盧祥國，曹 豹，謝 坤，何 欣，王珂昕

（1.提高油氣采收率教育部重點實驗室（東北石油大學(xué)），黑龍江大慶 163318；2.中國石油大慶油田井下作業(yè)公司，黑龍江大慶 163453）

目前，陸上老油田開發(fā)已進入中后期，薄差層剩余油挖潛對油田增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)至關(guān)重要，其中油井壓裂作為一種直接有效的增產(chǎn)措施，已被廣泛應(yīng)用。長期以來，國內(nèi)外壓裂施工都采用高黏、低濾失性即具有優(yōu)良造壁性液體作為壓裂液［1-4］。以胍膠或改性胍膠為代表，植物膠類水基壓裂液是較早應(yīng)用且最常用的壓裂液之一［5-6］，其高黏低濾失性可滿足造縫攜砂需求。為進一步提高壓裂液性能和施工效果，多種壓裂液體系相繼研發(fā)，如交聯(lián)聚合物凝膠壓裂液體系［7］、泡沫壓裂液體系［8-9］、VES壓裂液體系［10］、纖維素壓裂液體系［11］等，提高了壓裂液體系的耐溫、抗剪切、攜砂能力和造壁性。近年來，大慶油田采用了低黏、高濾失性聚合物壓裂液進行壓裂施工，取得了較好的增油降水效果［12］。與常規(guī)壓裂液施工油井相比，聚合物壓裂液壓裂油井見效時間稍微滯后，但累計增油量較大。聚合物壓裂液與常規(guī)壓裂液的壓裂增油效果差異，與油井附近區(qū)域油藏剩余油分布特點和壓裂液濾失驅(qū)油作用密切相關(guān)，但目前相關(guān)的研究報道較少，且增油機理尚不明確。為進一步明確聚合物壓裂液壓裂增油機理，本文開展了壓裂液驅(qū)油效果和濾失距離評價實驗，從濾失、驅(qū)油角度闡述了其增油機理，以此提出了“驅(qū)油+壓裂”提高油井壓裂效果的方法，并在低滲透油藏油井進行了現(xiàn)場試驗。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

壓裂液包括改性胍膠溶液（0.25%改性胍膠+0.1%助排劑+0.2%有機硼交聯(lián)劑+0.05%過硫酸鉀）、聚合物凝膠（配方Ⅰ:0.15%聚合物WH924+0.1%助排劑+0.5% DZ-2 交聯(lián)劑+0.1%過硫酸銨；配方Ⅱ:0.15%聚合物WH924+0.1%助排劑+1.5%DZ-2交聯(lián)劑+0.1%過硫酸銨；配方Ⅲ:0.2%聚合物WH924+0.1%助排劑+0.5% DZ-2 交聯(lián)劑+0.1%過硫酸銨）、GRF締合聚合物溶液（0.2%GRF-1H+0.2%GRF-2+0.1%過硫酸銨）、聚合物溶液（配方Ⅰ:0.10%聚合物WH924+0.1%助排劑，配方Ⅱ:0.15%聚合物WH924+0.1%助排劑）和滑溜水（0.2%降阻劑+0.1%助排劑+1%氯化鉀）。其中，改性胍膠、助排劑（陽離子表面活性劑）、有機硼交聯(lián)劑、降阻劑（黏彈性表面活性劑）為市售油田用商品處理劑，大慶井下作業(yè)分公司提供；聚合物WH924 由丙烯酰胺（AA）單體、丙烯酸（AM）與2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）單體制得，東北石油大學(xué)；DZ-2 為酸性交聯(lián)劑，北京紅興芬科技有限公司；GRF-1H為低分子疏水締合聚合物，由AA 與烷基二甲基氯化銨聚合而成，淡黃色粉末，使用溫度為140℃，固含量90%，相對分子質(zhì)量1.8×106數(shù)2.5×106，四川光亞聚合物化工有限公司；GRF-2為陰離子型聚合物，無色或淡黃色透明液體，四川光亞聚合物化工有限公司［13］。

除上述聚合物凝膠和聚合物壓裂液外，還采用了普通聚合物溶液和聚/表二元復(fù)合體系。其中，部分水解聚丙烯酰胺干粉（HPAM），相對分子質(zhì)量為2500×104，簡稱“超高分”聚合物，有效含量90.91%，大慶煉化公司；非離子型表面活性劑，簡稱“Sun-Anshun”，有效含量40%，大慶高新區(qū)華龍祥化工有限公司。實驗用水為井下作業(yè)分公司現(xiàn)場施工所用壓裂液配制水。實驗用油為模擬油，由大慶油田脫氣、脫水原油與輕烴油混合而成，45℃下的黏度為9.8 mPa·s。實驗巖心為石英砂環(huán)氧樹脂膠結(jié)均質(zhì)巖心［14］，高×寬×長=4.5 cm×4.5 cm×30 cm，滲透率Kg=50×10-3、150×10-3、300×10-3、400×10-3μm2。

實驗設(shè)備主要包括平流泵、壓力傳感器、巖心夾持器、手搖泵和中間容器等，除平流泵和手搖泵外，其他部分置于實驗溫度的恒溫箱內(nèi)。

1.2 實驗方法

（1）壓裂液驅(qū)油效果評價實驗

為考察壓裂液類型、注入段塞尺寸、注入壓差和滲透率對壓裂液驅(qū)油效果的影響，開展了壓裂液驅(qū)油效果評價實驗。實驗步驟為:①將巖心烘干稱干重，抽真空飽和實驗用水后稱濕重，計算孔隙體積；②在油藏溫度條件下飽和實驗用油，老化24 h，計算含油飽和度；③在設(shè)計注入壓差下注入相應(yīng)段塞尺寸的壓裂液，記錄不同時刻的采液量和采油量，計算采收率和平均含油飽和度。

（2）壓裂液濾失距離評價實驗

為考察壓裂液類型、濾失時間、注入壓差和滲透率對壓裂液濾失距離的影響，開展了壓裂液濾失距離評價實驗。介于現(xiàn)有長巖心制作工藝和耐壓能力限制，本實驗用長巖心由5 塊普通巖心串聯(lián)而成。在壓裂液黏度值較高和均質(zhì)巖心條件下，可近似認為壓裂液在多孔介質(zhì)內(nèi)的運移為活塞式推進，此時壓裂液濾失距離L為:

式中，V—濾失量，mL；A—巖心截面積，cm2；φ—孔隙度，%；Soi—初始含油飽和度；Sor—壓裂液驅(qū)替后巖心剩余油飽和度。實驗步驟為:①將巖心烘干稱干重，抽真空飽和實驗用水稱濕重，計算孔隙體積；②在設(shè)計注入壓差下注入相應(yīng)的壓裂液，記錄不同時刻的濾失量，并計算濾失距離。

2 結(jié)果與討論

2.1 壓裂液驅(qū)油效果

2.1.1 壓裂液類型的影響

在巖心滲透率（Kg=150×10-3μm2）和注入壓差（10 MPa）相同的條件下，分別注入1 PV不同類型的壓裂液（改性胍膠溶液、聚合物凝膠（配方Ⅰ、配方Ⅱ和配方Ⅲ）、GRF締合聚合物溶液、滑溜水、“超高分”聚合物溶液和聚/表二元溶液），驅(qū)油效果如表1所示。與聚合物凝膠相比，盡管聚合物溶液黏度較低，但其注入性較好，驅(qū)替過程中有效波及區(qū)域較大，因此采收率較高。對于“超高分”聚合物，由于不同濃度聚合物溶液對應(yīng)的巖心滲透率極限均小于150×10-3μm2，聚合物分子聚集體與巖石孔喉間具有良好的配伍性，聚合物溶液在巖心多孔介質(zhì)中運移時聚合物分子結(jié)構(gòu)受剪切破壞的影響較小，因而驅(qū)油效果較好。隨聚合物濃度增加，聚合物溶液黏度增大，擴大波及體積能力增強，采收率增加。此外，當(dāng)在聚合物溶液中加入表面活性劑后，聚/表二元體系驅(qū)油效果提高，但增幅并不大。這是由于實驗注入壓差即壓力梯度較大，聚/表二元體系擴大波及體積作用要遠大于提高洗油效率作用，因而通過添加表面活性劑降低油水界面張力對提高聚合物壓裂液驅(qū)油效果的貢獻較小。GRF 締合聚合物溶液的驅(qū)油效果較好，但采出液存在明顯的乳化現(xiàn)象，油藏溫度下放置140 h后乳化現(xiàn)象才基本消失，表明該壓裂液中存在表面活性物質(zhì)，洗油能力較強。相較于聚合物凝膠和GRF締合聚合物溶液，低黏滑溜水溶液可及孔隙體積較大，驅(qū)油效率較高，但與較高濃度“超高分”聚合物溶液相比，其擴大波及體積能力較弱，驅(qū)油效果較低。

表1 不同類型壓裂液的驅(qū)油效果

2.1.2 壓裂液段塞尺寸的影響

在巖心滲透率（Kg=150×10-3μm2）和注入壓差（10 MPa）相同的條件下，注入0.5數(shù)4 PV 聚合物壓裂液（聚合物凝膠（配方Ⅰ），黏度7789.6 mPa·s），驅(qū)油效果如表2 所示。隨壓裂液段塞尺寸的增加，濾失量增加，擴大波及體積效果增強，剩余油飽和度降低，最終采收率增加。

表2 壓裂液段塞尺寸對驅(qū)油效果的影響

2.1.3 巖心滲透率和注入壓差的影響

采用不同滲透率的巖心（Kg=50×10-3數(shù)400×10-3μm2），以設(shè)計注入壓差（5數(shù)20 MPa）注入1 PV聚合物壓裂液（聚合物凝膠（配方Ⅰ）），驅(qū)油效果如表3 所示。在巖心滲透率保持不變的條件下，隨注入壓差增加，壓裂液擴大波及體積能力增強，含油飽和度降幅增大，剩余油飽和度降低，最終采收率增加。在注入壓差保持不變的條件下，隨巖心滲透率增加，巖心內(nèi)部壓裂液不可及孔隙體積減小，擴大波及體積能力增加，含油飽和度降幅增大。由于各個巖心間初始含油飽和度的差異，壓裂液驅(qū)替后巖心剩余油飽和度呈現(xiàn)持續(xù)增加趨勢。

表3 巖心滲透率和注入壓差對壓裂液驅(qū)油效果的影響

2.2 壓裂液濾失距離

2.2.1 壓裂液類型的影響

在巖心滲透率（Kg=400×10-3μm2）相同的條件下，以20 MPa 的注入壓差注入不同類型的壓裂液（滑溜水（1.9 mPa·s）、聚合物溶液（配方Ⅰ）（12.3 mPa·s）、聚合物溶液（配方Ⅱ）（27.6 mPa·s）、GRF締合聚合物溶液（3553.5 mPa·s）、聚合物凝膠（配方Ⅰ）（7763.2 mPa·s）），其濾失距離與濾失時間的關(guān)系如圖1所示。不同類型壓裂液的濾失距離與濾失時間的關(guān)系存在較大差異。相同濾失時間下，隨壓裂液黏度增加，濾失距離降低。不同類型壓裂液的分子聚集體尺寸和溶液黏度存在差異，分子聚集體尺寸越大，溶液黏度越高，在巖心中滯留和黏滯阻力越大，濾失速率越低，濾失距離越小。5種壓裂液的濾失性從大到小依次為:滑溜水＞聚合物（配方Ⅰ）＞聚合物（配方Ⅱ）＞GRF 締合聚合物溶液＞聚合物凝膠（配方Ⅰ）。

圖1 在巖心中注入不同壓裂液的濾失距離與濾失時間的關(guān)系

2.2.2 濾失時間的影響

在不同巖心滲透率和注入壓差條件下，聚合物壓裂液（聚合物凝膠（配方Ⅰ））的濾失距離與濾失時間的關(guān)系如圖2 所示。隨濾失時間增加，聚合物壓裂液濾失量增加，濾失距離增大，但由于巖心滲透率和注入壓差的不同，造成不同壓裂液滯留動態(tài)平衡過程存在差異，因此壓裂液濾失時間不同。

2.2.3 滲透率和注入壓差的影響

圖2 在巖心中注入聚合物壓裂液的濾失距離與濾失時間的關(guān)系

聚合物壓裂液（聚合物凝膠（配方Ⅰ））注入1 h后的濾失距離與壓差和滲透率的關(guān)系如圖3 所示。在巖心滲透率保持不變的條件下，隨注入壓差增加，壓裂液濾失速度增大，濾失量增大，濾失距離增加。在注入壓差保持不變的條件下，隨巖心滲透率增加，巖心孔喉尺寸增大，巖心內(nèi)部壓裂液不可及孔隙體積減小，壓裂液濾失量增加，濾失距離增大。

圖3 在巖心中注入聚合物壓裂液的濾失距離與注入壓差（a）和滲透率（b）的關(guān)系

2.3 聚合物壓裂液壓裂增油機理

與胍膠壓裂液施工油井相比，聚合物壓裂油井見效時間稍微滯后，但累計增油量較大。造成兩種壓裂液增油效果和見效特征差異與油井附近區(qū)域油藏剩余油分布特點和壓裂液濾失驅(qū)油作用密切相關(guān)。

在非均質(zhì)油藏水驅(qū)開發(fā)過程中，由于油井附近區(qū)域中低滲透層難以被水井注入的驅(qū)油劑波及［15-17］，因而該區(qū)域內(nèi)原油僅靠彈性膨脹和溶解氣驅(qū)作用來開采，采出程度遠低于驅(qū)油劑能波及區(qū)域［18-22］。當(dāng)采用聚合物壓裂液對油井中低滲透部位進行壓裂施工時，由于聚合物溶液濾失性遠優(yōu)于胍膠壓裂液，加之壓裂施工注入壓力較高，致使壓裂液沿裂縫壁面濾失進入剩余油飽和度較高基質(zhì)區(qū)域，產(chǎn)生“驅(qū)替、富集和運移”作用，促使該區(qū)域剩余油運移到油藏深部或繞流到高滲透部位。當(dāng)壓裂施工后油井生產(chǎn)時，這些富集在油藏深部或高滲透部位的剩余油就會在生產(chǎn)壓差作用下回流到裂縫和油井（見圖4）。由此可見，由于聚合物壓裂液濾失和驅(qū)替作用，使油井附近中低滲透層內(nèi)難以動用剩余油獲得動用，提高了采收率，因而累計增油量較大。與聚合物壓裂液不同，胍膠壓裂液造壁性較好，濾失量較少，驅(qū)替效果較差，因而裂縫周邊基質(zhì)儲層內(nèi)剩余油飽和度變化不大。壓裂施工結(jié)束后裂縫周邊基質(zhì)孔隙內(nèi)部分剩余油依靠彈性膨脹和溶解氣驅(qū)作用很快采出。由于裂縫導(dǎo)流能力遠超基質(zhì)，驅(qū)油劑難以進入基質(zhì)發(fā)揮驅(qū)油作用，壓裂施工后裂縫周邊基質(zhì)區(qū)域內(nèi)大部分剩余油將難以采出。因此，聚合物壓裂液濾失及其驅(qū)油作用是壓裂施工取得較好增油效果的主要機理。

圖4 壓裂施工增油原理示意圖

基于聚合物壓裂液壓裂增油機理，為更進一步發(fā)揮壓裂液驅(qū)油作用，提出了先在接近（低于）儲層巖石破裂壓力條件下注入驅(qū)油劑，然后再提高泵注壓力進行壓裂造縫的方法，即“驅(qū)油+壓裂”方法。在形成壓裂縫前，將壓裂改造區(qū)域內(nèi)的原油更多地驅(qū)替至油藏深部或繞流到高滲透部位，在后續(xù)開采過程中部分原油可回流至裂縫，經(jīng)裂縫和高滲透部位被開采出來，提高了原本裂縫兩側(cè)基質(zhì)內(nèi)難動用原油的采出程度。該方法相較于現(xiàn)有“壓裂+驅(qū)油”方法（邊造縫邊驅(qū)油，即在壓裂造縫過程中利用壓裂液濾失和驅(qū)油作用來提高壓裂增油效果的方法），油井見效較慢，但累計增油更高，具有更佳的增油效果?！膀?qū)油+壓裂”方法為提高油井壓裂效果提供了一種新思路，通過礦場試驗效果也證實了其較佳的增油效果和技術(shù)可行性。

2.4 油井壓裂礦場試驗效果

2.4.1 “壓裂+驅(qū)油”方法

近年來，大慶油田采用聚合物類壓裂液開展了“壓裂+驅(qū)油”礦場試驗，取得了較好的增油效果，結(jié)果如表4 所示。在不同滲透率儲層條件下，25 口聚合物壓裂液“壓裂+驅(qū)油”試驗井施工初期平均日增油5.85 t，日增液42.14 t，增油強度0.43 t/（d·m），累計單井產(chǎn)油1740.69 t。40 口對比井普通胍膠壓裂施工平均日增油2.54 t，日增液33.01 t，增油強度0.16 t/（d·m），累計單井產(chǎn)油987.92 t。在8 個月統(tǒng)計時間內(nèi)，前者比后者單井累計多增油752.77 t?！皦毫?驅(qū)油”施工的產(chǎn)出、投入比高達10∶1，技術(shù)經(jīng)濟效益明顯。

表4 典型井組礦場試驗效果

2.4.2 “驅(qū)油+壓裂”方法

與“壓裂+驅(qū)油”相比，“驅(qū)油+壓裂”壓裂液濾失量較大，驅(qū)油效果更好。近年來，“驅(qū)油+壓裂”技術(shù)在國內(nèi)中亞石油和吐哈油田等低滲透油藏油井進行了試驗，取得了較好的增油效果（見表5）。在儲層條件相近的情況下，與普通壓裂油井相比，“驅(qū)油+壓裂”油井增油強度提高0.6 t/（d·m），日增油增加3.5 t，階段累計增油增加112 t。吐哈油田先后在牛東火山巖和馬中頁巖油等低滲透油藏實施“驅(qū)油+壓裂”施工11井次，平均日增油12.3 t，技術(shù)經(jīng)濟效益十分明顯。

表5 中亞石油礦場試驗效果統(tǒng)計

3 結(jié)論

與常規(guī)胍膠壓裂液、聚合物凝膠壓裂液和滑溜水溶液相比，聚合物壓裂液兼具較好的濾失性和驅(qū)油效果。與聚合物類壓裂液相比，聚/表二元復(fù)合體系驅(qū)油效果未明顯增加。濾失壓裂液擴大波及體積作用效果明顯優(yōu)于提高洗油效率作用效果。

聚合物壓裂液良好的濾失性及驅(qū)油作用是大幅度提高壓裂施工增油效果的主要機理，可提高裂縫兩側(cè)基質(zhì)內(nèi)難動用原油的采出程度?；诰酆衔飰毫岩簽V失及驅(qū)油機理，提出了“驅(qū)油+壓裂”（先驅(qū)油后造縫）方法。與常規(guī)壓裂和“壓裂+驅(qū)油”（邊造縫邊驅(qū)油）方法相比，該方法壓裂液濾失量較大，擴大波及體積效果較好，增油效果更佳，對進一步提高油井壓裂施工增油效果具有重要意義。