致密氣藏防水鎖易返排滑溜水研究與應(yīng)用

劉培培

（中國(guó)石油吉林油田公司油氣工程研究院，吉林松原 138000）

吉林油田致密氣資源勘探領(lǐng)域廣闊，賦存的地質(zhì)條件復(fù)雜，具有低孔低滲、地層壓力系數(shù)低、高損害潛力等工程地質(zhì)特征[1-3]。致密氣藏這些“先天發(fā)育不足”的特性，決定了實(shí)施增產(chǎn)改造是其經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)的必然選擇，而大排量、大液量滑溜水壓裂正是其關(guān)鍵技術(shù)[4-8]。但由于氣藏儲(chǔ)層微納米級(jí)孔隙發(fā)育，喉道窄小且連通性差，排驅(qū)壓力高，導(dǎo)致水鎖傷害普遍嚴(yán)重，壓后液體返排難度大[9]。加之儲(chǔ)層黏土含量高，易發(fā)生膨脹運(yùn)移堵塞孔喉，進(jìn)一步降低了儲(chǔ)層的有效滲透率[10]。針對(duì)致密氣儲(chǔ)層這些“后天易損害”的特征，研發(fā)了防水鎖、易返排滑溜水壓裂液，與壓裂工藝相結(jié)合，獲得了較好的應(yīng)用效果。

1 滑溜水體系組成

1.1 減阻劑

在壓裂施工過(guò)程中，壓裂液由井口到目的層因動(dòng)能傳遞的速度差異而產(chǎn)生摩阻變化[11]。從摩阻產(chǎn)生的原因確定減阻劑的研究思路：①縮小壓裂液在能量傳遞中的速度差異，避免瞬時(shí)與局部速度差過(guò)大；②降低接觸面積；③使接觸面變性。根據(jù)以上研究思路最終研制出性能優(yōu)異的減阻劑XY-205（聚丙烯酰胺類(lèi)衍生物含量≥15%）。當(dāng)流體處于紊流區(qū)后，依靠減阻劑分子間相互引力抵抗流體質(zhì)點(diǎn)的作用力，改變流體質(zhì)點(diǎn)的作用方向和大小，使一部分做無(wú)用功的徑向力轉(zhuǎn)化為順流向的軸向力，從而減少了無(wú)用功的消耗，宏觀上表現(xiàn)出減少了流體的摩阻損失，即起到減阻作用[12-13]。減阻劑XY-205的理化指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 減阻劑XY-205理化指標(biāo)

1.2 納米微乳助排劑

儲(chǔ)層納米級(jí)孔隙結(jié)構(gòu)且連通性差是引起水鎖的自然條件，外來(lái)流體的侵入引起的毛細(xì)管力自吸作用是引起水鎖的物質(zhì)條件[14]。在致密氣儲(chǔ)層完井與生產(chǎn)過(guò)程中，外來(lái)流體侵入儲(chǔ)層是不可避免的，因此在外來(lái)流體中加入防水鎖物質(zhì)，降低入井液體表面張力或改變巖樣潤(rùn)濕性是減少致密氣儲(chǔ)層水鎖損害的最有效方法。

以表面活性劑和有機(jī)溶劑為主要原料，應(yīng)用擬三元相圖法獲得均相微乳形成的最佳條件，并以表面張力為指標(biāo)，確定最佳載體的使用濃度，最終得到納米微乳助排劑。該助排劑分子為納米級(jí)，膠束外部為非離子型表面活性劑，內(nèi)部為有機(jī)溶劑，膠束外端為親水結(jié)構(gòu)，膠束直徑為10～30 nm，平均為20 nm。由于分子量小，較小的用量就能均勻分散，處理大的表面區(qū)域，一個(gè)常規(guī)膠束作用的接觸面區(qū)域，會(huì)有無(wú)數(shù)個(gè)納米膠束在發(fā)揮作用，遠(yuǎn)比一個(gè)大膠束所發(fā)揮作用精細(xì)化。納米級(jí)液滴能夠進(jìn)入儲(chǔ)層微小的孔隙和喉道中，與巖石孔隙表面充分接觸，降低表面張力、增加接觸角，從而減小儲(chǔ)層的水鎖損害，提高壓裂液返排效率。

1.3 黏土穩(wěn)定劑

吉林致密氣藏黏土含量分布較廣，黏土中主要以伊/蒙混層含量居多。伊利石具有強(qiáng)水敏性，吸水膨脹后導(dǎo)致氣體流動(dòng)空間急劇減小，導(dǎo)致滲透率降低。伊利石和伊蒙混層表面存在毛發(fā)狀、叢生狀凸起，伊蒙混層呈蜂窩狀、彎片狀結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)特征在孔隙之間起到橋接作用，大大降低了儲(chǔ)層的孔喉半徑，增大了儲(chǔ)層的比表面積，使喉道空間進(jìn)一步分割。隨著外來(lái)流體的進(jìn)入或在氣流沖擊下，黏土礦物結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂，黏土微粒松散移動(dòng)堵塞毛細(xì)管道，加劇水鎖現(xiàn)象發(fā)生。

經(jīng)過(guò)室內(nèi)優(yōu)選，篩選出分子量較小的有機(jī)胺類(lèi)黏土穩(wěn)定劑XY-63（有機(jī)胺類(lèi)含量≥40%），與KCl雖有助于保持黏土質(zhì)點(diǎn)的化學(xué)環(huán)境但卻無(wú)法提供永久穩(wěn)定的環(huán)境相比，有機(jī)胺類(lèi)黏土穩(wěn)定劑能夠從黏土質(zhì)點(diǎn)向外伸展形成“有機(jī)屏障”，從而保持黏土顆粒呈不分散狀態(tài)，因此可防止壓裂時(shí)高速流動(dòng)引起的裂縫表面剝落和微粒產(chǎn)生[15]。

2 滑溜水性能評(píng)價(jià)

2.1 溶解性與增黏性

致密氣井壓裂規(guī)模大，“千方砂萬(wàn)方液”，要求壓裂液配制簡(jiǎn)便，因此減阻劑需具有低黏、速溶特性，以滿足現(xiàn)場(chǎng)快速連續(xù)混配的要求[16-18]。配制體積分?jǐn)?shù)為0.1%的減阻劑，評(píng)價(jià)其溶解性與增黏性，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 減阻劑XY-205溶解性能與增黏性能評(píng)價(jià)

由表2可知，減阻劑XY-205具有速溶特性，攪拌5 min即可完全溶解，且具有低黏特性，在實(shí)驗(yàn)濃度下最高黏度為4.5 mPa·s，能夠滿足大規(guī)?，F(xiàn)場(chǎng)快速連續(xù)混配要求。

2.2 減阻性能

室內(nèi)對(duì)配制的滑溜水性能進(jìn)行評(píng)價(jià)（0.1%減阻劑XY-205+0.2%微乳納米助排劑+0.2%黏土穩(wěn)定劑XY-63）。使用HBLZ-Ⅱ型流體流動(dòng)阻力測(cè)試儀，在25 ℃下，分別測(cè)試了滑溜水與清水在不同流動(dòng)速率下通過(guò)長(zhǎng)3 m、內(nèi)直徑10 mm的管路所產(chǎn)生的壓差，見(jiàn)圖1。從圖1可以看出，隨著流速增大，此配方滑溜水的減阻率先上升后趨于平緩?；锼疁p阻率能夠達(dá)到70%以上，說(shuō)明該滑溜水體系具有良好的降摩阻性能。

圖1 滑溜水減阻性能評(píng)價(jià)結(jié)果

2.3 防膨性能

利用毛細(xì)管吸收實(shí)驗(yàn)的原理測(cè)定防膨性能，使用Fann Instrument 440型毛細(xì)管吸收時(shí)間測(cè)試儀來(lái)進(jìn)行。高的CST時(shí)間比說(shuō)明巖層樣品對(duì)液體有很強(qiáng)的吸收性，原因?yàn)轲ね僚蛎泴?dǎo)致對(duì)水溶液的強(qiáng)吸收。一般來(lái)說(shuō)，高的CST時(shí)間比說(shuō)明注入和濾失的液體會(huì)產(chǎn)生更多的地層傷害。實(shí)驗(yàn)所用巖心粉末由致密氣區(qū)塊DS19井天然巖心粉磨得到，使用的液體為蒸餾水與配制滑溜水，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，蒸餾水組表現(xiàn)出更高的CST時(shí)間比。這一高比值暗示該區(qū)塊地層對(duì)水的強(qiáng)吸脹性，會(huì)因黏土膨脹造成傷害；對(duì)滑溜水的測(cè)試得到了較低的CST時(shí)間比，表明滑溜水能夠較好地抑制黏土膨脹，對(duì)地層傷害小。

表3 CST實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.4 助排性能

評(píng)價(jià)助排性能主要以表面張力為標(biāo)準(zhǔn)，相同條件下，表面張力值越小說(shuō)明助排能力越強(qiáng)[19-20]。使用Sigma 703D表界面張力儀對(duì)配制滑溜水表面張力、界面張力進(jìn)行測(cè)試，得該滑溜水體系的表面張力為12.87 mN/m，界面張力為0.45 mN/m，表面張力比常規(guī)氣井滑溜水降低40%以上，利于致密氣井壓后助排。

2.5 巖心傷害實(shí)驗(yàn)

選取致密氣區(qū)塊DS80井天然巖心，應(yīng)用巖心動(dòng)態(tài)流動(dòng)儀分別對(duì)常規(guī)氣井滑溜水和2.2配方滑溜水進(jìn)行巖心傷害評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

由表4可知，巖心傷害率分別為32.53%和9.45%，該滑溜水對(duì)巖心傷害遠(yuǎn)低于常規(guī)氣井滑溜水，可知該滑溜水對(duì)儲(chǔ)層傷害較小，有利于儲(chǔ)層產(chǎn)能的發(fā)揮。

表4 滑溜水巖心傷害實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.6 水鎖傷害性能評(píng)價(jià)

選取致密氣區(qū)塊DS111井營(yíng)城組巖心，采用研制出的滑溜水與常規(guī)氣井滑溜水，分別進(jìn)行了水鎖傷害與傷害后的滲透率恢復(fù)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表5所示。可見(jiàn)采用研制出的滑溜水體系對(duì)巖心進(jìn)行反向傷害后，啟動(dòng)壓力梯度增加1.04倍，而常規(guī)氣井滑溜水體系增加6.82倍，同時(shí)研制的滑溜水體系24 h巖心滲透恢復(fù)率接近90%，是常規(guī)氣井滑溜水的1.35倍，解除水鎖傷害程度較高。可見(jiàn)研制出的滑溜水有效降低了儲(chǔ)層巖石的啟動(dòng)壓力，具有較強(qiáng)的防水鎖性能，可以使入井流體順利地返排出儲(chǔ)層。

表5 滑溜水水鎖傷害啟動(dòng)壓力梯度及滲透率恢復(fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

吉林油田致密氣DH區(qū)塊主力層位，巖性特征以凝灰質(zhì)砂礫巖、凝灰質(zhì)砂巖、凝灰質(zhì)細(xì)砂巖為主，孔隙度為1.3%～11.2%，平均為4.9%，滲透率為0.01～0.07 mD，平均為0.02 mD，物性差，發(fā)育粒內(nèi)溶蝕孔、粒間孔及微裂縫，孔隙連通性差，水鎖傷害大，區(qū)塊壓后平均返排率僅為16.4%。為增大儲(chǔ)層改造程度，提高單井產(chǎn)量，決定采用防水鎖易返排滑溜水，降低壓裂液毛管力，減少水鎖傷害，促進(jìn)壓裂液返排，保障壓后快速見(jiàn)氣。該區(qū)塊現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)井的應(yīng)用及對(duì)比情況見(jiàn)表6。

目前，該區(qū)塊現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)共計(jì)壓裂施工4口井，壓裂成功率為100%，壓后平均返排率為52.41%，較對(duì)比井的平均返排率提高了2倍以上；實(shí)驗(yàn)井累計(jì)增加測(cè)試產(chǎn)量24.3×104m3/d，與對(duì)比井相比效果顯著。施工取得了較好的效果，體現(xiàn)了降低水鎖傷害提高返排率的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，具有較好的大規(guī)模推廣應(yīng)用前景。

表6 防水鎖易返排滑溜水現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及對(duì)比情況

4 結(jié)論

1.針對(duì)吉林致密氣儲(chǔ)層特征，研發(fā)了防水鎖、易返排滑溜水壓裂液，由減阻劑XY-205、納米微乳助排劑、黏土穩(wěn)定劑XY-63組成。該體系滑溜水具速溶性與低黏性，實(shí)驗(yàn)配方下減阻率能夠達(dá)到70%以上，能夠較好地抑制黏土膨脹，對(duì)地層傷害小，表面張力比常規(guī)氣井滑溜水降低40%以上，利于致密氣井壓后助排。巖心實(shí)驗(yàn)表明，巖心傷害率為9.45%，24 h巖心滲透率恢復(fù)接近90%，具有較強(qiáng)的防水鎖性能。

2.該體系滑溜水與壓裂工藝相結(jié)合，在吉林致密氣區(qū)塊現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，施工取得了較好的效果，壓后平均返排率提高了2倍以上，累計(jì)增加測(cè)試產(chǎn)量24.3×104m3/d，施工取得了較好的效果，體現(xiàn)了降低水鎖傷害提高返排率的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，具有較好的大規(guī)模推廣應(yīng)用前景。