砂巖儲(chǔ)層工作液傷害評價(jià)實(shí)驗(yàn)方法研究

任桂蓉，潘寶風(fēng)，陳智暉，鄒春霞，趙 祥

（中國石化西南油氣分公司工程技術(shù)研究院，四川德陽 618000）

川西致密砂巖以石英、長石為主，黏土礦物類型中綠泥石、伊利石含量較高，具備潛在傷害物質(zhì)條件，工作液對儲(chǔ)層滲透率的損害程度是表征致密氣有效開采的關(guān)鍵指標(biāo)之一[1-3]。目前國內(nèi)傷害評價(jià)及滲透率測試相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)共計(jì)6 項(xiàng)，其中包含3 項(xiàng)國家標(biāo)準(zhǔn)[4-6]（GB/T 28912—2012《巖石中兩相流體相對滲透率測定方法》、GB/T 29172—2012《巖心分析方法》、GB/T 34533—2017《頁巖氦氣法孔隙度和脈沖衰減法滲透率的測定》），2 項(xiàng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[7-8]（SY/T 5358—2010《儲(chǔ)層流體敏感性流動(dòng)實(shí)驗(yàn)評價(jià)方法》、SY/T 5107—2016《水基壓裂液性能評價(jià)方法》），1 項(xiàng)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[9]（Q/SH 0501—2013《致密儲(chǔ)層敏感性流動(dòng)實(shí)驗(yàn)評價(jià)方法》）。綜合來看各標(biāo)準(zhǔn)對巖心的選取、工作液的制備方法規(guī)定各異，對于測試流程尚未作出明確的指示，無統(tǒng)一的可執(zhí)行的砂巖儲(chǔ)層工作液傷害標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)方法。為此，本文開展了巖心獲取來源調(diào)研及分析，探索傷害流體制備方法，進(jìn)行基質(zhì)滲透率測試流程優(yōu)化，規(guī)范了巖心獲取、工作液制備及測試流程，建立了符合現(xiàn)場工況、具有可操作性的巖心傷害實(shí)驗(yàn)方法。

1 巖心選取原則分析

1.1 巖心來源確定

標(biāo)準(zhǔn)顯示人造巖心和天然巖心均可用于傷害評價(jià)實(shí)驗(yàn)，為給出更明確的巖心選取指導(dǎo)意見，開展了人造巖心和天然巖心孔滲對比實(shí)驗(yàn)。

1.1.1 巖心孔隙結(jié)構(gòu)差異 對天然巖心和人造巖心進(jìn)行壓汞測試，由測試結(jié)果（表1）可以看出，在滲透率相近的條件下，天然巖心與人造巖心在孔隙結(jié)構(gòu)方面存在差異，主要表現(xiàn)在孔喉半徑、孔喉分布特征和孔喉連通性三個(gè)方面。與人造巖心相比，天然巖心飽和度中值壓力較大，平均孔喉半徑較小；天然巖心分選較差，粗歪度，表明其孔喉大小不一，非均質(zhì)性較強(qiáng)；人造巖心和天然巖心最大進(jìn)汞飽和度相近，但天然巖心退汞效率較低，表明其連通性較差。

表1 不同巖心類型的壓汞測試結(jié)果

1.1.2 巖心滲流特性差異 選取滲透率相同或相近的天然巖心和人造巖心，對比開展不同工作液流經(jīng)巖心的阻力系數(shù)測試（圖1），結(jié)果表明：當(dāng)聚合物溶液、聚合物/表面活性劑二元復(fù)合體系、強(qiáng)堿/表面活性劑/聚合物三元復(fù)合體系和弱堿/表面活性劑/聚合物三元復(fù)合體系在巖心中流動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，天然巖心與人造巖心阻力系數(shù)之比的平均值分別為1.69、1.73、1.78 和1.65，表明在滲透率相同或相近的條件下，與人造巖心相比，工作液在天然巖心中滯留量較大，滲流阻力較大。

圖1 天然巖心和人造巖心滲流特性對比

綜合天然巖心和人造巖心孔隙結(jié)構(gòu)和滲流特性測試結(jié)果來看兩者差異較大，人造巖心無法代替天然巖心開展工作液優(yōu)選實(shí)驗(yàn)，推薦選取天然巖心開展傷害實(shí)驗(yàn)。

1.2 巖心選取原則

CMS 300 測試不同區(qū)塊巖心孔滲參數(shù)結(jié)果顯示，同井同層位鉆取的天然巖心也存在較大的孔滲差異，如XP15 井的10 塊巖心孔隙度范圍在2.57%～14.22%，氣測滲透率范圍在0.005 728 00～2.541 714 00 mD（表2）。

表2 CMS 300 測試不同區(qū)塊巖心孔滲參數(shù)

選取不同巖心開展同一工作液的巖心傷害實(shí)驗(yàn)（圖2、表3），結(jié)果表明：不同區(qū)塊孔滲相近的巖心實(shí)驗(yàn)結(jié)果差異較大，傷害率之差大于10.00%；同一區(qū)塊不同井孔滲相近的巖心實(shí)驗(yàn)結(jié)果差異較大，傷害率之差大于10.00%；同井同層位孔滲差異較大的巖心實(shí)驗(yàn)結(jié)果差異較大，傷害率之差大于10.00%；同井同層位孔滲相近的巖心實(shí)驗(yàn)結(jié)果差異較小，傷害率之差約為5.00%。因此，推薦評價(jià)篩選同類工作液時(shí)，統(tǒng)一采用同井同層位、孔滲相近的天然巖心開展測試實(shí)驗(yàn)。

圖2 同一工作液不同巖心傷害對比實(shí)驗(yàn)

表3 孔滲相近的巖心應(yīng)滿足的條件

2 傷害液制備方法研究

據(jù)文獻(xiàn)資料和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)顯示[10-11]，鉆井液方面：按不同配方配制的鉆井液體系無需做特殊處理即可直接用作傷害液開展巖心傷害評價(jià)實(shí)驗(yàn)。壓裂液方面主要有兩類不同做法，一類是采用壓裂液濾液作為傷害液，另一類是采用壓裂液破膠液作為傷害液開展實(shí)驗(yàn)。

2.1 破膠液和濾液粒徑分布

配制了不同礦化水條件下的高黏降阻水和膠液，分別制備了相應(yīng)的破膠液和濾液，開展粒徑分布對比分析實(shí)驗(yàn)（圖3、表4）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：相同配方制備的壓裂液破膠液和濾液粒徑分布差異不大。

圖3 工作液粒徑分布圖

表4 破膠液和濾液粒徑分布對比

2.2 破膠液和濾液傷害性能

據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道壓裂液殘?jiān)吭礁撸瑢?chǔ)層的傷害越大，滲透率越大的儲(chǔ)層，壓裂液殘?jiān)鼈υ絿?yán)重。另外，壓裂液殘?jiān)趦?chǔ)層表面形成的濾餅，在一定程度上增加了壓裂液返排的難度，也會(huì)造成儲(chǔ)層傷害。本文選取孔滲相近的巖心開展了標(biāo)準(zhǔn)鹽水、含固相壓裂液、過濾固相后壓裂液巖心傷害對比實(shí)驗(yàn)，定量表征水鎖、水敏和固相傷害（圖4）。工作液如下：

圖4 水鎖、水敏及固相造成的傷害情況

流體1：標(biāo)準(zhǔn)鹽水組成：2.00%KCl+5.50%NaCl+0.45%MgCl2+0.55%CaCl2；

流體2：降阻水組成：0.1%降阻劑+0.1%助排劑+0.1%黏穩(wěn)劑（過濾固相）；

流體3：降阻水組成：0.1%降阻劑+0.1%助排劑+0.1%黏穩(wěn)劑。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：水鎖導(dǎo)致滲透率平均降低了37.07%，降阻水水敏導(dǎo)致滲透率平均降低了9.35%，降阻水中固相導(dǎo)致滲透率平均降低了20.32%。

綜上可知：破膠液和濾液粒徑分布差異不大，濾液的制備過程導(dǎo)致部分固相流失不能較好的反映現(xiàn)場工況，推薦采用破膠液開展壓裂液巖心傷害實(shí)驗(yàn)，且破膠液無需過濾，保留固相和殘?jiān)?/p>

3 滲透率測試方法確定

巖心滲透率傷害率測試方法均基于達(dá)西定律，主要分為液測和氣測兩類。液測是指使用選擇的液相實(shí)驗(yàn)流體測定巖樣（提前抽真空飽和實(shí)驗(yàn)流體）初始液體滲透率K1；在設(shè)定的實(shí)驗(yàn)條件下，將工作液注入巖心，工作液注入巖心的方向、注入倍數(shù)以及巖樣與工作液的接觸時(shí)間依據(jù)工作液的性質(zhì)決定；使用選擇的液相實(shí)驗(yàn)流體測定工作液注入后巖心的滲透率K2；根據(jù)工作液注入前后的滲透率計(jì)算傷害率。氣測傷害過程與液測方法一致，用氮?dú)怛?qū)替測定巖樣（根據(jù)儲(chǔ)層特征建立相應(yīng)的束縛水飽和度）傷害前和傷害后的氣測滲透率，從而計(jì)算傷害率，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要設(shè)置傷害后氮?dú)怛?qū)替返排的時(shí)間，計(jì)算不同時(shí)間的巖心滲透率恢復(fù)率。

液測滲透率計(jì)算公式：

式中：K-巖樣初始液測滲透率，10-3μm2；μ-測試條件下的液體黏度，mPa·s；L-巖樣長度，cm；Q-液體在單位時(shí)間內(nèi)通過巖樣的體積，cm3/s；A-巖樣橫截面積，cm2；Δp-巖樣兩端的壓差，MPa。

氣測滲透率計(jì)算公式：

式中：K-巖樣初始?xì)鉁y滲透率，10-3μm2；μg-測試條件下的氣體黏度，mPa·s；L-巖樣長度，cm；A-巖樣橫截面積，cm2；Q0-氣體在單位時(shí)間內(nèi)通過巖樣的體積，cm3/s；p0-測試條件下的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，MPa；p1-巖樣入口壓力（驅(qū)替壓力+0.0955 MPa），MPa；p2-巖樣出口壓力，0.0955 MPa。

鉆井液體系中單劑的優(yōu)選通常采用流變、濾失等其他指標(biāo)來衡量，巖心傷害評價(jià)實(shí)驗(yàn)主要用來優(yōu)選體系，對比不同鉆井液體系與儲(chǔ)層的適應(yīng)性。為更好的貼合現(xiàn)場工況，推薦根據(jù)儲(chǔ)層特征建立巖樣含水飽和度，采用氣測滲透率方法優(yōu)選鉆井液體系。壓裂液用于壓裂儲(chǔ)層，工作液會(huì)大面積接觸巖石，因此，體系中單劑的篩選除了考慮對基液黏度、耐溫耐剪切性能、降阻率、防膨率表面張力等指標(biāo)的影響，還需考慮與實(shí)際巖樣接觸帶入的傷害，單因素篩選助劑時(shí)應(yīng)盡量摒除水敏、水鎖等因素的影響，故推薦采用液測滲透率方法篩選壓裂液單劑。而壓裂液體系的篩選則應(yīng)涵蓋多因素的影響，匹配現(xiàn)場工況，根據(jù)儲(chǔ)層特征建立巖樣含水飽和度，采用氣測滲透率方法優(yōu)選壓裂液體系。

4 巖心傷害評價(jià)全流程指南

4.1 巖心傷害評價(jià)方法全流程

根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康拿鞔_滲透率傷害率測試方法，準(zhǔn)備相應(yīng)的流動(dòng)介質(zhì)、工作液（傷害液）、巖心，按步驟開展巖心傷害實(shí)驗(yàn)（圖5、圖6）。

圖5 巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)示意圖

圖6 巖心傷害評價(jià)實(shí)驗(yàn)流程總圖

4.2 巖心傷害評價(jià)方法可靠性驗(yàn)證

采用形成的統(tǒng)一的巖心傷害評價(jià)方法，開展了5組平行實(shí)驗(yàn)對新方法進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明新方法實(shí)驗(yàn)重現(xiàn)性較好，各組平行實(shí)驗(yàn)巖心傷害率差值均小于5.00%（表5）。

表5 巖心傷害評價(jià)方法驗(yàn)證

5 結(jié)論

（1）通過開展壓汞測試和阻力系數(shù)測試，明確了人造巖心與天然巖心孔滲特征存在很大差異，無法代替天然巖心開展傷害評價(jià)，推薦評價(jià)篩選同類工作液時(shí)，統(tǒng)一采用同井同層位孔滲相近的天然巖心開展測試實(shí)驗(yàn)。

（2）測試表明破膠液和濾液粒徑分布差異不大，但濾液的制備過程導(dǎo)致部分固相流失不能較好的反映現(xiàn)場工況，推薦采用破膠液開展壓裂液巖心傷害實(shí)驗(yàn)，且破膠液無需過濾，保留固相和殘?jiān)?/p>

（3）根據(jù)工作液特征和實(shí)驗(yàn)測試流程分析，推薦采用液測滲透率方法篩選壓裂液單劑；采用氣測滲透率方法優(yōu)選工作液體系。

（4）采用形成的統(tǒng)一的巖心傷害評價(jià)方法，開展了5 組平行實(shí)驗(yàn)對新方法進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明新方法實(shí)驗(yàn)重現(xiàn)性較好，各組平行實(shí)驗(yàn)巖心傷害率差值均小于5.00%。