敏感性儲層低傷害壓裂液體系研究

＊王建東 周廣清* 孟憲波 單昕 董臣強 王軍

（1.勝利油田分公司油氣勘探管理中心 山東 257000 2.中石化新疆新春石油開發(fā)有限責任公司 山東 257000）

壓裂液是非常規(guī)油氣開發(fā)增產改造過程中的核心技術之一，壓裂液對儲層適用性的高低決定了壓裂效果，礦井開采效益[1-3]。目前國內外最常用的是水基壓裂液，適用于大多數油氣層和不同規(guī)模的壓裂改造[4]。但是水基壓裂液會對水敏儲層造成粘土遷移和膨脹，傷害儲層，因此常規(guī)水基壓裂液體系無法滿足特殊儲層的壓裂要求。壓裂過程會傷害儲層，造成裂縫堵塞、封閉，從而導致壓裂失敗[5]。

一般認為楊氏模量越大，巖石越不易發(fā)生形變，保持裂縫的效果越好，泊松比越低巖石越易形成裂縫。對于敏感性儲層，壓裂過程中易受到外來流體影響，造成孔喉堵塞，對地層造成二次傷害[6]。注入壓裂液一段時間后，由于破膠水化后流體濾失，導致濾液進入儲層裂縫孔隙，與儲層巖體及其中的流體發(fā)生反應，造成儲層傷害，甚至于裂縫堵塞或者關閉[7-8]。因此有必要開展適合敏感低溫儲層的新型壓裂液體系研究，滿足該類儲層壓裂要求。

本文通過物性實驗來確定儲層特性，形成儲層特征認識。通過實驗結果，確定壓裂液體系優(yōu)選實驗。選用稠化劑、助排劑和防膨劑等處理劑的優(yōu)化結合，以減少壓裂液對地層傷害、提高返排效果為目標。研究了一套適合于目標儲層的低傷害壓裂液體系。通過室內實驗對其性能進行評價，為增產改造提供更好的工藝方案。

1.儲層特性

目標地區(qū)儲層為灰色油斑粉砂巖，儲層泥質含量在26.34%～37.8%之間，泥質含量較高。通過X衍射實驗表明，儲層粘土含量較高為13%～20%，伊蒙混層為主要粘土礦物（80%～84%）。同時通過五敏實驗驗證壓裂液對儲層的影響，其中水敏性為中等偏弱，平均值為40.9%，速敏中等偏弱，儲層鹽敏、堿敏和酸敏損害低近似于無。該儲層屬于敏感性儲層，壓裂液優(yōu)選過程中需要注意儲層受壓裂流體及流速影響情況。

力學實驗結果中試件表現為低楊氏模量（2.05GPa～10.04GPa），低泊松比（0.16～0.3），不利于壓裂過程中裂縫的形成和保持。同時由于該儲層物性較差，孔隙度（6.3%～13%）和滲透率（0.381～7.02×10-3μm2）較低，屬于致密油藏，孔隙喉道細小，易受到孔隙中的粘土礦物影響堵塞喉道，不利于壓裂返排。因此該儲層對于壓裂液的選擇要求較高，而常規(guī)壓裂液易造成水相圈閉傷害，不利于增產壓裂。油田研究人員為解決這一問題，同時達到增產改造的目的，進行了適用于低溫儲層、殘渣含量少、對儲層傷害更低的低傷害壓裂液體系研究。

2.壓裂液體系優(yōu)化

根據該地區(qū)油田儲層泥質含量高、水敏較強等特點，結合工程實際要求，進行實驗與研究，最終研制出適合該地區(qū)敏感性儲層的具有低材料用量、易操作、防膨效果好和低傷害的壓裂液體系。

(1)稠化劑優(yōu)選

低傷害壓裂液體系包括：稠化劑、助排劑、防膨劑等組分。其中稠化劑作為水基壓裂液的主體，起到提高壓裂液粘度、降低液體濾失、懸浮和攜帶支撐劑的作用。該地區(qū)采用的水平井壓裂法，壓裂過程中對壓裂液需求較大，傳統(tǒng)的水基壓裂使用的瓜爾膠配液速度慢，溶脹時間長達4個小時，造成設備和工時浪費；質量難以保障，溶脹過程中可能產生魚眼和硬皮，造成環(huán)境污染和地層傷害；同時不易控制瓜膠黏度，難以達到根據現場需要調整黏度的要求；這些缺點將導致壓裂施工效率低下，壓裂液浪費以及成本上升。

與傳統(tǒng)瓜膠不同的是低濃度速溶瓜膠稠化劑具有配液時間短、成本低、對儲層滲透率傷害低等優(yōu)點，因此選用速溶瓜膠作為稠化劑。為驗證速溶瓜膠（SRG-2）的使用效果，在燒杯中加入100mL蒸餾水，啟動攪拌器，調節(jié)攪拌器轉速至500r/min，緩慢加入0.3gSRG-2到燒杯中，持續(xù)攪拌直到混合液挑掛后靜置，并測定0.3%濃度下的黏溫曲線。結果如圖1所示，在溫度為70℃條件下，SRG-2在35min后黏度穩(wěn)定在150MPa·s左右，其穩(wěn)定時間短，性質較為穩(wěn)定。

圖1 0.3%濃度SRG-2黏溫曲線

(2)助排劑優(yōu)選

壓裂液體系中加入的助排劑鋪展性越好，表明助排劑表面、界面性能越佳，能夠更好的降低體系的表面張力和油水界面張力，壓裂后返排效果越好[9]。根據標準SY/T 5755-1995《壓裂酸化用助排劑性能評價中的實驗方法》，選用預處理后的巖芯，使用表界面張力儀對不同助排劑溶液的表面-界面張力進行測定，三種助排劑濃度都為0.3%，實驗結果見表1。常用助排劑SL-P和SD-20與微乳液助排劑ME-2相比，ME-2表界面張力較低，可以與巖石形成中性潤濕，助排效果與優(yōu)于其他產品。因此，選用ME-2作為低傷害壓裂液體系的助排劑。

表1 助排劑優(yōu)選實驗結果

(3)防膨劑優(yōu)選

該地區(qū)儲層中黏土礦物的含量較高，以伊蒙混層為主，導致儲層水敏性較高（40.9%）。為解決地層傷害需要壓裂液具有高效的防膨率，可以抑制儲層中的泥質膨脹運移，減少壓裂損傷。為對不同防膨劑做出正確評價，使用油氣儲層砂巖進行實驗，實驗結果見表2。對比水、FP-2和高效防膨劑GF-1可以發(fā)現，GF-1巖芯損失率相對較低，更適合目標儲層。

表2 不同防膨劑的巖芯損失率

根據這一結果進行防膨實驗，以目標儲層巖芯使用離心法進行室內實驗，將試管中的GF-1防膨劑濃度設置為0%、0.5%、1.0%和2.0%，實驗如圖2所示。GF-1防膨劑防膨效果隨濃度增加而呈現增加的趨勢，且在濃度為0.5%時已經達到了83%（1.0%濃度防膨率86%，2.0%濃度防膨率92%），考慮到經濟效益，選用0.5%濃度GF-1作為低傷害壓裂液體系的防膨劑。針對該儲層的儲層特性，進一步降低儲層的水敏傷害，可以采用復合防膨技術，優(yōu)化防膨劑的組合比例。在防膨劑中添加不同濃度的KCl進行實驗，根據實驗結果（表3），確定復合防膨配方為0.5%防膨劑+1%KCl。

圖2 防膨劑優(yōu)選室內實驗圖

表3 不同配比防膨劑的復合防膨效果

(4)破膠實驗

油氣儲層溫度為60℃-70℃，屬低溫儲層，為消除由于儲層溫度造成常規(guī)壓裂液破膠困難的問題，需要優(yōu)化壓裂液破膠配方。壓裂施工中常用過硫酸銨作為破膠劑，根據石油天然氣行業(yè)標準SY/T 5107-2005《水基壓裂液性能評價方法》，進行靜態(tài)破膠實驗，實驗溫度設置為60℃，記錄不同過硫酸銨加量條件下，破膠液黏度達到6MPa·s所需要的時間，以此考察壓裂液體系的破膠性能實驗結果見表4。0.15%過硫酸銨加入0.1%低溫破膠激活劑時所需要的破膠時間最短，但是0.1%過硫酸銨條件下破膠激活劑作用更大，因此綜合經濟效益及實驗結果，選用0.1%過硫酸銨+0.1%低溫破膠激活劑。通過以上實驗，確定了適合該地區(qū)的壓裂液配方具體為：0.3%SRG-2瓜膠稠化劑+0.3%ME-2助排劑+0.5%GF-1防膨劑+0.02%Na2CO3pH調節(jié)劑+1%KCl以及0.1%過硫酸銨和0.1%破膠激活劑，同時加入0.4%TB-1有機硼交聯劑，保證壓裂液的粘彈性和懸砂性能。

表4 破膠劑使用效果

3.壓裂液性能測試

儲層滲透率的損害會影響壓裂施工效果，同時優(yōu)選出的稠化劑、防膨劑和助排劑的交聯使用效果需要進一步研究，防止壓裂液使用效果不能達到預期，因此需要對優(yōu)選的壓裂液配方進行性能測試。因此采用目標儲層巖芯進行實驗，實驗原理為：使用尺寸為25mm×50mm試件，巖芯按照SY/T 5336-2006標準進行洗油、徹底清洗和烘干后使用煤油作為流動介質進行驅替，實驗過程中溫度設置為70℃，完成驅替后測定其滲透率；滲透率測試完成后將配置好的壓裂液裝入高壓容器，加壓使壓裂液進入巖芯，同時記錄流出濾液的時間和體積，測定時間為36min，停止加入壓裂液后，保持試件在壓裂液完全充入的狀態(tài)2h，使之與壓裂液完全反應；結束后再次使用煤油進行驅替，并測定滲透率，損害前后兩滲透率的差值與損害前滲透率的比值即為巖芯傷害率。實驗結果見表5，巖芯損害率平均值為21.25%，對儲層傷害較小，具有低傷害的特點，達到了較為良好的保護效果。

表5 巖心傷害實驗

4.現場實驗

低傷害壓裂液體系在目標地區(qū)砂巖油氣儲層進行現場實驗，壓裂施工段垂深1922.20m～1941.70m，有效孔隙度為6.7%，滲透率為5.85×10-3μm2，地層溫度為60℃～70℃，采用室內實驗研究確定的壓裂液體系，支撐劑為600μm～300μm（45.0m3）+50μm～425μm（15.0m3）高強度陶粒，設計施工排量為8m3/min，壓裂液設計量為1030m3，加砂比為3%～45%。施工過程順利平穩(wěn)，壓裂后產油情況如圖3所示，試油期間平均日油3.72t，累計排水210.4m3，累油68.46t。與壓裂液優(yōu)化前（0.23t/d）相比，產量提高了16倍，說明優(yōu)化后的低傷害壓裂液體系滿足現場壓裂施工的要求。

圖3 壓后排液與生產曲線圖

5.結論

（1）實驗表明儲層粘土礦物以水敏性的伊蒙間層為主，占粘土含量的57%-84%，具有中等偏強的水敏性和中等偏弱的速敏，其它敏感性無或者弱。巖心實驗表明儲層楊氏模量小，巖心膠結疏松，表現出強塑性的特點，不利于壓裂。

（2）優(yōu)化后的低濃度胍膠壓裂液體系對巖心的傷害率為21%，雖然滿足壓裂生產需要，但還可以進一步研究，降低巖芯傷害率。

（3）現場應用結果較好，壓裂過程順利，能夠滿足砂巖油氣井低傷害和高效生產的要求，從而達到增產改造的目的。