梅 宸， 李紫晗, 承 寧, 陳 進(jìn), 許冬進(jìn)*, 王智民

(1.非常規(guī)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心 / 長江大學(xué)石油工程學(xué)院， 武漢 430100； 2.中海油研究總院有限責(zé)任公司， 北京 100028；3.中石油新疆油田分公司工程技術(shù)研究， 克拉瑪依 834000； 4.浙江長虹飛獅電器工業(yè)有限公司， 嘉興 314000)

隨著我國近年來對致密砂巖氣儲層認(rèn)識的不斷深化，伴隨著壓裂技術(shù)的不斷進(jìn)步，國內(nèi)逐漸形成了以水平井體積壓裂為主的大規(guī)模儲層改造壓裂技術(shù)[1-3]。由于致密氣儲層非均質(zhì)性強(qiáng)、孔隙半徑小、毛管力現(xiàn)象明顯的特點(diǎn)，導(dǎo)致壓裂后大量壓裂液滯留在儲層中，與儲層內(nèi)的流體和黏土礦物發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，給儲層帶來各種傷害，在致密氣壓后開井返排時液相占據(jù)氣相滲流通道，使得壓裂液返排率普遍偏低。壓裂液滲吸傷害導(dǎo)致儲層滲透率顯著降低，不僅影響了單井改造的效果，也直接影響著油氣藏的整體開發(fā)水平。因此對于壓裂液滲吸傷害規(guī)律的研究具有重要意義[4-7]。

劉易非等[8]進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，研究表明不同體系壓裂液濾液均會對儲層造成傷害，且并非單一的近井地帶傷害，而是直接影響著儲層的整體開發(fā)效果。樊欣欣等[9]進(jìn)行巖心壓裂液返排室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，表明應(yīng)減少壓裂液入侵量，降低返排啟動壓力，實(shí)現(xiàn)快速返排以降低儲層傷害。Makhanov等[10]進(jìn)行蒸餾水和鹽水滲吸實(shí)驗(yàn)，解釋了測井?dāng)?shù)據(jù)并分析了潤濕性、滲透率及礦物組分等對滲吸作用的影響規(guī)律。王興文等[11]進(jìn)行致密油氣藏壓裂液的返排機(jī)理研究，明確返排壓差對壓裂液返排效果的影響規(guī)律，提出壓裂液的高效返排可提高壓裂效果。屈亞光等[12]對頁巖儲層壓裂液滲吸及返排機(jī)理進(jìn)行研究，得到儲層巖石含水飽和度、毛管壓力、流體物性、潤濕性等因素對壓裂液滲吸與返排的影響規(guī)律。 Yao等[13]對頁巖油藏自發(fā)滲吸和加壓滲吸進(jìn)行研究，并用核磁共振技術(shù)表征了不同滲吸方式下頁巖油藏的生產(chǎn)效率。

對已有研究成果分析發(fā)現(xiàn)，相關(guān)研究普遍只針對壓裂液進(jìn)入儲層造成滲吸傷害或壓后返排時傷害解除兩者之一，并未對從壓裂開始到壓后返排這一完整過程中壓裂液滲吸對儲層造成的傷害進(jìn)行系統(tǒng)的研究?；诖耍F(xiàn)采用質(zhì)量法進(jìn)行室內(nèi)滲吸實(shí)驗(yàn)，研究裂縫壁面儲層單元與壓裂液之間的滲吸作用，考察滲吸液相、壓裂液黏度、巖心滲透率以及壓后燜井時間對滲吸傷害的影響規(guī)律，實(shí)驗(yàn)?zāi)M壓裂液從進(jìn)入儲層到壓后返排這一完整壓裂液滲吸傷害過程，對前期的壓裂液滲吸傷害及后期壓裂液返排的傷害解除進(jìn)行綜合的壓裂液滲吸傷害研究。并基于灰色關(guān)聯(lián)法分析得到各因素對滲吸傷害的影響程度排序，研究結(jié)果對現(xiàn)場壓裂生產(chǎn)中優(yōu)選壓裂液體系，以及壓后燜井時間的控制具有一定指導(dǎo)作用。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)方法及原理

利用質(zhì)量法進(jìn)行室內(nèi)模擬壓裂液滲吸傷害實(shí)驗(yàn)，通過測定各實(shí)驗(yàn)組巖心在一定延伸壓力下與壓裂液滲吸作用時巖心的質(zhì)量和滲透率的變化，以及使用高壓氮?dú)夥聪驓怛?qū)模擬返排過程測得壓裂液返排率，評價不同因素影響下壓裂液滲吸對低滲致密氣巖心的傷害規(guī)律并提出降低壓裂液傷害的有效措施。壓裂液與致密氣儲層滲吸作用如圖1所示。

圖1 壓裂液與致密氣儲層滲吸作用示意圖

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器及材料

1.2.1 實(shí)驗(yàn)儀器

主要實(shí)驗(yàn)儀器：TY-2C巖心夾持器、高精度電子天平、精密壓力表、環(huán)壓加壓泵、UQT-1多功能裂縫網(wǎng)格導(dǎo)流能力測試裝置、UPUMP-100D恒壓恒速泵、中間容器、皂膜流量計(jì)、高壓氮?dú)鈿馄俊?/p>

1.2.2 實(shí)驗(yàn)材料

(1)人造巖心。黃波等[14]通過測試對比天然巖心與人造巖心的壓裂液傷害程度，發(fā)現(xiàn)兩種巖心的壓裂液評價結(jié)果誤差在5%以內(nèi)，且人造巖心內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本相同，滲透率范圍也較易控制，可避免巖心內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)差異以及滲透率輕微差異對傷害率的影響，因此，可用人造巖心代替天然巖心進(jìn)行壓裂液滲吸傷害規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究。

本實(shí)驗(yàn)選用八塊與臨興致密氣區(qū)塊儲層物性相似，且為同一廠家、同一批次生產(chǎn)的人造巖心進(jìn)行壓裂液滲吸傷害影響因素實(shí)驗(yàn)研究，巖心的基本參數(shù)及圖示如表1所示。

表1 人工巖心基本參數(shù)表

(2)壓裂液與地層水。根據(jù)臨興致密氣區(qū)塊現(xiàn)場壓裂開采所用壓裂液體系[15]的成分，結(jié)合不同交聯(lián)劑配置實(shí)驗(yàn)所用不同黏度的壓裂液破膠濾液。

通過對臨興致密氣區(qū)塊儲層中的地層水進(jìn)行采樣分析和計(jì)算得到其化學(xué)組分，如表2所示。按照表中組分配置實(shí)驗(yàn)所用地層水，以模擬臨興區(qū)塊地層水的實(shí)際情況。

表2 臨興區(qū)塊地層水組分表

1.3 實(shí)驗(yàn)條件

根據(jù)臨興致密氣區(qū)塊儲層性質(zhì)及現(xiàn)場壓裂資料，儲層溫度為40 ℃，壓裂施工時延伸壓力約為5 MPa，設(shè)計(jì)在不同的滲吸液相、不同壓裂液黏度、不同巖心滲透率以及不同滲吸時間下的各組實(shí)驗(yàn)條件，如表3所示。

表3 各組不同實(shí)驗(yàn)條件設(shè)計(jì)表

1.4 實(shí)驗(yàn)步驟

壓裂液對巖心滲透率的傷害評價采用SY/T5107—2016《水基壓裂液性能評價方法》[16]，實(shí)驗(yàn)測得的巖心滲透率均按式(1)計(jì)算：

(1)

式(1)中：K為巖心滲透率，μm2；Q為流量，cm3/s；μ為流動介質(zhì)的黏度，mPa·s；L為巖心軸向長度，cm；Δp為巖心進(jìn)出口壓差，MPa；A為巖心橫截面積，cm2。

基質(zhì)滲透率損害率按式(2)計(jì)算：

(2)

式(2)中：ηd為滲透率損害率，%；K1為巖心擠壓裂液濾液前的基質(zhì)滲透率，μm2；K2為巖心擠壓裂液濾液損害后的滲透率，μm2。

基于張琰[17]和熊湘華[18]的在滲透率傷害的研究中采用的實(shí)驗(yàn)方法，制定實(shí)驗(yàn)步驟如下：①測定巖心初始質(zhì)量m0和初始滲透率K0；②將對應(yīng)液相加入中間容器，輸出壓力設(shè)置為5 MPa，開始滲吸實(shí)驗(yàn)；③實(shí)驗(yàn)進(jìn)行至中間時刻，稱量巖心質(zhì)量m1后繼續(xù)滲吸實(shí)驗(yàn)，滲吸結(jié)束后測得巖心質(zhì)量m2和滲透率K1，計(jì)算此時巖心傷害率I1；④在巖心夾持器中反向裝入巖心，用干燥氮?dú)庹驓怛?qū)，由0 MPa開始緩慢增加氣驅(qū)壓力，直至有氣體排出，此時輸出壓力即為巖心啟動壓力；⑤氣體排出流速達(dá)到穩(wěn)定時，測量此時巖心質(zhì)量m3和滲透率K2；⑥重復(fù)步驟，用1 MPa、2 MPa、3 MPa、…、9 MPa的壓力正向氣驅(qū)，測得巖心質(zhì)量分別為m4、m5、m6、…、m19，滲透率分別為K3、K4、K5、…、K18，則可計(jì)算得到不同壓力下巖心的傷害率和返排率。

2 影響因素分析

2.1 不同滲吸液相對滲吸傷害的影響

儲層傷害的滲吸液相不僅有壓裂施工中注入地層的壓裂液，還有儲層中所含地層水。在油氣藏降壓生產(chǎn)時，儲層中的地層水會產(chǎn)生“鹽析”，該現(xiàn)象的產(chǎn)生往往伴隨著儲層傷害。選取L1和L2號巖心在40 ℃，恒壓5 MPa的條件下分別使用壓裂液和地層水進(jìn)行滲吸實(shí)驗(yàn)，L1滲吸222 min，L2滲吸43 min后出液，待出液穩(wěn)定后停止?jié)B吸，比較壓裂液與地層水對于儲層的傷害情況。

由圖2可知，壓裂液對巖心的傷害程度較地層水大。因壓裂液黏度較地層水大，其中含有更多固相顆粒與高分子膠質(zhì)物，不僅造成氣相滲流通道堵塞，也在巖心端面形成濾餅，使巖心滲透率大幅度降低；而地層水是由陰陽離子、微生物和微量有機(jī)質(zhì)組成，不含高分子膠質(zhì)物和固體顆粒，其鹽析作用對巖心的傷害率小于壓裂液對巖心的滲吸傷害率。由圖3可知，使用壓裂液的實(shí)驗(yàn)組巖心返排率較低，因黏度較高的壓裂液在巖心中的流動阻力較大，返排時不易被驅(qū)出。

圖2 不同滲吸液相下巖心傷害率與壓力關(guān)系圖

圖3 不同滲吸液相下巖心返排率與壓力關(guān)系圖

2.2 不同壓裂液黏度對滲吸傷害的影響

選取L1、L3、L4號巖心在40 ℃恒壓5 MPa的條件下分別使用不同黏度的壓裂液(2.0、3.4、4.6 mPa·s)滲吸222 min，探究壓裂液黏度對于儲層傷害的影響規(guī)律。

由圖4可知，黏度越高的壓裂液對巖心的傷害率越高。因黏度越大的壓裂液中高分子膠質(zhì)物含量越高，則更易在巖心孔隙中滯留，堵塞氣相滲流通道，也更易在巖心端面形成濾餅，從而降低巖心滲透率，造成巖心傷害。由圖5可知，壓裂液黏度較大的實(shí)驗(yàn)組返排率較低，因黏度較高的壓裂液在巖心中的流動阻力較大，返排時不易被驅(qū)出。

圖4 不同壓裂液黏度下巖心傷害率與壓力關(guān)系圖

圖5 不同壓裂液黏度下巖心返排率與壓力關(guān)系圖

2.3 不同巖心滲透率對滲吸傷害的影響

選取L1、L5、L6號巖心在40 ℃恒壓5 MPa的條件下滲吸，L1號巖心滲吸222 min，L5號巖心滲吸36 min后出液，L6號巖心滲吸25 min后出液，待出液穩(wěn)定后停止?jié)B吸，分析巖心滲透率對于儲層傷害的影響規(guī)律。

由圖6可知，滲透率越大的巖心在滲吸過程中的傷害率越小。因滲透率大的巖心中小孔徑較少，則毛管力較小，在滲吸作用下進(jìn)入巖心的壓裂液滯留率低，返排率高，所以較滲透率小的巖心傷害率低。由圖7可知，巖心滲透率較大的實(shí)驗(yàn)組巖心返排率要大得多，因滲透率較大的巖心中大孔徑比例較高，壓裂液流動阻力較小，所以返排率高；而滲透率較小的巖心中小孔徑比例較高，壓裂液因毛管力作用而被滯留在小孔隙中，返排時不易被驅(qū)出。

圖6 不同巖心滲透率下巖心傷害率與壓力關(guān)系圖

圖7 不同巖心滲透率下巖心返排率與壓力關(guān)系圖

2.4 不同滲吸時間對滲吸傷害的影響

選取L1、L7、L8號巖心在40 ℃恒壓5 MPa的條件下使用黏度為2.0 mPa·s壓裂液分別滲吸222、110、74 min，探究滲吸時間對于儲層傷害的影響規(guī)律。

由圖8可知，壓裂液滲吸時間越長巖心傷害率越高。因?yàn)樵跐B吸量未達(dá)到飽和前，滲吸時間越長，壓裂液入侵量越多，深度越深，則對巖心的傷害率越高。由圖9可知，滲吸時間較短的實(shí)驗(yàn)組巖心返排率較高，因其入侵量較少，且進(jìn)入深度較淺，壓裂液易被驅(qū)出。

圖8 不同滲吸時間下巖心傷害率與壓力關(guān)系圖

圖9 不同滲吸時間下巖心返排率與壓力關(guān)系圖

3 影響程度評價

3.1 灰色關(guān)聯(lián)法原理

灰色關(guān)聯(lián)度[19-20]是對事物或系統(tǒng)因素間描述其關(guān)系強(qiáng)弱、大小和次序的一種度量方法[21]?；疑P(guān)聯(lián)法的基本步驟[22]如下。

3.1.1 確定分析數(shù)列

以巖心損害率為參考序列，如式(3)所示：

X0={X0(k)|k=1,2,…,n}

(3)

以壓裂液黏度、巖心滲透率以及壓裂液滲吸時間三個因素為比較數(shù)列，如式(4)所示：

Xi={Xi(k)|k=1,2,…,n}，i=1,2,…,m

(4)

式中：n為所選時間段內(nèi)的時間點(diǎn)數(shù)；m為影響因素個數(shù)(此時為3)。

3.1.2 初始序列的無量綱化

由于序列中各參數(shù)具有不同的物理意義，導(dǎo)致序列的量綱和數(shù)量級不同，則需要進(jìn)行正向化和無量綱化，以保證序列的等級性和等權(quán)性。對于數(shù)值較大指標(biāo)，采用式(5)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化：

(5)

對于數(shù)值較小的指標(biāo)，采用式(6)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化：

(6)

式中：i=1,2,…,m;k=1,2,…,n。

3.1.3 計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)

X0與Xi在第k點(diǎn)的關(guān)聯(lián)系數(shù)為

(7)

Xi(k)與對應(yīng)的X0(k)的關(guān)聯(lián)系數(shù)：

ξi={ξi(k)|k=1,2,…,n}

(8)

3.1.4 計(jì)算關(guān)聯(lián)度

(9)

3.2 基于灰色關(guān)聯(lián)法的影響程度分析

在實(shí)際壓裂生產(chǎn)中，壓裂液作為儲層中唯一的外來流體，無須探討不同滲吸液相對儲層傷害的影響程度。根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)法計(jì)算出壓裂液黏度、巖心滲透率以及壓裂液滲吸時間的關(guān)聯(lián)度分別為0.87、0.67、0.71，如圖10所示。此數(shù)值越大代表該因素與滲吸傷害程度的關(guān)聯(lián)性越大，反之關(guān)聯(lián)性越小。按關(guān)聯(lián)度的大小對三個因素進(jìn)行排序，得出它們的相關(guān)關(guān)聯(lián)序：壓裂液黏度>壓裂液滲吸時間>巖心滲透率。說明壓裂液黏度對于儲層的滲吸傷害率最大，壓裂液黏度越大，其在儲層中的流動阻力越大，就越容易滯留在孔隙中，降低儲層滲透率，對儲層造成傷害；其次是滲吸時間，滲吸時間越長，在未達(dá)到飽和滲吸量之前，儲層中進(jìn)入的壓裂液就越多，也就越不易返排，從而滯留對儲層造成傷害；巖心滲透率對儲層滲吸傷害程度相對較小。

圖10 滲吸傷害影響因素灰色關(guān)聯(lián)度對比

由于現(xiàn)場壓裂施工通常是在某一儲層層位進(jìn)行的，而同一層位的儲層滲透率基本相同，因此只考慮壓裂液黏度和壓后燜井時間兩種因素的改進(jìn)措施即可。建議油田在實(shí)際壓裂生產(chǎn)中，優(yōu)先考慮壓裂液黏度對滲吸傷害的影響，選擇合適的壓裂液配方。在此基礎(chǔ)上制定適合該儲層的“快速返排”生產(chǎn)制度，盡可能地減少壓裂液與儲層的接觸時間，以最大程度降低滲吸傷害。

4 結(jié)論

對于壓裂液滲吸對儲層的傷害研究，采用室內(nèi)滲吸模擬實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行了4種因素對于儲層的損害率規(guī)律研究，并對其中3種因素采用灰色關(guān)聯(lián)分析法進(jìn)行影響程度大小排序，主要得到以下結(jié)論。

(1)壓裂液滲吸對儲層的傷害率與壓裂液黏度和壓后燜井時間呈正相關(guān)關(guān)系，與巖心滲透率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；壓裂液滲吸對儲層的傷害率較地層水大。

(2)壓裂液返排率與巖心滲透率呈正相關(guān)關(guān)系，與壓裂液黏度及壓后燜井時間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；壓裂液滲吸后的返排率低于地層水滲吸后的返排率。

(3)基于灰色關(guān)聯(lián)分析法得到三種因素對儲層滲吸傷害程度大小排序?yàn)椋簤毫岩吼ざ?壓后燜井時間>巖心滲透率，由此建議油田在實(shí)際壓裂生產(chǎn)中優(yōu)先考慮壓裂液黏度對儲層的傷害，選擇合適的壓裂液體系，尤其是破膠劑的選擇，并制定合理的快速返排制度，以降低壓裂液對儲層的傷害。