周偉勤，梁小兵

(陜西延長石油(集團)有限責任公司研究院, 陜西 西安 710000)

?

致密砂巖氣藏壓裂液體系對儲層基質(zhì)傷害性能評價

周偉勤，梁小兵

(陜西延長石油(集團)有限責任公司研究院, 陜西 西安 710000)

致密砂巖氣藏由于其低孔低滲的儲層特性，必須通過壓裂增產(chǎn)措施才能實現(xiàn)其經(jīng)濟產(chǎn)能。以延安氣田山西組致密砂巖氣藏為研究對象，探討了致密砂巖氣藏壓裂液評價方法，并進行了壓裂液濾液對儲層巖石基質(zhì)滲透率傷害率和壓裂液傷害后核磁共振測試試驗；研究中基于壓裂液與地層流體及工作液的配伍性研究，對壓裂液的乳化率和殘渣進行了測定，篩選出了3種適用于延安氣田致密氣高效開發(fā)的壓裂液體系?；趲r心傷害測試評價和核磁共振測試評價表明，羥丙基胍膠(一級)弱堿性壓裂液體系、羥甲基羥丙基胍膠酸性壓裂液體系、黏彈性表面活性劑VES體系雖均能滿足延安氣田壓裂液作業(yè)要求，但是對比其他2種壓裂液體系，羥丙基胍膠(一級)弱堿性壓裂液體系具有低傷害、低殘渣和高返排的優(yōu)勢，建議采用羥丙基胍膠(一級)弱堿性壓裂液體系作為延長致密砂巖氣藏儲層改造的工作液體系，為該油田儲層保護和有效開發(fā)提供支持。

致密氣藏；砂巖氣藏；壓裂液；傷害率；延安氣田

延安氣田開發(fā)動用的氣層為上古生界低滲致密砂巖氣藏，其主力儲層為石盒子組和山西組，埋深2117～3245m，壓力系數(shù)0.65～0.85MPa/1000m。儲層砂巖石英平均體積分數(shù)66.5%，巖屑平均體積分數(shù)22.3%，膠結(jié)物體積分數(shù)10.50%，膠結(jié)物主要以黏土礦物為主。儲層平均孔隙度8.91%、平均滲透率0.6567mD，屬典型超低滲儲層。由儲層敏感性測試表明，具有強堿敏(堿敏指數(shù)0.98)、中等水敏(水敏指數(shù)0.53)、中等偏弱酸敏(酸敏指數(shù)0.31)，無速敏損害。

截至2016年3月，共計進行20井次壓裂，均采用弱堿性和有機硼在堿性環(huán)境交聯(lián)的方式，全程伴注液氮助排，主支撐劑為20～40目中強陶粒，壓裂泵注均完成設(shè)計要求。但壓裂后測試無阻流量從0～102.7×104m3/d不等，壓裂效果不穩(wěn)定，表明儲層產(chǎn)能未能很好地全面被釋放，其壓裂液對儲層侵入傷害是影響產(chǎn)能釋放的關(guān)鍵因素之一。

而水力壓裂技術(shù)發(fā)展至今，使用的壓裂液已有多類，主要分為水基壓裂液、油基壓裂液、泡沫壓裂液、乳化壓裂液和清潔壓裂液[1～3]。由延安氣田儲層性質(zhì)可知，優(yōu)選壓裂液體系時，在考慮壓裂液性質(zhì)的同時，重點要控制對儲層基質(zhì)的傷害，尤其是水敏傷害和堿敏傷害。由此，初步可選取現(xiàn)用羥丙基胍膠(一級)弱堿性壓裂液體系、酸性壓裂液體系、黏彈性表面活性劑VES體系可作為適用于延安氣田的適用體系。因此筆者基于延安氣田儲層性質(zhì)和3種壓裂液體系基礎(chǔ)配方，優(yōu)化適用于該儲層的具體配方組成、評價對比常規(guī)性能指標，并重點測試3種壓裂液體系對儲層基質(zhì)的侵入傷害，剖析傷害機理，從而給出最佳的壓裂液體系，為提高延安氣田壓裂有效性、充分釋放儲層產(chǎn)能提供一定借鑒。

1　試驗部分

1.1試驗材料及裝置

1) 主要試驗材料羥丙基胍膠(一級)(工業(yè)品，延長油田提供)；羧甲基羥丙基胍膠( CMPHG) (東營市信德化工有限責任公司)；VESHD表面活性劑(自制，非離子表面活性劑/陰離子表面活性劑體積比=3∶1)；有機硼交聯(lián)劑(JL-1)(東營市信德化工有限責任公司)；有機鋯交聯(lián)劑(JL-13)(自制)；殺菌劑(戊二醛)(東營區(qū)東大化學儀器經(jīng)營部)；降濾失劑(羧甲基纖維素CMC)(東營區(qū)東大化學儀器經(jīng)營部)；(NH4)2S2O8( 質(zhì)量分數(shù)為8%) 、HCl、KCl、NaCl、MgCl2、CaCl2(國藥集團化學試劑有限公司，分析純) ；去離子水。

2) 主要試驗設(shè)備TP-520 型電子天平；80-2 型離心沉淀器；博力飛-Ⅲ旋轉(zhuǎn)黏度儀；ESB-Ⅴ型電子表面平衡張力儀；高溫高壓動態(tài)濾失儀；Magnet2000 型核磁共振巖樣分析儀。

1.2試驗方法及原理

1.2.1壓裂液體系配制

主要針對現(xiàn)用羥丙基胍膠壓裂液體系、羧甲基羥丙基胍膠酸性壓裂體系和VESHD壓裂液體系進行性能對比試驗。其基本配方如下：

1)羥丙基胍膠(一級)弱堿性壓裂液體系0.3%～0.4%羥丙基胍膠(一級)+0.3%氣井助排劑+0.1%殺菌劑+0.15%Na2CO3+0.3%氣井起泡劑(或無)+1%～2%KCl+0.2%～0.5%黏土穩(wěn)定劑+0.01%～0.025%pH調(diào)節(jié)劑+2%JLS-2降濾失劑+1%～3%交聯(lián)劑，92%～95%水。

2)羧甲基羥丙基胍膠酸性壓裂體系0.4% GMHPG 溶液+2% 有機鋯交聯(lián)劑+0.06%過硫酸銨+2%鹽酸+0.4%黏土穩(wěn)定劑+0.4%助排劑+0.1%緩蝕劑，94%～95%水。

3)VESHD壓裂液體系2.8%～5%基礎(chǔ)表面活性劑(非離子表面活性劑)+1.2%～2%穩(wěn)定助劑(陰離子表面活性劑)+4%～10%交聯(lián)助劑(無機鹽溶液)+85%～93%水。VESHD體系配制時，將基礎(chǔ)表面活性劑按照2.8%～5%的比例加入到4%～10%交聯(lián)助劑水溶液中，然后再按照1.2%～2%體積比例加入陰離子表面活性劑，并不斷攪拌5min。以上配方中的百分數(shù)為體積分數(shù)。

1.2.2壓裂液體系基本性能評價

按照標準SY/T 5107—2005《水基壓裂液性能評價方法》、SY/T 6380—1998《壓裂用破膠劑性能試驗方法》、SY /T 5370 《表面及界面張力測定》進行壓裂液基礎(chǔ)性能評價，主要評價交聯(lián)后壓裂液黏度、流變特性(稠度系數(shù)和流變特性指數(shù))、破膠時間、破膠液黏度、殘渣含量、破膠液表面張力、初濾量等7項基本性能。

1.2.3壓裂液體系對儲層基質(zhì)的傷害評價

基于致密氣藏的儲層物性及敏感性特征，在水力壓裂裂縫形態(tài)達到設(shè)計規(guī)模前提下，對氣藏產(chǎn)能釋放起關(guān)鍵作用的不是裂縫內(nèi)的導流能力，而是裂縫網(wǎng)絡(luò)所接觸的巖石基質(zhì)是否保護完好，即壓裂過程中壓裂液對基質(zhì)的傷害特性是選擇壓裂液的關(guān)鍵所在[4]。壓裂液對儲層基質(zhì)的傷害主要有液相傷害、固體傷害、壓裂液濾餅及濃縮傷害，其具體傷害形式[5，6]體現(xiàn)在黏土水化膨脹與分散運移傷害(水敏傷害)、水鎖傷害、壓裂液殘渣傷害、壓裂液濾餅和濃縮傷害等。由前述壓裂液對儲層基質(zhì)的傷害機理分析可得，該區(qū)壓裂液傷害主要集中在水敏性黏土礦物的水敏傷害、濾液進入喉道后造成的水鎖傷害以及破膠液向地層滲漏后在裂縫壁面形成的濾餅傷害。該研究將分別針對這3種傷害設(shè)計相應(yīng)試驗，以實現(xiàn)單一因素的傷害評價。

1) 水敏性礦物的水敏傷害試驗設(shè)計試驗所用濾液分別為3種壓裂液按照最佳配方配制，但不加稠化劑(胍膠、陰離子表面活性劑)。配制完成后均用3μm濾膜過濾得到壓裂液的模擬濾液；將巖心裝入夾持器中；正通標準鹽水(0.04mg/L)，測巖心滲透率K11；反通相應(yīng)的壓裂液模擬濾液穩(wěn)定后，放置2h；正通標準鹽水(0.04mg/L)，穩(wěn)定后測巖心滲透率K12；計算巖心傷害率：

(1)

2) 水鎖傷害評價試驗設(shè)計同水敏傷害方式配制壓裂液，并均用3μm濾膜過濾得到壓裂液的模擬濾液，并在模擬濾液內(nèi)添加2%黏土穩(wěn)定劑，以消除水敏傷害影響；將巖心裝入夾持器中；正通標準鹽水(0.04mg/L)，穩(wěn)定后測巖心滲透率K21；保持3MPa壓差，正通濕氮氣進行氣驅(qū)至束縛水(大于50PV)，結(jié)束氣驅(qū)；反通壓裂液模擬濾液1PV，放置2h穩(wěn)定；正通標準鹽水(0.04mg/L)，穩(wěn)定后測巖心滲透率K22；利用式(1)計算巖心傷害率(此時K1=K21，K2=K22)。

3) 濾餅侵入傷害評價試驗設(shè)計試驗所用濾液分別為3種壓裂液按照最佳配方配制，添加稠化劑，并充分破膠；配制完成后均用3μm濾膜過濾得到壓裂液的模擬濾液；將巖心裝入夾持器中；正通標準鹽水(0.04mg/L)，測巖心滲透率K31；反通相應(yīng)的壓裂液模擬濾液穩(wěn)定后，放置2h，造成模擬水敏傷害；正通標準鹽水(0.04mg/L)，穩(wěn)定后測巖心滲透率K32；反通相應(yīng)的壓裂液破膠液1PV，形成濾餅；正通標準鹽水(0.04mg/L)，測巖心滲透率K33；利用式(1)計算巖心傷害率(此時K1=K32，K2=K33)。

表1　傷害試驗所用天然巖心基本參數(shù)

4)核磁共振測試采用Magnet2000型核磁共振巖樣分析儀測量巖心內(nèi)部孔隙度分布[11]。首先對飽和標準鹽水的巖心進行第1次核磁共振測量，壓裂液完成巖心水敏傷害和水鎖傷害后，采用標準鹽水反向驅(qū)替巖心，待水測滲透率穩(wěn)定后，取出巖心進行第2次核磁共振測量。

傷害試驗巖心均為山西組二段所取天然巖心，其試驗方案及初始滲透率參數(shù)如表1所示。

2　試驗結(jié)果及討論

2.1壓裂液體系基本性能評價對比

表2列出了3種壓裂液基本性能的測試結(jié)果。由性能指標對比可得，3種壓裂液體系相關(guān)性能指標均比較優(yōu)異，都滿足壓裂液通用指標要求?？紤]到研究區(qū)儲層為致密砂巖儲層，同時儲層存在中等強度水敏性和中弱酸敏，因此為進一步優(yōu)選壓裂液體系，需開展濾液的巖心傷害試驗，以此對比分析最佳的壓裂液體系。

表2　壓裂液基本性能評價結(jié)果對比表

表3　水敏傷害試驗測試結(jié)果

2.2壓裂液體系對儲層基質(zhì)傷害評價對比

1)水敏性礦物的水敏傷害試驗結(jié)果按照水敏傷害測試試驗方案，測試結(jié)果如表3及圖1所示。

由表3可看出，弱堿性壓裂液雖然其基礎(chǔ)流動性指標弱于酸性壓裂液和VESHD壓裂液，但其水敏傷害率最低。這可能是由于儲層存在一定酸敏性導致酸性壓裂液效果不太理想。同時VESHD壓裂液內(nèi)無機鹽含量較低，導致其水敏傷害最大，但如果增加防膨劑的配比又會影響其流動性能，因此在選用VESHD壓裂液時，需進一步優(yōu)化其無機鹽的含量。

2) 水鎖傷害評價試驗結(jié)果按照水鎖傷害測試試驗方案，測試結(jié)果如圖2及表4所示。

圖1　壓裂液體系水敏評價結(jié)果

圖2　壓裂液體系水鎖評價結(jié)果

表4　水鎖傷害試驗測試結(jié)果

表5　濾餅侵入傷害率試驗測試結(jié)果

圖3　壓裂液體系濾餅傷害評價結(jié)果

由表4可看出，弱堿性壓裂液雖然其基礎(chǔ)流動性指標弱于酸性壓裂液和VESHD壓裂液，但其水鎖傷害率也最低。弱堿性壓裂液、酸性壓裂液、VESHD壓裂液的滲透率最終恢復率分別為68.07%、67.43%、67.20%。圖2為滲透率恢復率隨注入量的變化曲線，從圖2可知，該試驗中弱堿性壓裂液、酸性壓裂液的滲透率恢復率一定程度上快于VESHD壓裂液。

3) 濾餅侵入傷害評價試驗結(jié)果按照濾餅侵入傷害測試試驗方案，測試結(jié)果如表5及圖3所示。

由表5可看出，弱堿性壓裂液雖然其基礎(chǔ)流動性指標弱于酸性壓裂液和VESHD壓裂液，但其濾餅侵入傷害率最低。

4)壓裂液濾液對儲層巖石的傷害率由表6可清晰看出，3種壓裂液對巖心的水鎖傷害差別不大，這是由于儲層多孔介質(zhì)的微孔隙性，其氣液兩相分散空間狹小，自由度也小，因此液體性質(zhì)對氣液混合起泡的程度影響體現(xiàn)得不是很明顯；而對于水敏傷害，VESHD壓裂液的傷害程度明顯高于2種胍膠壓裂液的傷害，分析認為VESHD體系表面活性劑交聯(lián)對含鹽量高低比較敏感，其黏土穩(wěn)定劑的添加受到一定限制，因此比較容易造成水敏礦物的膨脹、脫落；對于濾餅的傷害，弱堿性壓裂液明顯低于其他2種壓裂液體系，但從試驗后巖心斷面的濾餅可以明顯觀測到弱堿性壓裂液的濾餅厚度較其他2種都厚，分析認為濾餅的傷害較巖心斷面壓裂液滲入造成的傷害要小得多，因此測試的濾餅傷害，可能主要是巖心斷面的水敏傷害和外來流體侵入造成的不配伍造成的。

表6　壓裂液傷害率統(tǒng)計

圖4　核磁共振孔隙度分布

5) 巖心核磁共振結(jié)果對比由3種壓裂液巖心傷害核磁共振(圖4)可以看出：弱堿性壓裂液和酸性壓裂液濾失后的巖心孔隙度分量在弛豫時間上的分布較接近。其分布變化在1～10ms段孔隙度分量略有增加，在10～1000ms段減少，而弛豫時間與巖心孔喉半徑成正比。這表明壓裂液濾失過程中，部分巖心的大孔喉轉(zhuǎn)化為小孔喉，甚至在濾失過程中造成了孔喉堵塞現(xiàn)象，從而造成了大孔喉分布明顯下降，而小孔喉略有上升的現(xiàn)象。對比弱堿性壓裂液和酸性壓裂液濾失后的巖心孔隙度分量在弛豫時間上的分布發(fā)現(xiàn)，酸性壓裂液造成的孔喉堵塞程度明顯強于弱堿性壓裂液。從VESHD壓裂液濾失后的巖心孔隙度分量在弛豫時間上的分布可以看出，在VESHD壓裂液濾失后，其大小孔喉分布均存在明顯減小，這表明VESHD壓裂液由于表面活性劑的存在，更容易侵入儲層內(nèi)部造成水敏。

通過對3種壓裂液濾液巖心傷害核磁共振曲線的分析可以得出，在壓裂液優(yōu)選過程中，除了需要對壓裂液的基礎(chǔ)性能參數(shù)進行評價優(yōu)選，還應(yīng)該從油層物理性質(zhì)出發(fā)，盡量選擇不容易侵入儲層內(nèi)部、不易造成水敏傷害的壓裂液。因此，雖然VESHD壓裂液具有較好的流變性能，但該儲層仍需選擇弱堿性壓裂液。

3　結(jié)論

1)對弱堿性壓裂液、酸性壓裂液和VESHD壓裂液進行室內(nèi)基本性能評價表明，這3種壓裂液均能滿足延安致密砂巖氣藏中等強度水敏性和中弱酸敏地層特征施工要求。通過對比壓裂液初濾失性能，弱堿性壓裂液具有明顯的優(yōu)勢，這是因為弱堿性壓裂液在破膠后黏度高于酸性壓裂液和VESHD壓裂液。

2)壓裂液體系對儲層基質(zhì)傷害評價表明，在抵抗儲層水敏傷害、水鎖傷害和濾餅侵入傷害方面，弱堿性壓裂液均具有明顯優(yōu)勢。通過統(tǒng)計3種壓裂液對儲層的傷害率表明，弱堿性壓裂液的總傷害率為71.98%，明顯低于酸性壓裂液(91.37%)和VESHD清潔壓裂液(94.95%)，從而表明弱堿性壓裂液更能適應(yīng)延安氣田致密砂巖氣藏壓裂作業(yè)要求。

3)核磁共振測試表明，弱堿性壓裂液與酸性壓裂液具有相似的趨勢，均表現(xiàn)為由于壓裂液濾失部分大孔喉轉(zhuǎn)化為小孔喉，并導致部分大孔喉堵塞，從而造成了大孔喉分布明顯下降，而小孔喉略有上升現(xiàn)象。對比弱堿性壓裂液與酸性壓裂液濾失后孔隙分布分量表明，酸性壓裂液造成的孔喉堵塞比弱堿性壓裂液更加嚴重，因此弱堿性壓裂液具有相對較低的巖心侵入傷害。而對VESHD壓裂液核磁共振測試表明，其大孔喉與小孔喉的孔隙分布分量均出現(xiàn)下降，這表明VESHD壓裂液更易造成巖心侵入傷害。

4)在壓裂液優(yōu)選時候，不能僅評測其基礎(chǔ)性能指標，還應(yīng)該綜合考慮巖石性質(zhì)，在基礎(chǔ)性能指標達標的情況下，盡量選擇不易侵入儲層內(nèi)部、不易造成水敏傷害的壓裂液。基于此，雖然VESHD壓裂液的流變性能最好，但該儲層仍需選擇羥丙基胍膠弱堿性壓裂液。

[1]程興生,盧擁軍,管保山,等.中石油壓裂液技術(shù)現(xiàn)狀與未來發(fā)展[J].石油鉆采工藝，2014,36(1):1～5.

[2]齊生芝.低濃度胍膠壓裂液對裂縫導流能力傷害對比實驗研究[J]. 石油化工應(yīng)用， 2014,33(1):107～110.

[3]張艷，張士誠，張勁，等.耐高溫酸性清潔壓裂液性能研究及適用性探討[J]. 油田化學，2014,33(2):199～201.

[4] 石華強,丁雅勤,丁里,等.蘇里格氣田東區(qū)氣藏壓裂液傷害機理分析及對策[J]. 石油天然氣學報(江漢石油學院學報)，2013,35(6):131～135.

[5] 張迎.可回收環(huán)保型壓裂液技術(shù)低成本環(huán)保優(yōu)勢明顯[J]. 石油鉆采工藝，2012,34(5):70.

[6] 何良好.聚合物稠化劑制備及超高溫壓裂液體系流變性能研究[D]. 上海：華東理工大學，2013

[7]趙秀波.粘彈性表面活性劑合成及其作為稠化劑的酸性清潔壓裂液性能研究[D]. 西安：陜西科技大學，2012.

[8] 李富俊.耐高溫VES清潔壓裂液體系[J]. 油氣田地面工程，2009,28(2):78.

[9] 王麗偉,程興生,翟文,等.壓裂液黏彈特性與懸浮支撐劑能力研究[J]. 油田化學，2014,31(1):38～41.

[10] 羅明良,孫濤,呂子龍,等.致密氣層控水壓裂用納米乳液的制備及性能評價[J]. 中國石油大學學報(自然科學版)，2016,40(1):155～161.

[11] 何敏,張金生,李麗華,等.復合型清潔壓裂液的性能評價[J]. 精細石油化工，2016,33(2):32～35.

[12] 丁紹卿,郭和坤.應(yīng)用核磁共振技術(shù)研究壓裂液傷害機理[J]. 鉆井液與完井液， 2006,24(3):60～62.

[編輯]黃鸝

2016-04-27

周偉勤(1972-),男，高級工程師，現(xiàn)主要從事壓裂試油、試氣等研究，403593460@qq.com。

TE375

A

1673-1409(2016)29-0064-06

[引著格式]周偉勤，梁小兵.致密砂巖氣藏壓裂液體系對儲層基質(zhì)傷害性能評價[J].長江大學學報(自科版),2016,13(29):64～69.