致密砂岩气藏压裂液体系对储层基质伤害性能评价

2016-10-25周伟勤梁小兵

长江大学学报(自科版) 2016年29期

关键词：滤饼压裂液气藏

周伟勤，梁小兵

(陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院, 陕西西安 710000)

致密砂岩气藏压裂液体系对储层基质伤害性能评价

周伟勤，梁小兵

(陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院, 陕西西安 710000)

致密砂岩气藏由于其低孔低渗的储层特性，必须通过压裂增产措施才能实现其经济产能。以延安气田山西组致密砂岩气藏为研究对象，探讨了致密砂岩气藏压裂液评价方法，并进行了压裂液滤液对储层岩石基质渗透率伤害率和压裂液伤害后核磁共振测试试验；研究中基于压裂液与地层流体及工作液的配伍性研究，对压裂液的乳化率和残渣进行了测定，筛选出了3种适用于延安气田致密气高效开发的压裂液体系。基于岩心伤害测试评价和核磁共振测试评价表明，羟丙基胍胶(一级)弱碱性压裂液体系、羟甲基羟丙基胍胶酸性压裂液体系、黏弹性表面活性剂VES体系虽均能满足延安气田压裂液作业要求，但是对比其他2种压裂液体系，羟丙基胍胶(一级)弱碱性压裂液体系具有低伤害、低残渣和高返排的优势，建议采用羟丙基胍胶(一级)弱碱性压裂液体系作为延长致密砂岩气藏储层改造的工作液体系，为该油田储层保护和有效开发提供支持。

致密气藏；砂岩气藏；压裂液；伤害率；延安气田

延安气田开发动用的气层为上古生界低渗致密砂岩气藏，其主力储层为石盒子组和山西组，埋深2117～3245m，压力系数0.65～0.85MPa/1000m。储层砂岩石英平均体积分数66.5%，岩屑平均体积分数22.3%，胶结物体积分数10.50%，胶结物主要以黏土矿物为主。储层平均孔隙度8.91%、平均渗透率0.6567mD，属典型超低渗储层。由储层敏感性测试表明，具有强碱敏(碱敏指数0.98)、中等水敏(水敏指数0.53)、中等偏弱酸敏(酸敏指数0.31)，无速敏损害。

截至2016年3月，共计进行20井次压裂，均采用弱碱性和有机硼在碱性环境交联的方式，全程伴注液氮助排，主支撑剂为20～40目中强陶粒，压裂泵注均完成设计要求。但压裂后测试无阻流量从0～102.7×104m3/d不等，压裂效果不稳定，表明储层产能未能很好地全面被释放，其压裂液对储层侵入伤害是影响产能释放的关键因素之一。

而水力压裂技术发展至今，使用的压裂液已有多类，主要分为水基压裂液、油基压裂液、泡沫压裂液、乳化压裂液和清洁压裂液[1～3]。由延安气田储层性质可知，优选压裂液体系时，在考虑压裂液性质的同时，重点要控制对储层基质的伤害，尤其是水敏伤害和碱敏伤害。由此，初步可选取现用羟丙基胍胶(一级)弱碱性压裂液体系、酸性压裂液体系、黏弹性表面活性剂VES体系可作为适用于延安气田的适用体系。因此笔者基于延安气田储层性质和3种压裂液体系基础配方，优化适用于该储层的具体配方组成、评价对比常规性能指标，并重点测试3种压裂液体系对储层基质的侵入伤害，剖析伤害机理，从而给出最佳的压裂液体系，为提高延安气田压裂有效性、充分释放储层产能提供一定借鉴。

1　试验部分

1.1试验材料及装置

1) 主要试验材料羟丙基胍胶(一级)(工业品，延长油田提供)；羧甲基羟丙基胍胶( CMPHG) (东营市信德化工有限责任公司)；VESHD表面活性剂(自制，非离子表面活性剂/阴离子表面活性剂体积比=3∶1)；有机硼交联剂(JL-1)(东营市信德化工有限责任公司)；有机锆交联剂(JL-13)(自制)；杀菌剂(戊二醛)(东营区东大化学仪器经营部)；降滤失剂(羧甲基纤维素CMC)(东营区东大化学仪器经营部)；(NH4)2S2O8( 质量分数为8%) 、HCl、KCl、NaCl、MgCl2、CaCl2(国药集团化学试剂有限公司，分析纯) ；去离子水。

2) 主要试验设备TP-520 型电子天平；80-2 型离心沉淀器；博力飞-Ⅲ旋转黏度仪；ESB-Ⅴ型电子表面平衡张力仪；高温高压动态滤失仪；Magnet2000 型核磁共振岩样分析仪。

1.2试验方法及原理

1.2.1压裂液体系配制

主要针对现用羟丙基胍胶压裂液体系、羧甲基羟丙基胍胶酸性压裂体系和VESHD压裂液体系进行性能对比试验。其基本配方如下：

1)羟丙基胍胶(一级)弱碱性压裂液体系0.3%～0.4%羟丙基胍胶(一级)+0.3%气井助排剂+0.1%杀菌剂+0.15%Na2CO3+0.3%气井起泡剂(或无)+1%～2%KCl+0.2%～0.5%黏土稳定剂+0.01%～0.025%pH调节剂+2%JLS-2降滤失剂+1%～3%交联剂，92%～95%水。

2)羧甲基羟丙基胍胶酸性压裂体系0.4% GMHPG 溶液+2% 有机锆交联剂+0.06%过硫酸铵+2%盐酸+0.4%黏土稳定剂+0.4%助排剂+0.1%缓蚀剂，94%～95%水。

3)VESHD压裂液体系2.8%～5%基础表面活性剂(非离子表面活性剂)+1.2%～2%稳定助剂(阴离子表面活性剂)+4%～10%交联助剂(无机盐溶液)+85%～93%水。VESHD体系配制时，将基础表面活性剂按照2.8%～5%的比例加入到4%～10%交联助剂水溶液中，然后再按照1.2%～2%体积比例加入阴离子表面活性剂，并不断搅拌5min。以上配方中的百分数为体积分数。

1.2.2压裂液体系基本性能评价

按照标准SY/T 5107—2005《水基压裂液性能评价方法》、SY/T 6380—1998《压裂用破胶剂性能试验方法》、SY /T 5370 《表面及界面张力测定》进行压裂液基础性能评价，主要评价交联后压裂液黏度、流变特性(稠度系数和流变特性指数)、破胶时间、破胶液黏度、残渣含量、破胶液表面张力、初滤量等7项基本性能。

1.2.3压裂液体系对储层基质的伤害评价

基于致密气藏的储层物性及敏感性特征，在水力压裂裂缝形态达到设计规模前提下，对气藏产能释放起关键作用的不是裂缝内的导流能力，而是裂缝网络所接触的岩石基质是否保护完好，即压裂过程中压裂液对基质的伤害特性是选择压裂液的关键所在[4]。压裂液对储层基质的伤害主要有液相伤害、固体伤害、压裂液滤饼及浓缩伤害，其具体伤害形式[5，6]体现在黏土水化膨胀与分散运移伤害(水敏伤害)、水锁伤害、压裂液残渣伤害、压裂液滤饼和浓缩伤害等。由前述压裂液对储层基质的伤害机理分析可得，该区压裂液伤害主要集中在水敏性黏土矿物的水敏伤害、滤液进入喉道后造成的水锁伤害以及破胶液向地层渗漏后在裂缝壁面形成的滤饼伤害。该研究将分别针对这3种伤害设计相应试验，以实现单一因素的伤害评价。

1) 水敏性矿物的水敏伤害试验设计试验所用滤液分别为3种压裂液按照最佳配方配制，但不加稠化剂(胍胶、阴离子表面活性剂)。配制完成后均用3μm滤膜过滤得到压裂液的模拟滤液；将岩心装入夹持器中；正通标准盐水(0.04mg/L)，测岩心渗透率K11；反通相应的压裂液模拟滤液稳定后，放置2h；正通标准盐水(0.04mg/L)，稳定后测岩心渗透率K12；计算岩心伤害率：

(1)

2) 水锁伤害评价试验设计同水敏伤害方式配制压裂液，并均用3μm滤膜过滤得到压裂液的模拟滤液，并在模拟滤液内添加2%黏土稳定剂，以消除水敏伤害影响；将岩心装入夹持器中；正通标准盐水(0.04mg/L)，稳定后测岩心渗透率K21；保持3MPa压差，正通湿氮气进行气驱至束缚水(大于50PV)，结束气驱；反通压裂液模拟滤液1PV，放置2h稳定；正通标准盐水(0.04mg/L)，稳定后测岩心渗透率K22；利用式(1)计算岩心伤害率(此时K1=K21，K2=K22)。

3) 滤饼侵入伤害评价试验设计试验所用滤液分别为3种压裂液按照最佳配方配制，添加稠化剂，并充分破胶；配制完成后均用3μm滤膜过滤得到压裂液的模拟滤液；将岩心装入夹持器中；正通标准盐水(0.04mg/L)，测岩心渗透率K31；反通相应的压裂液模拟滤液稳定后，放置2h，造成模拟水敏伤害；正通标准盐水(0.04mg/L)，稳定后测岩心渗透率K32；反通相应的压裂液破胶液1PV，形成滤饼；正通标准盐水(0.04mg/L)，测岩心渗透率K33；利用式(1)计算岩心伤害率(此时K1=K32，K2=K33)。

表1　伤害试验所用天然岩心基本参数

4)核磁共振测试采用Magnet2000型核磁共振岩样分析仪测量岩心内部孔隙度分布[11]。首先对饱和标准盐水的岩心进行第1次核磁共振测量，压裂液完成岩心水敏伤害和水锁伤害后，采用标准盐水反向驱替岩心，待水测渗透率稳定后，取出岩心进行第2次核磁共振测量。

伤害试验岩心均为山西组二段所取天然岩心，其试验方案及初始渗透率参数如表1所示。

2　试验结果及讨论

2.1压裂液体系基本性能评价对比

表2列出了3种压裂液基本性能的测试结果。由性能指标对比可得，3种压裂液体系相关性能指标均比较优异，都满足压裂液通用指标要求。考虑到研究区储层为致密砂岩储层，同时储层存在中等强度水敏性和中弱酸敏，因此为进一步优选压裂液体系，需开展滤液的岩心伤害试验，以此对比分析最佳的压裂液体系。

表2　压裂液基本性能评价结果对比表

表3　水敏伤害试验测试结果

2.2压裂液体系对储层基质伤害评价对比

1)水敏性矿物的水敏伤害试验结果按照水敏伤害测试试验方案，测试结果如表3及图1所示。

由表3可看出，弱碱性压裂液虽然其基础流动性指标弱于酸性压裂液和VESHD压裂液，但其水敏伤害率最低。这可能是由于储层存在一定酸敏性导致酸性压裂液效果不太理想。同时VESHD压裂液内无机盐含量较低，导致其水敏伤害最大，但如果增加防膨剂的配比又会影响其流动性能，因此在选用VESHD压裂液时，需进一步优化其无机盐的含量。

2) 水锁伤害评价试验结果按照水锁伤害测试试验方案，测试结果如图2及表4所示。

图1　压裂液体系水敏评价结果

图2　压裂液体系水锁评价结果

表4　水锁伤害试验测试结果

表5　滤饼侵入伤害率试验测试结果

图3　压裂液体系滤饼伤害评价结果

由表4可看出，弱碱性压裂液虽然其基础流动性指标弱于酸性压裂液和VESHD压裂液，但其水锁伤害率也最低。弱碱性压裂液、酸性压裂液、VESHD压裂液的渗透率最终恢复率分别为68.07%、67.43%、67.20%。图2为渗透率恢复率随注入量的变化曲线，从图2可知，该试验中弱碱性压裂液、酸性压裂液的渗透率恢复率一定程度上快于VESHD压裂液。

3) 滤饼侵入伤害评价试验结果按照滤饼侵入伤害测试试验方案，测试结果如表5及图3所示。

由表5可看出，弱碱性压裂液虽然其基础流动性指标弱于酸性压裂液和VESHD压裂液，但其滤饼侵入伤害率最低。

4)压裂液滤液对储层岩石的伤害率由表6可清晰看出，3种压裂液对岩心的水锁伤害差别不大，这是由于储层多孔介质的微孔隙性，其气液两相分散空间狭小，自由度也小，因此液体性质对气液混合起泡的程度影响体现得不是很明显；而对于水敏伤害，VESHD压裂液的伤害程度明显高于2种胍胶压裂液的伤害，分析认为VESHD体系表面活性剂交联对含盐量高低比较敏感，其黏土稳定剂的添加受到一定限制，因此比较容易造成水敏矿物的膨胀、脱落；对于滤饼的伤害，弱碱性压裂液明显低于其他2种压裂液体系，但从试验后岩心断面的滤饼可以明显观测到弱碱性压裂液的滤饼厚度较其他2种都厚，分析认为滤饼的伤害较岩心断面压裂液渗入造成的伤害要小得多，因此测试的滤饼伤害，可能主要是岩心断面的水敏伤害和外来流体侵入造成的不配伍造成的。

表6　压裂液伤害率统计

图4　核磁共振孔隙度分布

5) 岩心核磁共振结果对比由3种压裂液岩心伤害核磁共振(图4)可以看出：弱碱性压裂液和酸性压裂液滤失后的岩心孔隙度分量在弛豫时间上的分布较接近。其分布变化在1～10ms段孔隙度分量略有增加，在10～1000ms段减少，而弛豫时间与岩心孔喉半径成正比。这表明压裂液滤失过程中，部分岩心的大孔喉转化为小孔喉，甚至在滤失过程中造成了孔喉堵塞现象，从而造成了大孔喉分布明显下降，而小孔喉略有上升的现象。对比弱碱性压裂液和酸性压裂液滤失后的岩心孔隙度分量在弛豫时间上的分布发现，酸性压裂液造成的孔喉堵塞程度明显强于弱碱性压裂液。从VESHD压裂液滤失后的岩心孔隙度分量在弛豫时间上的分布可以看出，在VESHD压裂液滤失后，其大小孔喉分布均存在明显减小，这表明VESHD压裂液由于表面活性剂的存在，更容易侵入储层内部造成水敏。

通过对3种压裂液滤液岩心伤害核磁共振曲线的分析可以得出，在压裂液优选过程中，除了需要对压裂液的基础性能参数进行评价优选，还应该从油层物理性质出发，尽量选择不容易侵入储层内部、不易造成水敏伤害的压裂液。因此，虽然VESHD压裂液具有较好的流变性能，但该储层仍需选择弱碱性压裂液。

3　结论

1)对弱碱性压裂液、酸性压裂液和VESHD压裂液进行室内基本性能评价表明，这3种压裂液均能满足延安致密砂岩气藏中等强度水敏性和中弱酸敏地层特征施工要求。通过对比压裂液初滤失性能，弱碱性压裂液具有明显的优势，这是因为弱碱性压裂液在破胶后黏度高于酸性压裂液和VESHD压裂液。

2)压裂液体系对储层基质伤害评价表明，在抵抗储层水敏伤害、水锁伤害和滤饼侵入伤害方面，弱碱性压裂液均具有明显优势。通过统计3种压裂液对储层的伤害率表明，弱碱性压裂液的总伤害率为71.98%，明显低于酸性压裂液(91.37%)和VESHD清洁压裂液(94.95%)，从而表明弱碱性压裂液更能适应延安气田致密砂岩气藏压裂作业要求。

3)核磁共振测试表明，弱碱性压裂液与酸性压裂液具有相似的趋势，均表现为由于压裂液滤失部分大孔喉转化为小孔喉，并导致部分大孔喉堵塞，从而造成了大孔喉分布明显下降，而小孔喉略有上升现象。对比弱碱性压裂液与酸性压裂液滤失后孔隙分布分量表明，酸性压裂液造成的孔喉堵塞比弱碱性压裂液更加严重，因此弱碱性压裂液具有相对较低的岩心侵入伤害。而对VESHD压裂液核磁共振测试表明，其大孔喉与小孔喉的孔隙分布分量均出现下降，这表明VESHD压裂液更易造成岩心侵入伤害。

4)在压裂液优选时候，不能仅评测其基础性能指标，还应该综合考虑岩石性质，在基础性能指标达标的情况下，尽量选择不易侵入储层内部、不易造成水敏伤害的压裂液。基于此，虽然VESHD压裂液的流变性能最好，但该储层仍需选择羟丙基胍胶弱碱性压裂液。

[1]程兴生,卢拥军,管保山,等.中石油压裂液技术现状与未来发展[J].石油钻采工艺，2014,36(1):1～5.

[2]齐生芝.低浓度胍胶压裂液对裂缝导流能力伤害对比实验研究[J]. 石油化工应用， 2014,33(1):107～110.

[3]张艳，张士诚，张劲，等.耐高温酸性清洁压裂液性能研究及适用性探讨[J]. 油田化学，2014,33(2):199～201.

[4] 石华强,丁雅勤,丁里,等.苏里格气田东区气藏压裂液伤害机理分析及对策[J]. 石油天然气学报(江汉石油学院学报)，2013,35(6):131～135.

[5] 张迎.可回收环保型压裂液技术低成本环保优势明显[J]. 石油钻采工艺，2012,34(5):70.

[6] 何良好.聚合物稠化剂制备及超高温压裂液体系流变性能研究[D]. 上海：华东理工大学，2013

[7]赵秀波.粘弹性表面活性剂合成及其作为稠化剂的酸性清洁压裂液性能研究[D]. 西安：陕西科技大学，2012.

[8] 李富俊.耐高温VES清洁压裂液体系[J]. 油气田地面工程，2009,28(2):78.

[9] 王丽伟,程兴生,翟文,等.压裂液黏弹特性与悬浮支撑剂能力研究[J]. 油田化学，2014,31(1):38～41.

[10] 罗明良,孙涛,吕子龙,等.致密气层控水压裂用纳米乳液的制备及性能评价[J]. 中国石油大学学报(自然科学版)，2016,40(1):155～161.

[11] 何敏,张金生,李丽华,等.复合型清洁压裂液的性能评价[J]. 精细石油化工，2016,33(2):32～35.