压裂过程储层伤害及防治措施新探

2010-11-02钟安海

中国石油大学胜利学院学报 2010年4期

关键词：破胶润湿压裂液

钟安海

(中国石化胜利油田分公司采油工艺研究院,山东东营257000)

压裂过程储层伤害及防治措施新探

钟安海

(中国石化胜利油田分公司采油工艺研究院,山东东营257000)

压裂伤害是多年来一直备受关注的问题,其直接影响了低渗透油气藏的增产。随着现在压裂过程技术的发展,压裂伤害因素又有所改变。多年来研究者从入井液着手进行了大量的研究,本文则全面系统地从压裂过程可能造成伤害的所有原因出发,分别研究物理因素伤害和外来因素伤害,提出处理措施,为低渗透油气田压裂增产提供参考依据。

压裂;储层伤害;渗流能力

压裂作为低渗透油气田增产的主要手段已经成为目前不可取代的措施,压裂伤害一直是压裂工作者关注的问题。多年来研究者主要对入井液伤害进行了大量的研究,但是近年来随着新工艺、新产品的涌现而出现一些新问题,而且压裂过程产生的地层物理损伤也逐渐引起人们的重视,因此对压裂过程带来的伤害进行新的探讨并提出新的处理措施在目前尚无更高增产手段的情况下对低渗透油藏的开采有着积极的意义。

1 地层物理损伤分析及处理措施

压裂造缝的机制是靠拉伸力使地层岩石破裂而形成一条填充裂缝,形成裂缝以牺牲岩石孔隙空间为代价,在造缝的过程中,岩石作为一种多孔介质在外力的作用下发生形变或压实,引起了岩石孔隙数下降和孔喉半径减小两种变化。

孔隙数的下降直接导致流体流动性能的下降[1];而孔喉半径变小,主要引起的是毛管力的变化,计算公式为:

式中,pc为毛管力,mN/m2;σ为界面张力,mN/m; θ为润湿接触角,(°);r为孔喉半径,m。

由式(1)可以看出,半径变小,毛管力增大,由此引起油相或水相渗流阻力增加。由于裂缝的形成导致了岩芯渗流能力下降,范学平等用试验测得在岩石发生形变时渗透率降低到原来的64.2%～91.1%[2]。

由于裂缝是从起裂缝面开始扩展,因此损伤地带在井筒周围及靠近裂缝面附近[3],并且由于损伤为岩石变形引起,所以物理损伤在裂缝相对宽的近井地带伤害程度高,在裂缝相对窄的远离井筒的地带损伤程度低。因此,在裂缝两侧形成两条伤害带如图1所示,其岩芯渗流能力明显低于原始岩芯的渗流能力。

图1 岩芯伤害带示意图

由于这种伤害是由压裂本身引起的,是不可避免的,治理措施只能靠后期的处理。这种损害由孔隙数或孔隙度变小引起,因此治理措施以增加孔隙度或孔隙数为出发点,进行压后酸洗和基质酸化,增加流通半径。陈红军等进行了室内试验,证实了用酸清洗岩芯后流动能力有所提高[4]。

2 外来固相伤害分析及处理措施

外来固相伤害的一个来源是压裂液残渣,当前应用广泛的是植物胶压裂液,水不溶固相最低为4%[5],普通粉体物为4%～8%,这些不溶物进入地层可能直接堵塞储层孔隙,造成渗流能力降低;外来固相的另一个来源是来自破胶不彻底的成胶液,压裂过程压裂液以胶体的形式进入裂缝并形成滤饼,当破胶不彻底时残留物将堵塞储层孔隙或对裂缝造成伤害,尤其是随着当前深层、高温地层的压裂,重金属交联剂的频繁使用,成胶液破胶难度增大,这方面带来的伤害严重。针对固相伤害的来源,处理措施可从压裂液体系上选择采用无固相压裂液体系,诸如表面活性剂压裂液、聚合物压裂液等,在施工工艺上由于破胶程度、返排率对其影响较大[6],因此应采取全程破胶、高强度破胶技术与及时返排、高能助排工艺等措施。

3 外来液相伤害及处理措施

3.1 黏土膨胀、颗粒运移

当地层内黏土矿物与外来水基压裂液接触时,立即膨胀,使得储层渗流空间减小而降低渗流能力。松散黏附于孔道壁面的黏土颗粒与外来压裂液接触时分散、剥落、随压裂滤液进入油气层或沿裂缝运动,在孔喉处被卡住,形成桥堵,引起损害。解决此类伤害主要的措施是使用黏土防膨剂,控制黏土的膨胀,防止黏土分散、剥落。

3.2 润湿反转、吸附

在国内,压裂的砂岩油藏岩石表面一般为亲水性,多为中强亲水,动态接触角一般为15°～30°,优先水湿,而且砂岩表面一般带负电荷,易吸附带正电荷的阳离子聚合物。因此,当压裂液中大分子表面活性剂和聚合物进入地层时就会吸附在岩石表面,造成岩石表面润湿反转,即由亲水性变为亲油性,造成油相流动阻力增大,尤其是当前聚合物压裂液和高温表面活性剂压裂液的频繁应用,此类伤害显得更加突出。处理此类伤害主要是采用适当的表面活性剂改善岩石的润湿性能,增大润湿接触角,使润湿性能为中性润湿。

3.3 水锁效应

当水基压裂液侵入地层,在油(气)界面产生毛管力,对油气向井筒流动产生阻力,油气必须克服这个阻力才能流动,当动力不足时即发生滞留现象形成水锁。形成水锁毛管力的大小主要取决于界面张力、润湿接触角和孔喉半径,所以处理措施应从降低界面张力和使润湿性能成为中性两个方面进行,因此主要措施是添加表面活性剂、醇类小分子。

3.4 贾敏效应

当水基压裂液与原油相遇时会发生乳化反应。被压裂的油气层中的原油常含有天然乳化剂如胶质、沥青和蜡等,压裂时压裂液的流动具有搅拌作用,在油气层孔隙中形成油水乳化液。原油中的天然乳化剂附着在水滴上形成保护膜,使乳化液滴具有一定的稳定性。这些乳化液滴在毛管、喉道中产生贾敏效应(图2),增加了流体流动阻力,液阻效应有时会叠加产生,有时会聚集造成更严重的液堵。对于这方面的伤害,宜采取防乳化剂防止乳化。

图2 贾敏效应示意图

3.5 沉淀伤害

地层流体为含矿物流体,当与外来流体不配伍时会生成沉淀,这些沉淀导致孔隙堵塞,渗流能力降低。因此,在压裂设计施工时可进行入井液与地层水配伍试验优选入井液。

4 冷伤害及处理措施

压裂过程是冷液体进入地层的过程,图3为某井的地层温度测试曲线,井底温度在压裂开始几分钟内迅速降至60℃以下,并且随着压裂的进行温度保持在30～40℃,压裂结束后温度逐渐恢复到60℃以上,井底温度处于30～40℃的时间大约为1 h,这段时间足以使储层内原油物性发生变化。当原油含蜡质较多时,析出石蜡蜡晶堵塞储层孔隙,形成永久性伤害。对于冷伤害的处理可采用热流体压裂或者在压裂时添加清防蜡剂。