徐兵威，李雷，何青，羅懿，張永春，李國(guó)峰

（中國(guó)石化華北分公司工程技術(shù)研究院，河南 鄭州450006）

壓裂液在壓裂施工過(guò)程中具有傳遞壓力、攜帶支撐劑和降低地層溫度等作用。壓裂作業(yè)時(shí)部分壓裂液進(jìn)入地層，引起儲(chǔ)層損害［1-6］，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者為此開(kāi)展了大量研究。李志剛、蔣海、B.Bazin 等在進(jìn)行一系列室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，指出液相圈閉損害、敏感性損害、固相侵入等是氣層產(chǎn)生儲(chǔ)層損害的主要原因［7-31］。壓裂液濾液滯留和殘?jiān)皆诹芽p表面，造成儲(chǔ)層孔隙堵塞和壓裂液無(wú)法返排，致使儲(chǔ)層滲透率降低，因此，在致密氣藏壓裂作業(yè)過(guò)程中，需實(shí)現(xiàn)壓裂液的高效返排，以加強(qiáng)儲(chǔ)層保護(hù)。

1 工區(qū)概況

大牛地氣田構(gòu)造上位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡北部東段，為典型的致密砂巖儲(chǔ)層。區(qū)內(nèi)構(gòu)造、斷裂不發(fā)育；總體為東北高、西南低的平緩單斜，平均坡降6～9 m/km，埋深2 400～2 900 m；自上而下發(fā)育盒3、盒2、盒1、山2、山1、太2 和太1 等7 套氣層，屬于上古生界石炭-二疊系海陸交互相含煤碎屑巖含油氣體系。

工區(qū)儲(chǔ)層物性差，非均質(zhì)性強(qiáng)?？紫抖戎饕植荚?%～10%，平均為7.45%；滲透率主要分布在（0.01～1.00）×10-3μm2，平均為0.47×10-3μm2；平均壓力系數(shù)為0.85～0.90；地溫梯度3.17 ℃/100 m?？傮w上屬于低孔、低滲、低壓致密砂巖氣藏?？紫额?lèi)型包括粒間孔、次生溶孔、晶間微孔和微裂縫，以粒間孔和次生溶孔為主，喉道多以片狀和彎片狀為主。黏土礦物主要有伊利石、高嶺石、綠泥石以及伊/蒙混層，伊利石和高嶺石質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，綠泥石次之，伊/蒙混層最低。由各氣層地層水分析結(jié)果可知，水型均為CaCl2型，pH 值為6 左右，各層總礦化度差別較大，但總體而言，自下而上總礦化度逐漸降低。

2 壓裂液體系

工區(qū)使用的壓裂液體系為羥丙基瓜膠壓裂液體系。其基液為0.45%HPG（一級(jí)）＋1%KCl+0.1%甲醛+1%起泡劑+0.2%助排劑+0.2%Na2CO3； 交聯(lián)液為BCL-61 或CX-306 體系，交聯(lián)比為100∶0.3；破膠劑為膠囊破膠劑和過(guò)硫酸銨；液氮伴注比例為6%～9%。

為了評(píng)價(jià)該壓裂液體系對(duì)工區(qū)儲(chǔ)層的影響，開(kāi)展了相關(guān)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究，得出其主要性能指標(biāo)：基液密度為1.005 g/cm3，pH 值為9，表觀黏度為59 mPa·s；交聯(lián)時(shí)間為110 s；初濾失量為4.96×10-4m3/m2，濾餅控制濾失系數(shù)為4.137×10-5m/min1/2； 基質(zhì)滲透率損害率為21.41%；破膠液表面張力為27.151 mN/m；殘?jiān)|(zhì)量濃度為314 mg/L。評(píng)價(jià)結(jié)果表明，該壓裂液體系性能指標(biāo)達(dá)到SY/T 5107 水基壓裂液性能評(píng)價(jià)體系標(biāo)準(zhǔn)。

經(jīng)激光粒度分析儀測(cè)定，該壓裂液破膠后殘?jiān)６却笮》植荚?.49～125.00 μm，其中，77%分布在31.00～88.00 μm，均值為67.01 μm［32］。破膠后壓裂液濾液與儲(chǔ)層地層水的配伍性實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)壓裂液濾液與地層水分別以1∶2，1∶1 和2∶1 比例配比時(shí)，隨著混合溶液中壓裂液濾液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，生成的沉淀質(zhì)量也隨之增加。這些白色沉淀為地層水中的CaCl2與壓裂液中的Na2CO3反應(yīng)后生成的CaCO3和CaSO4等不溶沉淀（見(jiàn)表1）。

表1 壓裂液濾液與地層水配伍性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 壓裂液對(duì)儲(chǔ)層的影響

壓裂液侵入地層的程度不僅與壓裂施工參數(shù)有關(guān)，而且與壓裂液及添加劑的性能、儲(chǔ)層物性、流體性質(zhì)等密切相關(guān)。壓裂液濾液侵入、破膠液殘?jiān)氯⒚舾行該p害以及壓裂液與儲(chǔ)層不配伍等，都會(huì)引起嚴(yán)重的儲(chǔ)層損害，導(dǎo)致氣井產(chǎn)能降低［33-36］。

3.1 液相圈閉

儲(chǔ)層巖石致密、孔喉細(xì)小、巖石顆粒表面覆蓋易水化的薄膜，且儲(chǔ)層壓力低、生產(chǎn)壓差小，是儲(chǔ)層產(chǎn)生液相圈閉損害的內(nèi)在因素；而驅(qū)替壓差小、外來(lái)流體與巖石的潤(rùn)濕角小、表面張力大和流體黏度大，是造成液相圈閉損害的外在因素。

工區(qū)儲(chǔ)層滲透率低，非均質(zhì)性強(qiáng)，孔喉細(xì)小。由于儲(chǔ)層壓力低，返排壓差極為有限，更易發(fā)生液相圈閉損害［37］?？缀碇械酿ね恋V物具有吸引極性水分子的能力，易在壁面形成水化膜，增大了孔隙的比表面積和束縛水的能力。儲(chǔ)層孔隙類(lèi)型以微孔、細(xì)孔為主，毛細(xì)管力作用強(qiáng)，外來(lái)流體侵入儲(chǔ)層后，液相滯留效應(yīng)明顯。儲(chǔ)層中初始含水飽和度遠(yuǎn)低于束縛水飽和度，存在超低含水飽和度現(xiàn)象，使得液相侵入加速；而毛細(xì)管自吸現(xiàn)象則促使液相延伸至儲(chǔ)層更深處。其巖樣液相圈閉損害程度如表2所示。

表2 大牛地氣田巖樣液相圈閉損害程度

從表2可以看出，巖樣液相圈閉損害程度均達(dá)到30%以上，且當(dāng)滲透率小于0.10×10-3μm2時(shí)，可以達(dá)到85%以上。儲(chǔ)層物性越差，損害程度越大，越難恢復(fù)。

液相圈閉損害模式如圖1所示?？梢钥闯觯何⒖缀淼烙捎诿?xì)管力作用強(qiáng)，儲(chǔ)層壓力低，氣相不能有效突破液相，導(dǎo)致氣體殘留在孔隙中（見(jiàn)圖1a）；而在中—細(xì)孔喉道中，由于液相的存在，氣體滲流通道明顯減小，降低了氣體的滲流能力（見(jiàn)圖1b）。

圖1 液相圈閉損害模式

除儲(chǔ)層特性外，壓裂液性能對(duì)液相圈閉損害的影響不可忽視。壓裂液呈弱酸性，破膠液黏度較高，進(jìn)入儲(chǔ)層后易與儲(chǔ)層流體形成乳狀液，由于表面張力大，吸附在巖石表面，不易返排；裂縫壁面濾餅降低了巖石的滲透率，也加大了壓裂液的返排難度。

3.2 固相堵塞

壓裂施工過(guò)程中，壓裂液與儲(chǔ)層不配伍生成的沉淀、破膠后的壓裂液固相以及儲(chǔ)層微粒、黏土礦物等隨濾液進(jìn)入儲(chǔ)層，造成儲(chǔ)層損害，其損害方式主要分以下3 種［38］，固相損害模型見(jiàn)圖2。

1）表面沉淀引起的漸變式孔隙縮?。紫蹲冋⒖妆谝r填）。工區(qū)地層水屬于CaCl2水型，易與壓裂液中Na2CO3反應(yīng)后生成CaCO3，CaSO4等沉淀。壓裂液濾液進(jìn)入儲(chǔ)層，濾液前端與地層水生成沉淀，隨著濾液進(jìn)一步侵入地層，生成沉淀量逐漸減少，形成了漸變式縮小的孔隙結(jié)構(gòu)。

2）屏蔽作用引起的單個(gè)孔隙堵塞（孔喉堵塞）。羥丙基瓜膠壓裂液破膠后還存在一些短鏈分子和支狀分子，由于尺寸太大，無(wú)法進(jìn)入孔喉，僅吸附于裂縫表面上，形成了具有一定黏彈性的薄膜，即濾餅。濾餅一方面能阻止液相進(jìn)一步侵入儲(chǔ)層，但另一方面給壓裂液返排帶來(lái)了困難，導(dǎo)致大部分液體滯留于儲(chǔ)層中。同時(shí)，殘?jiān)矔?huì)吸附在支撐劑表面，降低支撐劑的導(dǎo)流能力；殘?jiān)吭酱螅瑩p害就越嚴(yán)重。

3）粗濾作用引起的孔隙體積充填（由滾雪球效應(yīng)引起內(nèi)部形成濾餅）。壓裂施工過(guò)程中，壓力波動(dòng)和濾液的侵入易導(dǎo)致地層微粒、黏土礦物的脫落、運(yùn)移，從而堵塞喉道。大牛地氣田上古生界氣藏孔隙類(lèi)型以粒間孔、次生溶孔為主，儲(chǔ)層物性相對(duì)較好，盒1 和盒2段孔隙類(lèi)型屬于中孔細(xì)喉，易在喉道處形成堵塞［6］。

圖2 固相侵入模型

由圖2a可以看出：壓裂時(shí)，由于壓裂液殘?jiān)竭h(yuǎn)大于孔隙喉道，不易進(jìn)入孔喉，殘?jiān)饕性诹芽p與孔隙表面，阻止了壓裂液濾液進(jìn)一步侵入；壓裂液與儲(chǔ)層不配伍生成的沉淀主要吸附在孔隙表面，并隨著濾液侵入儲(chǔ)層深處； 而黏土礦物微粒粒徑大于孔隙喉道，少部分黏土微粒運(yùn)移到喉道附近，堵塞喉道，降低了儲(chǔ)層的滲透率。由圖2b可以看出：當(dāng)壓裂液返排時(shí)，由于裂縫和孔隙表面存在未完全破膠的壓裂液，殘?jiān)掣皆诳紫逗土芽p表面，阻礙了濾液的返排；壓裂液不配伍生成的沉淀以及運(yùn)移到孔隙和裂縫內(nèi)喉道附近的黏土礦物微粒，形成一層致密濾餅，進(jìn)一步減小了儲(chǔ)層的滲透率，使得壓后返排效果降低。

3.3 敏感性損害

工區(qū)黏土礦物類(lèi)型有伊利石、高嶺石、綠泥石以及伊/蒙混層［28］。黏土礦物絕對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.67%，其中，伊利石和高嶺石相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，伊利石為68.63%，高嶺石為21.67%，綠泥石次之，伊/蒙混層最低（見(jiàn)圖3）。黏土礦物的微粒粒徑在5.00 μm 左右，而該區(qū)塊儲(chǔ)層的平均喉道半徑分布在0.23～0.56 μm，黏土礦物微粒粒徑遠(yuǎn)大于平均喉道半徑，因此，基塊巖樣的黏土礦物顆粒很難分散運(yùn)移至喉道處發(fā)生堵塞，表現(xiàn)出較弱的速敏性。

圖3 大牛地儲(chǔ)層典型黏土礦物類(lèi)型及微結(jié)構(gòu)

隨著儲(chǔ)層深度的增加，水敏、鹽敏損害程度整體上呈減弱趨勢(shì)，太原組基本沒(méi)有水敏性，鹽敏性為無(wú)或弱；這是由于隨著儲(chǔ)層深度的增加，高嶺石、伊利石和伊/蒙混層等黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)總體上逐漸減少，太1段基本不含伊/蒙混層。

大牛地儲(chǔ)層不但沒(méi)有HCl 酸敏性，而且?guī)r樣與酸液接觸后，滲透率都有不同程度的提高，最大可提高到原來(lái)的3 倍，最小也提高了20%；這主要是由于工區(qū)鐵綠泥石質(zhì)量分?jǐn)?shù)不高，HCl 酸敏程度較低，酸化解堵效果較好。

儲(chǔ)層存在的敏感性損害主要為堿敏和應(yīng)力敏感。發(fā)生堿敏的黏土礦物主要是晶格結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的伊利石、高嶺石和伊/蒙混層等礦物；當(dāng)高pH 值外界流體進(jìn)入儲(chǔ)層后，會(huì)與黏土礦物發(fā)生反應(yīng)，破壞黏土礦物的微結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致微粒分散運(yùn)移，堵塞喉道，降低儲(chǔ)層滲透率；另外，還會(huì)引起無(wú)機(jī)垢的生成，損害儲(chǔ)層。

大牛地氣田致密砂巖儲(chǔ)層基塊巖樣應(yīng)力敏感程度總體上為中等—強(qiáng)。儲(chǔ)層喉道為片狀或彎片狀類(lèi)型，在有效應(yīng)力增加時(shí)極易變形，致使?jié)B流通道減小，滲透率降低；而裂縫在有效應(yīng)力增加時(shí)，也極易閉合。

3.4 其他

大牛地氣田部分氣井中含有凝析油，壓裂液進(jìn)入儲(chǔ)層會(huì)降低其溫度，使凝析油中的蠟、膠質(zhì)及瀝青質(zhì)等析出，堵塞喉道，從而造成儲(chǔ)層損害。

同時(shí)，進(jìn)入儲(chǔ)層的壓裂液會(huì)與儲(chǔ)層中固有的油和水發(fā)生乳化，形成乳化液堵塞地層。當(dāng)乳化液中的分散相在流經(jīng)儲(chǔ)層毛細(xì)管喉道時(shí)，產(chǎn)生賈敏效應(yīng)，引起儲(chǔ)層損害。壓裂液返排時(shí)形成氣、液兩相流時(shí)，形成很大的阻力，降低了壓裂液的返排率。另外，壓裂液進(jìn)入儲(chǔ)層可能造成儲(chǔ)層巖石的潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)，加大了返排的難度。

壓裂液破膠不完全及殘?jiān)鼘?duì)支撐劑的傷害與顆粒直徑有關(guān)，粒徑越大，傷害越小，反之，傷害就越大。因此，現(xiàn)場(chǎng)壓裂設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮支撐劑嵌入、殘?jiān)鼘?duì)導(dǎo)流能力的影響，盡可能使用低殘?jiān)鼔毫岩?，減少殘?jiān)鼘?duì)導(dǎo)流能力的傷害程度。

綜上所述，壓裂液對(duì)大牛地氣田致密儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)的影響是多方面的，各因素之間相互關(guān)聯(lián)、相互疊加，造成儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)破壞更為嚴(yán)重。因此，加強(qiáng)壓裂改造過(guò)程中的儲(chǔ)層保護(hù)，特別是針對(duì)物性較差的致密氣藏儲(chǔ)層，防止濾液過(guò)度侵入并加速壓裂液返排至關(guān)重要。

4 結(jié)論

1）壓裂液侵入會(huì)造成儲(chǔ)層孔隙液相滯留、孔喉堵塞以及黏土礦物分散運(yùn)移，進(jìn)而導(dǎo)致原有的孔隙結(jié)構(gòu)遭到破壞；壓后壓裂液不能及時(shí)返排，進(jìn)一步加大了濾液、固相侵入儲(chǔ)層，致使儲(chǔ)層恢復(fù)程度低。

2）壓裂液對(duì)儲(chǔ)層損害具有不可逆性。儲(chǔ)層物性越差，滲透率越低，損害越嚴(yán)重，且難以恢復(fù)；因此，在作業(yè)過(guò)程中，須加強(qiáng)致密儲(chǔ)層的保護(hù)。

3）保護(hù)好致密儲(chǔ)層，需選用與儲(chǔ)層配伍性較好的壓裂液，減少濾液侵入以及固相對(duì)儲(chǔ)層和支撐劑的損害；提高液氮伴注比例，添加表面活性劑，減少液相在儲(chǔ)層孔隙中的滯留；采用強(qiáng)制裂縫閉合技術(shù)，建立合理的壓裂液返排制度，加快壓裂液的快速返排。

［1］米卡爾J ?？酥Z米德斯，肯尼斯G 諾爾特.油藏增產(chǎn)措施［M］.3版.張保平，蔣闐，劉立云，等譯.北京：石油工業(yè)出版社，2002：547-560.

［2］梁文利，趙林，辛素云.壓裂液技術(shù)研究新進(jìn)展［J］.斷塊油氣田，2009，16（1）：95-98.

［3］岳迎春，李勇明，郭建春，等.強(qiáng)水敏低溫油藏壓裂技術(shù)應(yīng)用研究［J］.斷塊油氣田，2009，16（1）：99-101.

［4］程百利.腰英臺(tái)油田壓裂改造工藝技術(shù)研究［J］.斷塊油氣田，2011，18（1）：123-125.

［5］苗 宏，李明志，李鳳霞，等.一種新型壓裂預(yù)前置液的研制［J］.斷塊油氣田，2002，9（6）：83-85.

［6］李勇明，趙金洲，岳迎春，等.G43 斷塊油藏整體壓裂技術(shù)研究與應(yīng)用［J］.斷塊油氣田，2010，17（5）：611-613.

［7］康毅力，羅平亞．中國(guó)致密砂巖氣藏勘探開(kāi)發(fā)關(guān)鍵工程技術(shù)現(xiàn)狀與展望［J］．石油勘探與開(kāi)發(fā)，2007，34（2）：239-245．

［8］陳馥，李飲．壓裂液傷害性研究［J］．天然氣工業(yè)，2006，26（1）：109-111．

［9］劉恩新，宋東勇，崔巨師，等.低滲透油田油層傷害機(jī)理及保護(hù)措施研究［J］．?dāng)鄩K油氣田，2003，10（6）：39-41．

［10］Bazin B，Bekri S，Vizika O，et al.Fracturing in tight-gas reservior：application of SCAL methods to inverstigate formation-damage mechanisms［R］．SPE 112460，2008.

［11］Jiang Tingxue，Wang Xugang，Wang Yongli.A new comprehensive hydraulic fracturing technology to minimize formation damage in low permeability reservoirs［R］．SPE 82222，2003.

［12］Ding D Y，Langouet H，Jeannin L.Simulation of fracturing induced formation damage and gas production［R］．SPE 153225，2012.

［13］Huang Tianping，David E Clark.Advanced fluid technologies for tight gas reservoir stimulation［R］．SPE 160844，2012.

［14］李志剛，烏效鳴，李子豐，等．低壓低滲氣藏低傷害壓裂液研究與應(yīng)用［J］．鉆井液與完井液，2005，22（3）：34-37．

［15］王松，春蘭，楊兆中.低滲透氣藏分層壓裂難點(diǎn)及對(duì)策［J］.斷塊油氣田，2009，16（6）：115-117.

［16］盧擁軍．壓裂液對(duì)儲(chǔ)層的損害及保護(hù)技術(shù)［J］．鉆井液與完井液，1995，12（5）：36-43．

［17］王海軍，鄧媛，段春節(jié)，等.大牛地氣田儲(chǔ)層傷害研究［J］．巖性油氣藏，2010，22（4）：125-129．

［18］蔣海，楊兆中，胡月華，等．低壓致密氣藏壓裂液損害因素關(guān)鍵因素分析［J］．石油天然氣學(xué)報(bào)，2008，30（5）：324-327．

［19］盧占國(guó)，李強(qiáng)，李建兵，等.頁(yè)巖儲(chǔ)層傷害機(jī)理研究進(jìn)展［J］.斷塊油氣田，2012，19（5）：629-633.

［20］叢連鑄，李冶平，劉學(xué)偉，等．致密氣藏低傷害壓裂液研究與應(yīng)用［J］．石油鉆采工藝，2008，30（2）：78-81．

［21］張廣偉，張博，曾流芳，等.孤東油田館陶組儲(chǔ)層射孔過(guò)程傷害機(jī)理研究［J］．?dāng)鄩K油氣田，2003，10（4）：59-61．

［22］靳寶軍，刑景寶，鄭鋒輝，等.壓裂液降低水鎖損害在大牛地氣田的應(yīng)用［J］．鉆采工藝，2012，35（2），99-100．

［23］游利軍，康毅力，陳一健，等.致密砂巖氣藏水相圈閉損害實(shí)驗(yàn)研究及應(yīng)用［J］．鉆井液與完井液，2006，23（2）：4-7．

［24］趙春鵬，李文華，張益，等.低滲氣藏水鎖傷害機(jī)理與防治措施分析［J］．?dāng)鄩K油氣田，2004，11（3）：45-46．

［25］賀承祖，胡文才．淺談水鎖效應(yīng)與儲(chǔ)層傷害［J］．天然氣工業(yè)，1994，14（6）：36-37.

［26］叢連鑄，丁云宏，王世召，等.低滲儲(chǔ)氣層低傷害壓裂液室內(nèi)研究及實(shí)施［J］．天然氣工業(yè)，2004，24（11）：55-57．

［27］劉斌，方行，顏晉川，等.低滲致密氣藏壓裂過(guò)程中傷害實(shí)驗(yàn)研究［J］.斷塊油氣田，2009，16（1）：81-82，104.

［28］劉兆江.低滲致密氣藏壓裂增產(chǎn)技術(shù)［J］.斷塊油氣田，2008，15（5）：103-105.

［29］廖銳全，徐永高，胡雪濱.水鎖效應(yīng)對(duì)低滲透儲(chǔ)層的損害及抑制和解除方法［J］．天然氣工業(yè)，2002，22（6）：87-89．

［30］曾凡輝，郭建春，陳紅軍，等.X10-3 水平井分段壓裂優(yōu)化技術(shù)研究［J］.斷塊油氣田，2010，17（1）：116-118.

［31］趙俊峰，趙偉祥，范瑞虹.用測(cè)井方法評(píng)價(jià)儲(chǔ)層的敏感性［J］．?dāng)鄩K油氣田，2004，11（3）：85-88．

［32］游利軍，康毅力，陳一健，等．考慮裂縫和含水飽和度的致密砂巖應(yīng)力敏感性［J］．中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，30（2）：59-63．

［33］刁素，龍永平，任山，等.壓裂液縫內(nèi)黏滯阻力實(shí)驗(yàn)研究［J］．?dāng)鄩K油氣田，2012，19（6）：778-780.

［34］繆飛，趙建華.儲(chǔ)層傷害診斷技術(shù)研究與應(yīng)用［J］．?dāng)鄩K油氣田，2000，7（5）：45-47．

［35］連鑄，姜波，馬新華．蘇里格盒8 儲(chǔ)氣藏傷害微觀機(jī)理研究［J］．中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，35（6）：809-812．

［36］唐海發(fā)，彭仕宓，趙彥超.大牛地氣田盒2+3 段致密砂巖儲(chǔ)層微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征及其分類(lèi)評(píng)價(jià)［J］．礦物巖石，2006，26（3）：107-113．

［37］興文，劉林，任山．致密砂巖氣藏壓裂液高效返排技術(shù)［J］．鉆采工藝2010，33（6）：52-55．

［38］法魯克·西維．油層傷害：原理、模擬、評(píng)價(jià)和防治［M］．楊鳳麗，侯中昊，譯.北京：石油工業(yè)出版社，2003：239-245．