甘泉—下寺灣地區(qū)頁(yè)巖氣井壓裂配液用水配伍性研究

南蓓蓓，李 輝，高志亮，呂 雷，張淑俠.

(陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院，陜西西安 710061)

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

甘泉—下寺灣地區(qū)地表水和頁(yè)巖氣主力儲(chǔ)層長(zhǎng)7儲(chǔ)層產(chǎn)出水；干燥箱，上海善志儀器設(shè)備有限公司；玻璃砂芯漏斗，上海科曉科學(xué)儀器設(shè)備有限公司；循環(huán)水式多用真空泵，上海吉眾儀器有限公司；pH計(jì)，上海雷磁儀器廠；ICS-5000離子色譜，ICS5000型離子色譜儀(美國(guó)戴安公司)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 水質(zhì)分析

按照《油田水分析方法》(SY 5523—2006)，分別于甘泉—下寺灣地區(qū)雨岔水庫(kù)和延長(zhǎng)油田頁(yè)巖氣井采集壓裂液配液用地表水和頁(yè)巖氣層地層產(chǎn)出水水樣，并對(duì)兩種水樣的水質(zhì)進(jìn)行系統(tǒng)分析。

1.2.2 水樣處理

從現(xiàn)場(chǎng)所采集的地層水中雜質(zhì)較多，水質(zhì)渾濁，透光性差，因此要先將地層水采用簡(jiǎn)單過(guò)濾的方法預(yù)處理2次，然后再將預(yù)處理過(guò)的水樣用孔徑為0.45 μm的微孔濾膜在玻璃砂芯漏斗上抽濾1次，緊接著用孔徑為0.2 μm的微孔濾膜將前面處理過(guò)的水樣再抽濾1次，直到水樣達(dá)到無(wú)色澄清透明狀態(tài)。

1.2.3 水質(zhì)配伍性實(shí)驗(yàn)

將采集的地表水與處理之后的地層水按不同比例(10∶0、9∶1、8∶2、7∶3、6∶4、5∶5、4∶6、3∶7、2∶8、1∶9、0∶10)混合，然后分別轉(zhuǎn)入500 mL的實(shí)驗(yàn)瓶，將實(shí)驗(yàn)瓶置于70 ℃(地層溫度)的恒溫烘箱中，放置48 h后用離子色譜對(duì)溶液進(jìn)行離子成分分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 壓裂液配液用地表水和頁(yè)巖氣層地層水水質(zhì)分析

壓裂液配液用地表水和頁(yè)巖氣層地層水進(jìn)行水質(zhì)分析的結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 地表水和地層水組成性質(zhì)Table 1 Composition and properties of surface water and formation water

2.2 配伍性實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果

目前國(guó)內(nèi)油氣田水質(zhì)的配伍性研究還沒(méi)有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，行業(yè)內(nèi)一般采用的是靜態(tài)[10-12]和動(dòng)態(tài)[13]兩種實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法。主要有濁度(透光率)分析法、垢物重量分析法、成垢離子分析法等3種方法[14]。

根據(jù)2.1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本研究在成垢離子分析法分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合結(jié)垢趨勢(shì)預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)壓裂液配液用地表水和頁(yè)巖氣層地層水水質(zhì)配伍性進(jìn)行了研究。

表2 地表水與地層水含量變化率Table 2 Ca2+ and content change rate of surface water and formation water

圖1 地表水與地層水混合后S2-O4含量變化 change after mixing surface water and formation water

圖2 地表水與地層水混合后Ca2+含量變化Fig.2 Change of Ca2+ content after mixing surface water and formation water

2.3 結(jié)垢趨勢(shì)預(yù)測(cè)

油田現(xiàn)場(chǎng)結(jié)垢類型主要有CaCO3和CaSO4兩種。對(duì)這兩種垢物的預(yù)測(cè)方法較多[15-19]，目前國(guó)內(nèi)外CaCO3結(jié)垢趨勢(shì)的預(yù)測(cè)方法主要有：①Langlier 飽和指數(shù)法；②Davis-Stiff 飽和指數(shù)法；③Tomson 飽和指數(shù)修正法；④Rynar 穩(wěn)定指數(shù)法；⑤Larson 指數(shù)法；⑥Vetter 預(yù)測(cè)方法等[16,20-21]。其中，Davis-Stiff 飽和指數(shù)法因計(jì)算簡(jiǎn)便且容易操作而得到了大部分油氣田的廣泛應(yīng)用。CaSO4結(jié)垢趨勢(shì)預(yù)測(cè)主要采用熱力學(xué)溶解度法[22]。本文采用飽和指數(shù)法對(duì)CaCO3結(jié)垢趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)，采用熱力學(xué)溶解度法對(duì)CaSO4結(jié)垢趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

2.3.1 CaCO3結(jié)垢趨勢(shì)預(yù)測(cè)

將壓裂液配液用地表水與地層水以不同比例混合后在模擬地層溫度70 ℃下放置48 h，采用ICS-5000離子色譜對(duì)其進(jìn)行離子成分分析，根據(jù)離子分析結(jié)果，采用飽和指數(shù)法進(jìn)行混合水樣的CaCO3結(jié)垢趨勢(shì)預(yù)測(cè)，結(jié)果如圖3所示。

圖3 地表水與地層水混合水樣的SI值變化Fig.3 SI value change of surface water and formation water mixed samples

由圖3可以看出，當(dāng)壓裂液配液用地表水∶頁(yè)巖氣層地層水=10∶0時(shí)，SI(穩(wěn)定指數(shù))=-1.87<0，表明壓裂液配液用地表水本身無(wú)CaCO3結(jié)垢趨勢(shì)；當(dāng)壓裂液配液用地表水∶頁(yè)巖氣層地層水=0∶10時(shí)，SI=1.36>0，表明本次取樣的頁(yè)巖氣層地層水有CaCO3結(jié)垢趨勢(shì)。壓裂液配液用地表水和頁(yè)巖氣層地層水以不同比例混合后，隨著頁(yè)巖氣層地層水比例的不斷增大，混合后的水樣結(jié)垢趨勢(shì)也隨之增加。在壓裂液配液用地表水與頁(yè)巖氣層地層水比為10∶0～7∶3時(shí)，無(wú)CaCO3結(jié)垢趨勢(shì)；當(dāng)壓裂液配液用地表水與頁(yè)巖氣層地層水比為6∶4時(shí)出現(xiàn)CaCO3結(jié)垢趨勢(shì)，SI>0，顯示有CaCO3垢產(chǎn)生；當(dāng)頁(yè)巖氣層地層水在混合水中的比重不斷提高時(shí)，結(jié)垢趨勢(shì)也在逐漸增加。

2.3.2 CaSO4結(jié)垢趨勢(shì)預(yù)測(cè)

對(duì)于CaSO4垢，由于產(chǎn)生的晶體類型多，如CaSO4·2H2O、CaSO4·1/2H2O及CaSO4，而且過(guò)程也比較復(fù)雜，因此預(yù)測(cè)CaSO4結(jié)垢趨勢(shì)難度較大。1969年，Skillman等人[23]考慮了熱力學(xué)和溶解平衡原理，提出了熱力學(xué)溶解度法來(lái)預(yù)測(cè)油氣田水中的硫酸鹽溶解度，該方法的預(yù)測(cè)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)結(jié)果較為吻合。其具體預(yù)測(cè)方法為：

(1)

式中S——CaSO4結(jié)垢趨勢(shì)的預(yù)測(cè)值，mmol/L；

K——修正系數(shù)，由離子強(qiáng)度和溫度關(guān)系得；

將壓裂液配液用地表水和頁(yè)巖氣層地層水進(jìn)行CaSO4結(jié)垢趨勢(shì)預(yù)測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 CaSO4結(jié)垢趨勢(shì)預(yù)測(cè)Table 3 Prediction of CaSO4 scaling trend

由上述分析可得，地表水與地層水均無(wú)CaSO4結(jié)垢趨勢(shì)，無(wú)CaSO4產(chǎn)生。

3 外來(lái)流體與地層流體不配伍造成的地層傷害和防治方法

3.1 外來(lái)流體與地層流體不配伍造成的地層傷害

由于頁(yè)巖氣儲(chǔ)層致密，孔喉半徑非常小，在壓裂施工過(guò)程中容易對(duì)儲(chǔ)層造成傷害。由本文的研究分析可知，用作配制壓裂液的地表水作為外來(lái)流體與地層流體——頁(yè)巖氣層地層水混合后在儲(chǔ)層中容易形成CaCO3晶體并附著在壓裂裂縫表面，從而堵塞地層孔隙和喉道，造成地層的孔隙度和滲透率大幅度降低，對(duì)儲(chǔ)層造成極大的傷害，而且難以采取酸化解堵的處理措施，最終導(dǎo)致頁(yè)巖氣井產(chǎn)量大大降低。

3.2 地層傷害的防治方法

由于配液用地表水與頁(yè)巖氣地層水在地層中混合后形成的結(jié)垢物質(zhì)主要是CaCO3，因此可采用化學(xué)法防垢進(jìn)行防治處理[24]。

化學(xué)法防垢是利用阻垢劑在水中解離的陰離子與水中的Ca2+等發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，將Ca2+進(jìn)行屏蔽，防止形成CaCO3垢；同時(shí)，利用阻垢劑的晶體畸變作用抑制垢晶體的繼續(xù)長(zhǎng)大，使垢以懸浮狀態(tài)存在于溶液中，防止或者減少堵塞地層孔隙和吼道。

由于結(jié)垢物質(zhì)是配液用地表水和壓裂目的層地層水不配伍產(chǎn)生的，因此處理該類結(jié)垢物質(zhì)常用的防垢工藝主要是在壓裂液配液水中或地層水中加入緩蝕阻垢劑；由于結(jié)垢物質(zhì)是CaCO3，建議于配液前在配液用地表水中或者在地層水中加入抑制CaCO3垢的特異性緩釋阻垢劑進(jìn)行防垢處理。

4 結(jié)論

(1)水質(zhì)分析結(jié)果表明：壓裂液配液用地表水為NaHCO3水型，頁(yè)巖氣壓裂目的層地層水為CaCl2水型，兩種水混合后產(chǎn)生CaCO3垢，無(wú)CaSO4垢；兩種水配伍性較差。

(2)壓裂液配液用地表水無(wú)CaCO3結(jié)垢趨勢(shì)，但壓裂目的層地層水有CaCO3結(jié)垢趨勢(shì)；兩種水以不同比例混合后，當(dāng)壓裂目的層的地層水在混合水中的比重不斷提高時(shí)，結(jié)垢趨勢(shì)也在逐漸增加，會(huì)對(duì)儲(chǔ)層造成嚴(yán)重傷害。

(3)從前面的分析結(jié)果可知：本地區(qū)的地表水不能直接作為壓裂液配液用水，應(yīng)于配液前在配液用地表水中或者在地層水中加入抑制CaCO3垢的特異性緩釋阻垢劑進(jìn)行防垢處理。