壓裂返排液顆粒粒徑與儲層損害關系研究

2015-12-04 01:33:56張小意王松胡三清楊歡長江大學化學與環境工程學院湖北荊州434023

長江大學學報(自科版) 2015年19期

張小意，王松，胡三清，楊歡（長江大學化學與環境工程學院，湖北荊州434023）

油層壓裂工藝措施是提高油層滲透能力以增加注水量或產油量的主要措施之一［1］。壓裂過程中采用的液體是壓裂液，壓裂工作結束后返排到地面的液體即壓裂返排液（廢棄壓裂液）。隨著油田開發的進行，壓裂工作量逐年增大，壓裂會對儲層造成傷害。當壓裂液進入地層后，會導致黏土吸水膨脹、分散運移引起滲透率下降，還會導致原油重質成分析出、堵塞地層孔隙使底層滲透率下降，而壓裂液返排不徹底也會嚴重損害油層，若將壓裂液直接外排，會對周圍環境尤其是農作物和地表水系造成污染［2～5］。由于壓裂液對于儲層的傷害具有不可逆性，因而對壓裂返排液顆粒粒徑與儲層損害的關系進行研究具有重要意義。

1 試驗部分

1.1 試驗材料與儀器

1）試驗原料。陜北油田壓裂返排原液樣品以及人造巖心若干；氯化鈉、氯化鈣和六水合氯化鎂（均為分析純）；3種體系壓裂返排液配方，即滑溜水體系（AP183）：清水＋0.25%EM30＋0.25%TOF－2＋0.5%TOS－1；胍膠體系（L41）：基液，清水＋（025%或0.3%）CJ2－6＋0.5%COP－3＋0.5%CF－5D＋0.1%CJSJ－3＋0.3%TJ－1，交聯劑，JL－13（0.3%～0.6%）；滑溜水與胍膠的混合體系（混合比例為1∶1）。

2）主要儀器。Microtrac S3500型激光粒度分析儀。

1.2 試驗方法

1）配制標準鹽水（參照文獻［6］，配方比為NaCl∶CaCl2∶MgCl2·6H2O＝7∶0.6∶0.4），靜置48h后用雙層濾紙過濾備用，同時作好巖樣準備。

2）按巖心驅替試驗流程圖（見圖1）接好管線，將標準鹽水裝入高壓容器，將巖樣裝入巖心夾持器中，使標準鹽水正向擠入巖心，緩慢將圍壓調至2MPa，且檢測過程中始終保持圍壓值大于巖心上游壓力1.5～2MPa。調節驅替泵的流量為0.5ml／min開始驅替，直至流量及壓差穩定后記錄壓差和流量值。

3）將標準鹽水更換為壓裂返排液，更換巖樣方向，使返排液反向擠入巖心，注入量應大于2PV，停驅替泵，關閉巖心夾持器的入口和出口閥門，使巖樣與工作液接觸達10h以上。

4）將標準鹽水裝入高壓容器中，使標準鹽水正向擠入巖樣，調節驅替泵的流量為0.5ml／min，使其與測Ko（返排液損害巖心前巖心對標準鹽水的平衡滲透率）時的驅替流量相等，待壓差和流量穩定后，記錄穩定的壓差和流量值，計算巖樣在被壓裂返排原液損害前后巖樣的液體滲透率以及損害后巖心滲透率恢復值。

圖1 巖心驅替試驗流程圖

2 結果與分析

2.1 粒徑分析

圖2 AP183壓裂返排原液粒徑分布圖

分別取3種壓裂返排液體系，即滑溜水體系（AP183）、滑溜水＋胍膠混合體系（AP189）和常規胍膠體系（L41）的原液少量，搖勻后利用激光粒度儀進行粒徑分析。

AP183壓裂返排原液粒徑分布圖如圖2所示。從圖2可以看出，AP183懸浮物顆粒粒徑大小分布很寬，從幾微米到幾百微米不等，其中懸浮物顆粒中值粒徑D50（代表懸浮物顆粒平均粒徑）為55.69μm。

AP189壓裂返排原液粒徑分布圖如圖3所示。由圖3可知，AP189懸浮物顆粒粒徑分布范圍也很寬，但分布相對于AP183更加不規律，且懸浮物顆粒中值粒徑D50更小（9.55μm）。

L41壓裂返排原液粒徑分布圖如圖4所示。由圖4可知，L41懸浮物顆粒粒徑的分布則相對于前兩者分布范圍較窄，其中懸浮物顆粒中值粒徑D50為95.46μm，表明其平均粒徑很大。

圖3 AP189壓裂返排原液粒徑分布圖

圖4 L41壓裂返排原液粒徑分布圖

2.2 損害程度評價

1）壓裂返排原液損害程度評價。根據前述試驗方法進行巖心驅替試驗，以評價3種體系壓裂返排液對巖心的損害程度，每種體系測3個平行樣，壓裂返排原液對儲層損害評價結果如表1所示。從表1可以看出，滑溜水＋胍膠混合體系（AP189）滲透率恢復值最小，對儲層傷害最大；胍膠體系的滲透率恢復值最大，對儲層傷害最小；滑溜水體系的滲透率恢復值居中。”定律［7］，由3種體系懸浮物顆粒粒徑分布圖分析可知：①AP183懸浮物顆粒中值粒徑D50為55.69μm，而巖心的孔喉直徑為44.8μm，表明懸浮物顆粒平均粒徑大于巖樣孔喉直徑的1／3，返排液中懸浮物有一半以上不會侵入巖心內部，只會堵塞在巖心端面形成外濾餅。②AP189懸浮物顆粒中值粒徑D50為9.55μm，而相應的巖心孔喉直徑為43.34μm，懸浮物顆粒中值粒徑恰好在在巖心孔喉直徑的

表1 壓裂返排原液對儲層損害評價結果表

2）壓裂返排液過篩后損害程度評價。針對3種體系壓裂返排液樣品中懸浮物對儲層損害的可能原因，根據3種體系中懸浮物顆粒粒徑分布情況，將3種體系樣品用160目（96μm）篩網過篩，這樣大顆粒懸浮物被去除。采用激光粒度儀測定過篩后壓裂返排液粒徑分布情況。AP183過篩后粒徑分布圖如圖5所示。由圖5可知，AP183過篩后總的固相含量明顯減少，懸浮物顆粒中值粒徑D50由55.69μm下降到47.25μm，分布范圍變窄。

AP189過篩后粒徑分布圖如圖6所示。由圖6可知，過篩后，AP189大顆粒懸浮物被除去，懸浮物顆粒中值粒徑D50下降到3.23μm，相對過篩前粒徑分布范圍明顯變窄很多。

L41過篩后粒徑分布圖如圖7所示。由圖7可知，由于L41相對于AP183和AP189返排原液中懸浮物顆粒偏大，過篩后，L41中大部分大顆粒懸浮物被除去，分布范圍左移，懸浮物顆粒中值粒徑D50從95.46μm下降到53.55μm。

過篩后壓裂返排液對儲層損害評價結果如表2所示。從表2可以看出，3種體系的壓裂返排原液過篩后，巖心滲透率恢復值相對于原液都普遍升高。分析其可能原因如下：篩網將一部分機械雜質過濾掉，固相顆粒減少，對巖樣的堵塞也隨之減弱；AP189原液經過篩后對巖樣的損害程度相對于過篩前明顯減弱，損害前后巖心滲透率恢復值由46.06%上升到78.38%，結合過篩后粒徑分布結果，過篩后體系中懸浮物顆粒中值粒徑D50由9.55μm下降到3.23μm，巖心孔喉直徑為46.7μm，此時返排液中懸浮物顆粒平均粒徑小于巖心孔喉直徑的1／7，固相顆粒不會堵塞巖樣孔喉，因而損害程度大大減小；AP183以及L41中固相顆粒只會堵塞在巖心端面形成外濾餅而不會侵入巖樣內部。因此，壓裂返排液對儲層損害的原因包括2個方面：外來流體（包括固體）與儲集地層巖石的相互作用；外來流體與地層流體不配伍，生成固相沉淀導致堵塞損害。