水基壓裂液傷害機(jī)理及措施研究

槐巧雙，葛欣煒，王懷婧，竇國全

（1.中國石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司井下技術(shù)服務(wù)分公司，天津 300283；2.中國石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院，天津 300280）

壓裂液具有傳遞壓力、形成裂縫并攜帶支撐劑的作用，是水力壓裂成功與否的關(guān)鍵。壓裂液對儲層是外來流體，在進(jìn)入儲層再返排回地面的過程中會對儲層造成各種傷害，這些傷害主要是指由于壓裂液中的液相或固相導(dǎo)致的裂縫壁面附近孔喉結(jié)構(gòu)的變化從而表現(xiàn)出的滲透率降低現(xiàn)象[1]。特別是壓裂液中含有的如稠化劑等的高分子聚合物，這些聚合物分子會滯留巖石孔喉和裂縫支撐劑，降低儲集層滲透率和裂縫的導(dǎo)流能力，甚至堵塞孔道，嚴(yán)重影響增產(chǎn)改造效果[2]。

此前壓裂液對儲層的傷害機(jī)理研究大多是在按工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的常規(guī)巖芯試驗中進(jìn)行的，根據(jù)壓裂液滲入巖芯前后的滲透率變化來估算儲層的傷害程度，并未從微觀角度對傷害的機(jī)理進(jìn)行實驗分析，并且未確定儲層損害的主要和次要因素以及特定因素的具體破壞程度[3-4]。為精細(xì)化水力壓裂的生產(chǎn)服務(wù)，揭示壓裂液對儲層的傷害機(jī)理，提升增產(chǎn)改造效果，近年來多種微觀方法[5-8]被引入到研究壓裂液對儲層的傷害中來，進(jìn)一步認(rèn)識壓裂液對儲層的傷害機(jī)理。研究人員對多種不同類型的低滲儲層進(jìn)行了壓裂液傷害精細(xì)化評價，發(fā)現(xiàn)固相傷害占比基本在20%左右，為主要傷害因素；水敏傷害9%~11%，水鎖傷害5%~8%，為次要傷害因素[9-10]。

1 水基壓裂液傷害類型及機(jī)理

20 世紀(jì)中葉，恩格爾哈特和圖恩初步發(fā)現(xiàn)壓裂液會對儲層造成傷害，通過宏觀的敏感性傷害實驗，都證明了鹽、速、堿等敏感性傷害的存在。壓裂液作為外來流體，對儲層不可避免地會造成傷害，針對不同的儲層類型，水基壓裂液的傷害類型和原理也不同。

1.1 水相傷害

水基壓裂液使用水作為基礎(chǔ)流體介質(zhì)，會攜帶大量水進(jìn)入地層，對于低滲儲層，只有5%~50%水能從地下返排回地面，導(dǎo)致大量水滯留在地層中，對儲層造成傷害。水相傷害分為水敏傷害和水鎖傷害。水敏傷害的大小與儲層中粘土礦物含量呈正相關(guān)；水鎖傷害的大小與儲層滲透率呈負(fù)相關(guān)。水相傷害的最終表現(xiàn)為儲層滲透率下降。

1.1.1 水敏傷害

壓裂液水敏傷害主要指水基壓裂液中水與地層粘土礦物作用而引起的儲層滲透率下降的現(xiàn)象。

膨脹后的粘土礦物受外力作用很容易破碎分散，隨壓裂液流動而運(yùn)移。因此，控制和降低水敏傷害的核心是抑制粘土礦物的水化膨脹，見圖1。粘土礦物含量越高，其導(dǎo)致的儲層損害越大。粘土礦物的種類不同，水化作用的強(qiáng)弱不同；礦物晶體部位不同，形成的水化膜厚度不同，所引起的水敏傷害程度不同。

圖1 粘土礦物水化膨脹原理示意圖

1.1.2 水鎖傷害

水基壓裂液返排后還會有大部分水將滯留在壓裂后形成的裂縫及致密儲層中，裂縫中殘留的水將降低裂縫的導(dǎo)流能力，而滲入儲層基質(zhì)中的水將導(dǎo)致“水鎖傷害”并阻礙油氣的流動。研究表明，裂縫的存在會增大儲層的水鎖傷害，而水鎖對氣層的傷害遠(yuǎn)高于油層，這主要是由于氣體的存在會產(chǎn)生賈敏效應(yīng)，氣泡由于界面張力的作用會堵塞微小孔喉，從而降低油氣流動孔道，見圖2。因此，控制和降低水鎖傷害的關(guān)鍵是降低流體間的界面張力。

圖2 賈敏效應(yīng)

1.2 固相傷害

水基壓裂液中使用了稠化劑、添加劑等大量的高分子化合物，這些高分子化合物是固相傷害的主要誘因。壓裂液產(chǎn)生的固相傷害的原因有二：一是由于壓裂液破膠不徹底產(chǎn)生殘渣的及水不溶物堵塞孔道；二是高分子化合物吸附在孔道及裂縫壁面縮小油氣流動通道。

1.2.1 殘渣堵塞

殘渣堵塞的原因是由于破膠不充分產(chǎn)生的固相顆粒發(fā)生了機(jī)械捕集，不溶物逐漸堆積，尺寸不斷增大，隨流體運(yùn)移而堵塞微小孔喉，嚴(yán)重降低裂縫附近的基質(zhì)滲透率。稠化劑的濃度越高，壓裂液產(chǎn)生的殘渣越多；破膠時溫度越低，殘渣含量越大。若能使水基壓裂液的分解成水溶性好的小分子物質(zhì)，便能很好地解決壓裂液破膠不徹底產(chǎn)生的殘渣傷害，見圖3。

圖3 殘渣堵塞示意圖

1.2.2 吸附滯留

吸附滯留傷害是對于殘渣堵塞傷害問題的進(jìn)一步剖析，高分子鏈上的基團(tuán)會與基質(zhì)孔喉和支撐劑表面及裂縫壁面產(chǎn)生吸附作用，損害儲層滲透率和裂縫導(dǎo)流能力，嚴(yán)重影響改造效果。在低滲油氣藏中，高分子吸附滯留導(dǎo)致的滲透率傷害更為嚴(yán)重，對產(chǎn)量影響很大。

吸附和滯留同時存在不可割分，只有當(dāng)聚合物分子在巖石多孔介質(zhì)中發(fā)生少量吸附才會逐漸形成吸附滯留傷害，機(jī)械捕集導(dǎo)致少量滯留，水動力學(xué)聚集導(dǎo)致大量滯留，見圖4。

圖4 吸附滯留示意圖

1.3 速敏傷害

速敏傷害也是殘渣堵塞的誘因。水力壓裂施工時，為使壓裂液能有足夠能量壓開儲層，通常會采用大排量。儲層中的碎屑顆粒以及顆粒間的填隙物受壓力和流速的影響，當(dāng)流速達(dá)到某個臨界，部分固相顆粒會隨著壓裂液在儲層中的流動而運(yùn)移，這些微粒會堵塞微小的孔喉通道以及狹窄部位。當(dāng)流速增大到一定數(shù)值時，微粒在孔喉處會形成較穩(wěn)定的“橋堵”，導(dǎo)致儲層滲透率降低，造成速敏損害。

速敏傷害主要受流速、儲層巖石的膠結(jié)程度影響。巖石的膠結(jié)越差，巖石表面顆粒越容易脫落；流速增加，運(yùn)移的微小顆粒增多，孔喉及裂縫狹窄處發(fā)生堵塞的概率增大，見圖5。

圖5 速敏傷害示意圖

1.4 堿敏傷害

在常規(guī)堿性條件下交聯(lián)的濾液中可觀察到致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，含有一些殘留物和松散聚集的顆粒。堿性壓裂液進(jìn)入儲層后，會與石英、長石、白云石等碎屑顆粒反應(yīng)形成硅酸鹽礦物，這些硅酸鹽物質(zhì)具有較強(qiáng)的吸附性，會附著在巖石表面形成致密的吸附膜，從而縮小甚至堵塞孔喉。

1.5 酸敏傷害

酸敏傷害的機(jī)理和堿敏類似，在酸性條件下壓裂液與地層中的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)而產(chǎn)生沉淀，如與綠泥石中鐵離子發(fā)生反應(yīng)形成的鐵沉淀，再通過流體運(yùn)移堵塞孔喉。但目前使用的水基壓裂液體系基本呈中性或弱堿性，所以不再關(guān)注酸敏傷害。

1.6 鹽敏傷害

水基壓裂液進(jìn)入儲層后會降低地層中流體的礦化度，當(dāng)?shù)椭聊骋慌R界礦化度時，會導(dǎo)致粘土礦物晶層間陽離子被置換導(dǎo)致層間距增大，粘土礦物膨脹造成傷害。鹽敏傷害的本質(zhì)與水敏相似，而且傷害程度較小，控制和降低水敏傷害時鹽敏傷害可以同時解決。同時目前礦場上為節(jié)約淡水資源，控制成本，提出使用高礦化度的返排液和地層產(chǎn)出水配置水基壓裂液，因此目前不再關(guān)注壓裂液的鹽敏傷害。

2 壓裂液傷害降低措施

為降低水基壓裂液對儲層造成的傷害，提高水力壓裂的改造效果，國內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究工作，提出了多種降低水基壓裂液傷害的方法，主要分為化學(xué)手段和工程手段兩大類。

2.1 化學(xué)手段

2.1.1 添加劑

（1）粘土穩(wěn)定劑和防膨劑。粘土穩(wěn)定劑是通過在分子吸附在粘土礦物表面形成一層保護(hù)膜，將水隔離開，防止粘土顆粒遇壓裂液時發(fā)生破碎、膨脹后隨壓裂液流動而分散運(yùn)移堵塞孔喉，從根源上降低水敏傷害。防膨劑可以通過中和粘土礦物表面的負(fù)電性，抑制層間陽離子交換防止晶片間距增大，從而達(dá)到防止粘土礦物膨脹的效果；同時防膨劑可以改變粘土礦物表面的潤濕性，阻礙水進(jìn)入粘土層間結(jié)構(gòu)。

（2）表面活性劑。表面活性劑是能使溶液體系界面狀態(tài)發(fā)生明顯變化的物質(zhì)，其分子結(jié)構(gòu)具有兩親性，可分為陽離子、陰離子、兩性和非離子表面活性劑。表面活性劑的核心作用就是可以顯著改變界面狀態(tài)，降低界面張力。

（3）醇。小分子醇的沸點低、互溶性及揮發(fā)性強(qiáng)，可以溶解在壓裂液濾液中并隨著濾液侵入基質(zhì)孔隙和微裂縫，同時由于地層溫度較高，醇在孔喉中受熱揮發(fā)，將孔隙中由于水鎖而無法返排的水帶出，從而降低水鎖傷害。甲醇成本較低，在現(xiàn)場運(yùn)用較多，但醇由于自身性質(zhì)，運(yùn)輸成本較高，同時在現(xiàn)場危險性較大，目前使用逐漸減少。

（4）氫鍵抑制劑。氫鍵抑制劑的作用有兩方面，一是抑制壓裂液中聚合物分子與巖石表面形成氫鍵，二是破壞已經(jīng)在巖石表面形成的氫鍵，從而改善孔喉結(jié)構(gòu)及巖石表面潤濕性，顯著降低吸附傷害。添加劑的分子量不宜過大，否則容易堵塞微小孔喉對儲層造成二次傷害。

2.1.2 生物技術(shù)

生物酶能對侵入裂隙的壓裂液有效破膠，降解凝膠殘留物，提高儲層的滲透率和導(dǎo)流能力，同時降解過程中生成的CO2氣體有助于返排，進(jìn)一步降低壓裂液傷害。胍膠降解酶可以減小殘渣粒徑，改善孔喉結(jié)構(gòu)，具有一定解堵作用。其中CGS胍膠降解酶對破膠后胍膠壓裂液殘渣的降解率達(dá)36%，滲透率恢復(fù)程度高達(dá)80%以上。

2.1.3 低分子量稠化劑

清潔壓裂液的本質(zhì)是使用小分子的粘彈性表面活性劑作為稠化劑，其配液簡單，不需要交聯(lián)劑和其它化學(xué)添加劑；流動摩阻小，只有清水的25%～40%，施工安全簡單；配液時無水不溶物，破膠后無殘渣，返排率高，能夠取得良好壓裂效果。研究人員通過實驗對比了胍膠壓裂液、聚合物壓裂液和清潔壓裂液的基質(zhì)滲透率損害率，結(jié)果表明清潔壓裂液對地層傷害最小，殘渣測定結(jié)果顯示清潔壓裂液幾乎沒有殘渣。

2.1.4 納米材料

粒徑小、表面大是納米材料的顯著特征，納米材料可以對壓裂液體系進(jìn)行改性，改善壓裂液耐溫性、流變性等各方面性能。在壓裂液中加入納米顆粒可以降低壓裂液對地層的傷害。納米粒子對傷害的降低作用主要有三方面：提高壓裂液的流變性能，改變巖石的潤濕性，增大返排量，從而減少壓裂液在儲層中的滯留；降低水相的相對滲透率，提高油相的流動能力；降低壓裂液中稠化劑等添加劑的用量，減少殘渣的產(chǎn)生。

2.2 工程手段

（1）優(yōu)化注排速度。在滿足壓裂施工排量需求下，根據(jù)儲層實際情況優(yōu)化壓裂液進(jìn)入和返排的速度，使壓裂液在儲層中的流速不超過臨界流速，可以大幅降低壓裂液對儲層造成的速敏損害。

（2）快速返排技術(shù)。快速返排技術(shù)對于低滲油氣藏開發(fā)是一套實用性很強(qiáng)的配套技術(shù)，主要采用縮短壓裂液壓后的破膠水化時間，同時優(yōu)化作業(yè)程序及管理手段來縮短壓后投產(chǎn)時間，提高壓裂液返排率，減少壓裂液在儲層中的滯留時間，顯著降低壓裂液對儲層的傷害，對單井產(chǎn)能的提高效果顯著。

快速返排技術(shù)成本低、見效快，主要是對作業(yè)方法及壓裂液配方進(jìn)行調(diào)整。但如何控制和應(yīng)對好施工過程中返排吐砂及生產(chǎn)吐砂的問題還有待研究。

（3）優(yōu)化施工設(shè)計。根據(jù)儲層實際情況，在滿足壓裂效果前提下，通過優(yōu)選壓裂液體系、優(yōu)化壓裂設(shè)計裂縫長度、導(dǎo)流能力、施工排量、前置液比和平均砂比等施工參數(shù)，來減少壓裂液及壓裂液中添加劑的用量，從而降低壓裂液對儲層造成的傷害。

（4）使用預(yù)前置液和緩沖劑。在壓裂前置液中使用適宜的緩沖劑體系，通過改善壓裂液濾液的酸堿度，可以有效減輕壓裂液堿敏傷害或酸敏傷害。

（5）無水壓裂。無水壓裂技術(shù)無需消耗水資源，不含固相顆粒，與儲層完全配伍，不存在水敏以及水鎖傷害等問題，且壓后返排迅速徹底，對地層沒有殘留物。主要介紹兩種無水壓裂液，一是液氮壓裂液。液氮降溫引起的熱應(yīng)力超過巖石強(qiáng)度時，會對巖石產(chǎn)生致裂作用，有助于提高壓裂效果。但液氮成本較高，攜砂能力弱，儲存與運(yùn)輸不便，現(xiàn)場運(yùn)用較少；二是超臨界CO2壓裂液。其密度接近液體，粘度接近氣體，表面張力接近于0，理論上是一種較為完美的壓裂液。但CO2壓裂液也存在成本較高、攜砂能力弱等問題，同時如果地層含水，在一定壓力下會CO2完全溶于水，因此在現(xiàn)場運(yùn)用很少，且實際效果不佳。

3 結(jié)語與展望

（1）水力壓裂過程中，壓裂液對儲層的傷害一直是增產(chǎn)改造中關(guān)注的熱點，且愈受重視。本文調(diào)研了截止現(xiàn)階段，國內(nèi)外學(xué)者對于水基壓裂液在常規(guī)及低滲儲層中的傷害現(xiàn)象及原理，調(diào)研了降低傷害的措施，并進(jìn)行了歸納總結(jié)。這為壓裂液傷害后續(xù)的研究方向提供了一定的參考，為新型低傷害壓裂液體系的研制提供一定的支撐。

（2）水基壓裂液對儲層的傷害機(jī)理主要表現(xiàn)在：壓裂液與地層中物質(zhì)產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)；毛管壓力和賈敏效應(yīng)等阻力效應(yīng)的影響；壓裂液破膠不徹底產(chǎn)生大量殘渣；高分子間的纏結(jié)、在儲層中的捕集以及高分子在巖石表面的吸附。最終導(dǎo)致儲層滲透率的下降和裂縫導(dǎo)流能力的降低，嚴(yán)重影響增產(chǎn)改造效果。

（3）降低壓裂液傷害的措施主要有化學(xué)和工程兩大手段，添加劑和低分子稠化劑的運(yùn)用最為廣泛，生物技術(shù)和納米技術(shù)具有很大的發(fā)展?jié)摿Γ瑢⒒瘜W(xué)方法與工程手段結(jié)合效果更為顯著。

（4）未來應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)壓裂液傷害微觀機(jī)理研究的深度和廣度，同時解決目前存在的問題，追求更全面且精細(xì)化的認(rèn)識。對于降低壓裂液傷害的措施，在滿足現(xiàn)場水力壓裂施工需求和改造效果的基礎(chǔ)上，踐行綠色環(huán)保及可持續(xù)發(fā)展理念，改進(jìn)和完善現(xiàn)有的技術(shù)的同時，關(guān)注新方法的研究。