加重液在高溫高壓氣藏增產(chǎn)作業(yè)中的鹽析傷害及預(yù)防措施

摘 要

摘 要 對(duì)高溫高壓氣藏使用加重壓裂技術(shù)存在潛在的儲(chǔ)層鹽析傷害，降低和防止加重液鹽析傷害對(duì)提高該類氣藏的儲(chǔ)層改造增產(chǎn)效果意義重大。為此，采用加重液壓后返排過(guò)程中鹽濃
    摘 要 對(duì)高溫高壓氣藏使用加重壓裂技術(shù)存在潛在的儲(chǔ)層鹽析傷害，降低和防止加重液鹽析傷害對(duì)提高該類氣藏的儲(chǔ)層改造增產(chǎn)效果意義重大。為此，采用加重液壓后返排過(guò)程中鹽濃聚變化模擬、現(xiàn)場(chǎng)返排液分析和巖心流動(dòng)試驗(yàn)，對(duì)高溫高壓氣藏增產(chǎn)作業(yè)中加重液鹽析及其傷害進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：①加重液在高溫高壓氣藏增產(chǎn)壓裂后返排中存在鹽濃聚及其導(dǎo)致的鹽析傷害現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)將影響氣井增產(chǎn)效果；②產(chǎn)生鹽析的主要原因包括加重劑類型及其加量、地層返排溫度、壓力以及返排速度；③鹽析主要發(fā)生在壓裂縫壁附近和近井裂縫附近；④加重壓裂液與普通壓裂液交替注入可有效防止和降低鹽析產(chǎn)生，采用活性水裂縫閉合清洗可有效解除地層鹽析傷害。
    關(guān)鍵詞 高溫高壓 氣藏溫度 壓力 增產(chǎn)作業(yè) 加重液鹽析 地層傷害 預(yù)防措施
 
隨著油氣勘探開發(fā)不斷向縱深方向發(fā)展，國(guó)內(nèi)相斷發(fā)現(xiàn)了許多高溫高壓氣藏和凝析氣藏，井深大多介于5000～7000m，地層溫度介于130～160℃。對(duì)于深井、超深井儲(chǔ)層改造，常規(guī)壓裂技術(shù)受地面設(shè)備和施工壓力過(guò)高限制，難于壓開地層。為解決上述難題，常采用加重壓裂技術(shù)，即利用加大施工液體密度，增加井筒液柱壓力來(lái)降低地面施工壓力口[1]。加重壓裂技術(shù)雖然解決了壓開氣層所面臨的技術(shù)難題，但忽視了加重液在壓裂后返排過(guò)程中存在的鹽析及其對(duì)氣層的傷害，鹽析傷害嚴(yán)重時(shí)將影響氣層改造增產(chǎn)效果。
鹽析是氣層在開發(fā)過(guò)程中由于壓力下降變化而引起地層水或外來(lái)液體蒸發(fā)，使地層水含量減少，增加了地層水的鹽度，當(dāng)?shù)貙託堄嗨}度超過(guò)其臨界溶解度時(shí)產(chǎn)生鹽結(jié)晶析出的現(xiàn)象。鹽結(jié)晶顆粒將占據(jù)儲(chǔ)層部分孔隙空間，縮小儲(chǔ)層有效孔喉半徑，引起儲(chǔ)層滲透率降低，使油氣產(chǎn)量下降。近年來(lái)，鹽析現(xiàn)象在高溫油氣藏開發(fā)過(guò)程中已開始引起重視[2]，但對(duì)于高溫高壓氣藏增產(chǎn)作業(yè)中所用加重液鹽析現(xiàn)象及其產(chǎn)生的地層傷害則尚未予以重視。在儲(chǔ)層增產(chǎn)中，施工液流人流出對(duì)地層溫度和壓力變化造成較大的影響，尤其是高鹽度的液體進(jìn)入地層后，除與地層和地層流體接觸產(chǎn)生各種反應(yīng)外，在施工后排液過(guò)程中受地層壓力和溫度變化，往往在裂縫壁面附近和近井地帶產(chǎn)生鹽析，影響儲(chǔ)層改造增產(chǎn)效果。
1鹽析過(guò)程及其傷害
1.1增產(chǎn)作業(yè)中使用的加重劑
    根據(jù)施工儲(chǔ)層的壓力系數(shù)和目前地面壓裂設(shè)備，決定施工液體加重液選擇，其密度主要由高密度無(wú)機(jī)鹽加重劑溶液進(jìn)行調(diào)節(jié)。其中壓裂液加重劑主要選擇有KCl、NaCl、KBr、NaBr、NaNO3等易溶的鉀鹽和鈉鹽類；酸液加重劑大多選用CaCl2、CaBr2等易溶的鈣鹽，主要是Ca2+與酸巖反應(yīng)的Ca2+產(chǎn)生同離子效應(yīng)，有利降低酸巖反應(yīng)速率。除考慮加重劑液體溶解度和密度外，同時(shí)還考慮加重劑與壓裂液和酸液配伍性以及使用過(guò)程中的安全性等因素。
1.2 高溫高壓氣井壓后排液過(guò)程及鹽濃聚模型
    在高壓下加重壓裂液和加重酸進(jìn)入壓開的地層裂縫，并沿裂縫面向地層濾失，并經(jīng)過(guò)地層逐漸加溫，當(dāng)施工結(jié)束時(shí)最先進(jìn)入地層的液體已接近地層溫度。施工結(jié)束后隨著開井返排，地層的濾液開始流入裂縫再逐步流向井筒返排出地面。

    排液過(guò)程分為返排初期、中期和后期3個(gè)階段。在各階段根據(jù)濾液相態(tài)及流動(dòng)特征分為濾液蒸發(fā)區(qū)、過(guò)渡區(qū)和濾液連續(xù)相流動(dòng)區(qū)。將返排液體沿裂縫流動(dòng)方向劃分為若干相同距離的網(wǎng)格單元(圖1)，并假設(shè)各單元滲透率和孔隙度相同，按各階段排液特征對(duì)返排過(guò)程中液體流動(dòng)和鹽濃度變化進(jìn)行分析。
1.2.1 返排初期
    在返排初期，存在著濾液前緣初始蒸發(fā)區(qū)、過(guò)渡區(qū)和液相連續(xù)流動(dòng)區(qū)。在濾液進(jìn)入地層最前緣區(qū)主要存在氣一液混合相，即濾液與地層天然氣流體組成的水一烴多組分混合體系，其余濾失區(qū)充滿高鹽度的加重液濾液。受地層加溫作用，前緣區(qū)濾液溫度非常接近地層溫度，其溫度介于120～140℃。當(dāng)開井返排時(shí)因壓力劇集下降，此時(shí)前緣區(qū)氣一液混合相將發(fā)生變化，部分濾液中液相蒸發(fā)成水蒸氣[2-3]，并以氣一液體混合相向裂縫流動(dòng)，使前緣區(qū)液相逐步減少，殘留液體的鹽度增加，并向相鄰單元擴(kuò)散和傳輸[4-7]，從而增加與此接觸過(guò)渡區(qū)液體的鹽度，其余區(qū)域?yàn)V液仍為連續(xù)液相向裂縫流動(dòng)。
1.2.1.1 蒸發(fā)區(qū)

1.2.1.2 過(guò)渡區(qū)
    在過(guò)渡區(qū)除存在蒸發(fā)區(qū)輸送的天然氣、水蒸氣外，同時(shí)存在大量的外來(lái)高鹽度的濾液，是液體鹽濃聚與傳遞主要區(qū)域。假設(shè)地層流入、流出單元孔隙和滲透率相同，根據(jù)流入流出物質(zhì)平衡，則鹽度濃聚方程為：
 

 

1.2.2 返排中期
    蒸發(fā)區(qū)域逐步擴(kuò)大，液體流動(dòng)區(qū)逐步縮小。蒸發(fā)區(qū)液體逐漸蒸發(fā)，含水飽和度逐漸下降，液體鹽度也逐漸增加。當(dāng)?shù)貙咏档揭欢柡投葧r(shí)，增加了地層氣體有效滲透率，當(dāng)蒸發(fā)區(qū)液體不再形成連續(xù)流動(dòng)時(shí)，單元間鹽度擴(kuò)散減弱，地層滯留液體鹽度直接受地層蒸發(fā)后含水飽和度的變化影響。
1.2.3 返排后期
    濾液區(qū)全部為蒸發(fā)區(qū)，此時(shí)液體以就地蒸發(fā)作用為主，液體減少而鹽濃聚加劇。
1.3 加重液體鹽析模擬及對(duì)地層傷害
1.3.1 返排過(guò)程中鹽濃聚及鹽析模擬

    根據(jù)上述分析，返排過(guò)程中鹽度變化分別按各網(wǎng)格單元經(jīng)過(guò)初始蒸發(fā)區(qū)、過(guò)渡區(qū)、后期液相蒸發(fā)區(qū)，最后至液體返排到地層束縛水飽和度時(shí)的鹽濃度。
    采用以上模擬原則，以KCl、NaN03加重液為例，分析加重液在高溫高壓氣藏增產(chǎn)過(guò)程中鹽析過(guò)程。圖2是KCl、NaN03模擬鹽濃聚變化和鹽析結(jié)果圖。從圖可看出，即使地面使用加重液鹽度遠(yuǎn)低于該溶液的臨界飽和溶解度，但在高溫地層返排過(guò)程中加重液經(jīng)過(guò)逐漸濃聚后極易產(chǎn)生鹽析。如采用70g/L的KCl鹽水和250g/L的NaN03鹽水，20℃時(shí)其臨界飽和溶解度分別為254.8g/L和467g/L，但在高溫地層返排過(guò)程中經(jīng)過(guò)逐漸濃聚后，在距裂縫壁附近液體鹽度可高達(dá)620g/L和2000g/L以上，超過(guò)溫度110℃時(shí)兩者的臨界飽和鹽度(其臨界飽和鹽度分別為600g/L和1940g/L)，部分鹽將從溶液中結(jié)晶析出，即產(chǎn)生鹽析現(xiàn)象。該濃度低于130℃時(shí)兩者的臨界飽和溶解度，因此當(dāng)返排溫度為130℃時(shí)，溶液無(wú)鹽析現(xiàn)象屬于穩(wěn)定狀態(tài)。
    從地層返排過(guò)程鹽濃度變化規(guī)律看，鹽濃度是逐步向裂縫壁方向濃聚增加過(guò)程。鹽析主要受地層壓力和地層溫度變化影響。在相同溫度下壓力越低蒸發(fā)速度越快，越易產(chǎn)生鹽析現(xiàn)象。在裂縫和井徑附近，地層壓力下降變化幅度較快，因此鹽析主要分布在裂縫壁附近和近井裂縫地帶。
    從模擬結(jié)果分析得出，目前使用的高鹽度壓裂酸化加重液在高溫氣藏增產(chǎn)過(guò)程中均存在不同程度的鹽析現(xiàn)象。因此設(shè)計(jì)加重液密度時(shí)，不僅參考加重劑在地面溶解度及其加量，同時(shí)應(yīng)考慮加重液在地層高溫條件下濃聚變化，根據(jù)地層條件合理設(shè)計(jì)加重液密度，以到達(dá)既增加井筒液柱壓力壓開地層，同時(shí)又適當(dāng)減少加重液產(chǎn)生的鹽析傷害的目的。
1.3.2 加重壓裂液現(xiàn)場(chǎng)“鹽析”實(shí)例

    鹽析將造成液體部分鹽分丟失，使其密度下降。在現(xiàn)場(chǎng)可通過(guò)檢測(cè)和分析地層返排出液體密度變化分析判斷是否存在“鹽析”現(xiàn)象。
    以某高溫高壓氣井使用加重壓裂液施工為例，該井氣層井深5300m，地層溫度145℃。采用40%加重劑加重瓜膠壓裂液，其密度達(dá)1.32g/cm3。在最大泵壓88 MPa下注入地層總液量632.5m3和陶粒42.8m3。該氣井壓裂后獲得高產(chǎn)氣流，增產(chǎn)效果顯著。但現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)壓裂后返排出地面液體性能表明，壓后液體破膠較徹底，返排液體黏度在3mPa·s。左右，但返排液體密度比壓裂前液體密度低0.1～0.2g/cm3，且隨返排時(shí)間增加返排出的液體密度逐漸下降(圖3)。表明該井在儲(chǔ)層增產(chǎn)作業(yè)過(guò)程中已產(chǎn)生了部分鹽析造成鹽分丟失，使得壓后返排液體密度下降。在該地區(qū)采用相同加重壓裂工藝改造的氣井普遍存在類似現(xiàn)象。
現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例與室內(nèi)鹽析模擬結(jié)果一致，說(shuō)明加重壓裂液高溫高壓氣層增產(chǎn)作業(yè)過(guò)程中極易產(chǎn)生鹽析，當(dāng)鹽析現(xiàn)象嚴(yán)重時(shí)將影響氣層增產(chǎn)效果。
1.3.3 巖心鹽析傷害實(shí)驗(yàn)
    據(jù)研究[8-10]，氣井在生產(chǎn)過(guò)程中初始鹽析壓力在15～10 MPa，隨著壓力下降鹽析將加劇。鹽析顆粒將使儲(chǔ)層有效孔喉半徑縮小，甚至堵塞孔喉，造成新的地層傷害。
    針對(duì)加重壓裂液在增產(chǎn)過(guò)程中的鹽析傷害，采用砂巖儲(chǔ)層巖心，進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)鹽水與加重劑鹽水的鹽析傷害對(duì)比實(shí)驗(yàn)。
    實(shí)驗(yàn)程序如下：①測(cè)定巖心氣體滲透率；②抽空飽和密度為1.05g/cm3的標(biāo)準(zhǔn)鹽水；③在溫度120℃和壓差0.10 MPa下氣驅(qū)1h；④室溫下稱重，測(cè)氣體滲透率K。；⑤重新抽空飽和密度1.30g/cm3的加重鹽水；⑥在120℃和壓差0.10 MPa下氣驅(qū)1h；⑦室溫下稱重，測(cè)氣體滲透率K2。 
    實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示，從表1中可以看出：標(biāo)準(zhǔn)鹽水傷害率介于35.7%～59.1%，加重液傷害率介于53.4%～80.2%。與標(biāo)準(zhǔn)鹽水相比，因加重液產(chǎn)生的鹽析使巖心重量增加1.15%～1.74%，巖心傷害率增加了26.3%～33.2%，可見加重液產(chǎn)生的鹽析將對(duì)地層造成新的傷害。  
高溫高壓氣藏增產(chǎn)過(guò)程中現(xiàn)場(chǎng)加重液易產(chǎn)生鹽析現(xiàn)象，鹽析造成的地層傷害往往會(huì)被忽視。由于鹽析主要在裂縫壁及井徑附近，當(dāng)產(chǎn)生的鹽析傷害嚴(yán)重時(shí)將影響增產(chǎn)效果。因此防止和減少高溫高壓氣井增產(chǎn)作業(yè)過(guò)程中鹽析傷害，是目前高溫高壓氣井加重壓裂增產(chǎn)作業(yè)所面臨新的技術(shù)難題。
2 降低和防止加重液鹽析傷害的措施
2.1 合理設(shè)計(jì)加重液密度
    在保障壓開地層和施工作業(yè)安全前提下，合理設(shè)計(jì)加重液密度及其加重劑使用量，以此有效減少和控制地層鹽析傷害，到達(dá)提高增產(chǎn)效果的目的。
2.2交替使用高密度加重液和常規(guī)密度低摩阻工作液?？捎行Х乐购蜏p少鹽析傷害
    對(duì)于高溫深井必要采用加重壓裂液作業(yè)時(shí)，應(yīng)先使用加重壓裂液壓開地層后交替使用加重壓裂液和低摩阻常規(guī)壓裂液，到達(dá)高鹽度和低鹽度鹽液體之間稀釋作用，以此來(lái)減少產(chǎn)生鹽析風(fēng)險(xiǎn)。
    對(duì)于高溫高壓氣井使用加重酸酸化時(shí)，同樣應(yīng)考慮采用加重酸與低摩阻活性水或酸交替注人工藝。采用活性水有利于：①降低和稀釋進(jìn)入地層液體鹽度，減少鹽析發(fā)生的可能性；②降低地層溫度，減緩酸巖反應(yīng)速率；③沖洗前期酸巖反應(yīng)酸不溶物，避免殘余酸不溶物劇集、堵塞酸蝕通道，有利后續(xù)注入和返排，提高酸蝕導(dǎo)流能力和地層滲流能力。
2.3 優(yōu)化完善井身結(jié)構(gòu)，加速現(xiàn)有壓裂設(shè)備引進(jìn)改造
    優(yōu)化和完善井身管柱結(jié)構(gòu)，減少施工小徑管柱造成的液體流動(dòng)附加摩阻，同時(shí)更新壓裂設(shè)備，滿足現(xiàn)場(chǎng)壓裂施工需要。目前壓裂車組系列難以滿足深井超深井壓裂施工，需要加速更新壓裂設(shè)備，滿足現(xiàn)場(chǎng)施工需要。通過(guò)從井身和壓裂設(shè)備出發(fā)，減少加重液的使用和降低其加量，從而減少鹽析造成的地層傷害。
2.4 采用 活性水閉合洗井清洗裂縫和近井附近的鹽析形成的“鹽垢”
    對(duì)于因鹽析減產(chǎn)和壓后效果不理想的氣井，利用鹽析主要分布在裂縫壁附近和近井裂縫地帶的特點(diǎn)，采用活性水閉合清洗技術(shù)進(jìn)行清洗，以解除鹽析產(chǎn)生的“鹽垢”傷害。
3結(jié)論和建議
    1)模擬和現(xiàn)場(chǎng)返排結(jié)果表明，加重液在高溫高壓氣藏增產(chǎn)作業(yè)中極易產(chǎn)生鹽析，并對(duì)地層造成新的傷害。
   2)鹽析產(chǎn)生的主要因素有加重劑類型及其加量，地層返排溫度，壓力以及返排速度。壓力下降越快產(chǎn)生的鹽析加劇，鹽析主要發(fā)生在壓裂縫壁附近和近井裂縫地帶。
   3)鹽析是由于鹽從溶液結(jié)晶所致，利用稀釋溶解方法，采用活性水閉合洗鹽技術(shù)可有效解除鹽析造成的傷害。
   4)目前使用加重液在很大程度上主要是受深井增產(chǎn)過(guò)程中施工液體摩阻壓力過(guò)大所致，因此建議加速開發(fā)低摩阻、超低摩阻壓裂液和酸液體系，減緩對(duì)加重液過(guò)分依賴，以達(dá)到提高深井、超深井氣層儲(chǔ)層改造增產(chǎn)效果的目的。
 
符號(hào)說(shuō)明
Kg為氣體滲透率，D；Kw為液體滲透率，D；Sw為含水飽和度；Krg為氣體相對(duì)滲透率；Krw為液體相對(duì)滲透率；Swi為返排后濾液含水飽和度；Sw0為濾液侵入?yún)^(qū)初始含水飽和度；C0為濾液侵入?yún)^(qū)加重液初始鹽度或礦化度，g／L；Ci為濾液侵入?yún)^(qū)加重液返排后的鹽度或礦化度，g／L；R、r1分別為濾液侵入深度和流入單元距裂縫壁距離，cm；△Sw11、△C11分別為流出單元含水飽和度變化及濃度變化；C10、C20分別為流入單元初始濃度和濃聚后濃度；V,Vi分別為濾液侵入?yún)^(qū)濾液體積和單元區(qū)濾液體積，cm3；φ為儲(chǔ)層孔隙度；L為裂縫長(zhǎng)度，m；h為裂縫高度，m；Q為液體流量，cm3/s；μ為液體黏度，mPa·s；r為液體距裂縫壁距離，cm；A為濾液流向裂縫橫截面積，cm2；△p為濾液流向裂縫壓差，MPa；m為模擬網(wǎng)格單元數(shù)；m為模擬網(wǎng)格單元數(shù)；tN為返排時(shí)間，h。
 
參考文獻(xiàn)
[1]程興生，張福祥，徐敏杰，等. 低成本加重瓜膠壓裂液的性能與應(yīng)用[J]．石油鉆采工藝，2011，33(2)：91-93.
[2]湯勇，杜志敏，張哨楠，等．高溫氣藏近井帶地層水蒸發(fā)和鹽析研究[J]．西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，29(2)：96-99.
[3]石德佩，孫雷，劉建儀，等．高溫高壓含水凝析氣相態(tài)特征研究[J]．天然氣工業(yè)，2006，26(3)：95-97.
[4]李騫，李相方，郭平，等．異常高壓凝析氣藏物質(zhì)平衡方程推導(dǎo)[J]．天然氣工業(yè)，2010，30(5)：58-60.
[5]朱玉新，邵新軍，楊思玉，等．克拉2氣田異常高壓特征及成因[J]．西南石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，22(4)：9-13.
[6]劉志斌，劉道杰，田中敬．高溫高壓凝析氣藏物質(zhì)平衡方程的建立——考慮氣藏氣相水蒸氣含量及巖石顆粒的彈性膨脹作用[J]．天然氣工業(yè)，2011，31(7)：37-39.
[7]BURNETT D B，VEIL J A．Decision and risk analysis study of the injection of desalination by products into oil and gas—producting zones[C]//paper 86526 presented at the SPE Internation Symposium and Exhibition on Formation Damage Control，18-20 February，2004，Lafayette，Louisiana．USA．New York：SPE，2004．
[8]尚希濤，何順利，李秀生，等．低滲透氣藏水相蒸發(fā)對(duì)氣體滲流的影響[J]．天然氣工業(yè)，2009，29(6)：80-82.
[9]文守成，何順利，賴必智，等．氣田地層結(jié)鹽機(jī)理試驗(yàn)研究及影響因素分析[J]．石油天然氣學(xué)報(bào)：江漢石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，30(5)：145-147．
[10]ZULUAGA E，MONSALVE J C．Water vaporization in gas reservoirs[C]∥paper 84829 presented at the SPE Eastern Regions/AAPG Eastern Section Joint Meetin9，6-10 September，2003，Pittsburgh，Pennsylvania，USA．New York．SPE，2003.
本文作者：林啟才1 林應(yīng)之2 李建忠1
作者單位：1．中國(guó)石油川慶鉆探工程公司井下作業(yè)公司 2．西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院