江蘇油田水力壓裂裂縫導(dǎo)流能力提高方法實驗研究

李太偉，杲 春，殷玉平，周繼東，王進濤

（中國石化江蘇油田分公司石油工程技術(shù)研究院，江蘇揚州 225009）

在水力壓裂過程中，裂縫導(dǎo)流能力對壓裂效果具有十分重要的影響，導(dǎo)流能力越高，壓裂增產(chǎn)效果越好，壓裂時效越長，獲得的經(jīng)濟效益也越大。壓裂液主要起傳遞壓力和攜帶支撐劑的作用，有利于形成高導(dǎo)流能力的裂縫，改善油氣滲流通道。目前，胍膠壓裂液成本較低，現(xiàn)場應(yīng)用廣泛，但實際施工時會對裂縫導(dǎo)流能力造成一定程度的傷害，從而影響儲層增產(chǎn)效果[1-3]。近年來國內(nèi)學(xué)者在胍膠壓裂液對裂縫導(dǎo)流能力的傷害方面研究較多，并取得了較深的認識。郭建春、曲占慶、黃禹忠、劉平禮、王中學(xué)等學(xué)者通過大量室內(nèi)實驗研究了胍膠壓裂液對導(dǎo)流能力的傷害程度、原因，研究認為胍膠壓裂液對導(dǎo)流能力的傷害較大，其中壓裂液中的水不溶物以及破膠后形成的殘渣是造成導(dǎo)流能力傷害的重要原因，但研究中未對裂縫導(dǎo)流能力的傷害機理進行深入分析，也并未形成系統(tǒng)的降低裂縫導(dǎo)流能力傷害的方法[4-9]。

江蘇油田儲層以油藏為主，在水力壓裂中通常需要形成具有一定長度的高導(dǎo)流填砂裂縫才能獲得較好的增產(chǎn)效果。目前對適合現(xiàn)場應(yīng)用的系統(tǒng)提高裂縫導(dǎo)流能力的方法研究報道較少。在這樣的背景下，研究了胍膠壓裂液對裂縫導(dǎo)流能力的傷害程度及規(guī)律，通過激光粒度儀測試了破膠液粒徑，并結(jié)合建立的裂縫充填層孔隙大小計算模型深入分析了胍膠壓裂液對裂縫導(dǎo)流能力的傷害機理，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)有壓裂工藝，從壓裂液優(yōu)化、破膠劑優(yōu)化、支撐劑鋪置方式優(yōu)化三個方面提出了降低胍膠壓裂液對裂縫導(dǎo)流能力傷害的方法。

1 胍膠壓裂液對裂縫導(dǎo)流能力傷害評價實驗

1.1 實驗方案

實驗采用智能裂縫導(dǎo)流儀，其中導(dǎo)流室采用API標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)流室，通過測量不同流量下的壓差，結(jié)合達西定律計算支撐裂縫導(dǎo)流能力。

通過向支撐裂縫中注入破膠液，研究胍膠壓裂液破膠液通入量對支撐裂縫導(dǎo)流能力的影響，實驗具體參數(shù)（見表1），具體步驟如下：

（1）用地層水測定支撐裂縫的導(dǎo)流能力，將其作為支撐裂縫的原始導(dǎo)流能力；

（2）向?qū)Я魇抑型ㄈ腚夷z壓裂液破膠液，并測試支撐裂縫導(dǎo)流能力的變化，測試時間間隔為1 min，壓裂液破膠液通入量為10 倍支撐劑孔隙體積；

（3）通過傷害后的支撐裂縫導(dǎo)流能力與原始導(dǎo)流能力的比值計算壓裂液破膠液對支撐裂縫導(dǎo)流能力的傷害程度。

表1 導(dǎo)流能力測試參數(shù)

1.2 導(dǎo)流能力傷害實驗結(jié)果及分析

模擬地層水及破膠液通入支撐裂縫后導(dǎo)流能力的變化（見圖1），其中用破膠液測得的導(dǎo)流能力遠小于用地層水測得的結(jié)果，在注入2 PV 時，導(dǎo)流能力傷害率超過50%，注入6 PV 時，導(dǎo)流能力傷害率已接近90%，注入 10 PV 時，導(dǎo)流能力降至 5 μm2·cm 左右，傷害率達98%以上。

圖1 20/40 目支撐裂縫導(dǎo)流能力變化

通過測定計算破膠液殘渣含量、粒徑中值以及支撐劑間隙孔隙直徑詳細分析了殘渣在裂縫中聚集、難以排出的原因。胍膠濃度為0.45%，破膠劑為過硫酸銨，使用濃度為50 mg/L，溫度為90℃時，測得破膠液殘渣含量為410 mg/L；通過馬爾文激光粒度儀測量破膠后粒徑分布（見圖2），其中粒徑大于20 μm 的殘渣占比近40%，粒徑大于50 μm 的殘渣占比近20%；支撐劑在地層堆積后，將在支撐劑顆粒之間形成一定間隙，假設(shè)支撐劑粒徑相同，間隙直徑r 可通過簡單模型（見圖3）計算，不同規(guī)格支撐劑對應(yīng)的間隙孔隙直徑計算結(jié)果（見表2），實際裂縫中，由于閉合壓力的作用以及支撐劑粒徑大小不一，支撐劑對應(yīng)的間隙孔隙更小，根據(jù)橋堵規(guī)則，破膠液殘渣進入支撐裂縫中難以排出，將對支撐孔隙造成堵塞，造成裂縫導(dǎo)流能力下降，因此可通過降低破膠液殘渣含量、粒徑大小以及增大支撐孔隙來降低胍膠壓裂液導(dǎo)流能力傷害。

圖2 破膠液粒徑分布（過硫酸銨）

圖3 支撐劑間隙直徑計算模型

表2 不同支撐劑對應(yīng)的孔隙直徑

2 裂縫導(dǎo)流能力提高方法研究

2.1 降低破膠液殘渣含量

2.1.1 稠化劑濃度優(yōu)化 壓裂液殘渣含量是導(dǎo)致裂縫導(dǎo)流能力降低的重要因素，胍膠濃度越大，水不溶物越多，破膠后殘渣含量越高，具體（見圖4）。

圖4 破膠液殘渣含量

不同粉比胍膠進入壓裂液后裂縫導(dǎo)流能力變化圖（見圖5），可以看出隨著胍膠粉比的增加，破膠液對裂縫導(dǎo)流能力的傷害增加，并且注入量越大，這種趨勢越明顯，因此降低胍膠的使用濃度有助于提高裂縫的導(dǎo)流能力。

圖5 胍膠壓裂液破膠液對導(dǎo)流能力的傷害

目前，江蘇油田主要通過在壓裂液中加入碳酸鈉，調(diào)節(jié)基液pH 值，優(yōu)化壓裂液的性能，降低施工中胍膠的使用濃度。不同條件下，粉比為0.45%的胍膠的耐溫耐剪切性能（見圖6），可以看出在未加入碳酸鈉的情況下，0.45%的胍膠經(jīng)剪切升溫達到100℃后，黏度迅速降至50 mPa·s 以下，難以滿足攜砂要求，加入0.05%的碳酸鈉后壓裂液的耐溫耐剪切性、攜砂性顯著增強，因此在施工時可以降低胍膠壓裂液的使用濃度，從而降低對支撐裂縫的傷害。

2.1.2 稠化劑類型優(yōu)化 目前國內(nèi)壓裂施工大多采用羥丙基胍膠壓裂液（HPG），但其破膠后固相殘渣含量高，而羧甲基胍膠壓裂液（CMHPG）具有水不溶物含量低、殘渣少、破膠性能好等優(yōu)點[10]。隨著胍膠濃度增加，CMHPG 與HPG 的殘渣含量均有所增加（見圖7），但是濃度相同的情況下CMHPG 的殘渣含量僅為HPG 的1/3～1/2。兩種破膠液對裂縫導(dǎo)流能力傷害具體（見圖8），其中羧甲基胍膠壓裂液對裂縫導(dǎo)流能力的傷害較低，有利于提高壓裂效果。

此外，CMHPG 體系耐溫性能強，當(dāng)壓裂目的層深度相同時，相比于HPG 可降低胍膠用量，從而進一步降低壓裂液破膠液中的殘渣含量，提高填砂裂縫的導(dǎo)流能力。

圖6 不同壓裂液耐溫耐剪切性能

圖7 不同胍膠壓裂液破膠液殘渣含量

圖8 不同胍膠壓裂液破膠液對裂縫導(dǎo)流傷害

2.2 提高壓裂液破膠效果

江蘇油田部分儲層埋深在1 500 m 左右，油層溫度較低，在使用過硫酸銨作為破膠劑時存在破膠不徹底的情況，影響油井壓裂效果和正常生產(chǎn)，因此優(yōu)選具有破膠效率高、破膠液粒徑小等優(yōu)點的生物酶作為破膠劑[11-13]。0.45%胍膠在50℃條件下通過30 mg/L 生物酶破膠劑所得破膠液殘渣的粒徑分布（見圖9），粒徑主要分布在1 μm 左右，相應(yīng)破膠液對導(dǎo)流能力的傷害有所減少（見圖10）。導(dǎo)流實驗中由于過硫酸銨在低溫下無法使胍膠壓裂液破膠，因此其破膠溫度設(shè)置為90℃，并測量對應(yīng)破膠液對導(dǎo)流能力的傷害。

2.3 增大支撐劑粒間孔隙

常規(guī)壓裂所形成的人工裂縫內(nèi)支撐劑是連續(xù)鋪置的，由于壓裂液含有水不溶物以及破膠不徹底等原因，支撐劑粒間孔隙易受到堵塞，導(dǎo)致裂縫導(dǎo)流能力下降[14]。江蘇油田自主研發(fā)形成了高導(dǎo)縫壓裂技術(shù)，該技術(shù)主要通過脈沖加砂及纖維伴注形成不連續(xù)支撐的人工裂縫。室內(nèi)實驗顯示高導(dǎo)縫壓裂技術(shù)提供的裂縫導(dǎo)流能力甚至能達到常規(guī)壓裂的100 倍以上，具體原理（見圖11），圖11（a）為常規(guī)支撐劑鋪置中流體滲流示意圖，圖11（b）為高導(dǎo)縫壓裂支撐劑鋪置中流體滲流示意圖，流體在不同支撐劑柱塞通道構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中流動，可以有效消除壓裂液殘渣對導(dǎo)流能力的傷害。

圖9 破膠液粒徑分布（生物酶）

圖10 不同破膠液對導(dǎo)流能力的傷害

圖11 不同支撐劑鋪置方式下流體滲流原理

3 結(jié)論

（1）壓裂液破膠液殘渣進入支撐裂縫中難以排出，將造成支撐孔隙堵塞，從而對導(dǎo)流能力造成一定的傷害，并且通入量越大，胍膠濃度越高，傷害程度越高。

（2）實際壓裂中，通過調(diào)節(jié)壓裂液的pH 值可以提高胍膠壓裂液的耐溫耐剪切性，從而降低稠化劑使用濃度，減少破膠液對支撐裂縫導(dǎo)流能力的傷害。

（3）羧甲基胍膠壓裂液水不溶物含量少、破膠液殘渣含量低、使用濃度低，應(yīng)用于壓裂中有利于提高裂縫導(dǎo)流能力。

（4）生物酶可以滿足淺井低溫井破膠要求，并且與過硫酸銨相比，具有用量少、破膠徹底、破膠殘渣粒徑較小等優(yōu)點，應(yīng)用于壓裂中可以降低破膠液對裂縫導(dǎo)流能力的傷害。

（5）高導(dǎo)縫壓裂通過支撐劑的非連續(xù)支撐形成開放通道，不易被壓裂液破膠殘渣堵塞，應(yīng)用于壓裂中可以大幅提高裂縫導(dǎo)流能力。