甘泉—下寺湾地区页岩气井压裂配液用水配伍性研究

2020-08-02南蓓蓓高志亮张淑侠

非常规油气 2020年2期

南蓓蓓，李辉，高志亮，吕雷，张淑侠.

(陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院，陕西西安 710061)

1 实验部分

1.1 实验材料与仪器

甘泉—下寺湾地区地表水和页岩气主力储层长7储层产出水；干燥箱，上海善志仪器设备有限公司；玻璃砂芯漏斗，上海科晓科学仪器设备有限公司；循环水式多用真空泵，上海吉众仪器有限公司；pH计，上海雷磁仪器厂；ICS-5000离子色谱，ICS5000型离子色谱仪(美国戴安公司)。

1.2 实验方法

1.2.1 水质分析

按照《油田水分析方法》(SY 5523—2006)，分别于甘泉—下寺湾地区雨岔水库和延长油田页岩气井采集压裂液配液用地表水和页岩气层地层产出水水样，并对两种水样的水质进行系统分析。

1.2.2 水样处理

从现场所采集的地层水中杂质较多，水质浑浊，透光性差，因此要先将地层水采用简单过滤的方法预处理2次，然后再将预处理过的水样用孔径为0.45 μm的微孔滤膜在玻璃砂芯漏斗上抽滤1次，紧接着用孔径为0.2 μm的微孔滤膜将前面处理过的水样再抽滤1次，直到水样达到无色澄清透明状态。

1.2.3 水质配伍性实验

将采集的地表水与处理之后的地层水按不同比例(10∶0、9∶1、8∶2、7∶3、6∶4、5∶5、4∶6、3∶7、2∶8、1∶9、0∶10)混合，然后分别转入500 mL的实验瓶，将实验瓶置于70 ℃(地层温度)的恒温烘箱中，放置48 h后用离子色谱对溶液进行离子成分分析。

2 结果与讨论

2.1 压裂液配液用地表水和页岩气层地层水水质分析

压裂液配液用地表水和页岩气层地层水进行水质分析的结果见表1。

表1 地表水和地层水组成性质Table 1 Composition and properties of surface water and formation water

2.2 配伍性实验研究结果

目前国内油气田水质的配伍性研究还没有形成统一的标准，行业内一般采用的是静态[10-12]和动态[13]两种实验评价方法。主要有浊度(透光率)分析法、垢物重量分析法、成垢离子分析法等3种方法[14]。

根据2.1的实验结果，本研究在成垢离子分析法分析的基础上，结合结垢趋势预测结果对压裂液配液用地表水和页岩气层地层水水质配伍性进行了研究。

表2 地表水与地层水含量变化率Table 2 Ca2+ and content change rate of surface water and formation water

图1 地表水与地层水混合后S2-O4含量变化 change after mixing surface water and formation water

图2 地表水与地层水混合后Ca2+含量变化Fig.2 Change of Ca2+ content after mixing surface water and formation water

2.3 结垢趋势预测

油田现场结垢类型主要有CaCO3和CaSO4两种。对这两种垢物的预测方法较多[15-19]，目前国内外CaCO3结垢趋势的预测方法主要有：①Langlier 饱和指数法；②Davis-Stiff 饱和指数法；③Tomson 饱和指数修正法；④Rynar 稳定指数法；⑤Larson 指数法；⑥Vetter 预测方法等[16,20-21]。其中，Davis-Stiff 饱和指数法因计算简便且容易操作而得到了大部分油气田的广泛应用。CaSO4结垢趋势预测主要采用热力学溶解度法[22]。本文采用饱和指数法对CaCO3结垢趋势进行了预测，采用热力学溶解度法对CaSO4结垢趋势进行了预测。

2.3.1 CaCO3结垢趋势预测

将压裂液配液用地表水与地层水以不同比例混合后在模拟地层温度70 ℃下放置48 h，采用ICS-5000离子色谱对其进行离子成分分析，根据离子分析结果，采用饱和指数法进行混合水样的CaCO3结垢趋势预测，结果如图3所示。

图3 地表水与地层水混合水样的SI值变化Fig.3 SI value change of surface water and formation water mixed samples

由图3可以看出，当压裂液配液用地表水∶页岩气层地层水=10∶0时，SI(稳定指数)=-1.87<0，表明压裂液配液用地表水本身无CaCO3结垢趋势；当压裂液配液用地表水∶页岩气层地层水=0∶10时，SI=1.36>0，表明本次取样的页岩气层地层水有CaCO3结垢趋势。压裂液配液用地表水和页岩气层地层水以不同比例混合后，随着页岩气层地层水比例的不断增大，混合后的水样结垢趋势也随之增加。在压裂液配液用地表水与页岩气层地层水比为10∶0～7∶3时，无CaCO3结垢趋势；当压裂液配液用地表水与页岩气层地层水比为6∶4时出现CaCO3结垢趋势，SI>0，显示有CaCO3垢产生；当页岩气层地层水在混合水中的比重不断提高时，结垢趋势也在逐渐增加。

2.3.2 CaSO4结垢趋势预测

对于CaSO4垢，由于产生的晶体类型多，如CaSO4·2H2O、CaSO4·1/2H2O及CaSO4，而且过程也比较复杂，因此预测CaSO4结垢趋势难度较大。1969年，Skillman等人[23]考虑了热力学和溶解平衡原理，提出了热力学溶解度法来预测油气田水中的硫酸盐溶解度，该方法的预测结果与现场的试验结果较为吻合。其具体预测方法为：

(1)

式中S——CaSO4结垢趋势的预测值，mmol/L；

K——修正系数，由离子强度和温度关系得；

将压裂液配液用地表水和页岩气层地层水进行CaSO4结垢趋势预测，结果见表3。

表3 CaSO4结垢趋势预测Table 3 Prediction of CaSO4 scaling trend

由上述分析可得，地表水与地层水均无CaSO4结垢趋势，无CaSO4产生。

3 外来流体与地层流体不配伍造成的地层伤害和防治方法

3.1 外来流体与地层流体不配伍造成的地层伤害

由于页岩气储层致密，孔喉半径非常小，在压裂施工过程中容易对储层造成伤害。由本文的研究分析可知，用作配制压裂液的地表水作为外来流体与地层流体——页岩气层地层水混合后在储层中容易形成CaCO3晶体并附着在压裂裂缝表面，从而堵塞地层孔隙和喉道，造成地层的孔隙度和渗透率大幅度降低，对储层造成极大的伤害，而且难以采取酸化解堵的处理措施，最终导致页岩气井产量大大降低。