新型表活劑壓裂液的實驗特性及其在水鎖氣層中的應用

摘 要

摘要：水鎖傷害是低滲透氣層壓裂面臨的一個重要問題。首先從兩個方面對新型表活劑壓裂液展開了實驗研究：①進行了巖心傷害實驗，采用多次驅替方式發(fā)現(xiàn)，新型表活劑壓裂液在巖心孔隙
摘要：水鎖傷害是低滲透氣層壓裂面臨的一個重要問題。首先從兩個方面對新型表活劑壓裂液展開了實驗研究：①進行了巖心傷害實驗，采用多次驅替方式發(fā)現(xiàn)，新型表活劑壓裂液在巖心孔隙中72h還呈現(xiàn)自由狀態(tài)，能夠被驅動，隨著驅替次數(shù)增多，巖心滲透率傷害程度減少，而其他液體沒有這種現(xiàn)象；②進行了支撐裂縫導流傷害實驗，通過不同驅替方式發(fā)現(xiàn)，采用不同液體驅替的支撐裂縫導流能力相差不大，通過氮氣驅動后，新型表活劑壓裂液支撐裂縫導流能力有所增加，繼續(xù)通過CO2氣體驅動后，該組裂縫導流能力繼續(xù)增加，而胍膠類壓裂液導流能力基本沒有變化。通過實驗認為：新型表活劑壓裂液對巖石及裂縫的傷害可以改變，降低了對儲層的水鎖傷害，適合應用于易水鎖氣層壓裂施工?，F(xiàn)場試驗證明，該類壓裂液對低滲易水鎖氣層具有較好的壓裂增產改造效果。
關鍵詞：低滲透油氣田；儲集層；表面活性劑；壓裂液；滲透率；裂縫(巖石)；實驗；應用
    減少氣井壓裂儲層傷害是一項重要的研究課題，壓裂科技人員及現(xiàn)場工程師都做過相應的研究及應用工作，并取得一定的效果[1～3]。低滲氣層一般含水飽和度高、毛細管壓力高、水敏性強及孔喉細小、滲透性差、非均質嚴重、油氣流動阻力大、常伴有天然裂縫等特點，儲層一旦受到損害難以恢復。大量的研究表明[4～5]，水鎖傷害是一些低滲氣層主要的損害類型，傷害程度一般為70%～90%，尤其對于低壓低滲氣藏，水鎖損害更加嚴重。因此，降低壓裂液對氣層的傷害尤為重要[6～8]。中國石油大學針對氣層壓裂容易產生水敏、水鎖傷害的問題，在新型表活劑壓裂液的研制及應用方面取得很多有益的嘗試，并且取得了一些認識，為了更加深入地比較分析新型表活劑液體對巖石基質及裂縫的影響，利用現(xiàn)有儀器進行了實驗研究并取得了幾點認識；同時現(xiàn)場實踐也證明，該類液體在氣層壓裂增產方面有著較大優(yōu)勢。
1 壓裂液對巖石基質滲透率影響實驗
1.1 基質滲透率傷害計算公式
    實驗室常采用的壓裂液傷害率計算公式如下：
    D=[(Kw-Ka)/Kw]×100%
式中：D為壓裂液導致的滲透率傷害率；Kw為地層水初始滲透率，10-3μm2；Ka為傷害后地層水滲透率，10-3μm2。
1.2 壓裂液的配制
    參照當前現(xiàn)場使用的配方和優(yōu)選后的配方配制實驗用壓裂液(表1)。壓裂液配液用化學劑分別取自現(xiàn)場和生產廠家。
表1 壓裂液傷害實驗液體配制方法表
液體序號
壓裂液組成
低濃度凍膠
0.35%HPG+2%KCl+0.2%DL-8+0.3%EDTA+0.1%NaOH+0.35%BCL-81
表活劑壓裂液
3%D3F-AS05+6%KCl+0.3%EDTA+6%KOH
堿性隔離液
2%KCl+0.2%助排劑+0.3%EDTA+1%戊醇
活性水
2%KCl+0.2%助排劑
1.3 實驗操作步驟
    巖心滲透傷害實驗，通常驅替一遍確定D值為基質滲透率傷害值，這種操作結果并沒有考慮液體進入儲層后與儲層之間的相互影響關系，并不能代表巖心真實的壓裂液傷害。本次實驗考慮了現(xiàn)場壓裂液泵注特點及返排時間，在第一次驅替實驗基礎上，每隔24h，采用地層水進行了二次、三次驅替實驗，并記錄實驗結果。
1.4 實驗結果及分析
    實驗結果如表2所示。第一次測試結果為堿性隔離液的傷害程度最小，低濃度胍膠壓裂液傷害程度最大；隨著實驗的進行，其他3種液體的傷害率變化不大，而新型表活劑壓裂液的傷害率卻在不斷降低；第三次實驗結果為低濃度胍膠壓裂液傷害程度依然最大，表活劑壓裂液傷害程度降低，同堿性隔離液的傷害率基本相同。分析原因認為，由于儲層巖石都有一定的潤濕性，外來流體同巖石接觸會不同程度地引起硅石的潤濕性改變[9～10]，造成黏土礦物膨脹，部分液體殘余在巖石孔隙中產生水鎖，從而表現(xiàn)為巖心的滲透率降低，繼續(xù)進行排驅實驗，其傷害程度基本保持不變；而陰離子表活劑同高濃度無機鹽復配，同巖石接觸后，基本不會使其潤濕性發(fā)生改變[11]，在驅替作用下，其傷害程度逐漸減小，滯留巖心中的新型表活劑壓裂液能在孔隙及吼道中流動，不斷地被排出，表現(xiàn)為測試傷害率不斷降低，因此可以初步判斷，新型表活劑壓裂液對儲層傷害較小。
表2 壓裂液傷害實驗液體配制方法表
壓裂液類型
長度(m)
第一次(%)
第二次(%)
第三次(%)
低濃度壓裂液
6.08
37.5
37.7
37.3
表活劑壓裂液
6.12
31.1
21.6
16.7
活性水
6.03
18.8
19.2
19.2
堿性隔離液
6.09
15.4
15.5
15.4
2 壓裂液對裂縫滲透率的影響實驗
    壓裂液對裂縫滲透率的影響實驗[12～13]使用FCES-100裂縫導流儀。
2.1 實驗條件及方案
    實驗溫度60℃，采用20～40目陶粒支撐劑，鋪砂濃度5.0kg/m2，實驗閉合壓力為52MPa，設計兩組。第一步分別采用低濃度胍膠壓裂液、表活劑壓裂液為流體介質進行導流實驗，第二步采用氮氣為介質驅動實驗，第三步采用二氧化碳為介質驅動實驗。
2.2 實驗結果及分析
    將實驗結果繪制成圖1、2，、3。從圖中可以看出，無論采用哪種液體，裂縫導流能力開始下降較快，200h后逐漸接近平緩，兩種液體為介質的裂縫導流能力相差不大，胍膠壓裂液為介質的裂縫導流能力稍微低些。隨后進行氮氣驅動實驗，氮氣驅動胍膠壓裂液，開始其裂縫導流能力略有下降，但3min后基本保持不變。而氮氣驅動表活劑壓裂液時，裂縫導流能力開始略有下降，但是2min后導流能力開始上升，6min后超過初始值，15min的實驗時間，裂縫導流能力保持升高趨勢。分析原因，開始下降是由于氣體驅動黏性液體開始有阻力造成壓差較大，而含有表活劑壓裂液的支撐裂縫在驅通之后，新型壓裂液體能夠自由流動，縫端壓差逐漸減小，裂縫導流能力增大。第三步如圖1～3所示，繼續(xù)通入二氧化碳后，含有胍膠壓裂液的裂縫導流能力基本上不變，而含有新型表活劑壓裂液的支撐裂縫，其導流能力卻在4min之內增加而后保持不變，二氧化碳酸性氣體使殘存著支撐裂縫之間的表活劑壓裂液破膠，減少了裂縫的流動壓差。
 
3 現(xiàn)場應用
    壓裂氣層井段總跨度為2920～2934m，孔隙度平均為10.2%，基質滲透率平均為0.4 x 10-3μm2，含氣飽和度平均為52.3%，射孔井段為2927.0～2930.0m。2008年10月進行壓裂，壓裂液基本配方為：3.1%D3F-AS05+0.8%KOH+6.0%KCl+0.3%EDTA。壓裂基本參數(shù)：壓裂液201m3，支撐劑30m3，平均砂比27%，施工排量3.0m3/min，液氮用量8.8m3，破裂壓力49.9MPa，延伸壓力29.3MPa，停泵壓力18.9MPa。排液過程中，油壓19MPa，套壓20MPa，該井壓后自然返排率73%，壓后采用一點法求產，無阻流量20×104m3，獲得較高的產量，遠高于同區(qū)塊常規(guī)胍膠壓裂液的壓后產量。
4 結論與認識
    1) 基質滲透率傷害實驗表明，隨著驅替時間及次數(shù)增加，新型表活劑壓裂液對基質堵塞傷害會降低。
    2) 導流實驗顯示，氣驅會改變新型表活劑壓裂液的支撐導流能力，輸入酸性氣體能夠使表活劑液體有效降解，支撐裂縫的導流能力會有所提高。
    3) 現(xiàn)場證明，對于低壓、低滲透易水鎖氣層，采用新型表活劑壓裂液能較好地提高氣井壓后產量。
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(本文作者：牟善波 張士誠 付道明 孟慶民 孫侃 中國石油大學石油工程教育部重點實驗室)