鐘安海

(中國石化勝利油田分公司采油工藝研究院,山東東營257000)

壓裂過程儲層傷害及防治措施新探

鐘安海

(中國石化勝利油田分公司采油工藝研究院,山東東營257000)

壓裂傷害是多年來一直備受關(guān)注的問題,其直接影響了低滲透油氣藏的增產(chǎn)。隨著現(xiàn)在壓裂過程技術(shù)的發(fā)展,壓裂傷害因素又有所改變。多年來研究者從入井液著手進(jìn)行了大量的研究,本文則全面系統(tǒng)地從壓裂過程可能造成傷害的所有原因出發(fā),分別研究物理因素傷害和外來因素傷害,提出處理措施,為低滲透油氣田壓裂增產(chǎn)提供參考依據(jù)。

壓裂;儲層傷害;滲流能力

壓裂作為低滲透油氣田增產(chǎn)的主要手段已經(jīng)成為目前不可取代的措施,壓裂傷害一直是壓裂工作者關(guān)注的問題。多年來研究者主要對入井液傷害進(jìn)行了大量的研究,但是近年來隨著新工藝、新產(chǎn)品的涌現(xiàn)而出現(xiàn)一些新問題,而且壓裂過程產(chǎn)生的地層物理損傷也逐漸引起人們的重視,因此對壓裂過程帶來的傷害進(jìn)行新的探討并提出新的處理措施在目前尚無更高增產(chǎn)手段的情況下對低滲透油藏的開采有著積極的意義。

1 地層物理損傷分析及處理措施

壓裂造縫的機(jī)制是靠拉伸力使地層巖石破裂而形成一條填充裂縫,形成裂縫以犧牲巖石孔隙空間為代價,在造縫的過程中,巖石作為一種多孔介質(zhì)在外力的作用下發(fā)生形變或壓實,引起了巖石孔隙數(shù)下降和孔喉半徑減小兩種變化。

孔隙數(shù)的下降直接導(dǎo)致流體流動性能的下降[1];而孔喉半徑變小,主要引起的是毛管力的變化,計算公式為:

式中,pc為毛管力,mN/m2;σ為界面張力,mN/m; θ為潤濕接觸角,(°);r為孔喉半徑,m。

由式(1)可以看出,半徑變小,毛管力增大,由此引起油相或水相滲流阻力增加。由于裂縫的形成導(dǎo)致了巖芯滲流能力下降,范學(xué)平等用試驗測得在巖石發(fā)生形變時滲透率降低到原來的64.2%～91.1%[2]。

由于裂縫是從起裂縫面開始擴(kuò)展,因此損傷地帶在井筒周圍及靠近裂縫面附近[3],并且由于損傷為巖石變形引起,所以物理損傷在裂縫相對寬的近井地帶傷害程度高,在裂縫相對窄的遠(yuǎn)離井筒的地帶損傷程度低。因此,在裂縫兩側(cè)形成兩條傷害帶如圖1所示,其巖芯滲流能力明顯低于原始巖芯的滲流能力。

圖1 巖芯傷害帶示意圖

由于這種傷害是由壓裂本身引起的,是不可避免的,治理措施只能靠后期的處理。這種損害由孔隙數(shù)或孔隙度變小引起,因此治理措施以增加孔隙度或孔隙數(shù)為出發(fā)點(diǎn),進(jìn)行壓后酸洗和基質(zhì)酸化,增加流通半徑。陳紅軍等進(jìn)行了室內(nèi)試驗,證實了用酸清洗巖芯后流動能力有所提高[4]。

2 外來固相傷害分析及處理措施

外來固相傷害的一個來源是壓裂液殘渣,當(dāng)前應(yīng)用廣泛的是植物膠壓裂液,水不溶固相最低為4%[5],普通粉體物為4%～8%,這些不溶物進(jìn)入地層可能直接堵塞儲層孔隙,造成滲流能力降低;外來固相的另一個來源是來自破膠不徹底的成膠液,壓裂過程壓裂液以膠體的形式進(jìn)入裂縫并形成濾餅,當(dāng)破膠不徹底時殘留物將堵塞儲層孔隙或?qū)α芽p造成傷害,尤其是隨著當(dāng)前深層、高溫地層的壓裂,重金屬交聯(lián)劑的頻繁使用,成膠液破膠難度增大,這方面帶來的傷害嚴(yán)重。針對固相傷害的來源,處理措施可從壓裂液體系上選擇采用無固相壓裂液體系,諸如表面活性劑壓裂液、聚合物壓裂液等,在施工工藝上由于破膠程度、返排率對其影響較大[6],因此應(yīng)采取全程破膠、高強(qiáng)度破膠技術(shù)與及時返排、高能助排工藝等措施。

3 外來液相傷害及處理措施

3.1 黏土膨脹、顆粒運(yùn)移

當(dāng)?shù)貙觾?nèi)黏土礦物與外來水基壓裂液接觸時,立即膨脹,使得儲層滲流空間減小而降低滲流能力。松散黏附于孔道壁面的黏土顆粒與外來壓裂液接觸時分散、剝落、隨壓裂濾液進(jìn)入油氣層或沿裂縫運(yùn)動,在孔喉處被卡住,形成橋堵,引起損害。解決此類傷害主要的措施是使用黏土防膨劑,控制黏土的膨脹,防止黏土分散、剝落。

3.2 潤濕反轉(zhuǎn)、吸附

在國內(nèi),壓裂的砂巖油藏巖石表面一般為親水性,多為中強(qiáng)親水,動態(tài)接觸角一般為15°～30°,優(yōu)先水濕,而且砂巖表面一般帶負(fù)電荷,易吸附帶正電荷的陽離子聚合物。因此,當(dāng)壓裂液中大分子表面活性劑和聚合物進(jìn)入地層時就會吸附在巖石表面,造成巖石表面潤濕反轉(zhuǎn),即由親水性變?yōu)橛H油性,造成油相流動阻力增大,尤其是當(dāng)前聚合物壓裂液和高溫表面活性劑壓裂液的頻繁應(yīng)用,此類傷害顯得更加突出。處理此類傷害主要是采用適當(dāng)?shù)谋砻婊钚詣└纳茙r石的潤濕性能,增大潤濕接觸角,使?jié)櫇裥阅転橹行詽櫇瘛?/p>

3.3 水鎖效應(yīng)

當(dāng)水基壓裂液侵入地層,在油(氣)界面產(chǎn)生毛管力,對油氣向井筒流動產(chǎn)生阻力,油氣必須克服這個阻力才能流動,當(dāng)動力不足時即發(fā)生滯留現(xiàn)象形成水鎖。形成水鎖毛管力的大小主要取決于界面張力、潤濕接觸角和孔喉半徑,所以處理措施應(yīng)從降低界面張力和使?jié)櫇裥阅艹蔀橹行詢蓚€方面進(jìn)行,因此主要措施是添加表面活性劑、醇類小分子。

3.4 賈敏效應(yīng)

當(dāng)水基壓裂液與原油相遇時會發(fā)生乳化反應(yīng)。被壓裂的油氣層中的原油常含有天然乳化劑如膠質(zhì)、瀝青和蠟等,壓裂時壓裂液的流動具有攪拌作用,在油氣層孔隙中形成油水乳化液。原油中的天然乳化劑附著在水滴上形成保護(hù)膜,使乳化液滴具有一定的穩(wěn)定性。這些乳化液滴在毛管、喉道中產(chǎn)生賈敏效應(yīng)(圖2),增加了流體流動阻力,液阻效應(yīng)有時會疊加產(chǎn)生,有時會聚集造成更嚴(yán)重的液堵。對于這方面的傷害,宜采取防乳化劑防止乳化。

圖2 賈敏效應(yīng)示意圖

3.5 沉淀傷害

地層流體為含礦物流體,當(dāng)與外來流體不配伍時會生成沉淀,這些沉淀導(dǎo)致孔隙堵塞,滲流能力降低。因此,在壓裂設(shè)計施工時可進(jìn)行入井液與地層水配伍試驗優(yōu)選入井液。

4 冷傷害及處理措施

壓裂過程是冷液體進(jìn)入地層的過程,圖3為某井的地層溫度測試曲線,井底溫度在壓裂開始幾分鐘內(nèi)迅速降至60℃以下,并且隨著壓裂的進(jìn)行溫度保持在30～40℃,壓裂結(jié)束后溫度逐漸恢復(fù)到60℃以上,井底溫度處于30～40℃的時間大約為1 h,這段時間足以使儲層內(nèi)原油物性發(fā)生變化。當(dāng)原油含蠟質(zhì)較多時,析出石蠟蠟晶堵塞儲層孔隙,形成永久性傷害。對于冷傷害的處理可采用熱流體壓裂或者在壓裂時添加清防蠟劑。

圖3 某井井底溫度測試曲線

5 結(jié) 論

(1)采用壓后酸洗裂縫等措施增加孔隙度、孔隙數(shù),降低壓裂過程帶來的近井、裂縫兩側(cè)的孔隙變小的傷害;

(2)優(yōu)化壓裂液體系,壓裂前應(yīng)進(jìn)行敏感性試驗以及配伍性試驗,優(yōu)化入井液;

(3)進(jìn)行原油性質(zhì)分析,對于高含蠟質(zhì)原油采用熱流體入井液或添加清防蠟劑進(jìn)行施工;

(4)優(yōu)先選用無固相、表面活性劑壓裂液體系,并采用全程破膠、高強(qiáng)度破膠技術(shù)與及時返排、高能助排工藝降低固相傷害;

(5)采用合適的添加劑進(jìn)行黏土防膨,消除水鎖效應(yīng)、賈敏效應(yīng)及改變潤濕接觸角。

[1] 王志偉,張寧生,何秋軒,等.低滲透油藏非達(dá)西滲流視滲透率及其對開發(fā)的影響[J].鉆采工藝,2006,29(3):48-52.

[2] 范學(xué)平,徐向榮.地應(yīng)力對巖心滲透率傷害實驗及機(jī)理分析[J].石油勘探與開發(fā),2002,29(2):117-119.

[3] 杜廣林.巖體滲流及水力壓裂問題新探索[D].北京:清華大學(xué),2001:11-12.

[4] 陳紅軍,郭建春,趙金洲.壓裂裂縫傷害室內(nèi)模擬及裂縫清洗酸化工藝的應(yīng)用[J].石油勘探與開發(fā),2004,31(4):136-138.

[5] 張晶,隋林,杜燦敏,等.壓裂用瓜爾膠和羥丙基瓜爾膠技術(shù)要求[S].中國石化采油助劑與機(jī)電產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心.北京:中國石油化工集團(tuán)公司,2007:2.

[6] 劉海廷,劉建偉,龔萬興.壓裂液傷害研究[J].吐哈油氣, 2004,9(4):339-342.

[責(zé)任編輯] 王艷麗

TE357.1+4

A

1673-5935(2010)04-0008-02

2010-06-09

鐘安海(1976-),男,山東鄄城人,中國石化勝利油田分公司采油工藝研究院工程師,碩士,主要從事壓裂酸化研究。