基于壓裂液濾失驅油作用的油井壓裂方法及實踐效果*

盧祥國，曹 豹，謝 坤，何 欣，王珂昕

（1.提高油氣采收率教育部重點實驗室（東北石油大學），黑龍江大慶 163318；2.中國石油大慶油田井下作業(yè)公司，黑龍江大慶 163453）

目前，陸上老油田開發(fā)已進入中后期，薄差層剩余油挖潛對油田增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)至關重要，其中油井壓裂作為一種直接有效的增產(chǎn)措施，已被廣泛應用。長期以來，國內(nèi)外壓裂施工都采用高黏、低濾失性即具有優(yōu)良造壁性液體作為壓裂液［1-4］。以胍膠或改性胍膠為代表，植物膠類水基壓裂液是較早應用且最常用的壓裂液之一［5-6］，其高黏低濾失性可滿足造縫攜砂需求。為進一步提高壓裂液性能和施工效果，多種壓裂液體系相繼研發(fā)，如交聯(lián)聚合物凝膠壓裂液體系［7］、泡沫壓裂液體系［8-9］、VES壓裂液體系［10］、纖維素壓裂液體系［11］等，提高了壓裂液體系的耐溫、抗剪切、攜砂能力和造壁性。近年來，大慶油田采用了低黏、高濾失性聚合物壓裂液進行壓裂施工，取得了較好的增油降水效果［12］。與常規(guī)壓裂液施工油井相比，聚合物壓裂液壓裂油井見效時間稍微滯后，但累計增油量較大。聚合物壓裂液與常規(guī)壓裂液的壓裂增油效果差異，與油井附近區(qū)域油藏剩余油分布特點和壓裂液濾失驅油作用密切相關，但目前相關的研究報道較少，且增油機理尚不明確。為進一步明確聚合物壓裂液壓裂增油機理，本文開展了壓裂液驅油效果和濾失距離評價實驗，從濾失、驅油角度闡述了其增油機理，以此提出了“驅油+壓裂”提高油井壓裂效果的方法，并在低滲透油藏油井進行了現(xiàn)場試驗。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

壓裂液包括改性胍膠溶液（0.25%改性胍膠+0.1%助排劑+0.2%有機硼交聯(lián)劑+0.05%過硫酸鉀）、聚合物凝膠（配方Ⅰ:0.15%聚合物WH924+0.1%助排劑+0.5% DZ-2 交聯(lián)劑+0.1%過硫酸銨；配方Ⅱ:0.15%聚合物WH924+0.1%助排劑+1.5%DZ-2交聯(lián)劑+0.1%過硫酸銨；配方Ⅲ:0.2%聚合物WH924+0.1%助排劑+0.5% DZ-2 交聯(lián)劑+0.1%過硫酸銨）、GRF締合聚合物溶液（0.2%GRF-1H+0.2%GRF-2+0.1%過硫酸銨）、聚合物溶液（配方Ⅰ:0.10%聚合物WH924+0.1%助排劑，配方Ⅱ:0.15%聚合物WH924+0.1%助排劑）和滑溜水（0.2%降阻劑+0.1%助排劑+1%氯化鉀）。其中，改性胍膠、助排劑（陽離子表面活性劑）、有機硼交聯(lián)劑、降阻劑（黏彈性表面活性劑）為市售油田用商品處理劑，大慶井下作業(yè)分公司提供；聚合物WH924 由丙烯酰胺（AA）單體、丙烯酸（AM）與2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）單體制得，東北石油大學；DZ-2 為酸性交聯(lián)劑，北京紅興芬科技有限公司；GRF-1H為低分子疏水締合聚合物，由AA 與烷基二甲基氯化銨聚合而成，淡黃色粉末，使用溫度為140℃，固含量90%，相對分子質量1.8×106數(shù)2.5×106，四川光亞聚合物化工有限公司；GRF-2為陰離子型聚合物，無色或淡黃色透明液體，四川光亞聚合物化工有限公司［13］。

除上述聚合物凝膠和聚合物壓裂液外，還采用了普通聚合物溶液和聚/表二元復合體系。其中，部分水解聚丙烯酰胺干粉（HPAM），相對分子質量為2500×104，簡稱“超高分”聚合物，有效含量90.91%，大慶煉化公司；非離子型表面活性劑，簡稱“Sun-Anshun”，有效含量40%，大慶高新區(qū)華龍祥化工有限公司。實驗用水為井下作業(yè)分公司現(xiàn)場施工所用壓裂液配制水。實驗用油為模擬油，由大慶油田脫氣、脫水原油與輕烴油混合而成，45℃下的黏度為9.8 mPa·s。實驗巖心為石英砂環(huán)氧樹脂膠結均質巖心［14］，高×寬×長=4.5 cm×4.5 cm×30 cm，滲透率Kg=50×10-3、150×10-3、300×10-3、400×10-3μm2。

實驗設備主要包括平流泵、壓力傳感器、巖心夾持器、手搖泵和中間容器等，除平流泵和手搖泵外，其他部分置于實驗溫度的恒溫箱內(nèi)。

1.2 實驗方法

（1）壓裂液驅油效果評價實驗

為考察壓裂液類型、注入段塞尺寸、注入壓差和滲透率對壓裂液驅油效果的影響，開展了壓裂液驅油效果評價實驗。實驗步驟為:①將巖心烘干稱干重，抽真空飽和實驗用水后稱濕重，計算孔隙體積；②在油藏溫度條件下飽和實驗用油，老化24 h，計算含油飽和度；③在設計注入壓差下注入相應段塞尺寸的壓裂液，記錄不同時刻的采液量和采油量，計算采收率和平均含油飽和度。

（2）壓裂液濾失距離評價實驗

為考察壓裂液類型、濾失時間、注入壓差和滲透率對壓裂液濾失距離的影響，開展了壓裂液濾失距離評價實驗。介于現(xiàn)有長巖心制作工藝和耐壓能力限制，本實驗用長巖心由5 塊普通巖心串聯(lián)而成。在壓裂液黏度值較高和均質巖心條件下，可近似認為壓裂液在多孔介質內(nèi)的運移為活塞式推進，此時壓裂液濾失距離L為:

式中，V—濾失量，mL；A—巖心截面積，cm2；φ—孔隙度，%；Soi—初始含油飽和度；Sor—壓裂液驅替后巖心剩余油飽和度。實驗步驟為:①將巖心烘干稱干重，抽真空飽和實驗用水稱濕重，計算孔隙體積；②在設計注入壓差下注入相應的壓裂液，記錄不同時刻的濾失量，并計算濾失距離。

2 結果與討論

2.1 壓裂液驅油效果

2.1.1 壓裂液類型的影響

在巖心滲透率（Kg=150×10-3μm2）和注入壓差（10 MPa）相同的條件下，分別注入1 PV不同類型的壓裂液（改性胍膠溶液、聚合物凝膠（配方Ⅰ、配方Ⅱ和配方Ⅲ）、GRF締合聚合物溶液、滑溜水、“超高分”聚合物溶液和聚/表二元溶液），驅油效果如表1所示。與聚合物凝膠相比，盡管聚合物溶液黏度較低，但其注入性較好，驅替過程中有效波及區(qū)域較大，因此采收率較高。對于“超高分”聚合物，由于不同濃度聚合物溶液對應的巖心滲透率極限均小于150×10-3μm2，聚合物分子聚集體與巖石孔喉間具有良好的配伍性，聚合物溶液在巖心多孔介質中運移時聚合物分子結構受剪切破壞的影響較小，因而驅油效果較好。隨聚合物濃度增加，聚合物溶液黏度增大，擴大波及體積能力增強，采收率增加。此外，當在聚合物溶液中加入表面活性劑后，聚/表二元體系驅油效果提高，但增幅并不大。這是由于實驗注入壓差即壓力梯度較大，聚/表二元體系擴大波及體積作用要遠大于提高洗油效率作用，因而通過添加表面活性劑降低油水界面張力對提高聚合物壓裂液驅油效果的貢獻較小。GRF 締合聚合物溶液的驅油效果較好，但采出液存在明顯的乳化現(xiàn)象，油藏溫度下放置140 h后乳化現(xiàn)象才基本消失，表明該壓裂液中存在表面活性物質，洗油能力較強。相較于聚合物凝膠和GRF締合聚合物溶液，低黏滑溜水溶液可及孔隙體積較大，驅油效率較高，但與較高濃度“超高分”聚合物溶液相比，其擴大波及體積能力較弱，驅油效果較低。

表1 不同類型壓裂液的驅油效果

2.1.2 壓裂液段塞尺寸的影響

在巖心滲透率（Kg=150×10-3μm2）和注入壓差（10 MPa）相同的條件下，注入0.5數(shù)4 PV 聚合物壓裂液（聚合物凝膠（配方Ⅰ），黏度7789.6 mPa·s），驅油效果如表2 所示。隨壓裂液段塞尺寸的增加，濾失量增加，擴大波及體積效果增強，剩余油飽和度降低，最終采收率增加。

表2 壓裂液段塞尺寸對驅油效果的影響

2.1.3 巖心滲透率和注入壓差的影響

采用不同滲透率的巖心（Kg=50×10-3數(shù)400×10-3μm2），以設計注入壓差（5數(shù)20 MPa）注入1 PV聚合物壓裂液（聚合物凝膠（配方Ⅰ）），驅油效果如表3 所示。在巖心滲透率保持不變的條件下，隨注入壓差增加，壓裂液擴大波及體積能力增強，含油飽和度降幅增大，剩余油飽和度降低，最終采收率增加。在注入壓差保持不變的條件下，隨巖心滲透率增加，巖心內(nèi)部壓裂液不可及孔隙體積減小，擴大波及體積能力增加，含油飽和度降幅增大。由于各個巖心間初始含油飽和度的差異，壓裂液驅替后巖心剩余油飽和度呈現(xiàn)持續(xù)增加趨勢。

表3 巖心滲透率和注入壓差對壓裂液驅油效果的影響

2.2 壓裂液濾失距離

2.2.1 壓裂液類型的影響

在巖心滲透率（Kg=400×10-3μm2）相同的條件下，以20 MPa 的注入壓差注入不同類型的壓裂液（滑溜水（1.9 mPa·s）、聚合物溶液（配方Ⅰ）（12.3 mPa·s）、聚合物溶液（配方Ⅱ）（27.6 mPa·s）、GRF締合聚合物溶液（3553.5 mPa·s）、聚合物凝膠（配方Ⅰ）（7763.2 mPa·s）），其濾失距離與濾失時間的關系如圖1所示。不同類型壓裂液的濾失距離與濾失時間的關系存在較大差異。相同濾失時間下，隨壓裂液黏度增加，濾失距離降低。不同類型壓裂液的分子聚集體尺寸和溶液黏度存在差異，分子聚集體尺寸越大，溶液黏度越高，在巖心中滯留和黏滯阻力越大，濾失速率越低，濾失距離越小。5種壓裂液的濾失性從大到小依次為:滑溜水＞聚合物（配方Ⅰ）＞聚合物（配方Ⅱ）＞GRF 締合聚合物溶液＞聚合物凝膠（配方Ⅰ）。

圖1 在巖心中注入不同壓裂液的濾失距離與濾失時間的關系

2.2.2 濾失時間的影響

在不同巖心滲透率和注入壓差條件下，聚合物壓裂液（聚合物凝膠（配方Ⅰ））的濾失距離與濾失時間的關系如圖2 所示。隨濾失時間增加，聚合物壓裂液濾失量增加，濾失距離增大，但由于巖心滲透率和注入壓差的不同，造成不同壓裂液滯留動態(tài)平衡過程存在差異，因此壓裂液濾失時間不同。

2.2.3 滲透率和注入壓差的影響

圖2 在巖心中注入聚合物壓裂液的濾失距離與濾失時間的關系

聚合物壓裂液（聚合物凝膠（配方Ⅰ））注入1 h后的濾失距離與壓差和滲透率的關系如圖3 所示。在巖心滲透率保持不變的條件下，隨注入壓差增加，壓裂液濾失速度增大，濾失量增大，濾失距離增加。在注入壓差保持不變的條件下，隨巖心滲透率增加，巖心孔喉尺寸增大，巖心內(nèi)部壓裂液不可及孔隙體積減小，壓裂液濾失量增加，濾失距離增大。

圖3 在巖心中注入聚合物壓裂液的濾失距離與注入壓差（a）和滲透率（b）的關系

2.3 聚合物壓裂液壓裂增油機理

與胍膠壓裂液施工油井相比，聚合物壓裂油井見效時間稍微滯后，但累計增油量較大。造成兩種壓裂液增油效果和見效特征差異與油井附近區(qū)域油藏剩余油分布特點和壓裂液濾失驅油作用密切相關。

在非均質油藏水驅開發(fā)過程中，由于油井附近區(qū)域中低滲透層難以被水井注入的驅油劑波及［15-17］，因而該區(qū)域內(nèi)原油僅靠彈性膨脹和溶解氣驅作用來開采，采出程度遠低于驅油劑能波及區(qū)域［18-22］。當采用聚合物壓裂液對油井中低滲透部位進行壓裂施工時，由于聚合物溶液濾失性遠優(yōu)于胍膠壓裂液，加之壓裂施工注入壓力較高，致使壓裂液沿裂縫壁面濾失進入剩余油飽和度較高基質區(qū)域，產(chǎn)生“驅替、富集和運移”作用，促使該區(qū)域剩余油運移到油藏深部或繞流到高滲透部位。當壓裂施工后油井生產(chǎn)時，這些富集在油藏深部或高滲透部位的剩余油就會在生產(chǎn)壓差作用下回流到裂縫和油井（見圖4）。由此可見，由于聚合物壓裂液濾失和驅替作用，使油井附近中低滲透層內(nèi)難以動用剩余油獲得動用，提高了采收率，因而累計增油量較大。與聚合物壓裂液不同，胍膠壓裂液造壁性較好，濾失量較少，驅替效果較差，因而裂縫周邊基質儲層內(nèi)剩余油飽和度變化不大。壓裂施工結束后裂縫周邊基質孔隙內(nèi)部分剩余油依靠彈性膨脹和溶解氣驅作用很快采出。由于裂縫導流能力遠超基質，驅油劑難以進入基質發(fā)揮驅油作用，壓裂施工后裂縫周邊基質區(qū)域內(nèi)大部分剩余油將難以采出。因此，聚合物壓裂液濾失及其驅油作用是壓裂施工取得較好增油效果的主要機理。

圖4 壓裂施工增油原理示意圖

基于聚合物壓裂液壓裂增油機理，為更進一步發(fā)揮壓裂液驅油作用，提出了先在接近（低于）儲層巖石破裂壓力條件下注入驅油劑，然后再提高泵注壓力進行壓裂造縫的方法，即“驅油+壓裂”方法。在形成壓裂縫前，將壓裂改造區(qū)域內(nèi)的原油更多地驅替至油藏深部或繞流到高滲透部位，在后續(xù)開采過程中部分原油可回流至裂縫，經(jīng)裂縫和高滲透部位被開采出來，提高了原本裂縫兩側基質內(nèi)難動用原油的采出程度。該方法相較于現(xiàn)有“壓裂+驅油”方法（邊造縫邊驅油，即在壓裂造縫過程中利用壓裂液濾失和驅油作用來提高壓裂增油效果的方法），油井見效較慢，但累計增油更高，具有更佳的增油效果。“驅油+壓裂”方法為提高油井壓裂效果提供了一種新思路，通過礦場試驗效果也證實了其較佳的增油效果和技術可行性。

2.4 油井壓裂礦場試驗效果

2.4.1 “壓裂+驅油”方法

近年來，大慶油田采用聚合物類壓裂液開展了“壓裂+驅油”礦場試驗，取得了較好的增油效果，結果如表4 所示。在不同滲透率儲層條件下，25 口聚合物壓裂液“壓裂+驅油”試驗井施工初期平均日增油5.85 t，日增液42.14 t，增油強度0.43 t/（d·m），累計單井產(chǎn)油1740.69 t。40 口對比井普通胍膠壓裂施工平均日增油2.54 t，日增液33.01 t，增油強度0.16 t/（d·m），累計單井產(chǎn)油987.92 t。在8 個月統(tǒng)計時間內(nèi)，前者比后者單井累計多增油752.77 t?！皦毫?驅油”施工的產(chǎn)出、投入比高達10∶1，技術經(jīng)濟效益明顯。

表4 典型井組礦場試驗效果

2.4.2 “驅油+壓裂”方法

與“壓裂+驅油”相比，“驅油+壓裂”壓裂液濾失量較大，驅油效果更好。近年來，“驅油+壓裂”技術在國內(nèi)中亞石油和吐哈油田等低滲透油藏油井進行了試驗，取得了較好的增油效果（見表5）。在儲層條件相近的情況下，與普通壓裂油井相比，“驅油+壓裂”油井增油強度提高0.6 t/（d·m），日增油增加3.5 t，階段累計增油增加112 t。吐哈油田先后在牛東火山巖和馬中頁巖油等低滲透油藏實施“驅油+壓裂”施工11井次，平均日增油12.3 t，技術經(jīng)濟效益十分明顯。

表5 中亞石油礦場試驗效果統(tǒng)計

3 結論

與常規(guī)胍膠壓裂液、聚合物凝膠壓裂液和滑溜水溶液相比，聚合物壓裂液兼具較好的濾失性和驅油效果。與聚合物類壓裂液相比，聚/表二元復合體系驅油效果未明顯增加。濾失壓裂液擴大波及體積作用效果明顯優(yōu)于提高洗油效率作用效果。

聚合物壓裂液良好的濾失性及驅油作用是大幅度提高壓裂施工增油效果的主要機理，可提高裂縫兩側基質內(nèi)難動用原油的采出程度。基于聚合物壓裂液濾失及驅油機理，提出了“驅油+壓裂”（先驅油后造縫）方法。與常規(guī)壓裂和“壓裂+驅油”（邊造縫邊驅油）方法相比，該方法壓裂液濾失量較大，擴大波及體積效果較好，增油效果更佳，對進一步提高油井壓裂施工增油效果具有重要意義。