臨興區(qū)塊致密氣儲(chǔ)層壓裂損害影響因素

余翠沛，張濱海，李紫晗，黃 晶，董子標(biāo)，岳前升

(1.長江大學(xué)，湖北 荊州 434023；2.中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100010)

0 引 言

近年來，非常規(guī)油氣開發(fā)逐漸成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)。致密氣作為一種非常規(guī)油氣資源[1-3]，其儲(chǔ)層損害機(jī)理備受關(guān)注。目前，致密氣儲(chǔ)層損害研究多集中于儲(chǔ)層自身特性造成的潛在損害，如黏土礦物引起的敏感性損害[4]、低滲透性造成的水鎖損害等[5-6]，但鮮有對工程因素尤其是壓裂作業(yè)造成的損害進(jìn)行研究，導(dǎo)致了致密氣儲(chǔ)層損害機(jī)理認(rèn)識(shí)不全面。臨興區(qū)塊(山西臨縣-興縣地區(qū))位于鄂爾多斯盆地東緣，其主力儲(chǔ)層石盒子組埋藏較淺，地層能量弱，儲(chǔ)層溫度較低(30～50 ℃)，儲(chǔ)層物性較差，需通過壓裂才能釋放產(chǎn)能。目前，臨興區(qū)塊壓裂施工作業(yè)量大，但壓裂后單井產(chǎn)能差異性明顯，其原因尚不明確。臨興區(qū)塊致密氣儲(chǔ)層溫度低，而較低的溫度不利于壓裂液破膠。因此，以儲(chǔ)層巖心滲透率損害率為評價(jià)指標(biāo)，在考慮儲(chǔ)層敏感性、水鎖效應(yīng)等儲(chǔ)層自身特性造成的儲(chǔ)層損害因素外，同時(shí)對壓裂施工過程中壓裂液的破膠殘液黏度和破膠殘?jiān)裙こ桃蛩氐膿p害開展室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，明確臨興區(qū)塊致密氣儲(chǔ)層壓裂損害因素，為該地區(qū)壓裂液配方優(yōu)選與儲(chǔ)層保護(hù)措施的制訂提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

選取現(xiàn)場使用的5套胍膠壓裂液，配方見表1。

表1 各壓裂液配方

實(shí)驗(yàn)巖心：石盒子組盒2段巖心H2、盒6段巖心H6取自LX-32井井筒取心巖樣；盒3段巖心H3和盒8段H8巖心取自LX-29井井筒取心巖樣。巖心經(jīng)過洗鹽處理，并經(jīng)G4玻砂漏斗過濾。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

waring-8011G吳茵混調(diào)器；品氏毛細(xì)管黏度計(jì)(內(nèi)徑為0.6 mm)；超級恒溫水浴儀，精度為0.1 ℃；離心機(jī)，最大轉(zhuǎn)速為4 000 r/min；配套離心管，量程為50 mL；美國Microtrac S3500型激光粒度儀；電子天平，精度為0.000 1 g；巖心污染與流動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置，湖北創(chuàng)聯(lián)石油科技有限公司生產(chǎn)。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 儲(chǔ)層敏感性評價(jià)

參照石油天然行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5358—2010《儲(chǔ)層敏感性流動(dòng)實(shí)驗(yàn)評價(jià)方法》進(jìn)行，考慮致密氣儲(chǔ)層特殊性，儲(chǔ)層敏感性的評價(jià)只涉及水敏、酸敏和堿敏。

2.2 水鎖效應(yīng)損害

實(shí)驗(yàn)步驟為：①將天然巖心洗鹽、干燥后測量巖心尺寸，測定巖心初始?xì)庀酀B透率Ko；②利用地層水飽和巖心，老化24 h后計(jì)算巖心孔隙度；③利用氮?dú)怛?qū)替巖心，直至達(dá)到束縛水飽和度，計(jì)算此時(shí)的氣相滲透率Kn；④計(jì)算水鎖指數(shù)[7]。

WBI=(Ko-Kn)/Ko×100%

(1)

式中：Ko為巖心的初始?xì)庀酀B透率，mD；Kn為達(dá)到束縛水飽和度條件下的氣相滲透率，mD；WBI為水鎖指數(shù)。

2.3 壓裂液破膠殘液損害

按配方分別配制胍膠壓裂液并盛入密閉容器中，在30 ℃水浴中恒溫12 h，取上層清液，利用品氏毛細(xì)管黏度計(jì)測量30 ℃時(shí)的壓裂液黏度。

破膠殘液損害巖心實(shí)驗(yàn)步驟為：①地層水飽和巖心，利用氮?dú)庹驕y得巖心氣相滲透率K1；②將胍膠壓裂液破膠，用殘液反向污染巖心并將巖心老化24 h；③利用氮?dú)庹驕y得污染后巖心的氣相滲透率K2，并計(jì)算巖心滲透率損害率。

(2)

式中：K1為巖心氣相滲透率，mD；K2為破膠殘液污染的巖心氣相滲透率，mD；η1為破膠殘液的巖心滲透率損害率。

2.4 壓裂液殘?jiān)鼡p害

按配方分別配制胍膠壓裂液并取50 mL至離心管中，在30 ℃水浴中放置4 h后以3 000 r/min的速度離心30 min，傾倒上層清液，加蒸餾水至50 mL，用玻璃棒攪拌殘?jiān)鼧悠泛笤僖? 000 r/min離心20 min，傾倒上層清液后在105 ℃溫度下干燥稱重，得到殘?jiān)|(zhì)量。

殘?jiān)鼡p害巖心實(shí)驗(yàn)步驟為：①地層水飽和巖心，利用氮?dú)庹驕y得巖心氣相滲透率K1；②將胍膠壓裂液破膠，殘?jiān)聪蛭廴編r心并將巖心老化24 h；③利用氮?dú)庹驕y得污染后巖心的氣相滲透率K3，并計(jì)算巖心滲透率損害率。

(3)

式中：K3為殘?jiān)廴镜膸r心氣相滲透率，mD；η2為殘?jiān)膸r心滲透率損害率。

3 結(jié)果討論

3.1 儲(chǔ)層敏感性評價(jià)

石盒子組儲(chǔ)層巖心敏感性評價(jià)結(jié)果如表2所示。由表2可知：儲(chǔ)層水敏損害程度為中等偏弱，酸敏損害程度為弱—中等偏弱，堿敏損害程度為弱—中等偏弱。綜合分析，石盒子組儲(chǔ)層敏感性為中等偏弱。為避免壓裂液對儲(chǔ)層造成敏感性傷害，應(yīng)提高壓裂液的防膨性，控制壓裂液的pH值最高不超過10。

表2 致密氣儲(chǔ)層敏感性評價(jià)結(jié)果

3.2 水鎖效應(yīng)損害

氣液相滲實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。由表3可知：石盒子組巖心水鎖指數(shù)為86.4%～99.8%，損害程度為強(qiáng)—極強(qiáng)，說明水鎖效應(yīng)對臨興區(qū)塊致密氣儲(chǔ)層損害相當(dāng)嚴(yán)重，并且其損害程度遠(yuǎn)大于敏感性損害。由于臨興區(qū)塊氣藏天然能量弱，在實(shí)際生產(chǎn)過程中可通過減小表面張力、增大接觸角的方式提高壓裂液破膠后殘液的返排能力，降低壓裂液造成的水鎖損害[8-10]。

表3 儲(chǔ)層巖心水鎖損害評價(jià)結(jié)果

程度極強(qiáng)。

3.3 破膠殘液損害

5種胍膠壓裂液體系的破膠殘液黏度及破膠殘液對巖心滲透率損害率(H2段巖心)如圖1所示。由圖1可知，壓裂液配方組成不同，破膠后殘液的黏度變化較大。壓裂液A破膠效果較差，破膠殘液黏度高于5.0 mPa·s，不能完全破膠。壓裂液B、D、E破膠效果相對較好，這是因?yàn)閴毫岩築、D、E的配方中除常規(guī)的破膠劑過硫酸銨外，還添加了高效生物酶破膠劑，保證了常溫條件下的破膠效果。為進(jìn)一步研究壓裂液破膠后殘液黏度對儲(chǔ)層的損害程度，以壓裂液B為例，通過調(diào)節(jié)加入破膠劑的用量得到不同黏度破膠殘液對儲(chǔ)層的損害率(圖2)。由圖2可知，殘液黏度與巖心滲透率損害率呈正相關(guān)，殘液黏度越大，儲(chǔ)層巖心損害程度越嚴(yán)重。臨興區(qū)塊致密氣儲(chǔ)層溫度較低，冬季施工時(shí)溫度更低，因此應(yīng)對普通破膠劑進(jìn)行優(yōu)化，除常規(guī)過硫酸銨外，還應(yīng)考慮添加生物酶破膠劑，確保在不同溫度條件下均能夠徹底破膠[11]。

圖1 不同壓裂液配方時(shí)的破膠黏度

圖2 破膠殘液黏度對儲(chǔ)層損害程度

3.4 壓裂液殘?jiān)鼡p害

5種胍膠壓裂液體系的殘?jiān)咳鐖D3所示。由圖3可知，壓裂液A、D、E的殘?jiān)炕鞠嗤?，而壓裂液B、C的殘?jiān)棵黠@升高。通過分析壓裂液成分可知，壓裂液B、C使用的是胍膠原粉，而另外3種使用的是化學(xué)改性的羥丙基胍膠，表明胍膠種類與胍膠壓裂液殘?jiān)棵芮邢嚓P(guān)。

圖3 5種壓裂液體系的殘?jiān)?/p>

壓裂液殘?jiān)鼉?chǔ)層損害結(jié)果見表4。由表4可知，含有壓裂液殘?jiān)囊后w反向污染5塊致密氣儲(chǔ)層巖心后，其滲透率損害率均不超過10.00%，表明殘?jiān)鼘χ旅軞鈨?chǔ)層巖心損害程度較小。

表4 胍膠壓裂液殘?jiān)鼘χ旅軞鈨?chǔ)層巖心傷害

通常認(rèn)為，壓裂液殘?jiān)鼘ΤＲ?guī)油氣儲(chǔ)層具有一定的傷害性[12-15]。為明確壓裂液殘?jiān)鼘χ旅軞鈨?chǔ)層損害程度低的原因，分析臨興地區(qū)致密氣主力儲(chǔ)層石盒子組和太原組的孔喉分布(表5)可知：上石盒子組最大孔喉半徑平均為1.702 μm，中值孔喉半徑平均為0.123 μm；下石盒子組最大孔喉半徑平均為0.948 μm，中值孔喉半徑平均為0.108 μm；太原組最大孔喉半徑平均為0.869 μm，中值孔喉半徑平均為0.070 μm。而利用激光粒度儀分析5種壓裂液破膠后殘?jiān)牧椒植?圖4)可知，各壓裂液殘?jiān)膁10均大于8.0 μm，d50大于25.0 μm，明顯大于最大孔喉半徑平均值，即胍膠壓裂液殘?jiān)戎旅軞鈨?chǔ)層孔喉大得多。因此，壓裂液殘?jiān)鼘?chǔ)層造成的損害非常有限，不足以成為胍膠壓裂液損害致密儲(chǔ)層的主控因素，但會(huì)影響裂縫的導(dǎo)流能力[16-22]。

表5 臨興致密氣儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖4 5種胍膠壓裂液破膠后殘?jiān)椒植?/p>

綜上所述，臨興致密氣壓裂過程儲(chǔ)層損害程度由大到小依次為水鎖損害、壓裂液破膠后殘膠、儲(chǔ)層敏感性，現(xiàn)場施工時(shí)所采用的壓裂液應(yīng)具有較低的表面張力和較大的接觸角，以降低儲(chǔ)層“自吸”產(chǎn)生的水鎖損害。由于臨興地區(qū)致密氣儲(chǔ)層溫度相對較低，胍膠壓裂液中添加過硫酸胺和生物酶，才能保證在低溫下徹底破膠，同時(shí)壓裂液應(yīng)具有較強(qiáng)的防膨性和合適的堿度?，F(xiàn)場施工中還應(yīng)采取措施盡可能提高壓裂后的返排率。

4 結(jié) 論

(1) 臨興致密氣儲(chǔ)層具有中等偏弱水敏、弱—中等偏弱程度酸敏和堿敏，水鎖損害程度為強(qiáng)—極強(qiáng)。當(dāng)使用單一過硫酸銨作為破膠劑、溫度為10～30 ℃時(shí)，破膠殘液黏度較高，對致密氣儲(chǔ)層損害程度加大。

(2) 胍膠種類影響胍膠壓裂液殘?jiān)暮?。粒徑分析和巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，殘?jiān)繉εR興致密氣儲(chǔ)層損害影響較小。

(3) 影響臨興區(qū)塊致密氣壓裂儲(chǔ)層損害的主要因素依次為水鎖效應(yīng)、破膠殘液黏度、儲(chǔ)層敏感性損害。提高助排性能、徹底破膠、增強(qiáng)防膨性和適合的酸堿度是壓裂儲(chǔ)層保護(hù)的關(guān)鍵。