砂巖儲層工作液傷害評價實驗方法研究

任桂蓉，潘寶風，陳智暉，鄒春霞，趙 祥

（中國石化西南油氣分公司工程技術研究院，四川德陽 618000）

川西致密砂巖以石英、長石為主，黏土礦物類型中綠泥石、伊利石含量較高，具備潛在傷害物質條件，工作液對儲層滲透率的損害程度是表征致密氣有效開采的關鍵指標之一[1-3]。目前國內傷害評價及滲透率測試相關標準共計6 項，其中包含3 項國家標準[4-6]（GB/T 28912—2012《巖石中兩相流體相對滲透率測定方法》、GB/T 29172—2012《巖心分析方法》、GB/T 34533—2017《頁巖氦氣法孔隙度和脈沖衰減法滲透率的測定》），2 項行業標準[7-8]（SY/T 5358—2010《儲層流體敏感性流動實驗評價方法》、SY/T 5107—2016《水基壓裂液性能評價方法》），1 項企業標準[9]（Q/SH 0501—2013《致密儲層敏感性流動實驗評價方法》）。綜合來看各標準對巖心的選取、工作液的制備方法規定各異，對于測試流程尚未作出明確的指示，無統一的可執行的砂巖儲層工作液傷害標準評價方法。為此，本文開展了巖心獲取來源調研及分析，探索傷害流體制備方法，進行基質滲透率測試流程優化，規范了巖心獲取、工作液制備及測試流程，建立了符合現場工況、具有可操作性的巖心傷害實驗方法。

1 巖心選取原則分析

1.1 巖心來源確定

標準顯示人造巖心和天然巖心均可用于傷害評價實驗，為給出更明確的巖心選取指導意見，開展了人造巖心和天然巖心孔滲對比實驗。

1.1.1 巖心孔隙結構差異 對天然巖心和人造巖心進行壓汞測試，由測試結果（表1）可以看出，在滲透率相近的條件下，天然巖心與人造巖心在孔隙結構方面存在差異，主要表現在孔喉半徑、孔喉分布特征和孔喉連通性三個方面。與人造巖心相比，天然巖心飽和度中值壓力較大，平均孔喉半徑較小；天然巖心分選較差，粗歪度，表明其孔喉大小不一，非均質性較強；人造巖心和天然巖心最大進汞飽和度相近，但天然巖心退汞效率較低，表明其連通性較差。

表1 不同巖心類型的壓汞測試結果

1.1.2 巖心滲流特性差異 選取滲透率相同或相近的天然巖心和人造巖心，對比開展不同工作液流經巖心的阻力系數測試（圖1），結果表明：當聚合物溶液、聚合物/表面活性劑二元復合體系、強堿/表面活性劑/聚合物三元復合體系和弱堿/表面活性劑/聚合物三元復合體系在巖心中流動達到穩定時，天然巖心與人造巖心阻力系數之比的平均值分別為1.69、1.73、1.78 和1.65，表明在滲透率相同或相近的條件下，與人造巖心相比，工作液在天然巖心中滯留量較大，滲流阻力較大。

圖1 天然巖心和人造巖心滲流特性對比

綜合天然巖心和人造巖心孔隙結構和滲流特性測試結果來看兩者差異較大，人造巖心無法代替天然巖心開展工作液優選實驗，推薦選取天然巖心開展傷害實驗。

1.2 巖心選取原則

CMS 300 測試不同區塊巖心孔滲參數結果顯示，同井同層位鉆取的天然巖心也存在較大的孔滲差異，如XP15 井的10 塊巖心孔隙度范圍在2.57%～14.22%，氣測滲透率范圍在0.005 728 00～2.541 714 00 mD（表2）。

表2 CMS 300 測試不同區塊巖心孔滲參數

選取不同巖心開展同一工作液的巖心傷害實驗（圖2、表3），結果表明：不同區塊孔滲相近的巖心實驗結果差異較大，傷害率之差大于10.00%；同一區塊不同井孔滲相近的巖心實驗結果差異較大，傷害率之差大于10.00%；同井同層位孔滲差異較大的巖心實驗結果差異較大，傷害率之差大于10.00%；同井同層位孔滲相近的巖心實驗結果差異較小，傷害率之差約為5.00%。因此，推薦評價篩選同類工作液時，統一采用同井同層位、孔滲相近的天然巖心開展測試實驗。

圖2 同一工作液不同巖心傷害對比實驗

表3 孔滲相近的巖心應滿足的條件

2 傷害液制備方法研究

據文獻資料和相關標準顯示[10-11]，鉆井液方面：按不同配方配制的鉆井液體系無需做特殊處理即可直接用作傷害液開展巖心傷害評價實驗。壓裂液方面主要有兩類不同做法，一類是采用壓裂液濾液作為傷害液，另一類是采用壓裂液破膠液作為傷害液開展實驗。

2.1 破膠液和濾液粒徑分布

配制了不同礦化水條件下的高黏降阻水和膠液，分別制備了相應的破膠液和濾液，開展粒徑分布對比分析實驗（圖3、表4）。實驗結果表明：相同配方制備的壓裂液破膠液和濾液粒徑分布差異不大。

圖3 工作液粒徑分布圖

表4 破膠液和濾液粒徑分布對比

2.2 破膠液和濾液傷害性能

據文獻報道壓裂液殘渣含量越高，對儲層的傷害越大，滲透率越大的儲層，壓裂液殘渣傷害越嚴重。另外，壓裂液殘渣在儲層表面形成的濾餅，在一定程度上增加了壓裂液返排的難度，也會造成儲層傷害。本文選取孔滲相近的巖心開展了標準鹽水、含固相壓裂液、過濾固相后壓裂液巖心傷害對比實驗，定量表征水鎖、水敏和固相傷害（圖4）。工作液如下：

圖4 水鎖、水敏及固相造成的傷害情況

流體1：標準鹽水組成：2.00%KCl+5.50%NaCl+0.45%MgCl2+0.55%CaCl2；

流體2：降阻水組成：0.1%降阻劑+0.1%助排劑+0.1%黏穩劑（過濾固相）；

流體3：降阻水組成：0.1%降阻劑+0.1%助排劑+0.1%黏穩劑。

實驗結果表明：水鎖導致滲透率平均降低了37.07%，降阻水水敏導致滲透率平均降低了9.35%，降阻水中固相導致滲透率平均降低了20.32%。

綜上可知：破膠液和濾液粒徑分布差異不大，濾液的制備過程導致部分固相流失不能較好的反映現場工況，推薦采用破膠液開展壓裂液巖心傷害實驗，且破膠液無需過濾，保留固相和殘渣。

3 滲透率測試方法確定

巖心滲透率傷害率測試方法均基于達西定律，主要分為液測和氣測兩類。液測是指使用選擇的液相實驗流體測定巖樣（提前抽真空飽和實驗流體）初始液體滲透率K1；在設定的實驗條件下，將工作液注入巖心，工作液注入巖心的方向、注入倍數以及巖樣與工作液的接觸時間依據工作液的性質決定；使用選擇的液相實驗流體測定工作液注入后巖心的滲透率K2；根據工作液注入前后的滲透率計算傷害率。氣測傷害過程與液測方法一致，用氮氣驅替測定巖樣（根據儲層特征建立相應的束縛水飽和度）傷害前和傷害后的氣測滲透率，從而計算傷害率，根據實驗需要設置傷害后氮氣驅替返排的時間，計算不同時間的巖心滲透率恢復率。

液測滲透率計算公式：

式中：K-巖樣初始液測滲透率，10-3μm2；μ-測試條件下的液體黏度，mPa·s；L-巖樣長度，cm；Q-液體在單位時間內通過巖樣的體積，cm3/s；A-巖樣橫截面積，cm2；Δp-巖樣兩端的壓差，MPa。

氣測滲透率計算公式：

式中：K-巖樣初始氣測滲透率，10-3μm2；μg-測試條件下的氣體黏度，mPa·s；L-巖樣長度，cm；A-巖樣橫截面積，cm2；Q0-氣體在單位時間內通過巖樣的體積，cm3/s；p0-測試條件下的標準大氣壓，MPa；p1-巖樣入口壓力（驅替壓力+0.0955 MPa），MPa；p2-巖樣出口壓力，0.0955 MPa。

鉆井液體系中單劑的優選通常采用流變、濾失等其他指標來衡量，巖心傷害評價實驗主要用來優選體系，對比不同鉆井液體系與儲層的適應性。為更好的貼合現場工況，推薦根據儲層特征建立巖樣含水飽和度，采用氣測滲透率方法優選鉆井液體系。壓裂液用于壓裂儲層，工作液會大面積接觸巖石，因此，體系中單劑的篩選除了考慮對基液黏度、耐溫耐剪切性能、降阻率、防膨率表面張力等指標的影響，還需考慮與實際巖樣接觸帶入的傷害，單因素篩選助劑時應盡量摒除水敏、水鎖等因素的影響，故推薦采用液測滲透率方法篩選壓裂液單劑。而壓裂液體系的篩選則應涵蓋多因素的影響，匹配現場工況，根據儲層特征建立巖樣含水飽和度，采用氣測滲透率方法優選壓裂液體系。

4 巖心傷害評價全流程指南

4.1 巖心傷害評價方法全流程

根據實驗目的明確滲透率傷害率測試方法，準備相應的流動介質、工作液（傷害液）、巖心，按步驟開展巖心傷害實驗（圖5、圖6）。

圖5 巖心流動實驗示意圖

圖6 巖心傷害評價實驗流程總圖

4.2 巖心傷害評價方法可靠性驗證

采用形成的統一的巖心傷害評價方法，開展了5組平行實驗對新方法進行驗證，結果表明新方法實驗重現性較好，各組平行實驗巖心傷害率差值均小于5.00%（表5）。

表5 巖心傷害評價方法驗證

5 結論

（1）通過開展壓汞測試和阻力系數測試，明確了人造巖心與天然巖心孔滲特征存在很大差異，無法代替天然巖心開展傷害評價，推薦評價篩選同類工作液時，統一采用同井同層位孔滲相近的天然巖心開展測試實驗。

（2）測試表明破膠液和濾液粒徑分布差異不大，但濾液的制備過程導致部分固相流失不能較好的反映現場工況，推薦采用破膠液開展壓裂液巖心傷害實驗，且破膠液無需過濾，保留固相和殘渣。

（3）根據工作液特征和實驗測試流程分析，推薦采用液測滲透率方法篩選壓裂液單劑；采用氣測滲透率方法優選工作液體系。

（4）采用形成的統一的巖心傷害評價方法，開展了5 組平行實驗對新方法進行驗證，結果表明新方法實驗重現性較好，各組平行實驗巖心傷害率差值均小于5.00%。