羟丙基胍胶压裂液滤饼对岩心伤害试验研究

王安培， 王稳桃， 赵保才， 兑爱玲， 蔡树行， 陈 丽

(1中原油田分公司石油工程技术研究院 2中国石化中原石油工程设计有限公司)

在使用植物胶及衍生物压裂液进行压裂改造时，可在地层的不同部位产生多种因素的伤害：①压裂滤失液在地层内部引起的孔隙水锁伤害、地层矿物与流体性质发生变化引起的伤害[1-3]及压裂液中的微细颗粒侵入后形成的内滤饼伤害[4]；②压裂液残渣及黏滞性流体对支撑裂缝产生的伤害[5-7]；③在裂缝壁面形成的聚合物滤饼对地下流体渗流剖面的屏蔽堵塞作用所产生的伤害。到目前为止，有关压裂液对岩心内部的伤害和水力裂缝的伤害研究较多，而压裂液滤饼对地层的伤害程度及影响因素所开展的研究工作甚少，因而无论是对压裂液滤饼特征的认识还是在滤饼伤害防治措施上，均缺乏科学的试验依据。对此，试验以有机硼羟丙基胍胶羟压裂液为试验介质，研究了不同试验条件下压裂液滤饼特征及对岩心的伤害程度，提出了植物胶压裂液滤饼特征与岩心渗透率的伤害关系，为充分认识植物胶压裂液滤饼对地层的损害程度提出了重要的试验依据。

一、主要材料、仪器设备与试验方法

1.主要材料及仪器设备

人造岩心(气体渗透率22.34～25.63 mD、102.9～127.4 mD)；二级羟丙基胍胶(山东东营三源化工厂产品，水不溶物≤7.5%,0.6%黏度≥105 mPa·s)；有机硼羟丙基胍胶压裂液(自制)；精制煤油；标准盐水；QT-2多功能岩心模拟装置(压力：0～35 MPa,温度：室温≥200℃)；电子天平(精度0.1 mg)；恒温干燥箱(精度：±1℃)；恒温水浴(精度：±1℃)；WaRing混调器(0～20 000 r/min)。

2.试验方法

2.1 压裂液制备

按照石油天然气行业标准SY/T 5107-2005《水基压裂液性能评价方法》配制基液和压裂液。

2.2 压裂液滤饼制备

在一定温度和压差下往岩心中挤入有机硼羟丙基胍胶压裂液1.0 h，然后取出岩心刮下滤饼，称量后，在恒温干燥箱105℃下烘干至恒重，然后计算压裂液滤饼单位质量及滤饼中固体物质量百分比浓度。

2.3 岩心伤害率试验

(1)按石油天然气行业标准SY/T 5107-2005《水基压裂液性能评价方法》处理煤油、配制标准盐水、饱和岩心、测定岩心伤害前渗透率K1，然后挤入压裂液60 min、测定岩心伤害后渗透率K2。

(2)取出岩心，由端面去掉滤饼，按原方向将岩心装入岩心夹持器,继续驱替精制煤油，至流量和压差稳定后持续60 min,测定岩心去掉滤饼后的伤害渗透率K3。

二、试验结果与讨论

1.不同条件下压裂液滤饼特征

压裂液滤饼是在高压作用下因液体大量滤失，使得聚合物和其它水不溶物局部浓度大幅度升高而形成的一种半固态致密性物质。该物质黏附在地层岩石支撑裂缝壁面,对储层孔隙喉道起着封堵作用,因而阻碍了压裂施工后流体的径向流动。但不同条件下压裂液滤饼特征差异较大，由此而引起的伤害程度也不尽相同。对此，试验研究了不同羟丙基胍胶浓度、试验压力、温度、挤入时间、岩心渗透率等因素对压裂液滤饼特征参数的影响。试验结果表明，在同一级别的岩心中，当增加羟丙基胍胶浓度、试验压力、温度、挤入时间时，压裂液滤饼湿重、烘干后重量、岩心壁面单位质量、滤饼中固体物含量均有不同程度的增加；而在不同级别的岩心中，渗透率较高的岩心形成的滤饼参数值较高(见表1)。

表1 不同条件下形成的压裂液滤饼特征试验数据

由此可以预测，在压裂施工过程中当上述条件参数值增加时，可在人工裂缝壁面形成更加严重的滤饼，对地层产生更加严重的伤害。

2.不同羟丙基胍胶浓度下压裂液滤饼对岩心渗透率的影响

试验在60℃、4.5 MPa压差往岩心中挤压裂液1.0 h的条件下研究了不同羟丙基胍胶浓度的压裂液对岩心的伤害程度(见图1)。试验结果表明：①羟丙基胍胶浓度越高，滤饼越致密，对岩心总伤害越严重；②无滤饼时岩心内部伤害率随着羟丙基胍胶浓度增加而降低，其原因是压裂液滤饼的单位质量与致密度随着羟丙基胍胶浓度的升高而增加，控制液体滤失性能增强，液体滤失速度降低，侵入岩心内部的流体量减少，伤害率较轻；③通过结果中压裂液滤饼单项伤害和滤失液侵入伤害这两个试验，发现在相同条件下滤饼对岩心壁面产生的屏蔽效应所造成的伤害远远大于滤失液侵入所造成的伤害。因此，在压裂改造工艺中，施工后如何实现压裂液滤饼的彻底降解是防止地层伤害、提高压裂效果的重要措施。

图1 羟丙基胍胶浓度与岩心伤害率的关系

3.不同试验压差下压裂液滤饼对岩心渗透率影响

试验在60℃、挤入浓度为0.6%的羟丙基胍胶压裂液1.0 h的条件下研究了不同压差下压裂液滤饼及滤失液对岩心渗透性的伤害情况(见图2)。试验结果表明，随着试验压差增大，岩心除去滤饼后的滤失液伤害、滤饼单项伤害以及保留滤饼时的岩心总伤害率均同步增加。其原因是加大压裂液挤入压力后可同时产生压裂液滤失量速度加快、滤失量增加，滤失液侵入岩心内部距离远、在岩心端面所产生的滤饼致密性增强等多种不利影响，使得伤害程度严重。

图2 试验压力与岩心伤害率的关系

4.不同试验温度下压裂液滤饼对岩心渗透率影响

试验在4.5 MPa压差、挤入浓度为0.6%的羟丙基胍胶压裂液1.0 h的条件下研究了不同温度下压裂液滤饼及滤失液对岩心渗透性的伤害情况(见图3)。试验结果表明，随着试验温度升高，压裂液受热效应影响使得半乳甘露聚糖中的羟基与水分子结合力减弱，压裂液稠度降低，滤失量增加,使得各项因素引起的伤害率同步增加。经对试验结果进一步分析可知，温度变化所引起的岩心伤害率变化幅度低于试验压力变化的影响程度，并且温度升高对岩心内部造成的伤害率影响幅度较大，而对于滤饼影响幅度较小。一方面，温度升高使得液体滤失严重，滤饼质量增加；另一方面，在恒温过程中可因热效应使得滤饼中部分高分子聚合物发生降解，降低滤饼的影响程度。

5.不同试验时间下压裂液滤饼与岩心伤害率的关系

试验在4.5 MPa、60℃应用0.6%的羟丙基胍胶压裂液的条件下，研究了注入压裂液时间对岩心渗透性的伤害情况(见图4)。试验结果表明，随着试验时间增加，压裂液受挤压时间影响使得液体总滤失量、滤失液侵入深度、滤饼致密性等因素升高，各项伤害程度严重。

图3 试验温度与岩心伤害率的关系

图4 挤入压裂液时间与岩心伤害率的关系

6. 不同渗透率岩心与伤害率的关系

试验分别采用两组不同渗透性的岩心在4.5 MPa、60℃的条件下研究了0.6%羟丙基胍胶压裂液因滤饼及滤失液对岩心渗透性的伤害情况(见表2)。试验结果表明，对于渗透率较低的B组岩心其平均总伤害率和滤饼单项伤害率均低于渗透率较高的A组岩心，其原因是低渗层具有更好的控制流体滤失能力，岩心端面形成的滤饼单位质量较低，对岩心渗流通道的屏蔽效应较弱，而因滤失液侵入后造成的岩心内部伤害率两组岩心则基本相近。

表2 压裂液对不同渗透性岩心的伤害实验数据

注：Kg、K1、K2、K3分别为岩心气体渗透率、煤油原始渗透率、保留滤饼时伤害后煤油渗透率、去除滤饼伤害后煤油渗透率；η1、η2、η3分别为存在滤饼时岩心总伤害率、去除滤饼后滤失液对岩心内部伤害率、滤饼单项伤害率。

三、结论与认识

(1)压裂液滤饼特征参数与压裂液中羟丙基胍胶浓度、试验压力、温度、挤入时间有关。当上述试验条件值增加时，将引起压裂液滤饼参数发生明显的变化， 其滤饼质量、岩心壁面滤饼单位质量、滤饼中固体物含量均有不同程度的增加，使得岩心含有滤饼时的总伤害率和滤饼单项伤害率升高。

(2)在同一级别的岩心中，影响压裂液滤饼参数的最主要条件是压裂液中羟丙基胍胶浓度，而试验压力、温度和时间的变化影响程度则相对较低。

(3)当提高试验压力、温度、挤入时间时，可使得滤饼伤害程度与滤失液对岩心内部伤害程度加剧；而聚合物浓度的增加，仅使得滤饼伤害程度加剧，而滤失液对岩心内部伤害率降低。

(4)相同试验条件下渗透率较低的岩心具有更好的控制流体滤失能力，岩心端面形成的滤饼单位质量较低，对岩心渗流通道的屏蔽效应较弱，其平均总伤害率和滤饼单项伤害率均低于渗透率较高的岩心。

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