塔24 致密油試驗區不同壓裂破膠液燜井效果評價

蔣建方，黃登鑄，唐 珊，祁生金，姜 杰，褚占宇，劉金棟

（1.中國石油大學非常規油氣科學技術研究院，北京 102249；2.中國石油大學石油工程教育部重點實驗室，北京 102249）

大慶油田塔24 區塊扶余儲層巖心平均液測孔隙度為10.39%，平均液測滲透率為0.017 1×10-3μm2，為典型致密儲層；該儲層陸源碎屑含量較高（80%～92%），巖石礦物成熟度低，石英含量27%～30%，黏土礦物以伊利石（14%）和綠泥石（25%）為主，含有較多伊蒙混層（58%）；儲層巖礦填隙物主要是方解石（15%），主要形式為膠結和交代石英、長石，填隙物與基質以點線接觸或懸浮接觸，充填進一步降低了孔隙孔喉，薄片鑒定顯示孔隙以粒間溶蝕孔為主，孔隙孔徑為120 μm，喉道2 μm，面孔率僅4%；由于致密儲層孔隙度和滲透率低，孔隙孔喉小，毛管力大，在儲層壓裂增產過程中，滯留在儲層的壓裂液會以滲吸作用進入巖石基質[1-2]，引起儲層含水飽和度提高，對儲層造成液相傷害[3-4]，研究降低壓裂液對致密儲層的傷害對開發致密油儲層具有重要意義。

近年在非常規油氣資源開發過程中，現場工程師發現壓裂液返排后燜井一段時間，油井產量會有一定幅度提升，但是對于燜井的增產機理不太明朗[7-8]。張寅，劉剛等[5-6]在涪陵區塊頁巖油藏和大慶古龍頁巖油區塊的燜井實踐中，發現燜井可以改變近井儲層物性，促進油水置換，提高單井產能，該研究只在宏觀層面量化燜井能夠增加油的產出量沒有對其中的微觀機理進行詳細闡述；達引朋等[9]通過地質油藏精細建模和油藏數值模擬方法從微觀角度研究燜井期間壓裂增能機理，結果表明超低滲儲層毛管力明顯，燜井期間會對壓裂液進行滲吸，表面活性劑壓裂液會降低界面張力，減小毛管力作用；LEDH 等[10]通過數值模擬手段，發現燜井期間儲層對壓裂液的滲吸能夠對儲層滲透率恢復起到一定作用，但沒有結合物模實驗進行對比驗證；劉博峰等[2]以鄂爾多斯盆地S 區塊致密儲層巖心為對象，用胍膠、滑溜水和清潔壓裂破膠液開展滲吸實驗和滲吸后巖心傷害評價實驗，結果表明三種壓裂液均會對巖心造成水鎖傷害，清潔壓裂液的水鎖傷害率最低（15%）；陳志明等[11]學者利用動態分析方法以及生產歷史約束，對長慶頁巖油XC 井進行燜井時間優化，結果表明合理燜井時間為25～30 d；目前國內學者對燜井工藝在現場和數值模擬上均有研究，在滲吸驅油和壓裂液滲吸對儲層的傷害方面研究較多，但在室內模擬燜井工藝、燜井降低滲透性傷害以及室內分析機理方面報道很少。

由于現場燜井是在頁巖油藏區塊上，頁巖和致密油藏儲層物性上存在一定差異，所以其燜井產生的效果和燜井時間優化可能不同于致密油藏，且數值模擬手段往往對邊界條件、材料屬性進行簡化，使得結果精度下降，所以本文利用室內實驗方法對前人的數值模擬結果進行對比分析，可以使得結論合理可靠；實驗在劉博峰等學者的研究基礎上，增加高分子聚合物壓裂液對巖心傷害和燜井對致密巖心滲透率影響的機理研究，借助LDL-IV 型巖心驅替流動儀和接觸角測定儀，用不同壓裂破膠液對塔24 致密油試驗區的巖心進行巖心損害實驗和模擬燜井實驗，并測定燜井前后的巖心潤濕角，分析不同壓裂破膠液在塔24 區塊燜井的適應性。塔24 試驗區作為大慶油田最重要的致密油儲層之一，對該儲層進行燜井適應性評價研究對開發致密儲層具有指導意義。

1 實驗部分

1.1 主要實驗儀器與材料

高精度ISCO A100DX 恒壓恒流驅替泵，美國Teledyne 公司；LDL-IV 型巖心驅替流動儀，海安發達石油儀器科技有限公司；BZY-2 界面張力儀，上海衡平儀器儀表廠。

地層水為礦場采出水，水型為NaHCO3型，礦化度為4 702 mg/L，pH 值為7.6；巖心和壓裂液配方及其助劑由礦場提供（見表1）。

表1 實驗材料參數

1.2 壓裂液配制

（1）胍膠壓裂液配方：0.45%胍膠+0.06%Na2CO3+0.02%NaHCO3+0.15%助排劑+0.1%破乳劑+0.4%黏土穩定劑+0.2%ZW-2+0.08%XP；交聯劑（4%GW150+7%DW90），交聯比為50∶1；破膠劑為0.05%過硫酸鉀。

（2）高分子聚合物壓裂液配方：0.25%聚合物；15%交聯劑，交聯比為50∶1；破膠劑為0.05%過硫酸鉀。

（3）表面活性劑壓裂破膠液配方：2%表面活性劑；30%表面活性劑交聯劑（KCl）；交聯比為50∶1；破膠劑為油或水。

1.3 實驗方法

1.3.1 巖心損害實驗 胍膠、高分子聚合物和表面活性劑破膠液的巖心驅替實驗均按SY/T 5107—2005《水基壓裂液性能評價方法》進行。

1.3.2 燜井工藝適應性評價實驗

（1）正向注入地層水，獲得巖心穩定的水相滲透率K1；

（2）正向注入胍膠壓裂破膠液，待流出基本穩定，停泵，關閉巖心夾持器兩端閥門，維持實驗溫度和壓力，放置2 h；

（3）重復步驟（1），獲得水相滲透率K2；重復步驟（2），模擬燜井3 d；重復步驟（1），獲取水相滲透率K3；直至模擬燜井30 d，測出水相滲透率K5；

（4）計算胍膠壓裂破膠液不同燜井時間下各自的巖心滲透率損害率：ηd=（K1-Ki）/K1×100%，i=2，3，4，5；

（5）高分子聚合物壓裂破膠液重復胍膠燜井操作，分別重復步驟（1）～（4）；

（6）表面活性劑壓裂破膠液重復胍膠燜井操作，分別重復步驟（1）～（4）。

2 結果與討論

2.1 巖心損害評價實驗

胍膠壓裂破膠液傷害實驗結果（見圖1），巖心的初始液測滲透率為0.017 8×10-3μm2，驅替傷害后的巖心滲透率在13.38 PV 下降幅度24.23%，14.19 PV 開始在地層水不斷驅替過程中滲透率小幅度上升最后在24 PV 趨于穩定；作為廣泛應用于開發非常規儲層的胍膠壓裂液，由于破膠不徹底，殘渣、殘膠很容易造成儲層傷害，且對巖心基質傷害主要是水相傷害和胍膠滯留傷害[12-13]，由于胍膠相對分子質量大，容易造成巖心孔隙堵塞，胍膠驅替結束后，巖心中大孔喉被胍膠分子堵塞，造成滲透率急劇下降，14.19 PV 巖心孔隙中吸附和滯留的胍膠分子被地層水逐漸稀釋，減小巖心堵塞，使得滲透率微量上升。

圖1 壓裂破膠液驅替對巖心的損害曲線

高分子傷害巖心滲透率主要是在地層水驅替過程中，孔喉中疏松填隙物的雜基會在高分子聚合物的吸附帶動下發生顆粒運移，造成顆粒堵塞傷害，并且驅替過程形成的濾餅會造成導流能力下降或者堵塞巖心中較大的孔喉，造成大孔喉減少小孔喉增加[14-15]，由于小孔喉數量增加，地層水驅替開啟少量多裂縫，最終水相滲透率微量上升趨于穩定；表面活性劑破膠液驅替后巖心滲透率變化不同于胍膠和高分子聚合物，由于表面活性劑壓裂液的相對分子質量比胍膠、聚合物壓裂破膠液小，僅相當于胍膠的1/5 000，因此表面活性劑通過巖心的流速和流量明顯高于胍膠、高分子聚合物壓裂破膠液，并且表面活性劑分子鏈上含親水和長鏈疏水基團，這些基團在鹽介質中形成網狀結構[16]，在遇到地層水后網狀結構能夠破膠，且破膠后沒有殘渣造成堵塞孔喉，地層水驅替的稀釋作用加大表面活性劑的破膠，能一定程度提高水相滲透率。

實驗結果（見表2），胍膠造成的巖心滲透率損害率比較大，傷害后損害率為18.54%，高分子聚合物次之16.20%，表面活性劑驅替后，對巖心滲透性有一定改善，滲透率提高了7.83%。

表2 壓裂破膠液驅替對巖心滲透率的影響

2.2 燜井工藝適應性評價實驗

從燜井曲線（見圖2～圖4）可以看出，胍膠壓裂破膠液分別燜井2 h、3 d、15 d、30 d，巖心滲透率損害率逐漸下降，分別為16.87%、15.22%、15.06%和14.74%，可見胍膠壓裂破膠液燜井對巖心滲透率存在損害，并且損害率隨著燜井時間的延長而降低，在燜井3 d 滲透率損害率減小比較明顯，隨著燜井時間的延長，破膠液逐漸滲吸進入巖心基質并擴散產生微裂縫[17]，巖心流動能力提升，滲透率一定程度上得到改善，后期燜井15 d、30 d 滲透率損害率減小變緩甚至無變化，在30 d 滲透率傷害率達到最低值，這和陳志明等學者在長慶頁巖油XC 井燜井時間優化結果一致。

圖2 塔24 區塊4-4 號巖心胍膠壓裂液燜井工藝適應性評價

圖3 塔24 區塊5-1 號巖心聚合物壓裂液燜井工藝適應性評價

圖4 塔24 區塊5-2 號巖心表面活性劑壓裂液燜井工藝適應性評價

高分子聚合物破膠液燜井后表現出來的特性與胍膠基本相似，但損害程度相對減小，由于高分子聚合物會在巖心裂縫壁面形成濾餅和聚合物殘渣造成堵塞，燜井2 h 后滲透率跳動起浮比較大[18]，隨著燜井時間的延長，巖心滲吸作用稀釋孔喉通道堵塞物，在燜井15 d 后逐漸趨于穩定。表面活性劑壓裂破膠液燜井表現出來的特性與胍膠、高分子聚合物相反，燜井2 h 巖心滲透率明顯提高，燜井15 d 后滲透率趨于穩定。由于表面活性劑破膠液的相對分子質量小于胍膠和高分子聚合物，不易造成孔隙孔喉堵塞，另外表面活性劑可以降低油水表界面張力且該表面活性劑壓裂液體系為陽離子型劑，可以降低巖石表面的親水性，使水相滲透率增加，同時注入地層水本身又是破膠劑，進一步加大了表面活性劑交聯液的破膠程度，使巖心滲透率提升。

燜井實驗結果（見圖5），燜井可以減少巖心滲透率損害率，隨著燜井時間延長損害率逐漸減小，燜井3 d 損害減小比較明顯，15 d 后減少幅度變小；表面活性劑燜井改善巖心滲透性的效果明顯好于胍膠和聚合物；巖心損害實驗與模擬燜井30 d 結果對比（見表3），胍膠、高分子聚合物壓裂破膠液驅替和燜井均對巖心造成損害，但燜井會減少傷害程度，燜井30 d 高分子聚合物減少損害率幅度最大，其次為胍膠，表面活性劑無論驅替還是燜井30 d 均提高巖心滲透性[19]。

圖5 不同壓裂液燜井對巖心滲透率的傷害比較

表3 破膠液驅替和燜井30 d 后巖心滲透率損害率比較

2.3 巖石潤濕角測定實驗

表面活性劑、高分子聚合物和胍膠壓裂破膠液對塔24 區塊巖心燜井后的巖心潤濕角測定（見圖6），燜井前三塊巖心在地層水、空氣下的潤濕角差別不明顯分別為32°、31°和33°，表明巖心原本表現出來的特性是親水的；三種破膠液燜井后潤濕角分別為68°、46°和41°，可以看出燜井后巖心潤濕角變大，巖心親水性有所減弱，水相滲透性會有一定程度增加，但巖石沒有發生潤濕反轉，巖石表面還是親水，油相滲透率仍然大于水相滲透率；由于表面活性劑壓裂液為陽離子型，陽離子的正電荷與巖石表面的負電荷作用，吸附在巖石表面，陽離子電荷越大，吸附作用越顯著，因此表面活性劑增大巖石潤濕角的程度大于高分子和胍膠，另外表面活性劑能降低油水界面張力[20]，增大巖心潤濕角，根據毛管力公式，潤濕角增加或表面張力下降均會導致毛管力下降，減少儲層對壓裂液滲吸作用，有利于壓裂液的返排，減少儲層傷害。高分子聚合物和胍膠壓裂液中采用的黏土穩定劑也是陽離子型的，含量相對表面活性劑少，但對潤濕性的影響機理是一樣的。

圖6 常溫常壓下水、空氣、塔24 區塊巖心三相潤濕角變化

毛管壓力公式：

式中：ρ-毛管力，Pa；σ-界面張力，mN/m；θ-潤濕角，°；r-孔隙半徑，mm。

潤濕性實驗結果（見表4），三種壓裂液燜井后潤濕角均增大，減弱了強親水地層的潤濕性，但沒有使潤濕性反轉；表面活性劑對巖石潤濕角的改變程度相對較大，高分子聚合物次之，胍膠最低；潤濕角增大減緩了巖心對壓裂液的滲吸作用，使巖心水相滲透率提高，壓裂破膠液更容易返排，減小壓裂液對儲層的傷害。

表4 不同壓裂液對巖石潤濕性變化影響程度

3 結論

（1）胍膠壓裂破膠液對巖心滲透性損害較大，高分子聚合物壓裂破膠液次之，表面活性劑壓裂破膠液可以提高巖心滲透性。

（2）壓裂破膠液燜井對降低儲層傷害具有效果，第3 d 燜井作用效果明顯，在燜井15 d 后，巖心滲透率傷害率降低幅度趨于穩定，高分子聚合物壓裂破膠液燜井30 d 后降低巖心滲透率損害率的幅度最大。

（3）三種壓裂破膠液燜井處理后巖心的潤濕角都變大；表面活性劑壓裂破膠液大幅度提高了巖心的潤濕角，其次是聚合物、胍膠壓裂破膠液；表面活性劑增大潤濕角，可以減少毛管力，有助于壓裂液返排減小對儲層的傷害。