臨興致密氣壓裂液全過程滲吸傷害規律

梅 宸， 李紫晗, 承 寧, 陳 進, 許冬進*, 王智民

(1.非常規湖北省協同創新中心 / 長江大學石油工程學院， 武漢 430100； 2.中海油研究總院有限責任公司， 北京 100028；3.中石油新疆油田分公司工程技術研究， 克拉瑪依 834000； 4.浙江長虹飛獅電器工業有限公司， 嘉興 314000)

隨著我國近年來對致密砂巖氣儲層認識的不斷深化，伴隨著壓裂技術的不斷進步，國內逐漸形成了以水平井體積壓裂為主的大規模儲層改造壓裂技術[1-3]。由于致密氣儲層非均質性強、孔隙半徑小、毛管力現象明顯的特點，導致壓裂后大量壓裂液滯留在儲層中，與儲層內的流體和黏土礦物發生物理化學反應，給儲層帶來各種傷害，在致密氣壓后開井返排時液相占據氣相滲流通道，使得壓裂液返排率普遍偏低。壓裂液滲吸傷害導致儲層滲透率顯著降低，不僅影響了單井改造的效果，也直接影響著油氣藏的整體開發水平。因此對于壓裂液滲吸傷害規律的研究具有重要意義[4-7]。

劉易非等[8]進行室內實驗，研究表明不同體系壓裂液濾液均會對儲層造成傷害，且并非單一的近井地帶傷害，而是直接影響著儲層的整體開發效果。樊欣欣等[9]進行巖心壓裂液返排室內實驗，表明應減少壓裂液入侵量，降低返排啟動壓力，實現快速返排以降低儲層傷害。Makhanov等[10]進行蒸餾水和鹽水滲吸實驗，解釋了測井數據并分析了潤濕性、滲透率及礦物組分等對滲吸作用的影響規律。王興文等[11]進行致密油氣藏壓裂液的返排機理研究，明確返排壓差對壓裂液返排效果的影響規律，提出壓裂液的高效返排可提高壓裂效果。屈亞光等[12]對頁巖儲層壓裂液滲吸及返排機理進行研究，得到儲層巖石含水飽和度、毛管壓力、流體物性、潤濕性等因素對壓裂液滲吸與返排的影響規律。 Yao等[13]對頁巖油藏自發滲吸和加壓滲吸進行研究，并用核磁共振技術表征了不同滲吸方式下頁巖油藏的生產效率。

對已有研究成果分析發現，相關研究普遍只針對壓裂液進入儲層造成滲吸傷害或壓后返排時傷害解除兩者之一，并未對從壓裂開始到壓后返排這一完整過程中壓裂液滲吸對儲層造成的傷害進行系統的研究。基于此，現采用質量法進行室內滲吸實驗，研究裂縫壁面儲層單元與壓裂液之間的滲吸作用，考察滲吸液相、壓裂液黏度、巖心滲透率以及壓后燜井時間對滲吸傷害的影響規律，實驗模擬壓裂液從進入儲層到壓后返排這一完整壓裂液滲吸傷害過程，對前期的壓裂液滲吸傷害及后期壓裂液返排的傷害解除進行綜合的壓裂液滲吸傷害研究。并基于灰色關聯法分析得到各因素對滲吸傷害的影響程度排序，研究結果對現場壓裂生產中優選壓裂液體系，以及壓后燜井時間的控制具有一定指導作用。

1 實驗設計

1.1 實驗方法及原理

利用質量法進行室內模擬壓裂液滲吸傷害實驗，通過測定各實驗組巖心在一定延伸壓力下與壓裂液滲吸作用時巖心的質量和滲透率的變化，以及使用高壓氮氣反向氣驅模擬返排過程測得壓裂液返排率，評價不同因素影響下壓裂液滲吸對低滲致密氣巖心的傷害規律并提出降低壓裂液傷害的有效措施。壓裂液與致密氣儲層滲吸作用如圖1所示。

圖1 壓裂液與致密氣儲層滲吸作用示意圖

1.2 實驗儀器及材料

1.2.1 實驗儀器

主要實驗儀器：TY-2C巖心夾持器、高精度電子天平、精密壓力表、環壓加壓泵、UQT-1多功能裂縫網格導流能力測試裝置、UPUMP-100D恒壓恒速泵、中間容器、皂膜流量計、高壓氮氣氣瓶。

1.2.2 實驗材料

(1)人造巖心。黃波等[14]通過測試對比天然巖心與人造巖心的壓裂液傷害程度，發現兩種巖心的壓裂液評價結果誤差在5%以內，且人造巖心內部結構基本相同，滲透率范圍也較易控制，可避免巖心內部孔隙結構差異以及滲透率輕微差異對傷害率的影響，因此，可用人造巖心代替天然巖心進行壓裂液滲吸傷害規律實驗研究。

本實驗選用八塊與臨興致密氣區塊儲層物性相似，且為同一廠家、同一批次生產的人造巖心進行壓裂液滲吸傷害影響因素實驗研究，巖心的基本參數及圖示如表1所示。

表1 人工巖心基本參數表

(2)壓裂液與地層水。根據臨興致密氣區塊現場壓裂開采所用壓裂液體系[15]的成分，結合不同交聯劑配置實驗所用不同黏度的壓裂液破膠濾液。

通過對臨興致密氣區塊儲層中的地層水進行采樣分析和計算得到其化學組分，如表2所示。按照表中組分配置實驗所用地層水，以模擬臨興區塊地層水的實際情況。

表2 臨興區塊地層水組分表

1.3 實驗條件

根據臨興致密氣區塊儲層性質及現場壓裂資料，儲層溫度為40 ℃，壓裂施工時延伸壓力約為5 MPa，設計在不同的滲吸液相、不同壓裂液黏度、不同巖心滲透率以及不同滲吸時間下的各組實驗條件，如表3所示。

表3 各組不同實驗條件設計表

1.4 實驗步驟

壓裂液對巖心滲透率的傷害評價采用SY/T5107—2016《水基壓裂液性能評價方法》[16]，實驗測得的巖心滲透率均按式(1)計算：

(1)

式(1)中：K為巖心滲透率，μm2；Q為流量，cm3/s；μ為流動介質的黏度，mPa·s；L為巖心軸向長度，cm；Δp為巖心進出口壓差，MPa；A為巖心橫截面積，cm2。

基質滲透率損害率按式(2)計算：

(2)

式(2)中：ηd為滲透率損害率，%；K1為巖心擠壓裂液濾液前的基質滲透率，μm2；K2為巖心擠壓裂液濾液損害后的滲透率，μm2。

基于張琰[17]和熊湘華[18]的在滲透率傷害的研究中采用的實驗方法，制定實驗步驟如下：①測定巖心初始質量m0和初始滲透率K0；②將對應液相加入中間容器，輸出壓力設置為5 MPa，開始滲吸實驗；③實驗進行至中間時刻，稱量巖心質量m1后繼續滲吸實驗，滲吸結束后測得巖心質量m2和滲透率K1，計算此時巖心傷害率I1；④在巖心夾持器中反向裝入巖心，用干燥氮氣正向氣驅，由0 MPa開始緩慢增加氣驅壓力，直至有氣體排出，此時輸出壓力即為巖心啟動壓力；⑤氣體排出流速達到穩定時，測量此時巖心質量m3和滲透率K2；⑥重復步驟，用1 MPa、2 MPa、3 MPa、…、9 MPa的壓力正向氣驅，測得巖心質量分別為m4、m5、m6、…、m19，滲透率分別為K3、K4、K5、…、K18，則可計算得到不同壓力下巖心的傷害率和返排率。

2 影響因素分析

2.1 不同滲吸液相對滲吸傷害的影響

儲層傷害的滲吸液相不僅有壓裂施工中注入地層的壓裂液，還有儲層中所含地層水。在油氣藏降壓生產時，儲層中的地層水會產生“鹽析”，該現象的產生往往伴隨著儲層傷害。選取L1和L2號巖心在40 ℃，恒壓5 MPa的條件下分別使用壓裂液和地層水進行滲吸實驗，L1滲吸222 min，L2滲吸43 min后出液，待出液穩定后停止滲吸，比較壓裂液與地層水對于儲層的傷害情況。

由圖2可知，壓裂液對巖心的傷害程度較地層水大。因壓裂液黏度較地層水大，其中含有更多固相顆粒與高分子膠質物，不僅造成氣相滲流通道堵塞，也在巖心端面形成濾餅，使巖心滲透率大幅度降低；而地層水是由陰陽離子、微生物和微量有機質組成，不含高分子膠質物和固體顆粒，其鹽析作用對巖心的傷害率小于壓裂液對巖心的滲吸傷害率。由圖3可知，使用壓裂液的實驗組巖心返排率較低，因黏度較高的壓裂液在巖心中的流動阻力較大，返排時不易被驅出。

圖2 不同滲吸液相下巖心傷害率與壓力關系圖

圖3 不同滲吸液相下巖心返排率與壓力關系圖

2.2 不同壓裂液黏度對滲吸傷害的影響

選取L1、L3、L4號巖心在40 ℃恒壓5 MPa的條件下分別使用不同黏度的壓裂液(2.0、3.4、4.6 mPa·s)滲吸222 min，探究壓裂液黏度對于儲層傷害的影響規律。

由圖4可知，黏度越高的壓裂液對巖心的傷害率越高。因黏度越大的壓裂液中高分子膠質物含量越高，則更易在巖心孔隙中滯留，堵塞氣相滲流通道，也更易在巖心端面形成濾餅，從而降低巖心滲透率，造成巖心傷害。由圖5可知，壓裂液黏度較大的實驗組返排率較低，因黏度較高的壓裂液在巖心中的流動阻力較大，返排時不易被驅出。

圖4 不同壓裂液黏度下巖心傷害率與壓力關系圖

圖5 不同壓裂液黏度下巖心返排率與壓力關系圖

2.3 不同巖心滲透率對滲吸傷害的影響

選取L1、L5、L6號巖心在40 ℃恒壓5 MPa的條件下滲吸，L1號巖心滲吸222 min，L5號巖心滲吸36 min后出液，L6號巖心滲吸25 min后出液，待出液穩定后停止滲吸，分析巖心滲透率對于儲層傷害的影響規律。

由圖6可知，滲透率越大的巖心在滲吸過程中的傷害率越小。因滲透率大的巖心中小孔徑較少，則毛管力較小，在滲吸作用下進入巖心的壓裂液滯留率低，返排率高，所以較滲透率小的巖心傷害率低。由圖7可知，巖心滲透率較大的實驗組巖心返排率要大得多，因滲透率較大的巖心中大孔徑比例較高，壓裂液流動阻力較小，所以返排率高；而滲透率較小的巖心中小孔徑比例較高，壓裂液因毛管力作用而被滯留在小孔隙中，返排時不易被驅出。

圖6 不同巖心滲透率下巖心傷害率與壓力關系圖

圖7 不同巖心滲透率下巖心返排率與壓力關系圖

2.4 不同滲吸時間對滲吸傷害的影響

選取L1、L7、L8號巖心在40 ℃恒壓5 MPa的條件下使用黏度為2.0 mPa·s壓裂液分別滲吸222、110、74 min，探究滲吸時間對于儲層傷害的影響規律。

由圖8可知，壓裂液滲吸時間越長巖心傷害率越高。因為在滲吸量未達到飽和前，滲吸時間越長，壓裂液入侵量越多，深度越深，則對巖心的傷害率越高。由圖9可知，滲吸時間較短的實驗組巖心返排率較高，因其入侵量較少，且進入深度較淺，壓裂液易被驅出。

圖8 不同滲吸時間下巖心傷害率與壓力關系圖

圖9 不同滲吸時間下巖心返排率與壓力關系圖

3 影響程度評價

3.1 灰色關聯法原理

灰色關聯度[19-20]是對事物或系統因素間描述其關系強弱、大小和次序的一種度量方法[21]。灰色關聯法的基本步驟[22]如下。

3.1.1 確定分析數列

以巖心損害率為參考序列，如式(3)所示：

X0={X0(k)|k=1,2,…,n}

(3)

以壓裂液黏度、巖心滲透率以及壓裂液滲吸時間三個因素為比較數列，如式(4)所示：

Xi={Xi(k)|k=1,2,…,n}，i=1,2,…,m

(4)

式中：n為所選時間段內的時間點數；m為影響因素個數(此時為3)。

3.1.2 初始序列的無量綱化

由于序列中各參數具有不同的物理意義，導致序列的量綱和數量級不同，則需要進行正向化和無量綱化，以保證序列的等級性和等權性。對于數值較大指標，采用式(5)進行標準化：

(5)

對于數值較小的指標，采用式(6)進行標準化：

(6)

式中：i=1,2,…,m;k=1,2,…,n。

3.1.3 計算關聯系數

X0與Xi在第k點的關聯系數為

(7)

Xi(k)與對應的X0(k)的關聯系數：

ξi={ξi(k)|k=1,2,…,n}

(8)

3.1.4 計算關聯度

(9)

3.2 基于灰色關聯法的影響程度分析

在實際壓裂生產中，壓裂液作為儲層中唯一的外來流體，無須探討不同滲吸液相對儲層傷害的影響程度。根據上述實驗結果，結合灰色關聯法計算出壓裂液黏度、巖心滲透率以及壓裂液滲吸時間的關聯度分別為0.87、0.67、0.71，如圖10所示。此數值越大代表該因素與滲吸傷害程度的關聯性越大，反之關聯性越小。按關聯度的大小對三個因素進行排序，得出它們的相關關聯序：壓裂液黏度>壓裂液滲吸時間>巖心滲透率。說明壓裂液黏度對于儲層的滲吸傷害率最大，壓裂液黏度越大，其在儲層中的流動阻力越大，就越容易滯留在孔隙中，降低儲層滲透率，對儲層造成傷害；其次是滲吸時間，滲吸時間越長，在未達到飽和滲吸量之前，儲層中進入的壓裂液就越多，也就越不易返排，從而滯留對儲層造成傷害；巖心滲透率對儲層滲吸傷害程度相對較小。

圖10 滲吸傷害影響因素灰色關聯度對比

由于現場壓裂施工通常是在某一儲層層位進行的，而同一層位的儲層滲透率基本相同，因此只考慮壓裂液黏度和壓后燜井時間兩種因素的改進措施即可。建議油田在實際壓裂生產中，優先考慮壓裂液黏度對滲吸傷害的影響，選擇合適的壓裂液配方。在此基礎上制定適合該儲層的“快速返排”生產制度，盡可能地減少壓裂液與儲層的接觸時間，以最大程度降低滲吸傷害。

4 結論

對于壓裂液滲吸對儲層的傷害研究，采用室內滲吸模擬實驗，進行了4種因素對于儲層的損害率規律研究，并對其中3種因素采用灰色關聯分析法進行影響程度大小排序，主要得到以下結論。

(1)壓裂液滲吸對儲層的傷害率與壓裂液黏度和壓后燜井時間呈正相關關系，與巖心滲透率呈負相關關系；壓裂液滲吸對儲層的傷害率較地層水大。

(2)壓裂液返排率與巖心滲透率呈正相關關系，與壓裂液黏度及壓后燜井時間呈負相關關系；壓裂液滲吸后的返排率低于地層水滲吸后的返排率。

(3)基于灰色關聯分析法得到三種因素對儲層滲吸傷害程度大小排序為：壓裂液黏度>壓后燜井時間>巖心滲透率，由此建議油田在實際壓裂生產中優先考慮壓裂液黏度對儲層的傷害，選擇合適的壓裂液體系，尤其是破膠劑的選擇，并制定合理的快速返排制度，以降低壓裂液對儲層的傷害。