江蘇油田水力壓裂裂縫導(dǎo)流能力提高方法實(shí)驗(yàn)研究

李太偉，杲 春，殷玉平，周繼東，王進(jìn)濤

（中國(guó)石化江蘇油田分公司石油工程技術(shù)研究院，江蘇揚(yáng)州 225009）

在水力壓裂過程中，裂縫導(dǎo)流能力對(duì)壓裂效果具有十分重要的影響，導(dǎo)流能力越高，壓裂增產(chǎn)效果越好，壓裂時(shí)效越長(zhǎng)，獲得的經(jīng)濟(jì)效益也越大。壓裂液主要起傳遞壓力和攜帶支撐劑的作用，有利于形成高導(dǎo)流能力的裂縫，改善油氣滲流通道。目前，胍膠壓裂液成本較低，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用廣泛，但實(shí)際施工時(shí)會(huì)對(duì)裂縫導(dǎo)流能力造成一定程度的傷害，從而影響儲(chǔ)層增產(chǎn)效果[1-3]。近年來國(guó)內(nèi)學(xué)者在胍膠壓裂液對(duì)裂縫導(dǎo)流能力的傷害方面研究較多，并取得了較深的認(rèn)識(shí)。郭建春、曲占慶、黃禹忠、劉平禮、王中學(xué)等學(xué)者通過大量室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究了胍膠壓裂液對(duì)導(dǎo)流能力的傷害程度、原因，研究認(rèn)為胍膠壓裂液對(duì)導(dǎo)流能力的傷害較大，其中壓裂液中的水不溶物以及破膠后形成的殘?jiān)窃斐蓪?dǎo)流能力傷害的重要原因，但研究中未對(duì)裂縫導(dǎo)流能力的傷害機(jī)理進(jìn)行深入分析，也并未形成系統(tǒng)的降低裂縫導(dǎo)流能力傷害的方法[4-9]。

江蘇油田儲(chǔ)層以油藏為主，在水力壓裂中通常需要形成具有一定長(zhǎng)度的高導(dǎo)流填砂裂縫才能獲得較好的增產(chǎn)效果。目前對(duì)適合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的系統(tǒng)提高裂縫導(dǎo)流能力的方法研究報(bào)道較少。在這樣的背景下，研究了胍膠壓裂液對(duì)裂縫導(dǎo)流能力的傷害程度及規(guī)律，通過激光粒度儀測(cè)試了破膠液粒徑，并結(jié)合建立的裂縫充填層孔隙大小計(jì)算模型深入分析了胍膠壓裂液對(duì)裂縫導(dǎo)流能力的傷害機(jī)理，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)有壓裂工藝，從壓裂液優(yōu)化、破膠劑優(yōu)化、支撐劑鋪置方式優(yōu)化三個(gè)方面提出了降低胍膠壓裂液對(duì)裂縫導(dǎo)流能力傷害的方法。

1 胍膠壓裂液對(duì)裂縫導(dǎo)流能力傷害評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)采用智能裂縫導(dǎo)流儀，其中導(dǎo)流室采用API標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)流室，通過測(cè)量不同流量下的壓差，結(jié)合達(dá)西定律計(jì)算支撐裂縫導(dǎo)流能力。

通過向支撐裂縫中注入破膠液，研究胍膠壓裂液破膠液通入量對(duì)支撐裂縫導(dǎo)流能力的影響，實(shí)驗(yàn)具體參數(shù)（見表1），具體步驟如下：

（1）用地層水測(cè)定支撐裂縫的導(dǎo)流能力，將其作為支撐裂縫的原始導(dǎo)流能力；

（2）向?qū)Я魇抑型ㄈ腚夷z壓裂液破膠液，并測(cè)試支撐裂縫導(dǎo)流能力的變化，測(cè)試時(shí)間間隔為1 min，壓裂液破膠液通入量為10 倍支撐劑孔隙體積；

（3）通過傷害后的支撐裂縫導(dǎo)流能力與原始導(dǎo)流能力的比值計(jì)算壓裂液破膠液對(duì)支撐裂縫導(dǎo)流能力的傷害程度。

表1 導(dǎo)流能力測(cè)試參數(shù)

1.2 導(dǎo)流能力傷害實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

模擬地層水及破膠液通入支撐裂縫后導(dǎo)流能力的變化（見圖1），其中用破膠液測(cè)得的導(dǎo)流能力遠(yuǎn)小于用地層水測(cè)得的結(jié)果，在注入2 PV 時(shí)，導(dǎo)流能力傷害率超過50%，注入6 PV 時(shí)，導(dǎo)流能力傷害率已接近90%，注入 10 PV 時(shí)，導(dǎo)流能力降至 5 μm2·cm 左右，傷害率達(dá)98%以上。

圖1 20/40 目支撐裂縫導(dǎo)流能力變化

通過測(cè)定計(jì)算破膠液殘?jiān)?、粒徑中值以及支撐劑間隙孔隙直徑詳細(xì)分析了殘?jiān)诹芽p中聚集、難以排出的原因。胍膠濃度為0.45%，破膠劑為過硫酸銨，使用濃度為50 mg/L，溫度為90℃時(shí)，測(cè)得破膠液殘?jiān)繛?10 mg/L；通過馬爾文激光粒度儀測(cè)量破膠后粒徑分布（見圖2），其中粒徑大于20 μm 的殘?jiān)急冉?0%，粒徑大于50 μm 的殘?jiān)急冉?0%；支撐劑在地層堆積后，將在支撐劑顆粒之間形成一定間隙，假設(shè)支撐劑粒徑相同，間隙直徑r 可通過簡(jiǎn)單模型（見圖3）計(jì)算，不同規(guī)格支撐劑對(duì)應(yīng)的間隙孔隙直徑計(jì)算結(jié)果（見表2），實(shí)際裂縫中，由于閉合壓力的作用以及支撐劑粒徑大小不一，支撐劑對(duì)應(yīng)的間隙孔隙更小，根據(jù)橋堵規(guī)則，破膠液殘?jiān)M(jìn)入支撐裂縫中難以排出，將對(duì)支撐孔隙造成堵塞，造成裂縫導(dǎo)流能力下降，因此可通過降低破膠液殘?jiān)?、粒徑大小以及增大支撐孔隙來降低胍膠壓裂液導(dǎo)流能力傷害。

圖2 破膠液粒徑分布（過硫酸銨）

圖3 支撐劑間隙直徑計(jì)算模型

表2 不同支撐劑對(duì)應(yīng)的孔隙直徑

2 裂縫導(dǎo)流能力提高方法研究

2.1 降低破膠液殘?jiān)?/h3>

2.1.1 稠化劑濃度優(yōu)化 壓裂液殘?jiān)渴菍?dǎo)致裂縫導(dǎo)流能力降低的重要因素，胍膠濃度越大，水不溶物越多，破膠后殘?jiān)吭礁?，具體（見圖4）。

圖4 破膠液殘?jiān)?/p>

不同粉比胍膠進(jìn)入壓裂液后裂縫導(dǎo)流能力變化圖（見圖5），可以看出隨著胍膠粉比的增加，破膠液對(duì)裂縫導(dǎo)流能力的傷害增加，并且注入量越大，這種趨勢(shì)越明顯，因此降低胍膠的使用濃度有助于提高裂縫的導(dǎo)流能力。

圖5 胍膠壓裂液破膠液對(duì)導(dǎo)流能力的傷害

目前，江蘇油田主要通過在壓裂液中加入碳酸鈉，調(diào)節(jié)基液pH 值，優(yōu)化壓裂液的性能，降低施工中胍膠的使用濃度。不同條件下，粉比為0.45%的胍膠的耐溫耐剪切性能（見圖6），可以看出在未加入碳酸鈉的情況下，0.45%的胍膠經(jīng)剪切升溫達(dá)到100℃后，黏度迅速降至50 mPa·s 以下，難以滿足攜砂要求，加入0.05%的碳酸鈉后壓裂液的耐溫耐剪切性、攜砂性顯著增強(qiáng)，因此在施工時(shí)可以降低胍膠壓裂液的使用濃度，從而降低對(duì)支撐裂縫的傷害。

2.1.2 稠化劑類型優(yōu)化 目前國(guó)內(nèi)壓裂施工大多采用羥丙基胍膠壓裂液（HPG），但其破膠后固相殘?jiān)扛撸燃谆夷z壓裂液（CMHPG）具有水不溶物含量低、殘?jiān)佟⑵颇z性能好等優(yōu)點(diǎn)[10]。隨著胍膠濃度增加，CMHPG 與HPG 的殘?jiān)烤兴黾樱ㄒ妶D7），但是濃度相同的情況下CMHPG 的殘?jiān)績(jī)H為HPG 的1/3～1/2。兩種破膠液對(duì)裂縫導(dǎo)流能力傷害具體（見圖8），其中羧甲基胍膠壓裂液對(duì)裂縫導(dǎo)流能力的傷害較低，有利于提高壓裂效果。

此外，CMHPG 體系耐溫性能強(qiáng)，當(dāng)壓裂目的層深度相同時(shí)，相比于HPG 可降低胍膠用量，從而進(jìn)一步降低壓裂液破膠液中的殘?jiān)浚岣咛钌傲芽p的導(dǎo)流能力。

圖6 不同壓裂液耐溫耐剪切性能

圖7 不同胍膠壓裂液破膠液殘?jiān)?/p>

圖8 不同胍膠壓裂液破膠液對(duì)裂縫導(dǎo)流傷害

2.2 提高壓裂液破膠效果

江蘇油田部分儲(chǔ)層埋深在1 500 m 左右，油層溫度較低，在使用過硫酸銨作為破膠劑時(shí)存在破膠不徹底的情況，影響油井壓裂效果和正常生產(chǎn)，因此優(yōu)選具有破膠效率高、破膠液粒徑小等優(yōu)點(diǎn)的生物酶作為破膠劑[11-13]。0.45%胍膠在50℃條件下通過30 mg/L 生物酶破膠劑所得破膠液殘?jiān)牧椒植迹ㄒ妶D9），粒徑主要分布在1 μm 左右，相應(yīng)破膠液對(duì)導(dǎo)流能力的傷害有所減少（見圖10）。導(dǎo)流實(shí)驗(yàn)中由于過硫酸銨在低溫下無法使胍膠壓裂液破膠，因此其破膠溫度設(shè)置為90℃，并測(cè)量對(duì)應(yīng)破膠液對(duì)導(dǎo)流能力的傷害。

2.3 增大支撐劑粒間孔隙

常規(guī)壓裂所形成的人工裂縫內(nèi)支撐劑是連續(xù)鋪置的，由于壓裂液含有水不溶物以及破膠不徹底等原因，支撐劑粒間孔隙易受到堵塞，導(dǎo)致裂縫導(dǎo)流能力下降[14]。江蘇油田自主研發(fā)形成了高導(dǎo)縫壓裂技術(shù)，該技術(shù)主要通過脈沖加砂及纖維伴注形成不連續(xù)支撐的人工裂縫。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)顯示高導(dǎo)縫壓裂技術(shù)提供的裂縫導(dǎo)流能力甚至能達(dá)到常規(guī)壓裂的100 倍以上，具體原理（見圖11），圖11（a）為常規(guī)支撐劑鋪置中流體滲流示意圖，圖11（b）為高導(dǎo)縫壓裂支撐劑鋪置中流體滲流示意圖，流體在不同支撐劑柱塞通道構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中流動(dòng)，可以有效消除壓裂液殘?jiān)鼘?duì)導(dǎo)流能力的傷害。

圖9 破膠液粒徑分布（生物酶）

圖10 不同破膠液對(duì)導(dǎo)流能力的傷害

圖11 不同支撐劑鋪置方式下流體滲流原理

3 結(jié)論

（1）壓裂液破膠液殘?jiān)M(jìn)入支撐裂縫中難以排出，將造成支撐孔隙堵塞，從而對(duì)導(dǎo)流能力造成一定的傷害，并且通入量越大，胍膠濃度越高，傷害程度越高。

（2）實(shí)際壓裂中，通過調(diào)節(jié)壓裂液的pH 值可以提高胍膠壓裂液的耐溫耐剪切性，從而降低稠化劑使用濃度，減少破膠液對(duì)支撐裂縫導(dǎo)流能力的傷害。

（3）羧甲基胍膠壓裂液水不溶物含量少、破膠液殘?jiān)康?、使用濃度低，?yīng)用于壓裂中有利于提高裂縫導(dǎo)流能力。

（4）生物酶可以滿足淺井低溫井破膠要求，并且與過硫酸銨相比，具有用量少、破膠徹底、破膠殘?jiān)捷^小等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于壓裂中可以降低破膠液對(duì)裂縫導(dǎo)流能力的傷害。

（5）高導(dǎo)縫壓裂通過支撐劑的非連續(xù)支撐形成開放通道，不易被壓裂液破膠殘?jiān)氯?，?yīng)用于壓裂中可以大幅提高裂縫導(dǎo)流能力。