自悬浮支撑剂覆膜材料对储层渗透率影响研究

陈 清，曹伟佳，田中原，卢祥国，闫 冬

现有压裂施工通常在异地站点配制压裂液，然后运输到施工井场，不仅产生配制和运输操作费用，而且也不利于应对压裂规模调整和突发事件给压裂液用量变化带来的影响[1⁃3]。自悬浮支撑剂可以实现井场在线配制和注入，不仅减去了压裂液配制和运输费用，而且便于施工规模调整，减少了施工材 料浪费风 险[4⁃6]。

与传统“携带液+支撑剂”体系相比较，自悬浮支撑剂还具有以下特点：

（1）依据目标油藏温度和注入水矿化度状况，通过调整自悬浮支撑剂颗粒外表覆膜材料类型和覆膜量 来满足施 工要求[7⁃8]。

（2）若自悬浮支撑剂在颗粒外表覆膜材料完全水化前通过注入泵，可以大幅度减小剪切作用对携带液黏度的影响，确保支撑剂从井筒到裂缝的长距离运 移[9⁃10]。

长期以来，自悬浮支撑剂制作技术为Fairmount Santrol公司所掌握，其制作工艺和配方组成少有文献报道。为了满足压裂施工需求，作者前期开展了新型自悬浮支撑剂制作工艺和配方组成研究，获得了中试产品。针对3种自悬浮支撑剂覆膜材料即“中分”聚合物、疏水缔合聚合物和胍胶，本文以华北油藏条件为模拟对象，开展了覆膜材料携带液滤失作用对岩心渗透率影响的实验研究和机理分析，为自悬浮支撑剂矿场应用技术决策提供依据。

1 实验条件

1.1 实验材料

覆膜材料包括大庆华龙祥化工科技有限公司生产的“中分”聚合物（细粉，有效质量分数90%），东北石油大学实验室自制的疏水缔合聚合物（细粉，有效质量分数90%），大庆油田井下作业公司提供的胍胶（细粉，有效质量分数90%）。胍胶交联剂为东北石油大学实验室自制，有效质量分数100%。破胶剂为过硫酸铵，市场购买。实验用水为目标油藏模拟水，水质分析见表1。

表1 水质分析Table 1 Water quality analysis mg/L

实验岩心为石英砂环氧树脂胶结人造柱状岩心，渗透率分别为 10×10-3、60×10-3、200×10-3μm2。行业实验标准中规定岩心长度3～4 cm。长度过短，岩心实验中注入速度达到临界流速之前，携带液已经发生突破，压力很难稳定。因此，本文采用传统规格岩心（长度9.8 cm）。

1.2 仪器设备和实验步骤

采用中华人民共和国石油天然气行业标准SY/T 6302-2009[12]进行携带液储层伤害评价实验。图1为驱替实验设备和流程。除平流泵和手摇泵外，其它设备置于80℃恒温箱内。

图1 驱替实验设备和流程示意Fig.1 Flow char t of displacement exper iment equipment

实验步骤：

（1）岩心抽真空饱和水，计算孔隙体积和孔隙度，据此筛选重复性较好的岩心。

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（2）伤害前渗透率K1测定：将岩心放入夹持器内，将模拟水反向注入岩心（从出口端到入口端）进行水测渗透率测定，排量分别为0.5、1.0、1.5 mL/min，直至压差稳定，稳定时间不少于30 min。

（3）伤害过程：将携带液滤液按照设计注入速度注入岩心，滤液开始流出时记录时间和累计滤失量，滤失时间3 min。滤失结束后，取出岩心并用滤纸轻轻擦拭掉端面残留滤液，岩心放回夹持器，关闭两端阀门，在油藏温度下放置2 h。

（4）伤害后渗透率K2测定：采用模拟水注入岩心，直至岩心注入压差稳定为止，计算携带液伤害后渗透率，岩心伤害率计算：

式中，ηd为伤害率，%；K1为岩心伤害前渗透率，μm2；K2为岩心伤害后渗透率，μm2。

1.3 方案设计

携带液滤液对储层渗透率的影响，即伤害主要来源于携带液在岩心孔隙内滞留而产生的附加渗流阻力，其大小与岩心渗透率、滤失量和滤失压差有关。1.3.1 恒速实验 方案1⁃1—1⁃3：“中分”聚合物质量浓度10 000 mg/L，过硫酸铵质量分数0.3%，破胶时间 1.0、2.5、5.0 h（完全破胶）；方案 2⁃1—2⁃3：疏水缔合聚合物质量浓度10 000 mg/L，过硫酸铵质量分数0.2%，破胶时间1、3、6 h（完全破胶）；方案3⁃1—3⁃3：胍胶携带液（胍胶 0.65%+ 交 联 剂0.6%），过硫酸铵质量分数0.3%，破胶时间1、2、4 h（完全破胶）。

1.3.2 恒压实验 方案4⁃1：“中分”聚合物质量浓度10 000 mg/L，过硫酸铵质量分数0.3%，破胶时间 5 h，滤失压差 1.9、3.5、4.2 MPa，岩心渗透率10×10-3μm2，滤失时间 1 min；方案 4⁃2：疏水缔合聚合物携带液质量浓度10 000 mg/L，过硫酸铵质量分数 0.2%，破胶时间 6 h，滤失压差 1.9、3.5、4.2 MPa，岩心渗透率 10×10-3μm2，滤失时间 1 min；方案4⁃3：胍胶携带液（胍胶0.65%+交联剂0.6%），过硫酸铵质量分数0.3%，破胶时间4 h，滤失压差1.9、3.5、4.2 MPa，岩心渗透率 10×10-3μm2，滤失时间 1 min。

2 结果分析

2.1 恒速实验

覆膜材料类型、破胶时间和渗透率对岩心伤害率影响结果见表2。

从表2可以看出，在携带液破胶时间相同条件下，随岩心渗透率增加，携带液滤失量增大，但伤害率减小。在岩心渗透率相同（近）条件下，随携带液破胶时间增加，携带液滤失量增大，但伤害率减小。由此可见，采用破胶剂可以大幅度减少携带液对储层伤害。与“中分”聚合物溶液相比较，疏水缔合聚合物溶液和胍胶溶液对岩心伤害率变化规律十分相似，但后者伤害率绝对值较大。

图2为携带液滤失和后续水驱过程中，注入压力（压差）与注入PV关系。

图2 注入压力与PV关系Fig.2 Relationship between injection pressure and PV

从图2可以看出，在注入速度一定条件下，随携带液注入量即滤失量增加，注入压力大幅度升高。随岩心渗透率增加，注入压力降低。在后续水驱阶段，随注入量增加，注入压力下降并最终趋于平稳。进一步分析可知，尽管3种携带液完全破胶以后黏度相差不大（低于10 mPa·s），但它们各自在岩心中滞留和产生附加渗流阻力，即伤害率却存在较大差异，其中疏水缔合聚合物溶液滞留能力最强，伤害率最大，其次是胍胶溶液，再次是“中分”聚合物溶液。机理分析认为，伤害率大小主要取决于携带液在岩心孔隙内滞留量多少和耐冲刷能力强弱。由此可见，3种携带液中疏水缔合聚合物在多孔介质内滞留作用较强，伤害程度较大。

2.2 恒压实验

覆膜材料类型和滤失压差对岩心伤害率影响实验数据见表3。从表3可以看出，在岩心渗透率和滤失时间相同条件下，随滤失压差增大，累计滤失量增加，伤害率增大。在3种携带液中，胍胶携带液滤失量较大，伤害率较高。

在携带液滤失和后续水驱过程中，注入压差与滤失量和伤害率关系见图3。从图3可以看出，随滤失压差增加，滤失量和伤害率逐渐增加；当压差达到3.5 MPa时，“中分”聚合物携带液和胍胶携带液滤失量均达到了5 mL以上，超过1 PV，表明滤失液体已经波及整个岩心孔隙，此时继续增加滤失压差，滤失量继续增加但伤害率增加幅度不大。与“中分”聚合物携带液和胍胶携带液相比较，疏水缔合聚合物破胶液在多孔介质内滞留量较多，产生的附加渗流阻力较大。

表3 恒压条件下伤害率测试Table 3 Results of reservoir damage rate at constant pressure

图3 滤失量和伤害率与滤失压差关系Fig.3 Relationship between the filtrate loss,reservoir damage r ate and the pressure differ ence

与“恒速实验”相比较，“恒压实验”滤失量相对较小，伤害率较大。机理分析表明，在“恒速实验”中，注入速度保持恒定，注入压力（压差）呈现逐渐升高态势。低压时携带液只能进入岩心大孔隙（渗流阻力较低），压力升高后开始进入中孔隙，最后进入小孔隙。

3 结 论

（1）在“恒速实验”条件下，岩心渗透率越大，滤失量越大，伤害率越小；破胶时间越长，滤失量越大，伤害率越小；破胶液对岩心渗透率、伤害率的影响与其黏度关系不大，主要取决于携带液破胶后在多孔介质内滞留量和耐冲刷能力。

（2）在“恒压实验”条件下，滤失压差越大，滤失量越大，伤害率呈现“先增加后趋于平稳”变化趋势。与“恒速实验”相比较，尽管“恒压实验”滤失量相对较小，但伤害率较大。

（3）伤害率大小关系：疏水缔合聚合物＞“中分”聚合物＞胍胶。