临兴致密气压裂液全过程渗吸伤害规律

梅 宸， 李紫晗, 承 宁, 陈 进, 许冬进*, 王智民

(1.非常规湖北省协同创新中心 / 长江大学石油工程学院， 武汉 430100； 2.中海油研究总院有限责任公司， 北京 100028；3.中石油新疆油田分公司工程技术研究， 克拉玛依 834000； 4.浙江长虹飞狮电器工业有限公司， 嘉兴 314000)

随着我国近年来对致密砂岩气储层认识的不断深化，伴随着压裂技术的不断进步，国内逐渐形成了以水平井体积压裂为主的大规模储层改造压裂技术[1-3]。由于致密气储层非均质性强、孔隙半径小、毛管力现象明显的特点，导致压裂后大量压裂液滞留在储层中，与储层内的流体和黏土矿物发生物理化学反应，给储层带来各种伤害，在致密气压后开井返排时液相占据气相渗流通道，使得压裂液返排率普遍偏低。压裂液渗吸伤害导致储层渗透率显著降低，不仅影响了单井改造的效果，也直接影响着油气藏的整体开发水平。因此对于压裂液渗吸伤害规律的研究具有重要意义[4-7]。

刘易非等[8]进行室内实验，研究表明不同体系压裂液滤液均会对储层造成伤害，且并非单一的近井地带伤害，而是直接影响着储层的整体开发效果。樊欣欣等[9]进行岩心压裂液返排室内实验，表明应减少压裂液入侵量，降低返排启动压力，实现快速返排以降低储层伤害。Makhanov等[10]进行蒸馏水和盐水渗吸实验，解释了测井数据并分析了润湿性、渗透率及矿物组分等对渗吸作用的影响规律。王兴文等[11]进行致密油气藏压裂液的返排机理研究，明确返排压差对压裂液返排效果的影响规律，提出压裂液的高效返排可提高压裂效果。屈亚光等[12]对页岩储层压裂液渗吸及返排机理进行研究，得到储层岩石含水饱和度、毛管压力、流体物性、润湿性等因素对压裂液渗吸与返排的影响规律。 Yao等[13]对页岩油藏自发渗吸和加压渗吸进行研究，并用核磁共振技术表征了不同渗吸方式下页岩油藏的生产效率。

对已有研究成果分析发现，相关研究普遍只针对压裂液进入储层造成渗吸伤害或压后返排时伤害解除两者之一，并未对从压裂开始到压后返排这一完整过程中压裂液渗吸对储层造成的伤害进行系统的研究。基于此，现采用质量法进行室内渗吸实验，研究裂缝壁面储层单元与压裂液之间的渗吸作用，考察渗吸液相、压裂液黏度、岩心渗透率以及压后焖井时间对渗吸伤害的影响规律，实验模拟压裂液从进入储层到压后返排这一完整压裂液渗吸伤害过程，对前期的压裂液渗吸伤害及后期压裂液返排的伤害解除进行综合的压裂液渗吸伤害研究。并基于灰色关联法分析得到各因素对渗吸伤害的影响程度排序，研究结果对现场压裂生产中优选压裂液体系，以及压后焖井时间的控制具有一定指导作用。

1 实验设计

1.1 实验方法及原理

利用质量法进行室内模拟压裂液渗吸伤害实验，通过测定各实验组岩心在一定延伸压力下与压裂液渗吸作用时岩心的质量和渗透率的变化，以及使用高压氮气反向气驱模拟返排过程测得压裂液返排率，评价不同因素影响下压裂液渗吸对低渗致密气岩心的伤害规律并提出降低压裂液伤害的有效措施。压裂液与致密气储层渗吸作用如图1所示。

图1 压裂液与致密气储层渗吸作用示意图

1.2 实验仪器及材料

1.2.1 实验仪器

主要实验仪器：TY-2C岩心夹持器、高精度电子天平、精密压力表、环压加压泵、UQT-1多功能裂缝网格导流能力测试装置、UPUMP-100D恒压恒速泵、中间容器、皂膜流量计、高压氮气气瓶。

1.2.2 实验材料

(1)人造岩心。黄波等[14]通过测试对比天然岩心与人造岩心的压裂液伤害程度，发现两种岩心的压裂液评价结果误差在5%以内，且人造岩心内部结构基本相同，渗透率范围也较易控制，可避免岩心内部孔隙结构差异以及渗透率轻微差异对伤害率的影响，因此，可用人造岩心代替天然岩心进行压裂液渗吸伤害规律实验研究。

本实验选用八块与临兴致密气区块储层物性相似，且为同一厂家、同一批次生产的人造岩心进行压裂液渗吸伤害影响因素实验研究，岩心的基本参数及图示如表1所示。

表1 人工岩心基本参数表

(2)压裂液与地层水。根据临兴致密气区块现场压裂开采所用压裂液体系[15]的成分，结合不同交联剂配置实验所用不同黏度的压裂液破胶滤液。

通过对临兴致密气区块储层中的地层水进行采样分析和计算得到其化学组分，如表2所示。按照表中组分配置实验所用地层水，以模拟临兴区块地层水的实际情况。

表2 临兴区块地层水组分表

1.3 实验条件

根据临兴致密气区块储层性质及现场压裂资料，储层温度为40 ℃，压裂施工时延伸压力约为5 MPa，设计在不同的渗吸液相、不同压裂液黏度、不同岩心渗透率以及不同渗吸时间下的各组实验条件，如表3所示。

表3 各组不同实验条件设计表

1.4 实验步骤

压裂液对岩心渗透率的伤害评价采用SY/T5107—2016《水基压裂液性能评价方法》[16]，实验测得的岩心渗透率均按式(1)计算：

(1)

式(1)中：K为岩心渗透率，μm2；Q为流量，cm3/s；μ为流动介质的黏度，mPa·s；L为岩心轴向长度，cm；Δp为岩心进出口压差，MPa；A为岩心横截面积，cm2。

基质渗透率损害率按式(2)计算：

(2)

式(2)中：ηd为渗透率损害率，%；K1为岩心挤压裂液滤液前的基质渗透率，μm2；K2为岩心挤压裂液滤液损害后的渗透率，μm2。

基于张琰[17]和熊湘华[18]的在渗透率伤害的研究中采用的实验方法，制定实验步骤如下：①测定岩心初始质量m0和初始渗透率K0；②将对应液相加入中间容器，输出压力设置为5 MPa，开始渗吸实验；③实验进行至中间时刻，称量岩心质量m1后继续渗吸实验，渗吸结束后测得岩心质量m2和渗透率K1，计算此时岩心伤害率I1；④在岩心夹持器中反向装入岩心，用干燥氮气正向气驱，由0 MPa开始缓慢增加气驱压力，直至有气体排出，此时输出压力即为岩心启动压力；⑤气体排出流速达到稳定时，测量此时岩心质量m3和渗透率K2；⑥重复步骤，用1 MPa、2 MPa、3 MPa、…、9 MPa的压力正向气驱，测得岩心质量分别为m4、m5、m6、…、m19，渗透率分别为K3、K4、K5、…、K18，则可计算得到不同压力下岩心的伤害率和返排率。

2 影响因素分析

2.1 不同渗吸液相对渗吸伤害的影响

储层伤害的渗吸液相不仅有压裂施工中注入地层的压裂液，还有储层中所含地层水。在油气藏降压生产时，储层中的地层水会产生“盐析”，该现象的产生往往伴随着储层伤害。选取L1和L2号岩心在40 ℃，恒压5 MPa的条件下分别使用压裂液和地层水进行渗吸实验，L1渗吸222 min，L2渗吸43 min后出液，待出液稳定后停止渗吸，比较压裂液与地层水对于储层的伤害情况。

由图2可知，压裂液对岩心的伤害程度较地层水大。因压裂液黏度较地层水大，其中含有更多固相颗粒与高分子胶质物，不仅造成气相渗流通道堵塞，也在岩心端面形成滤饼，使岩心渗透率大幅度降低；而地层水是由阴阳离子、微生物和微量有机质组成，不含高分子胶质物和固体颗粒，其盐析作用对岩心的伤害率小于压裂液对岩心的渗吸伤害率。由图3可知，使用压裂液的实验组岩心返排率较低，因黏度较高的压裂液在岩心中的流动阻力较大，返排时不易被驱出。

图2 不同渗吸液相下岩心伤害率与压力关系图

图3 不同渗吸液相下岩心返排率与压力关系图

2.2 不同压裂液黏度对渗吸伤害的影响

选取L1、L3、L4号岩心在40 ℃恒压5 MPa的条件下分别使用不同黏度的压裂液(2.0、3.4、4.6 mPa·s)渗吸222 min，探究压裂液黏度对于储层伤害的影响规律。

由图4可知，黏度越高的压裂液对岩心的伤害率越高。因黏度越大的压裂液中高分子胶质物含量越高，则更易在岩心孔隙中滞留，堵塞气相渗流通道，也更易在岩心端面形成滤饼，从而降低岩心渗透率，造成岩心伤害。由图5可知，压裂液黏度较大的实验组返排率较低，因黏度较高的压裂液在岩心中的流动阻力较大，返排时不易被驱出。

图4 不同压裂液黏度下岩心伤害率与压力关系图

图5 不同压裂液黏度下岩心返排率与压力关系图

2.3 不同岩心渗透率对渗吸伤害的影响

选取L1、L5、L6号岩心在40 ℃恒压5 MPa的条件下渗吸，L1号岩心渗吸222 min，L5号岩心渗吸36 min后出液，L6号岩心渗吸25 min后出液，待出液稳定后停止渗吸，分析岩心渗透率对于储层伤害的影响规律。

由图6可知，渗透率越大的岩心在渗吸过程中的伤害率越小。因渗透率大的岩心中小孔径较少，则毛管力较小，在渗吸作用下进入岩心的压裂液滞留率低，返排率高，所以较渗透率小的岩心伤害率低。由图7可知，岩心渗透率较大的实验组岩心返排率要大得多，因渗透率较大的岩心中大孔径比例较高，压裂液流动阻力较小，所以返排率高；而渗透率较小的岩心中小孔径比例较高，压裂液因毛管力作用而被滞留在小孔隙中，返排时不易被驱出。

图6 不同岩心渗透率下岩心伤害率与压力关系图

图7 不同岩心渗透率下岩心返排率与压力关系图

2.4 不同渗吸时间对渗吸伤害的影响

选取L1、L7、L8号岩心在40 ℃恒压5 MPa的条件下使用黏度为2.0 mPa·s压裂液分别渗吸222、110、74 min，探究渗吸时间对于储层伤害的影响规律。

由图8可知，压裂液渗吸时间越长岩心伤害率越高。因为在渗吸量未达到饱和前，渗吸时间越长，压裂液入侵量越多，深度越深，则对岩心的伤害率越高。由图9可知，渗吸时间较短的实验组岩心返排率较高，因其入侵量较少，且进入深度较浅，压裂液易被驱出。

图8 不同渗吸时间下岩心伤害率与压力关系图

图9 不同渗吸时间下岩心返排率与压力关系图

3 影响程度评价

3.1 灰色关联法原理

灰色关联度[19-20]是对事物或系统因素间描述其关系强弱、大小和次序的一种度量方法[21]。灰色关联法的基本步骤[22]如下。

3.1.1 确定分析数列

以岩心损害率为参考序列，如式(3)所示：

X0={X0(k)|k=1,2,…,n}

(3)

以压裂液黏度、岩心渗透率以及压裂液渗吸时间三个因素为比较数列，如式(4)所示：

Xi={Xi(k)|k=1,2,…,n}，i=1,2,…,m

(4)

式中：n为所选时间段内的时间点数；m为影响因素个数(此时为3)。

3.1.2 初始序列的无量纲化

由于序列中各参数具有不同的物理意义，导致序列的量纲和数量级不同，则需要进行正向化和无量纲化，以保证序列的等级性和等权性。对于数值较大指标，采用式(5)进行标准化：

(5)

对于数值较小的指标，采用式(6)进行标准化：

(6)

式中：i=1,2,…,m;k=1,2,…,n。

3.1.3 计算关联系数

X0与Xi在第k点的关联系数为

(7)

Xi(k)与对应的X0(k)的关联系数：

ξi={ξi(k)|k=1,2,…,n}

(8)

3.1.4 计算关联度

(9)

3.2 基于灰色关联法的影响程度分析

在实际压裂生产中，压裂液作为储层中唯一的外来流体，无须探讨不同渗吸液相对储层伤害的影响程度。根据上述实验结果，结合灰色关联法计算出压裂液黏度、岩心渗透率以及压裂液渗吸时间的关联度分别为0.87、0.67、0.71，如图10所示。此数值越大代表该因素与渗吸伤害程度的关联性越大，反之关联性越小。按关联度的大小对三个因素进行排序，得出它们的相关关联序：压裂液黏度>压裂液渗吸时间>岩心渗透率。说明压裂液黏度对于储层的渗吸伤害率最大，压裂液黏度越大，其在储层中的流动阻力越大，就越容易滞留在孔隙中，降低储层渗透率，对储层造成伤害；其次是渗吸时间，渗吸时间越长，在未达到饱和渗吸量之前，储层中进入的压裂液就越多，也就越不易返排，从而滞留对储层造成伤害；岩心渗透率对储层渗吸伤害程度相对较小。

图10 渗吸伤害影响因素灰色关联度对比

由于现场压裂施工通常是在某一储层层位进行的，而同一层位的储层渗透率基本相同，因此只考虑压裂液黏度和压后焖井时间两种因素的改进措施即可。建议油田在实际压裂生产中，优先考虑压裂液黏度对渗吸伤害的影响，选择合适的压裂液配方。在此基础上制定适合该储层的“快速返排”生产制度，尽可能地减少压裂液与储层的接触时间，以最大程度降低渗吸伤害。

4 结论

对于压裂液渗吸对储层的伤害研究，采用室内渗吸模拟实验，进行了4种因素对于储层的损害率规律研究，并对其中3种因素采用灰色关联分析法进行影响程度大小排序，主要得到以下结论。

(1)压裂液渗吸对储层的伤害率与压裂液黏度和压后焖井时间呈正相关关系，与岩心渗透率呈负相关关系；压裂液渗吸对储层的伤害率较地层水大。

(2)压裂液返排率与岩心渗透率呈正相关关系，与压裂液黏度及压后焖井时间呈负相关关系；压裂液渗吸后的返排率低于地层水渗吸后的返排率。

(3)基于灰色关联分析法得到三种因素对储层渗吸伤害程度大小排序为：压裂液黏度>压后焖井时间>岩心渗透率，由此建议油田在实际压裂生产中优先考虑压裂液黏度对储层的伤害，选择合适的压裂液体系，尤其是破胶剂的选择，并制定合理的快速返排制度，以降低压裂液对储层的伤害。