新型壓裂液對阜東斜坡區頭屯河地層傷害研究

張貴才，申金偉，張 旋，張 強，羅 兆

(1.中國石油大學，山東 青島 266580;2.中油新疆油田分公司，新疆 克拉瑪依 834000)

引 言

阜東斜坡區頭屯河組儲層滲透率分布為0.10×10－3～ 54.47 ×10－3μm2，平均為 19.21 × 10－3μm2，地層溫度可達130℃。該儲層屬于低滲儲層，全巖分析黏土總量為5% ～14%，黏土礦物含量較高。壓裂是保證該地層順利投產的重要措施。在壓裂技術中，設計不當的壓裂液進入地層后會損壞基質的滲流能力，降低裂縫導流能力，造成地層傷害［1－4］。目前使用的壓裂液體系主要為植物膠壓裂液，但植物膠壓裂液殘渣較多，對儲層裂縫的傷害較大［5］，且交聯條件主要為堿性，易使地層中的黏土礦物發生運移膨脹，傷害油層［6］。同時，怡寶安等［7－8］研究表明，當地層含有硼、鈦等礦物時，胍膠壓裂液返排液容易出現嚴重的返膠現象，對地層造成較大傷害，因此低殘渣、低傷害的壓裂液成為該地層壓裂施工的首選。國內外研究［9］表明，該類壓裂液主要包括清潔壓裂液和聚合物壓裂液2種體系，清潔壓裂液存在耐高溫較差、施工工藝還需改進等問題［10－11］，而一般的合成聚合物壓裂液體系存在不耐溫、不耐鹽和剪切穩定性差的缺點［12－13］。新型疏水締合物壓裂液［14］因具有耐溫、耐剪切、低殘渣、易返排以及防膨性能好的優點，具有較大的施工價值。針對阜東斜坡區頭屯河地層，通過巖心流動實驗系統評價了一種酸性疏水締合物壓裂液體系對地層的傷害情況，對指導該地層壓裂設計具有重要意義。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

實驗用的巖心取自新疆油田分公司阜東斜坡區頭屯河組阜東11井和阜東22井，巖心礦物組成見表1。

表1 巖心全巖組成分析

實驗用的疏水締合聚合物壓裂液由新疆油田分公司工程院提供，主要成分為0.5% 疏水締合聚合物、2%KCl、0.6%鹽酸、0.2% 乳酸、3.0%交聯劑以及0.4%過硫酸鈉做破膠劑。用高溫高壓濾失儀測得該疏水締合聚合物80℃的濾失系數為1.146×10－3m/min1/2，略高于中國石油天然氣行業標準SY/T 6376－2008“壓裂液通用技術條件”規定的標準。煤油取自中國石油大學(華東)勝華煉油廠。填砂管長度和直徑分別為190、25 mm(江蘇海安科學儀器廠)。主要儀器:X＇pert PRO MPD型X射線衍射儀(荷蘭帕納科公司)，LDY50－180型巖心流動實驗物理模擬裝置(江蘇海安科學儀器廠)，GGS－42－2型高溫高壓濾失儀(膠南科學儀器廠)。

1.2 實驗方法

1.2.1 壓裂液靜濾失傷害評價

壓裂液濾液按照SY/T5107－2005制備，溫度為80℃，壓差控制為3.5 MPa。壓裂液靜濾失評價方法如下:①取阜東斜坡區頭屯河組低滲透天然巖心，洗油后飽和標準鹽水，地層溫度下(80℃)在巖心A端以0.1 mL/min的流速注煤油至壓力平衡，記錄平衡壓力p1;②在巖心B端以0.1 mL/min的流速注入制好的壓裂液濾液，當巖心出液后繼續注入36 min，關閉巖心夾持器兩端閥門，在80℃烘箱中靜置2 h，模擬壓裂液濾失進入地層的過程;③重新在巖心A端以0.1 mL/min的流速注煤油至壓力平衡，記錄平衡壓力p2;④計算巖心傷害率。

1.2.2 壓裂液動濾失傷害評價

壓裂液動濾失評價方法如下:①取阜東斜坡區頭屯河組低滲透天然巖心，洗油后飽和標準鹽水，地層溫度下在巖心A端以0.1 mL/min的流速注煤油至壓力穩定，記錄平衡壓力p1;②配制好壓裂液后，加入破膠劑等添加劑，攪拌均勻后放入中間容器罐中;③在巖心B端切面以1 mL/min的流速注入配好的壓裂液并注意在巖心另一端收集濾液，注入流程出口端用回壓閥控制壓力為3.5 MPa，注入36 min后關閉巖心夾持器兩端閥門，在80℃烘箱中靜置2 h;④重新在巖心A端以0.1 mL/min的流速注煤油至壓力平衡，記錄平衡壓力p2，然后計算巖心滲透率傷害率。

1.2.3 壓裂液破膠液對滲流能力影響

①將巖心粉碎、過篩、洗油烘干后填制滲透率為1～2 μm2的填砂管，用標準鹽水飽和;②在填砂管中以0.5 mL/min速度注入煤油至壓力平衡，并測出填砂管滲透率;③在填砂管反向端注入2倍孔隙體積以上的破膠液，80℃放置2 h;④再次在填砂管中以0.5 mL/min速度注入煤油至壓力平衡。由上述2次平衡壓力，計算出破膠液對填砂管滲流能力影響。

上述3個流動實驗中壓力皆由計算機自動記錄、采集。

2 結果與討論

2.1 壓裂液靜濾失對巖心滲透率的傷害

實驗用巖心取自阜東22井，其孔隙體積為3.34 mL，氣測滲透率為 0.18 ×10－3μm2。疏水締合聚合物壓裂液靜濾失評價時的壓力曲線見圖1。從圖1可知，注完濾液后再注煤油，隨著濾液逐漸被排除，平衡壓力p2達到3.36 MPa，與靜濾失前注煤油的平衡壓力p1(3.24 MPa)相近，由此可計算出壓裂液靜濾失滲透率損害率為3.58%。該數值遠低于SY/T 6376－2008傷害率30%的標準，證明該壓裂液濾液具有較好的防膨性能。

圖1 濾液污染前后注煤油時的壓力

2.2 壓裂液動濾失對巖心滲透率的傷害

動濾失實驗采用的巖心為阜東11－7、阜東11－5、阜東22－2號，其氣測滲透率分別為46.20×10－3、10.68 × 10－3、0.32 × 10－3μm2，孔隙體積分別為 5.01、4.88、3.21 mL，實驗結果見表 2。

由表2可知，壓裂液流經巖心端面后，反向端再注煤油時的突破壓力、最高注入壓力均升高。按照滲透率為 46.20 ×10－3、10.68 × 10－3、0.32 ×10－3μm2來排列，突破壓力升高的倍數分別為10.00、4.37、1.38，最高壓力升高的倍數分別為6.08、3.09、1.28。這些數據說明壓裂液流經巖心端面后對巖心的滲流能力造成影響。以動濾失前后注煤油的平衡壓力來計量，接觸壓裂液對滲透率為46.2 ×10－3、10.68 ×10－3μm2的巖心造成的傷害最大，對滲透率為0.32×10－3μm2的巖心造成的傷害較小。

表2 不同滲透率巖心中疏水締合聚合物壓裂液的傷害情況

從實驗結束時巖心端面看，在滲透率為46.20×10－3、10.68 ×10－3μm2的巖心端面有較厚的濾餅，滲透率為0.32×10－3μm2的巖心端面濾餅較少。

將11－7、11－5號巖心端面的濾餅刮掉后，再次從反向端注煤油，注入壓力曲線見圖2、3。由圖2、3可知，刮出濾餅后的注入壓力略低于動濾失前注入壓力，由此說明動濾失過程中形成的濾餅是造成巖心傷害的重要因素。

圖2 11－7號巖心端面濾餅去除后煤油驅替壓力

圖3 11－5號巖心端面濾餅去除后煤油驅替壓力

在3次動濾失實驗過程中，破膠劑的濃度相同，但從圖3可知，巖心的滲透率不同，注入端面出現濾餅的狀態也明顯不同。在滲透率為0.32×10－3μm2的巖心中，一方面濾液少，另一方面由于濾餅難以進入端面，因此注煤油的過程中這些濾餅會逐漸被頂替出來，使得巖心滲透率得到恢復;而在滲透率為46.20 ×10－3、10.68 ×10－3μm2的巖心中，濾餅可以嵌入孔隙介質中，注煤油的過程中難以頂替出來，因此巖心滲透率受到傷害。由此可見，動濾失過程中出現的濾餅與巖心滲透率有較大關系。

2.3 壓裂液破膠液對滲流能力的影響

將上述體系在80℃放置2 h，測得破膠液殘渣含量為70 mg/L，遠小于600 mg/L的標準。為驗證該破膠液是否會影響裂縫導流能力，以阜東巖心粉末制備了孔隙體積為34 mL、水測滲透率為1387×10－3μm2的填砂管來模擬地層裂縫。圖4是在填砂管中注入破膠液及注入破膠液前后注煤油的壓力曲線。

圖4 注破膠液前后注煤油的壓力

由注壓裂液破膠液前后的注水平衡壓力(0.0025、0.0029 MPa)計算可知，該破膠液對填砂管滲透率損害率只有13.8%，說明該壓裂液對地層裂縫導流能力傷害較小。該結果與殘渣含量相對應。

3 現場應用

針對阜東斜坡區頭屯河組儲層地質特征，以室內實驗研究為基礎，現場篩選出地層滲透率小于3.14×10－3μm2、黏土礦物含量為6% ～14%的5口井，利用上述疏水締合聚合物壓裂液進行施工，施工成功率為100%。壓裂后產油效果良好，且壓裂液返排率較高，沒有井出現返膠現象，施工結果良好(表3)。

表3 疏水締合物壓裂液施工效果統計

4 結論

(1)酸性疏水締合聚合物壓裂液能很好地解決阜東頭屯河組地層黏土膨脹問題，濾液對阜東斜坡區頭屯河地層巖心傷害率僅為3.58%。

(2)與胍膠壓裂液相比，酸性疏水締合聚合物壓裂液殘渣含量較小，只有70 mg/L，破膠液對水測滲透率為1387×10－3μm2的孔隙介質傷害率為13.8%，利于破膠返排。

(3)該壓裂液的使用取決于地層滲透率，在滲透率為46.2 ×10－3、10.68 ×10－3μm2的巖心端面會形成濾餅，由此導致對巖心的傷害率達到54.4%、45.3%，而在滲透率為 0.32 ×10－3μm2的巖心端面幾乎不會產生濾餅，傷害率為0。

(4)酸性疏水締合聚合物壓裂液現場應用增產效果顯著，沒出現返膠現象。

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