壓裂液傷害的計算機斷層掃描技術

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(1.中國石油 勘探開發研究院，北京 100083；2.中國石油 油氣藏改造重點實驗室,廊坊 065007；3.中國石油 大慶油田采油二廠，大慶 163461；4.中國石油 長慶化工集團有限公司，西安 710018)

壓裂液是壓裂施工的作用液體，其能夠在地層形成具有一定幾何形狀的高導流裂縫。壓裂液在改善油氣通道時，因為液體與儲層的相互作用會給儲層帶來傷害[1]，影響壓裂施工的效果，所以分析致密儲層的特點與壓裂液傷害的關系，對減少壓裂液傷害，提高壓裂效果有極大意義。目前，用于測試壓裂儲層傷害的試驗方法主要有：恒速壓汞、巖心基質滲透率損害測定、敏感性、表面和界面張力、膨脹測試[2-6]等。上述方法通過模擬壓裂液及其破膠液在儲層中的作用過程，得到試驗數據，反映壓裂液性能對儲層傷害的影響程度。雖然上述方法能夠定性定量分析不同類型傷害的程度，但由于試驗對巖心的破壞性，所以不能對比分析傷害前后的巖心數據；由于可視化能力的限制，不能直觀表現傷害發生的位置和程度，進而難以分析傷害產生的具體原因。

CT(計算機斷層掃描)技術可以在不破壞巖心的前提下進行無損檢測[7-8]，分析巖心結構、流體分布狀態、黏土礦物形態改變等參數。在石油工業的許多領域尤其是地質勘探領域，采用CT技術對儲層和巖心性質的研究已經有很大發展[9]，如使用CT技術建立儲層巖心結構模型[10-13]，將CT技術與巖心壓敏試驗結合分析儲層應力敏感性[14]，將CT技術與核磁共振試驗結合分析巖心水驅油過程[15-16]等。

1 CT試驗方法

CT技術可以在巖心孔隙存在壓裂液等液體的情況下進行試驗，有利于對比傷害前后巖心的狀態、且可以定量分析和直觀觀察壓裂液儲層傷害的位置和程度。已有學者使用CT技術對儲層傷害進行分析，但僅僅局限于地質角度，未與壓裂施工和壓裂液作用相結合[17-19]。筆者使用CT技術分析了壓裂液破膠液浸泡前后的巖心結構、孔隙度和黏土體積等參數，將CT數據與壓裂液傷害研究試驗相結合，對壓裂液傷害的原因進行深入剖析。

采用微米-納米級CT 掃描系統對壓裂液傷害前后的巖心進行微觀分析過程為：① 建立傷害前后的孔-喉結構微觀圖像；② 使用CT分析軟件定量計算傷害前后的孔隙度、滲透率的變化；③ 通過定性和定量數據對比，結合恒速壓汞、傷害等壓裂液性能評價試驗結果，解釋CT技術對傷害分析的補充作用；④ 通過CT圖像直觀分析傷害產生的位置、傷害程度和傷害原因。

2 實例分析

2.1 試驗條件

壓裂液浸泡后巖心碎屑會在孔-喉處產生膨脹和運移，進而使油氣滲流通道發生變化，即“傷害”。采用CT技術分析使用3種壓裂液破膠液浸泡同一儲層巖心前后發生的結構改變和定量檢測結果，結合同一儲層巖心的恒速壓汞、傷害試驗等數據，分析CT數據對傷害分析的輔助作用。

CT試驗選用Phoenix nanotom m CT系統分析儲層巖心三維孔-喉結構和建立3D圖像，利用VGStudio MAX軟件定量計算巖心孔隙度和滲透率；巖心取自鄂爾多斯盆地的延長組7段儲層，制成直徑為0.3 cm,長度為1 cm的圓柱體。試驗液體采用壓裂液破膠液，破膠液配方和制得條件見表1。浸泡過程中，破膠液常溫下浸泡72 h。采用ASPE730型恒速壓汞儀對巖心樣品進行孔-喉大小的定量分析；樣品是長7組儲層的近50個巖心樣品。采用美國千德樂6100型傷害儀等儀器，參考石油天然氣行業標準SY/T 5107-2015《水基壓裂液性能試驗方法》和SY/T 5971-2016《注水用黏土穩定劑性能評價方法》測試壓裂液巖心基質滲透率傷害率、膨脹率等性能數據。巖心樣品是同一儲層的巖心。

表1 壓裂液破膠液配方和制得條件

2.2 試驗結果

2.2.1 CT試驗結果

通過CT掃描得到的不同壓裂液破膠液浸泡傷害前后的巖心孔-喉結構如圖1～3所示。CT定量測試得到的儲層參數包括傷害前后的孔隙百分比及體積減少率等(見表2)。孔隙度減少率=(傷害前孔隙度-傷害后孔隙度)/傷害前孔隙度×100%。

使用CT分析軟件可建立孔-喉結構的球棍模型：在試驗中設定直徑大于5 μm的孔隙在圖中表現為“球”，直徑小于5 μm的孔隙在圖中表現為“棍”，球棍模型可以更明顯地表達浸泡后孔隙和喉道數量的變化和傷害產生的位置，以利于傷害因素的分析。以纖維素壓裂液為例，其孔-喉變化的球棍模型如圖4所示。

表2 CT定量測試得到的儲層參數

圖1 瓜膠壓裂液破膠液浸泡前后的巖心孔-喉CT圖像

圖2 纖維素壓裂液破膠液浸泡前后的巖心孔-喉CT圖像

圖3 低濃度瓜膠壓裂液破膠液浸泡前后的巖心孔-喉CT圖像

圖4 纖維素壓裂液破膠液浸泡前后的巖心孔-喉球棍模型

由CT圖像分析可知，儲層喉道多呈束狀、片狀等，孔-喉結構不利于液體的運輸。由CT定量分析軟件分析可知，長7組致密油儲層孔隙和喉道都是微-納米級別，物性較好的儲層(滲透率>0.1 mD，1 mD=0.987×10-3μm2)存在20%～30%連通性較好的大喉道，喉道半徑大于4 μm，而物性較差儲層(滲透率<0.1 mD)喉道細小，半徑小于0.1 μm的喉道約占60%，且連通性差。有效儲集空間滲流能力差是傷害產生的根本原因。

2.2.2 恒速壓汞數據

使用恒速壓汞試驗進行孔隙、喉道及孔-喉連通性研究，數據見表3，由數據可知，主體喉道半徑為0.3 μm左右，主體孔隙半徑為160 μm左右，喉道細小，不利于儲層中的流體流動，儲層物理性質差，容易產生傷害。分析其中5塊巖心樣品儲層孔-喉半徑比(見表4)，試驗數據顯示，滲透率低的樣品(Y2,Z143,N52)的孔-喉半徑比大，即大孔隙被小喉道所控制，連通性差。通過標準方法測試得到的與壓裂液傷害分析有關的參數見表5。

表3 孔-喉定量分析數據

表4 致密油儲層定量評價綜合對比

表5 壓裂液傷害性能評價參數

3 試驗數據分析

由CT掃描得到的不同壓裂液破膠液浸泡傷害前后的巖心孔-喉結構圖可知，浸泡后孔-喉明顯減少，分布變稀。結合CT定量分析數據、恒速壓汞數據和壓裂液巖心基質滲透率傷害性能評價數據可知，壓裂液儲層傷害主要是儲層和壓裂液雙方相互作用的結果。

(1) 致密儲層巖心物性差是引起儲層傷害的根本原因。儲層喉道多呈束狀、孔隙縮小型、片狀等；主體喉道半徑為0.3 μm左右，主體孔隙半徑為160 μm左右，喉道細小，不利于儲層中流體的流動；喉道半徑小于0.1 μm的喉道約占60%，細小喉道是形成傷害的主要位置；主要孔隙和喉道都是微-納米級別，有效儲集空間滲流能力差是傷害產生的根本原因。

(2) 壓裂液與儲層的相互作用是傷害的引發因素：壓裂液膨脹率數據說明，自身防膨脹效果較好的纖維素壓裂液在CT定量分析中，黏土物質體積增加[20]最少，其作用原理為：黏土物質膨脹對孔-喉的擠占少，對應的孔隙率減小最少，黏土物質體積增加也最少。壓裂液破膠液表面和界面張力數據說明了壓裂液的返排能力，易于返排的低濃度改性瓜膠壓裂液表面和界面張力數值低，其破膠液滯留在孔-喉中引起水鎖傷害[21-22]的可能性降低，其直觀表現為CT分析時，殘留液體占據的孔隙體積小。殘渣數據反映壓裂液產生堵塞孔-喉物質[23-24]的多少，無殘渣的纖維素壓裂液在CT定量分析中對應的孔隙度的減少率最小。因此，改善壓裂液膨脹、表面、界面和殘渣等各方面性能可以有效改變壓裂液破膠液對儲層的破壞程度。

(3) 巖心基質滲透率傷害率是壓裂液傷害導致儲層滲透率改變的宏觀表示，是膨脹、運移、水鎖等傷害因素共同作用的結果。CT定性、定量、可視化分析的結果與巖心基質滲透率傷害試驗結果一致。巖心基質滲透率傷害率低的低濃度改性壓裂液和纖維素壓裂液，其黏土物質的增加和孔隙的減少都相對較低。CT定性、定量、可視化的分析能力能更直觀反映上述傷害產生的原因和位置，為壓裂液傷害分析提供有效支持。

4 結語

(1) CT技術可以定量并直觀分析壓裂液儲層傷害的程度、位置和原因。通過CT技術在壓裂液傷害分析上的應用可知，儲層喉道細小時不利于儲層中的流體流動。儲層結構、不規則的孔隙結構都是傷害的因素。

(2) CT技術可以有效印證其他分析手段得到的數據。CT定量分析數據與壓裂液傷害評價數據有較好的印證。黏土膨脹、表界面張力等作用效果都可以通過CT圖像直觀地反映。

(3) CT技術能建立球棍模型等直觀分析模型，能定量計算孔隙體積等孔-喉數據，有利于進一步分析產生傷害的儲層結構特點和傷害產生的程度與位置。