頁(yè)巖氣井壓裂返排液損害實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)及機(jī)理研究

韓慧芬，馬輝運(yùn) ，王 良，高新平，楊 斌

(1西南油氣田分公司工程技術(shù)研究院 2頁(yè)巖氣評(píng)價(jià)與開(kāi)采四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 3西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

頁(yè)巖氣井壓后返排動(dòng)態(tài)特征不僅僅是評(píng)價(jià)裂縫形態(tài)和壓裂效果的重要依據(jù)之一，也是影響壓后產(chǎn)能的重要因素。頁(yè)巖氣井壓后返排率波動(dòng)范圍較大，但投產(chǎn)后仍有大量壓裂液滯留地層。對(duì)于頁(yè)巖氣井壓裂液返排不完全、流體滯留及原因，很多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究，也得到了不同的認(rèn)識(shí)。根據(jù)國(guó)外文獻(xiàn)[1-4]報(bào)道，壓裂后關(guān)井一段時(shí)間壓裂液侵入地層會(huì)引起裂縫的繼續(xù)擴(kuò)展，有助于復(fù)雜縫的形成，不但對(duì)氣井長(zhǎng)期產(chǎn)量的影響可以忽略不計(jì)，而且還能提高氣井早期產(chǎn)量。但在有些文獻(xiàn)研究[5-6]中也指出，大量壓裂液進(jìn)入頁(yè)巖基質(zhì)會(huì)堵塞孔隙吼道，可能影響天然氣產(chǎn)量。一些學(xué)者在研究壓裂液與頁(yè)巖相互作用過(guò)程中還發(fā)現(xiàn)由于頁(yè)巖黏土礦物類型和含量不同會(huì)引起頁(yè)巖和液體特性都發(fā)生不同程度的變化，返排液膠體穩(wěn)定性、固相微粒是否會(huì)以及多大程度損害儲(chǔ)層還未取得認(rèn)識(shí)。頁(yè)巖氣井通過(guò)大規(guī)模水力壓裂可以形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)，增大裂縫面與頁(yè)巖基質(zhì)的接觸面積，從而實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣的工業(yè)開(kāi)采[7]。頁(yè)巖儲(chǔ)層水力壓裂形成的縫網(wǎng)可以分為主裂縫和次級(jí)裂縫(次級(jí)裂縫以微裂縫和激活的天然裂縫為主)，主裂縫滲透率較高。從現(xiàn)場(chǎng)頁(yè)巖氣井返排液取樣情況來(lái)看，隨著返排時(shí)間增加，返排液顏色變淺，返排液中固相顆粒變少。頁(yè)巖氣井壓裂液滯留于地層以及頁(yè)巖與壓裂液作用后的固相微粒是否會(huì)對(duì)儲(chǔ)層造成損害，筆者從滲透率較高巖樣的常規(guī)驅(qū)替損害評(píng)價(jià)和滲透率較低巖樣的自吸損害評(píng)價(jià)著手研究了頁(yè)巖氣井壓裂損害機(jī)理。

一、返排液固相損害機(jī)理

1.返排液粒度分析

以長(zhǎng)寧H5平臺(tái)兩口井龍馬溪組作為研究對(duì)象，選取長(zhǎng)寧H5-4井和長(zhǎng)寧H5-6井24 h、48 h、84 h、…、264 h的返排液上層清液開(kāi)展粒度分析，通過(guò)肉眼觀察，返排液均呈黃色或黃褐色，其中，長(zhǎng)寧H5-4井返排初期顏色更深，懸浮物較多，固相顆粒明顯。

采用馬爾文激光粒度儀對(duì)不同時(shí)間段的返排液進(jìn)行粒度分析，具體實(shí)驗(yàn)方法是在返排液中放入分散介質(zhì)，啟動(dòng)超聲發(fā)生器使樣品充分分散，然后啟動(dòng)循環(huán)泵，獲得粒度分布數(shù)據(jù)表、分布曲線、比表面積和d(0.1)、d(0.5)、d(0.9)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 長(zhǎng)寧H5-4井和長(zhǎng)寧H5-6井不同時(shí)刻的

對(duì)不同時(shí)刻返排液粒徑組成測(cè)試結(jié)果分析，總體表現(xiàn)出以下特征：長(zhǎng)寧H5-4井早期返排液的粒徑要大于長(zhǎng)寧H5-6井。將兩口井的不同時(shí)間段的返排液粒徑隨時(shí)間變化的關(guān)系繪制在同一張圖中(見(jiàn)圖1)，可以看出，隨著返排時(shí)間增加，返排液粒徑先增加后減小，最后兩口井的返排液粒度組成變得非常相近。

圖1 不同返排時(shí)刻固相微粒d(0.5)的粒徑

對(duì)長(zhǎng)寧H5-4井和長(zhǎng)寧H5-6井加砂壓裂情況進(jìn)行對(duì)比，結(jié)合粒度測(cè)量結(jié)果，分析了不同返排時(shí)期返排液的固相組成及來(lái)源。

(1)長(zhǎng)寧H5-6井在早期(開(kāi)井12 h)，固相d(0.5)粒度僅為4.1 μm，長(zhǎng)寧H5-4井在早期(開(kāi)井24 h)，固相d(0.5)粒度僅為5.5 μm，返排液的固相粒徑極小，此階段的返排液以井筒滯留液相為主。

(2)長(zhǎng)寧H5-4井返排24 h后，固相呈雙峰分布，大顆粒含量顯著增加，84 h所取返排液d(0.5)達(dá)到25.3 μm，d(0.9)達(dá)到138.1 μm，粒徑100 μm以上固相可能主要是破碎支撐劑、膠體殘?jiān)土芽p面破碎頁(yè)巖巖粉。隨著返排時(shí)間的增加，粒徑較大的峰逐漸消失，而粒徑較小的峰則基本保持穩(wěn)定。相比之下，長(zhǎng)寧H5-4井隨返排時(shí)間增加，沒(méi)有出現(xiàn)雙峰特征，固相微粒粒徑?jīng)]有大于100 μm的。分析是由于儲(chǔ)層巖石黏土礦物組成的差異造成與壓裂液作用后膠體的穩(wěn)定性不同，從這兩口井返排液在儲(chǔ)層溫度下的穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)得到驗(yàn)證，長(zhǎng)寧H5-4和H5-6井35 d返排液在90℃下加熱17 d的絮凝狀態(tài)；也有可能是長(zhǎng)寧H5-4井大多壓裂段采用了70/140目陶粒，破碎的支撐劑微粒隨壓裂液返排出。

(3)隨返排時(shí)間增加，固相粒度逐漸降低，長(zhǎng)寧H5-4井返排超過(guò)7 d后返排液固相微粒d(0.9)只有25.3 μm，長(zhǎng)寧H5-6井返排11d后返排液固相微粒d(0.9)只有21.4 μm，最終返排液的主要固相粒徑d(0.5)在10 μm左右，此階段的返排液主要來(lái)自遠(yuǎn)井帶滯留液相，長(zhǎng)寧H5-4井和長(zhǎng)寧H5-6井位于同一平臺(tái)，儲(chǔ)層物性相近，因此，壓裂液與儲(chǔ)層相互作用后滯留壓裂液的固相粒徑相近，返排液固相粒徑與頁(yè)巖微裂縫尺寸處于同一量級(jí)，其對(duì)微裂縫的潛在損害程度高。

2.返排液驅(qū)替損害實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

選擇寧西202井龍馬溪組5塊井下巖心和長(zhǎng)寧H5-6井5 d、20 d、35 d返排液的上層清液混合液開(kāi)展返排液驅(qū)替損害實(shí)驗(yàn)，測(cè)量流程包括兩條液測(cè)和氣測(cè)系統(tǒng)，由巖心夾持器、圍壓系統(tǒng)、壓差系統(tǒng)、流體泵注系統(tǒng)等組成。

測(cè)試分為以下四步：首先，選取實(shí)驗(yàn)巖心，烘干，測(cè)量孔隙度及滲透率參數(shù)，人工剖縫后將巖心放入巖心夾持器。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)巖心施加圍壓3 MPa，待圍壓穩(wěn)定后，采用高純氮?dú)庹蝌?qū)替測(cè)量巖心氣測(cè)滲透率。其次，在相同圍壓下，正向驅(qū)替返排液混合液，對(duì)巖心進(jìn)行損害實(shí)驗(yàn)，驅(qū)替過(guò)程檢測(cè)巖心滲透率變化，以及出口端驅(qū)替流體的濁度變化，驅(qū)替時(shí)間不少于24 h。再次，待驅(qū)替過(guò)程完成后，立刻采用氮?dú)夥聪蝌?qū)替測(cè)量巖心損害后的氣測(cè)滲透率。最后，取出巖心在60℃下烘干后再次測(cè)量氣測(cè)滲透率。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

對(duì)6組返排液驅(qū)替損害實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)圖2，返排液損害24 h后，巖樣的氣測(cè)滲透率損害在48.3%～97.6%，損害程度較為嚴(yán)重。損害后的巖樣烘干后測(cè)試氣測(cè)滲透率，發(fā)現(xiàn)其滲透率有一個(gè)顯著的恢復(fù)，損害率降至9.5%～81.5%。

3.返排液固相微粒對(duì)儲(chǔ)層損害機(jī)理

分析認(rèn)為，壓裂液在裂縫中的滯留和相圈閉是頁(yè)巖氣井儲(chǔ)層重要的損害因素，但隨著滯留液相的排出，滲透率能有效恢復(fù)，表現(xiàn)在巖樣烘干后滲透率損害率有不同程度的降低。在頁(yè)巖氣井生產(chǎn)過(guò)程中，隨著氣體攜液或采用輔助工藝減少壓裂液滯留量，能使裂縫氣體滲透率有效恢復(fù)。

圖2 頁(yè)巖氣井返排液對(duì)儲(chǔ)層損害實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)結(jié)果

除了液相滯留所導(dǎo)致的滲透率損害，分析認(rèn)為固相殘?jiān)皖w粒的堵塞是另一大損害因素。由于固相微粒的粒徑與裂縫縫寬相近，固相堵塞成為最主要的損害因素，且該部分損害難以恢復(fù)，具體表現(xiàn)在巖樣烘干后仍具有一定的滲透率損害率。在壓裂液驅(qū)替損害實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后，壓裂液中的固相顆粒迅速在裂縫中形成了堵塞帶，導(dǎo)致滲透率快速降低。從實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出口端濁度檢測(cè)結(jié)果圖3得知，對(duì)于滲透率較高的巖樣，裂縫縫寬較大，裂縫不能有效捕獲顆粒殘?jiān)⑿纬煞舛聨ВS著中間容器中固相累計(jì)，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)的液相濁度升高。對(duì)于滲透率較低，縫寬較小的巖樣，裂縫能捕獲流體中的部分殘?jiān)w粒，形成有效的封堵帶，巖樣出口端所監(jiān)測(cè)到了流體濁度也顯著降低。隨著堵塞帶逐漸穩(wěn)定，滲透率和流體濁度也均保持穩(wěn)定。后期液相濁度略有上升，可能是由于流體與裂縫面的長(zhǎng)期相互作用，導(dǎo)致裂縫面發(fā)生微粒脫落和運(yùn)移。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)巖心17、18和22等都見(jiàn)到了結(jié)晶鹽，在氣井生產(chǎn)過(guò)程中，壓裂液滯留溶解大量可溶鹽，而后隨著液相產(chǎn)氣(氣相攜液)，裂縫面可能發(fā)生鹽結(jié)晶，導(dǎo)致滲透率降低。

圖3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出口端濁度檢測(cè)結(jié)果

對(duì)于裂縫開(kāi)度較大，滲透性能好的儲(chǔ)層，固相顆粒容易進(jìn)入地層，對(duì)儲(chǔ)層造成較大的損害。而裂縫不發(fā)育，或者開(kāi)度較小，固相微粒不容易進(jìn)入儲(chǔ)層，因而對(duì)儲(chǔ)層損害較小。

二、壓裂液自吸損害機(jī)理

頁(yè)巖氣井水力壓裂后，有大量壓裂液滯留在各類次級(jí)裂縫(分支水力裂縫、激活的天然裂縫和層理縫等)中并與頁(yè)巖基塊充分接觸，發(fā)生顯著的水相自吸作用。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，評(píng)價(jià)自吸作用對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層中的次級(jí)裂縫和基塊的損害程度。

1.實(shí)驗(yàn)材料

巖樣均為長(zhǎng)寧區(qū)塊龍馬溪組井下頁(yè)巖巖心，實(shí)驗(yàn)流體為長(zhǎng)寧H5平臺(tái)滑溜水。

2.實(shí)驗(yàn)方法

壓裂液自吸損害評(píng)價(jià)的實(shí)驗(yàn)裝置主要采用巖心流動(dòng)儀，連接真空泵和盛裝液體的透明玻璃試管。模擬地層情況，在巖心上加載圍壓，通過(guò)巖心前端真空泵形成負(fù)壓實(shí)現(xiàn)巖心端面自吸，并由透明試管中液位的降低讀出不同時(shí)間的自吸量。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：

(1)選取實(shí)驗(yàn)巖樣，60℃條件下充分烘干后稱重，而后再采用氮?dú)鉁y(cè)量巖樣的初始滲透率。

(2)將巖樣放入全巖心夾持器，室溫條件下設(shè)定圍壓3 MPa，應(yīng)力條件下巖心水化12 h，以消除應(yīng)力敏感的影響。

(3)巖心上游端連接精密計(jì)量管，恒壓模式下向巖心注入流體。

(4)每隔一段時(shí)間直接通過(guò)精密計(jì)量泵記錄泵入巖心中的流體體積，自吸時(shí)間設(shè)置為48 h。

(5)將達(dá)到自吸平衡后的巖樣取出，而后在相同的圍壓條件下采用氮?dú)鉁y(cè)定巖樣的滲透率值，并通過(guò)與自吸前滲透率對(duì)比，評(píng)價(jià)巖樣的滲透率損害程度。

(6)巖樣60℃烘干后再次測(cè)量氣測(cè)滲透率。

圖4 自吸損害實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)結(jié)果

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

共進(jìn)行了6套自吸損害實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)，將巖樣初始?xì)鉁y(cè)滲透率、自吸后損害率以及烘干后損害率分析結(jié)果繪制在圖4中。壓裂液自吸損害后巖樣的滲透率損害率在21.3%～71.6%，烘干后部分巖樣的滲透率出現(xiàn)了上升，總體損害率變?yōu)?29.3%～53.4%。

基質(zhì)越致密、裂縫不發(fā)育的巖心，自吸后損害率較大，9#、4#和5#巖心初始滲透率較低，自吸壓裂液后損害率均在60%～70%，而初始滲透率較高的3#、25#和6#巖心，自吸壓裂液后損害率只有20%～40%。但烘干后9#、4#和5#巖心的損害率明顯低于3#、25#和6#巖心的損害率。

4.壓裂液自吸損害分析

(1)頁(yè)巖自吸壓裂液48 h后，雖然采用氮?dú)饨?jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的返排驅(qū)替，仍有大量壓裂液滯留在巖樣中，造成了明顯的滲透率損害。巖樣初始滲透率越高，返排后損害率越低，其主要原因是滲透率較高的巖樣通常具有比較明顯的裂縫，流動(dòng)通道較大，有利于自吸流體的返排和滲透率的恢復(fù)。

(2)對(duì)自吸后的巖樣在60℃下烘干，該溫度低于巖樣所在的儲(chǔ)層溫度，可以忽略熱破裂的影響。初始滲透率較低的巖樣自吸再烘干后的滲透率恢復(fù)得比初始滲透率更高，分析認(rèn)為主要是頁(yè)巖吸水后發(fā)生了水化致裂作用，從巖心觀察有細(xì)小微裂縫產(chǎn)生，提高了滲透率，在烘干過(guò)程中滯留液相的圈閉作用基本被解除，原來(lái)被液相損害所掩蓋的頁(yè)巖吸水致裂的積極作用得以顯現(xiàn)。

(3)壓裂液滯留損害的負(fù)面作用和頁(yè)巖吸水致裂的積極作用均存在于頁(yè)巖吸水和返排過(guò)程中，頁(yè)巖吸水破裂主要是導(dǎo)致微裂縫的萌生和擴(kuò)展，體現(xiàn)在宏觀上就是高滲透率巖樣改善效果并不顯著，而對(duì)于滲透率較低的巖樣則比較明顯。再抵消掉滯留液相的相圈閉損害，就表現(xiàn)出低滲巖樣的滲透率高于初始滲透率，而高滲巖樣的滲透率仍不能完全恢復(fù)。

對(duì)于頁(yè)巖氣井，頁(yè)巖自吸吸水后積極作用和消極作用通常是同時(shí)存在的。在明確壓裂液滯留分布的基礎(chǔ)上，如何根據(jù)壓裂液賦存位置的差異，最大化積極作用，最小化消極作用，是優(yōu)化頁(yè)巖氣井的關(guān)井時(shí)間和返排制度的關(guān)鍵。

三、認(rèn)識(shí)與結(jié)論

(1)隨著返排時(shí)間增加，頁(yè)巖氣井返排液粒徑先增加后減小。初期返排液以井筒滯留液相為主，固相粒徑極小；隨后大顆粒含量顯著增加，主要是破碎支撐劑、膠體殘?jiān)土芽p面破碎頁(yè)巖巖粉；后期返排液主要來(lái)自遠(yuǎn)井帶滯留液，粒徑較小。

(2)返排液固相微粒對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層的損害隨巖樣/裂縫尺度而呈現(xiàn)差異性，對(duì)于滲透率較高的裂縫流動(dòng)通道，以固相堵塞和液相圈閉為主，且損害后滲透率難以有效恢復(fù)。

(3)對(duì)于發(fā)育微裂縫的儲(chǔ)層，在導(dǎo)致水相圈閉損害的同時(shí)也可能誘發(fā)基塊中微裂縫的起裂擴(kuò)展。

(4)頁(yè)巖自吸致裂縫起裂擴(kuò)展的積極作用和壓裂液滯留于儲(chǔ)層堵塞孔隙吼道的消極作用是同時(shí)存在的，對(duì)裂縫發(fā)育程度不同的儲(chǔ)層二者各自所起的主導(dǎo)作用是有差異的。

(5)在明確壓裂液滯留分布的基礎(chǔ)上，如何根據(jù)壓裂液賦存位置的差異，最大化積極作用，最小化消極作用，是優(yōu)化頁(yè)巖氣井的關(guān)井時(shí)間和返排制度的關(guān)鍵。