，c1——分別為吸附前、吸附后胍膠的質(zhì)量濃度，mg/mL；

c2——聚合物質(zhì)量濃度，mg/mL；

ci——產(chǎn)出液中胍膠質(zhì)量濃度，mg/mL；

cd——注入胍膠破膠液后水驅(qū)時產(chǎn)出液中胍膠質(zhì)量濃度，mg/mL；

k——回歸線的斜率，L/mg；

m——石英砂質(zhì)量，g；

M——巖心質(zhì)量，g；

Γ——靜態(tài)吸附量，mg/g；

Γ2——動態(tài)滯留量，即聚合物驅(qū)替過程中在巖心孔隙中滯留的聚合物總量，μg/g；

Γa——動態(tài)吸附量，即吸附在巖心孔隙表面的聚合物量，μg/g；

Γmax——聚合物在石英砂上的飽和吸附量，μg/g；

Γt——捕集量，即以架橋堵塞形式滯留在巖心孔喉處的聚合物量，μg/g；

V——試樣體積，mL；

V0——注入破膠液的體積，mL；

Vd——注入破膠液后水驅(qū)時產(chǎn)出液體積，mL；

Vi——產(chǎn)出液體積，mL.

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（編輯葉良）

Characteristics of Damage of Guar Fracturing Fluid to Reservoir Permeability

XU Linjing，ZHANG Shicheng，MA Xinfang
（Key Laboratory for Petroleum Engineering of Ministry of Education，China University of Petroleum，Beijing 102249，China）

Conventional guar fracturing fluid will damage core permeability after gel-breaking，and influence oil well productivity after fracturing stimulation.Based on the analysis on guar fracturing fluid compositions，dynamic and static adsorption experiments and core-damage experiment are carried out for artificial cores and natural cores.Artificial core-damage experiment result shows that the damage of guar breaking liquid can be classified as water damage and guar retention damage，of which water damage is more serious than guar retention damage.Adsorption experiment result shows that the retention of the guar molecules of gel-breaking liquid in pores of cores can be classified into adsorption and trapping，accounting for 43.6%and 56.4%in average，respectively.The result from natural core damage experiment in Yuanba area also shows that the gel-breaking liquid in guar fracturing fluid has an aqueous-phase damage to natural cores.Guar molecules after gel-breaking have less impact on permeability of natural cores compared with aqueous-phase damage.

guar fracturing fluid；damage characteristic；reservoir permeability；adsorption；trapping

TE357

A

1001-3873（2016）04-0456-04

10.7657/XJPG20160413

2015-09-06

2016-04-22

國家科技重大專項（2011ZX05048-10HZ）

徐林靜（1988-），女，山東煙臺人，博士研究生，油氣田開發(fā)，（Tel）15101172879（E-mail）xiaoba103@126.com