低滲砂巖油藏滲吸誘發壓裂液運移規律實驗研究

丁金崗,惠 峰,游川川,楊啟桂

(長慶油田分公司第四采油廠)

0 引言

天然氣作為一種清潔能源的需求量不斷增加，其中非常規天然氣所占比例也逐年升高[1]。大規模水力壓裂中水基壓裂液是非常規油氣藏所用壓裂液的主要類型[2]。壓裂液在滲吸作用下濾失到巖石基質并傷害儲層滲透性主要基于兩個作用。一個是低滲儲層中黏土礦物的膨脹堵塞作用[3];一個是在裂縫及井筒間形成的“水墻”作用[4]。Bahrami等人基于毛管力及相對滲透率開展了“水墻”作用的數值模擬研究[5]。Bazin等人也提出毛細管壓力效應是引起壓裂液滯留的主要因素[6]。此外，Roychaudhuri等人通過實驗發現，在關井條件下，毛細力的作用會引起潤濕相流體在儲層巖石中運移[7]。朱維耀等通過核磁共振測試研究認為介質的潤濕性差異會影響滲吸效果[8]。李愛芬等研究了潤濕性、黏度和溫度對滲吸的影響[9]。李士奎等通過核磁測試實驗對致密油藏滲吸采油機理進行了研究[10]。

本文研究了滲吸引起的壓裂液滯留的流動特性，并與高滲透砂巖多孔介質內壓裂液的流動特性進行對比。然后通過裂縫面濾失前后滲透性變化側面驗證了壓裂液滯留對氣體生產的抑制作用，確定了關井時間對氣井產能的影響。

1 儲層特征

J油田地層溫度81℃，地層壓力 25 MPa，平均滲透率10.7 mD，平均孔隙度15.7%，屬于低孔低滲儲層。地面脫氣原油密度為0.52 g/cm3，地面脫氣原油黏度為3.8 mPa·s。地層水的總礦化度為25 740 mg/L，水型為NaHCO3型。原油中瀝青質的質量百分數為1.48%。

2 實驗部分

2.1 裂縫中壓裂液擴散實驗

實驗1模擬了裂縫中殘留壓裂液在毛管力作用下向裂縫周圍巖石的擴散過程。實驗巖心采用1組低滲巖心及1組高滲巖心開展對比實驗，巖心均經過人工壓裂造縫以模擬自發滲吸的定壓邊界(見圖1模型1)，兩組巖心均為定制的餅狀巖心。巖心及其裂縫的基礎性質參數如表1所示。

圖1 模型1、2壓裂液運移環境示意圖

表1 實驗巖心物理性質參數表

2.2 基質中滲吸壓裂液運移實驗

實驗2 模擬了裂縫中壓裂液滲吸進入基質后在儲層中的運移過程。基于形狀類似于常規巖心的柱狀巖心開展(圖1模型2)，巖心的一端代表裂縫和基質的接觸面。實驗2所用巖心同實驗1中來自相同的天然巖心露頭。測得巖心長度為211 mm，直徑為25.2 mm，滲透率為9.8 mD，巖心孔隙體積為9.8cm3。采用X射線觀測實驗2過程中的前緣運移現象及飽和度分布動態變化。飽和度計算方法見文獻[11]。

3 實驗結果及分析

3.1 實驗1結果分析

基于實驗1的流程開展了低滲及高滲巖心自發滲吸實驗，兩組巖心的飽和度剖面動態變化如圖2所示。水從裂縫左端注入巖樣，滲吸前緣也從左端出現,圖2中顏色越暖則表示含水飽和度越高。在相同注入速度下，高滲巖樣中前緣的運移速度要顯著快于低滲巖樣，表明前者的滲吸擴散更高效。此外，兩組巖樣的滲吸前緣形態也明顯不同。這種形狀的差異是由于毛管力、滲透性及非均質性的差異的共同作用。

圖2 高滲及低滲巖心自發滲吸過程中飽和度剖面對比

兩組巖心平均飽和度隨注入體積(PV)變化曲線如圖3，飽和度為基質和裂縫中飽和度的平均值。由圖3可見，低滲巖樣的注入孔隙體積倍數約為高滲巖心4倍左右，這是由于低滲巖樣的初始孔隙體積要遠小于高滲。而低滲巖樣相比于高滲需要更長的時間才能達到并穩定在峰值飽和度狀態。比較兩組巖心在相同的注入量(PV)下的平均含水飽和度，可明顯看出在滲吸的中前期，高滲巖心的平均含水飽和度明顯高于低滲。而在滲吸的中后期，低滲巖心的平均含水飽和度逐漸趨于穩定。

3.2 結果分析

通過CT掃描記錄了實驗1.5 h、3 h、6 h、12 h和168 h(或7 d)的飽和度分布動態變化(見圖4)。巖樣左端面的含水飽和度隨著壓裂液向巖樣基質中的滲吸而不斷降低。在168 h實驗末期，左端面的飽和度大幅下降，且注入水滲吸進入巖樣的距離約121 mm，占巖樣長度比例約67%。

圖3 低滲及高滲巖心平均含水飽和度動態變化對比曲線

圖4 巖樣沿程含水飽和度分布(關井周期7 d)

分析距離左端51 mm處巖心截面的飽和度變化過程，其飽和度在12 h內顯著上升，從0逐漸增加至0.375。實驗后的返排過程沒有測量到可動水相從巖樣中流出。盡管如此，返排過程仍然進行了10 min以排出全部可動水。返排結束后，對巖樣的滲透率進行了再測試。圖4中的巖樣在實驗前基礎滲透率為4.64 mD，在整個實驗結束后，滲透率變為3.77 mD，滲透率損害率為24%。即延長關井時間(本實驗中為7 d)，壓裂液會運移到儲層基質中，并以較低的含水飽和度進行擴散，降低對后續的氣體開采效果的影響。模擬結果表明，關井時間越長，返排后儲層基質中殘留的壓裂液越少，返排時有一定量的液量流出;關井時間越短，壓裂液濾失體積中可動流體占比越高，返排液量越多，對返排后氣體產量的影響越小。

4 結論

(1)研發了可模擬近人工裂縫儲層環境的巖心及實驗裝置，基于CT技術實現了高滲及低滲儲層中毛管力引起的壓裂液滯留運移現象的可視化觀測及定量化表征。

(2)儲層的滲透率及其非均質性是決定壓裂液運移及滲吸前緣飽和度分布的關鍵因素。相比于高滲儲層，盡管低滲儲層所受毛管力更強，但其低滲透性和非均質性會抑制毛管力引起的自發滲吸程度，降低對壓裂液滯留及運移的影響。

(3)儲層中的黏土含量越高，滲吸的壓裂液越多，滲吸后表觀含水飽和度越高，壓裂液滲吸對儲層滲透率的傷害程度也越高。

(4)延長關井時間，壓裂液會運移到儲層基質當中，并以較低的含水飽和度進行擴散，從而降低對后續的氣體開采效果的影響。