致密砂巖油藏壓裂液傷害實驗研究

趙金省, 李斌, 馬景洋, 楊艷寧, 居迎軍

(1.陜西省油氣田特種增產技術重點實驗室，西安 710065； 2.西安石油大學石油工程學院， 西安 710065；3.中國石油長慶油田分公司第六采油廠， 定邊 718606)

致密砂巖油藏滲透率低、孔喉細小且孔喉結構復雜，在壓裂過程中由于壓裂液濾失、返排不徹底等因素極易造成儲層傷害[1-2]。壓裂液對儲層的傷害可以分為固相傷害和液相傷害,其中固相傷害主要是對裂縫導流能力的傷害，具體包括壓裂液殘渣堵塞，濾餅、液體濃縮降低儲層導流能力等傷害。壓裂液液相傷害主要是對儲層基質的傷害，具體包括黏土膨脹等水敏傷害、濾液中的大分子物質堵塞孔喉、水鎖等傷害[3-7]。

針對致密砂巖油藏壓裂多用的是羥丙基胍尓膠壓裂液，羥丙基瓜爾膠是由瓜爾膠化學改性而成的一種低傷害壓裂液稠化劑，具有高黏度、殘渣低、水溶性好，對砂巖油藏低傷害的特點[8]。另外，近些年針對致密油氣藏開展的大規模壓裂多用到滑溜水壓裂液，滑溜水壓裂液具有減阻性能好、儲層傷害小、降低壓裂施工摩阻、施工成本小的特點[9-10]。但對于致密砂巖油藏，其孔喉細小且連通性差，無論哪類型的壓裂液，濾失以及返排不徹底都會造成儲層基質和支撐裂縫的傷害，因此有必要針對常用壓裂液體系(交聯胍膠壓裂液、滑溜水壓裂液和線性膠壓裂液)對儲層基質和支撐裂縫導流能力的傷害進行評價。

目前，針對壓裂液對儲層傷害的研究比較多[9-14]，包括壓裂液破膠過程中的殘渣傷害、黏土吸水膨脹損害、導流能力傷害等。張穎等[9]針對JHFR滑溜水壓裂液對瑪湖1井區天然巖心的傷害進行了測試，結果表明滲透率傷害率為17.80%和18.34%。袁旭等[3]利用裂縫導流儀研究了壓裂液侵入對裂縫導流能力的影響，結果表明，壓裂液侵入造成支撐劑破碎和嵌入程度加劇，導流能力傷害達到 60% 以上。Wang等[14]研究了致密砂巖壓裂后殘留的破膠液對裂縫導流能力的影響，研究表明，破膠液對裂縫導流能力的不利影響主要發生在閉合壓力大于50 MPa的區域。以上研究多是針對單一的傷害因素，沒有針對不同類型壓裂液對儲層基質和支撐裂縫的傷害進行對比。針對此，現采用核磁共振和驅替實驗相結合的方法，對比研究滑溜水壓裂液、線性膠壓裂液和交聯胍膠壓裂液3種壓裂液體系對儲層基質和支撐裂縫導流能力的傷害，有助于理解壓裂液對儲層的傷害機理并指導現場應用。

1 儲層孔喉特征

環西勘探新區位于鄂爾多斯盆地西南、環縣以西偏北部，長8儲層是主力油藏之一，砂巖儲層致密，孔喉連通性差，儲層改造傷害大、返排率低。長8 儲層平均孔隙度7.34%，平均滲透率0.185×10-3μm2。孔隙類型以粒間溶孔為主、粒內溶孔和顆粒溶孔次之，粒間孔、微孔和鑄模孔最少(圖1)。喉道類型以片狀、彎片狀和管束狀為主，其中彎片狀喉道發育程度高，還發育一部分縮徑狀喉道。平均孔喉中值半徑0.056 μm，平均孔喉半徑0.164 μm，平均喉道分選系數2.128，并且整體表現為孔喉細小，分選差的特點。

2 實驗部分

2.1 實驗設備和藥劑

實驗內容包括壓裂液對巖心基質的傷害實驗和壓裂液對支撐裂縫的傷害，用到的主要設備包括GG871-B型高溫高壓濾失儀(青島創夢儀器有限公司)、RS600型哈克流變儀[賽默飛世爾科技(中國)有限公司]、QBZY-1型全自動表面/界面張力儀(上海方瑞儀器有限公司)、MiniMR型核磁共振測試儀(蘇州紐邁電子科技有限公司)、CMS-300型覆壓孔滲測試儀(美國巖心公司)、DLY-Ⅲ裂縫導流能力實驗儀(江蘇詩禮石油科研儀器有限公司)。壓裂液采用滑溜水壓裂液、線性膠壓裂液和交聯胍膠壓裂液，對應的壓裂液配方為， 滑溜水壓裂液體系：0.25%減阻劑+0.3%油井黏土穩定劑+0.3%結構穩定劑；線性膠壓裂液體系：0.30%羥丙基胍尓膠+0.1%殺菌劑+0.5%油井助排劑+0.55%油井黏土穩定劑+0.3%調節劑；交聯胍膠壓裂液體系：0.3%羥丙基胍尓膠+0.1%殺菌劑+0.5%油井助排劑+0.55%油井黏土穩定劑+0.3%調節劑+100∶0.5交聯劑。

2.2 壓裂液性能參數

利用高溫高壓濾失儀分別測試3種壓裂液的濾失系數。將交聯胍膠壓裂液、滑溜水壓裂液和線性膠壓裂液在儲層溫度(80 ℃)下充分破膠，按照SY/T 5107—2016《水基壓裂液性能評價標準》，測試破膠液的黏度、表面張力和殘渣含量，測試結果見表1。

由表1可以看出，由于滑溜水壓裂液和線性膠壓裂液不含有交聯劑，其濾失系數要高于交聯胍膠壓裂液的濾失系數。3種壓裂液破膠液在儲層溫度(80 ℃)下的黏度為 2.1～3.6 mPa·s，且破膠時間均小于1 h，滿足行業標準要求；3種壓裂液破膠液的表面張力相差不大，在29.55～34.41 mN/m 范圍內。3種壓裂液破膠液的殘渣含量相差較大，滑溜水壓裂液由于不含有羥丙基胍尓膠成分，其殘渣含量最低，交聯胍膠壓裂液和線性膠壓裂液體系的殘渣含量較高。

表1 壓裂液的性能參數

2.3 實驗方法和實驗步驟

2.3.1 基于核磁共振的壓裂液基質傷害實驗

壓裂液在儲層基質內的濾失會造成水鎖、液體滯留、堵塞孔喉等基質傷害，根據核磁共振技術測試巖心注壓裂液前后的T2譜以及滲透率的變化，分析3種壓裂液對儲層基質的傷害機理。具體實驗步驟如下：①巖心烘干，氣測原始滲透率K1；②巖心飽和地層水，測核磁共振T2譜；③注入不同類型壓裂液1.0 PV，注入破膠劑待壓裂液破膠后，注入氮氣充分返排；④保留濾餅和去掉濾餅后再次測定其滲透率K2，并計算壓裂液對巖心的傷害率；⑤飽和地層水，測核磁共振T2譜。

2.3.2 壓裂液對支撐裂縫導流能力的傷害實驗

支撐裂縫導流能力的大小直接影響壓裂儲層改造的效果，利用裂縫導流能力測試儀對20～40目石英砂形成的支撐裂縫分別注入3種壓裂液，測試并分析壓裂液殘渣對支撐裂縫導流能力的傷害。具體實驗步驟如下：①在導流室內加入鋪砂濃度為6 kg/m2的20～40目石英砂；②液測原始支撐裂縫不同閉合壓力下的導流能力；③分別注入5 PV的滑溜水壓裂液、胍膠壓裂液和交聯胍膠壓裂液；④注入破膠劑，充分破膠并返排；⑤再液測不同閉合壓力下的導流能力；⑥分析對比注壓裂液前后的導流能力。

2.4 實驗結果與分析

2.4.1 基質傷害

由于壓裂液含有高分子成分，在壓裂液向儲層濾失過程中，黏稠的高分子成分會粘附在裂縫巖石壁面上形成濾餅，濾餅一方面可以阻止壓裂液向儲層的進一步濾失，另一方面在裂縫閉合開井投產后濾餅也會增加儲層內的油水向裂縫內的滲流。因此，實驗中分別測試了注入壓裂液后含濾餅和不含濾餅的巖心滲透率和傷害率。測試結果見表2。

表2 不同壓裂液巖心基質傷害率

為了更微觀地分析壓裂液侵入儲層對儲層孔喉半徑分布的影響，實驗采用核磁共振技術分別對注壓裂液前后的巖心進行T2譜測試。根據核磁共振原理，T2表示的是孔隙流體中的氫核的橫向弛豫時間，T2譜的分布也就代表了孔隙半徑分布[15]。根據基于T2譜的孔徑大小分類方法[16]，可以按照T2譜的大小將孔隙分成4類：微孔(T2<1 ms)、小孔(1 ms100 ms)。3種壓裂液注入巖心前后的T2譜分布曲線見圖2。

圖2 3種壓裂液注入巖心前后的T2譜分布曲線Fig.2 T2 spectrum distribution curve of core before and after injection of three kinds of fracturing fluid

由表2可以看出，由于3種壓裂液的濾失性差異，滑溜水壓裂液和線性膠壓裂液的濾失系數較大，濾失到基質內的基液較多，導致基質傷害率：滑溜水壓裂液>線性膠壓裂液>交聯胍膠壓裂液。基質傷害程度和濾失系數呈正相關關系，濾失系數越大，基質傷害越大，但由于濾餅的存在可以有效抑制壓裂液的進一步侵入，因此3種壓裂液對儲層基質的傷害程度比較小，6塊巖樣的基質傷害率在13.83%～24.19%，平均19.88%。對于濾餅傷害，由于線性膠壓裂液和交聯胍膠壓裂液含有高分子成分羥丙基瓜爾膠，形成的濾餅厚度更大，濾餅傷害也就越大，使得濾餅傷害率：交聯胍膠壓裂液>線性膠壓裂液>滑溜水壓裂液。濾餅傷害程度和濾失系數呈負相關關系，濾失系數越小，濾餅傷害就越大。交聯胍膠壓裂液濾失系數最小，壓裂液難以侵入巖心基質，實驗觀察到巖心出口并不是黏稠的壓裂液，而是比較清澈的液體，巖心進口端表面附著大量殘留物即泥餅，說明壓裂液進入巖心很少，固體殘渣殘留在巖心表面，所以交聯胍膠壓裂液對巖心基質傷害較小，但濾餅傷害最大。整體看來，3種壓裂液對巖心的濾餅傷害要大于基質傷害，而且基質傷害越小，其濾餅傷害就越大。

由圖2可以看出，3種壓裂液注入巖心前后的T2譜分布均產生了一定差異，其中1#巖心和3#巖心分別注的滑溜水壓裂液和線性膠壓裂液，其濾失系數大于交聯胍膠壓裂液，因此1#巖心和3#巖心注壓裂液前后的T2譜差異要大于交聯胍膠壓裂液。由于交聯胍膠壓裂液濾失系數最小，3#巖心注壓裂液前后的T2譜變化不大。這和表2中測試的基質傷害規律是一致的。而且，注壓裂液前后的T2譜差異主要發生在中孔和大孔，說明針對致密砂巖，壓裂液對儲層基質的傷害主要是對儲層中孔和大孔的傷害。

2.4.2 支撐裂縫導流能力傷害

壓裂過程中的返排不徹底，會使一部分破膠液殘渣滯留在支撐裂縫中，降低支撐裂縫的導流能力，進而影響油井產能。針對此，采用油田常用的20～40目石英砂填制人工裂縫導流室，測試注壓裂液后前后的導流能力變化。導流能力測試結果見圖3，導流能力傷害率計算結果見表3。

圖3 支撐裂縫注壓裂液前后的導流能力變化Fig.3 Variation of conductivity before and after injection of fracturing fluid in propped fractures

表3 3種壓裂液對支撐裂縫導流能力的傷害率

由圖3和表3可以看出，3種壓裂液注入后，導流能力都有所下降。注入滑溜水壓裂液后，導流能力和原始支撐裂縫的導流能力相比下降的不明顯，而注入胍膠和交聯胍膠后，導流能力下降的比較明顯，對導流能力的傷害率也要遠遠大于滑溜水壓裂液，而且交聯劑的加入使得交聯胍膠壓裂液對導流能力的傷害要大于線性膠壓裂液。3種壓裂液對支撐裂縫導流能力的傷害大小和破膠液的殘渣含量有關，殘渣含量越高，對支撐裂縫導流能力的傷害也就越大。隨著閉合壓力的不斷增大，傷害率也增大。分析原因主要是壓裂液破膠后殘渣成分粘附在支撐劑孔隙中，使得液體通過滲流通道的阻力變大；而隨著閉合壓力增大，支撐劑被壓的越緊實致密，使得傷害率增大較明顯。

3 結論

(1)3種壓裂液對儲層基質傷害和濾餅傷害和濾失系數有關，濾失系數越大，基質傷害越大，濾餅傷害越小。基質傷害率：滑溜水壓裂液>線性膠壓裂液>交聯胍膠壓裂液。濾餅傷害率：交聯胍膠壓裂液>線性膠壓裂液>滑溜水壓裂液。對于致密砂巖，3種壓裂液對儲層的濾餅傷害要大于基質傷害。

(2)針對致密砂巖儲層，壓裂液的濾失主要進入中孔和大孔，說明壓裂液對儲層基質的傷害主要是對儲層中孔和大孔的傷害。

(3)3種壓裂液對支撐裂縫導流能力的傷害大小和破膠液的殘渣含量有關，殘渣含量越高，對支撐裂縫導流能力的傷害也就越大。閉合壓力越高，支撐裂縫導流能力傷害率也越高。