致密砂巖儲層清潔壓裂液返排液驅油實驗研究及應用

陳世棟，惠 芳，韋 文，李凱凱，魏建兵，龐茂源，梁子涵

(1中國石油長慶油田分公司第六采油廠 2中國石油渤海鉆探工程有限公司第二鉆井工程分公司 3中國石油渤海鉆探工程有限公司定向井技術服務分公司 4玉門油田分公司老君廟采油廠)

隨著石油天然氣資源的不斷勘探與開發，常規油氣資源已經無法滿足人們日益增長的需求，因此，針對非常規油氣資源(致密油、頁巖氣等資源)的勘探與開發成為未來研究的熱點[1-2]。致密油儲層通常具有自然產能低、注水開發壓力高以及產量下降較快等特點，必須采用水力壓裂等增產措施來提高其產量。清潔壓裂液具有低摩阻、低傷害以及施工簡單等優點，近年來在致密油儲層水力壓裂施工中得到了廣泛的應用，但同時由于其用量較大，在水力壓裂施工后往往會產生大量的清潔壓裂液返排液，因此，如何高效合理的處理及利用清潔壓裂液返排液，成為各大致密油藏目前急需解決的一項關鍵問題[3-5]。

清潔壓裂液返排液中通常含有大量的表面活性劑物質，具有良好的界面活性，能夠有效降低油水界面張力[6-8]。前人研究表明，表明活性劑驅作為一種常用的三次采油手段，已經在各大油田得到了成功應用，并形成了比較成熟的體系[9-11]。而近年來開始有學者對清潔壓裂液返排液的驅油效果進行了相關研究，通過研究清潔壓裂液返排液的界面性能、潤濕反轉性能、乳化性能以及吸附性能等關鍵指標，來評價其作為驅油劑的可行性[12-14]。因此，本文以鄂爾多斯盆地某致密砂巖油藏現場清潔壓裂液返排液為研究對象，開展了清潔壓裂液返排液驅油實驗研究，主要評價了現場清潔壓裂液返排液的界面性能、改變巖石表面潤濕性能、乳化性能、降壓增注性能以及驅油性能，并在此基礎上進行了礦場試驗，為清潔壓裂液返排液的合理利用以及致密砂巖儲層提高采收率提供一種新思路。

一、實驗部分

1.實驗材料和儀器

實驗材料：現場清潔壓裂液返排液(經過徹底破膠、過濾雜質以及除油處理后，其主要成分為兩性離子型粘彈性表面活性劑)；模擬油(使用現場脫氣原油與航空煤油按2∶1進行混合，50℃下黏度為2.15 mPa·s，密度為0.78 g/cm3)；模擬地層水(總礦化度為35 140 mg/L，其中鈣鎂離子含量為2 810 mg/L)；致密砂巖儲層天然柱狀巖心(巖心長度為6.0 cm，直徑為2.5 cm)。

實驗儀器：TX-500C型全量程界面張力儀；SL200K型光學法接觸角測量儀；巖心抽真空飽和實驗裝置；高溫高壓多功能巖心流動儀；VS-55S型高速分散均質機；J-HH-6A型精密數顯恒溫水浴鍋；EX-J型精密電子分析天平；比色管。

2.實驗步驟及方法

2.1 界面張力的測定

將現場清潔壓裂液返排液使用蒸餾水稀釋至不同濃度，然后使用TX-500C型全量程界面張力儀測定不同濃度清潔壓裂液返排液與模擬油之間的界面張力值。

2.2 接觸角的測定

將儲層天然巖心經過洗油、烘干處理后切成一定厚度的薄片，然后將巖心切片放置在不同濃度的清潔壓裂液返排液中進行浸泡處理24 h后，再將巖心切片烘干，最后使用SL200K型光學法接觸角測量儀測定蒸餾水在巖心切片表面的接觸角。

2.3 乳化性能評價

將不同濃度的清潔壓裂液返排液與儲層原油按體積比為1∶1進行混合，在恒溫水浴鍋中(80℃)恒溫20 min，使用VS-55S型高速分散均質機在轉速為3 000 r/min下攪拌20 min形成乳狀液，然后將乳狀液倒入比色管中，并放置在恒溫水浴鍋中，觀察記錄不同時間后乳狀液的析水體積，計算析水率。

2.4 降壓增注性能評價

將儲層天然巖心洗油、烘干后飽和模擬地層水，然后使用高溫高壓多功能巖心流動儀驅替巖心，驅替流速為0.05 mL/min，實驗溫度為80℃，驅替流體分別為模擬地層水和不同濃度的清潔壓裂液返排液，記錄驅替穩定時的壓力值。

2.5 驅油性能評價

①將天然巖心洗油、烘干后飽和模擬地層水，并測定初始滲透率；②然后將巖心在0.05 mL/min的驅替流速下注入模擬油，直至巖心出口端不出水為止；③使用模擬地層水驅替至巖心含水率達到98%以上，計算水驅油采收率；④注入0.5 PV不同濃度的清潔壓裂液返排液，關閉進出口端的閥門，在80℃下老化反應24 h；⑤繼續使用模擬地層水驅替至巖心含水率到98%以上，計算最終采收率。

二、結果與討論

1.降低界面張力性能

油水界面張力的降低可以使原油與地層巖石之間的粘附功能減小，因此，驅替液界面張力的大小會直接影響到致密砂巖儲層的原油采收率。在80℃下使用TX-500C型全量程界面張力儀測定了不同濃度清潔壓裂液返排液與模擬油之間的界面張力值隨時間的變化情況，實驗結果見圖1。

圖1 不同濃度清潔壓裂液返排液對界面張力的影響

由圖1結果可以看出，不同濃度清潔壓裂液返排液與模擬油之間的界面張力值均隨著時間的延長而逐漸降低，而隨著清潔壓裂液返排液濃度的不斷增大，油水界面張力值呈現出“先下降后升高”的趨勢。當清潔壓裂液返排液的質量濃度為0.10%～0.15%時，油水界面張力值能夠降低至10-3mN/m數量級。說明清潔壓裂液返排液能夠有效降低油水之間的界面張力值，具有良好的界面活性。

2.改變巖石表面潤濕性能

地層巖石表面潤濕性對原油的采收率有較大的影響，研究表明，水潤濕表面有利于驅油效率的提高，而油潤濕表面的驅油效率則較差。因此，改變巖石表面的潤濕性是提高致密砂巖儲層的采收率的一種重要手段。參照實驗方法，評價了不同濃度的清潔壓裂液返排液對儲層巖心表面潤濕性的影響，見圖2。

圖2 不同濃度清潔壓裂液返排液對接觸角的影響

由圖2結果可以看出，儲層天然巖心表面的初始接觸角為80.2°，親水性較弱，而使用不同濃度的清潔壓裂液返排液進行浸泡處理后，巖心表面接觸角出現不同程度的下降現象。當清潔壓裂液返排液質量分數為0.10%～0.15%時，接觸角最小能夠降低至30°左右，表現出較強的親水性，從而有利于提高驅油效率。這是由于清潔壓裂液返排液中的表面活性劑能夠通過靜電引力以及氫鍵作用力等方式吸附在巖石表面，表面活性劑分子中的疏水基團朝向固相巖石表面，而親水基團則朝向水相溶液表面，使溶液的界面自由能下降，從而可以有效降低巖石表面接觸角，改變其表面的潤濕性。

3.對原油的乳化性能

在地層環境下，表面活性劑能夠和原油以及地層水作用形成乳狀液，降低原油黏度，使其易于從地層巖石表面剝離，從而提高驅油效率。參照實驗實驗方法，評價了不同濃度的清潔壓裂液返排液對原油的乳化效果，實驗結果見圖3。

圖3 不同濃度清潔壓裂液返排液對原油的乳化性能

由圖3結果可以看出，隨著實驗時間的延長，不同濃度清潔壓裂液返排液與原油形成的乳狀液的析水率均逐漸增大，其中當清潔壓裂液返排液的質量分數為0.01%和0.20%時，形成的乳狀液析水率較高，30 min析水率可以達到85%以上，乳狀液的穩定性較差；而當清潔壓裂液返排液的質量分數為0.10%～0.15%時，形成的乳狀液30 min析水率均小于30%，乳狀液比較穩定。這是由于界面膜強度對乳狀液的穩定性起著決定性的影響，當清潔壓裂液返排液濃度過低或者過高時，形成的界面膜強度較差，乳狀液體系極容易破乳脫水，所以析水率較大。因此，使用清潔壓裂液返排液驅油時應選擇合適的濃度，以最大限度的發揮乳化驅油作用。

4.降壓增注性能

參照實驗方法，評價了不同濃度的清潔壓裂液返排液的降壓增注性能，實驗結果見表1。

由表1實驗結果可知，隨著清潔壓裂液返排液質量分數的不斷增大，巖心驅替穩定時的壓力逐漸下降，當清潔壓裂液返排液質量分數為0.10%時，驅替穩定壓力從使用模擬地層水驅替時的1.35 MPa降低至0.64 MPa，降壓率達到50%以上，繼續增大清潔壓裂液返排液的濃度，驅替壓力繼續下降，說明清潔壓裂液返排液具有良好的降壓增注性能。這是由于清潔壓裂液返排液中含有大量的表面活性劑，在注入巖心過程中，表面活性劑吸附在巖石表面，在降低界面張力的同時能夠有效降低流體的滲流阻力，使驅替壓力下降，達到降壓增注的目的。

表1 不同濃度清潔壓裂液返排液降壓增注效果

5.原油黏度對壓裂液返排液滲吸的影響

參照實驗方法，評價了不同濃度的清潔壓裂液返排液的驅油性能，實驗結果見表2和圖4。

圖4 巖心驅油性能實驗曲線(S-3號巖心)

表2 不同濃度清潔壓裂液返排液驅油效果

表2實驗結果可知，在天然巖心水驅后注入不同濃度的清潔壓裂液返排液，均能使采收率得到不同程度的提高，其中當清潔壓裂液返排液的質量分數為0.10%～0.15%時，可使巖心水驅后的采收率提高12%以上，起到了良好的驅油效果。

由圖4實驗結果可知，在前期的水驅階段，隨著驅替PV數的增大，S-3號巖心含水率迅速升高，注入壓力和采收率也逐步升高，當注入1.5 PV時，巖心含水率達到98%以上，注入壓力穩定在1.46 MPa，水驅采收率為43.05%；注入0.5 PV質量分數為0.10%的清潔壓裂液返排液后，巖心含水率出現一定的下降，注入壓力明顯降低，采收率逐步增大，這是由于清潔壓裂液返排液中的表面活性劑進入巖心孔隙后，通過降低油水界面張力、改變潤濕性以及乳化原油等作用，能夠驅替出水驅階段未動用的部分原油，從而繼續提高原油的采收率，并使注入壓力降低；在后續水驅階段，采收率繼續增大，注入壓力逐漸穩定，最終采收率達到55.72%，清潔壓裂液返排液提高采收率幅度為12.67%，驅油效果顯著。

三、現場試驗

鄂爾多斯盆地某致密砂巖油藏M區塊經過壓裂施工措施后一直采用注水開發，前期開發效果基本達到配產要求。隨著時間的延長，該區塊注水井的壓力逐漸升高，開發井的產油量明顯下降，并且含水率明顯升高，注水開發效果逐漸變差。而與之相鄰的S區塊經過水力壓裂施工措施后，現場返排出大量的清潔壓裂液返排液，其中含有大量的表面活性劑，結合室內實驗研究，決定使用處理后的現場清潔壓裂液返排液對M區塊已開發井進行現場驅油試驗。M區塊內3口井共計注入質量分數為0.10%的清潔壓裂液返排液426.5 m3，施工措施后，3口井的注入壓力顯著下降，注水量提高。3口生產井的平均日產油量由措施前的3.5 m3提高至措施后的7.3 m3，增大了一倍左右，而含水率則由措施前的89.6%下降至措施后的72.9%。說明現場清潔壓裂液返排液具有良好的驅油效果，能使致密砂巖儲層水驅后的原油采收率得到進一步的提高。

四、結論

(1)現場清潔壓裂液返排液具有良好的界面活性、潤濕性能、乳化性能以及降壓增注效果，當其質量分數為0.10%～0.15%時，能使界面張力降低至10-3mN/m數量級，使巖石表面潤濕性向親水方向轉移，使乳狀液的析水率小于30%，使巖心注水壓力降低率達到50%以上。

(2)現場清潔壓裂液返排液具有良好的驅油性能，注入0.5 PV質量分數為0.10%～0.15%的清潔壓裂液返排液后，能使天然巖心水驅后的采收率提高12%以上，使最終采收率達到55%以上。

(3)礦場試驗結果表明，致密砂巖油藏M區塊實施現場清潔壓裂液返排液驅油措施后，生產井的日產油量得到顯著提高，含水率明顯下降，起到了良好的增油效果。為清潔壓裂液返排液的合理利用及致密砂巖油藏繼續提高采收率提供了借鑒和參考。