曹彥超，曲占慶，許華儒，郭天魁，楊升光，龔迪光

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島266580；2.長(zhǎng)城鉆探工程有限公司壓裂公司，遼寧盤錦124010；3.西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，陜西西安710065）

水基壓裂液對(duì)儲(chǔ)層液相傷害的實(shí)驗(yàn)研究

曹彥超1，曲占慶1，許華儒1，郭天魁1，楊升光2，龔迪光3

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島266580；2.長(zhǎng)城鉆探工程有限公司壓裂公司，遼寧盤錦124010；3.西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，陜西西安710065）

文中從微觀角度系統(tǒng)分析了壓裂液對(duì)儲(chǔ)層造成的水敏傷害與水鎖傷害，并且將核磁共振分析技術(shù)應(yīng)用于壓裂液對(duì)儲(chǔ)層液相傷害的研究領(lǐng)域，與常規(guī)流動(dòng)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，提出了一套評(píng)價(jià)壓裂液對(duì)儲(chǔ)層傷害的實(shí)驗(yàn)方法，建立了每種傷害機(jī)理與傷害程度間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，壓裂液濾液滲入儲(chǔ)層后均會(huì)不同程度地造成束縛水增加、可動(dòng)水滯留，從而引起儲(chǔ)層滲透率降低，造成儲(chǔ)層液相傷害，并且，對(duì)于不同滲透性儲(chǔ)層其傷害程度不同，通過(guò)增大返排量和加入表面活性劑的措施可以使液相傷害得到一定程度的緩解。研究成果對(duì)壓裂液性能優(yōu)化及油井壓裂改造，將具有重要指導(dǎo)意義。

水基壓裂液；水敏傷害；水鎖傷害；核磁共振

水力壓裂過(guò)程中，水基壓裂液造成的儲(chǔ)層傷害主要表現(xiàn)為水敏傷害、水鎖傷害及固相顆粒傷害。其中，水敏傷害與水鎖傷害主要是由于外來(lái)流體與儲(chǔ)層不配伍所引起的液相傷害，明顯不同于固相顆粒傷害，其傷害機(jī)理及解除方法更為復(fù)雜［1］。目前，對(duì)于壓裂液濾液引起儲(chǔ)層液相傷害的研究，大多采用普通驅(qū)替實(shí)驗(yàn)方法，以濾液滲入前后巖心滲透率變化作為儲(chǔ)層液相傷害程度，而沒(méi)有從微觀上分析2種不同的傷害機(jī)理，因此，無(wú)法準(zhǔn)確判斷引起儲(chǔ)層液相傷害的具體原因及傷害程度［2-4］。本文將低磁場(chǎng)核磁共振分析技術(shù)應(yīng)用于壓裂液對(duì)儲(chǔ)層的液相傷害研究，評(píng)價(jià)壓裂液對(duì)儲(chǔ)層的液相傷害。

1　儲(chǔ)層液相傷害機(jī)理及影響因素

1.1水敏傷害

巖心在不含油狀態(tài)下，飽和地層水后，外來(lái)水相侵入會(huì)產(chǎn)生黏土礦物吸水傷害，即水敏傷害。這是由于，基本上所有產(chǎn)油砂巖顆粒均會(huì)不同程度地含有蒙脫石、伊利石等黏土礦物，外來(lái)水相與這些巖石黏土礦物的不配伍性打破了原有離子間的平衡狀態(tài)，引起巖心內(nèi)黏土吸水，使得巖心束縛水增加，并且引起黏土吸水膨脹和分散運(yùn)移，縮小了流體滲流空間，堵塞流動(dòng)通道，造成巖心絕對(duì)滲透率的下降［5-6］。

1.2水鎖傷害

流體在低滲透儲(chǔ)層孔喉中的存在狀態(tài)主要分為束縛流體和自由可動(dòng)流體。當(dāng)儲(chǔ)層巖石孔隙內(nèi)的流體為油水兩相流動(dòng)時(shí)，可動(dòng)水相就會(huì)在毛細(xì)管力的作用下對(duì)油相產(chǎn)生附加阻力，妨礙油相流動(dòng)，造成油相相對(duì)滲透率的降低，即水鎖傷害。對(duì)于飽和油、束縛水兩相狀態(tài)下的巖心，外來(lái)水相的侵入會(huì)使得一部分水變?yōu)槭`水，造成巖心內(nèi)束縛水的增加，引起水敏傷害；另一部分則是成為自由流動(dòng)的可動(dòng)水，若油相無(wú)法完全返排這些可動(dòng)水，滯留的可動(dòng)水就嚴(yán)重影響油相流動(dòng)，從而引起水鎖傷害［7-8］。水鎖傷害的影響因素主要分為以下2個(gè)方面。

1.2.1毛細(xì)管效應(yīng)

壓裂液等外來(lái)流體滲入水濕性的儲(chǔ)層孔喉后，會(huì)把儲(chǔ)層中的原油推向儲(chǔ)層深部，還在油水界面產(chǎn)生凹向油相的一個(gè)彎液面，從而產(chǎn)生毛細(xì)管壓力，阻礙油相流動(dòng)。由毛細(xì)管力計(jì)算公式（1）可知，毛細(xì)管力與孔喉半徑成反比，孔喉較小的低滲透油藏將更易產(chǎn)生水鎖傷害。

式中：pc為油水間毛細(xì)管力，mN；σ為油水間界面張力，mN/m；θ為油水間接觸角，（°）；r為毛細(xì)管半徑，m。1.2.2賈敏效應(yīng)

地層中發(fā)生油水兩相流動(dòng)時(shí)，會(huì)有許多乳化液滴形成，這些乳化液在通過(guò)變化的巖心孔隙喉道時(shí)，會(huì)由于變形而產(chǎn)生附加阻力，見(jiàn)式（2）。

式中：pr為乳狀液阻力，mN；R1，R2分別為油、水液膜的曲率半徑，m。

目前，普遍認(rèn)為影響水鎖傷害的因素［9-10］有：儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)、儲(chǔ)層滲透率、儲(chǔ)層中所含黏土礦物的種類及含量、含水飽和度、水相物理侵入深度、油水間界面張力、驅(qū)替壓力等。為了降低水鎖傷害程度，本文通過(guò)水基壓裂液傷害實(shí)驗(yàn)，從降低儲(chǔ)層含水飽和度、降低油水界面張力、增大驅(qū)替壓差等方面著手研究。

2　儲(chǔ)層液相傷害的核磁共振實(shí)驗(yàn)

2.1實(shí)驗(yàn)原理

本實(shí)驗(yàn)充分利用核磁共振的弛豫特征，分析油水在巖石中的存在狀態(tài)與性質(zhì)。其理論基礎(chǔ)是，應(yīng)用巖石孔隙中流體所含氫核在外磁場(chǎng)中的弛豫行為。在一定假設(shè)條件下，氫核的這種弛豫行為主要是由流體性質(zhì)以及巖石骨架的孔隙結(jié)構(gòu)、礦物組成決定的［11-13］。

巖石孔隙是由幾何尺寸大小不同的孔隙喉道組成的，每種半徑分布的孔喉有其獨(dú)特的特征弛豫時(shí)間T2。核磁共振測(cè)試實(shí)際獲取的是許多不同孔隙中流體的氫核T2衰減曲線，而這些曲線所代表的巖石物理及流體特性是由包含巖石原始孔隙度、束縛流體、可動(dòng)流體、流體類型等信息的回波串經(jīng)過(guò)多指數(shù)擬合（數(shù)學(xué)反演）得到的。目前，國(guó)內(nèi)外有許多不同的核磁共振多指數(shù)反演算法，但普遍采用王為民等［14-15］提出的奇異值分解反演算法和變換反演算法。只有通過(guò)數(shù)學(xué)反演技術(shù)，才能計(jì)算出不同尺寸大小孔隙中的流體含量，即弛豫時(shí)間譜。

根據(jù)油層物理理論，弛豫時(shí)間譜表示巖心中大小不同的孔隙占總孔隙的比例。當(dāng)巖石孔喉半徑小到一定程度時(shí)，孔隙內(nèi)的流體將受毛細(xì)管力的束縛而無(wú)法自由流動(dòng)，因此，在弛豫時(shí)間譜上存在一個(gè)明顯界限，這就是可動(dòng)流體截止值。弛豫時(shí)間比這一截止值大的流體為可動(dòng)流體，小于這一截止值的為束縛流體。如圖1所示，左峰下的面積表示束縛流體含量，右峰下的面積為可動(dòng)流體含量。

圖1　一塊普通砂巖巖心的典型弛豫時(shí)間譜

2.2實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

選取5組不同的低滲透巖心進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每組中的3塊巖心都是來(lái)自于同一塊全直徑巖心，物性相似，巖心基本參數(shù)及具體分配方案見(jiàn)表1。巖樣飽和地層水時(shí)，采用的地層水為NaCl，CaCl2，MgCl2按一定比例配制而成的標(biāo)準(zhǔn)模擬地層水，其密度為1.06 g/cm3，黏度為1.09 mPa·s；采用去氫煤油作為油相，其密度為1.72 g/cm3，黏度為1.20 mPa·s，由于去氫煤油中不含氫核（1H），因此，不會(huì)產(chǎn)生核磁共振信號(hào)。采用普通活性水溶液和低表面張力活性水溶液作為外來(lái)流體，其中，普通活性水溶液為蒸餾水及添加劑（0.3%黏土穩(wěn)定劑+ 0.3%助排劑+0.2%殺菌劑+0.06%PH調(diào)節(jié)劑）配制而成，其密度為1.04 g/cm3，黏度為1.08 mPa·s；低表面張力活性水溶液由普通活性水溶液中加入0.25%的表面活性劑配制而成，密度為1.03 g/cm3，黏度為1.05 mPa·s室溫下界面張力約為同條件下普通活性水溶液的一半。

表1　巖心基本參數(shù)和實(shí)驗(yàn)分配

2.3實(shí)驗(yàn)分析方法

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，使用MR-DF核磁共振鉆井液分析儀對(duì)巖心進(jìn)行分析測(cè)試，定量檢測(cè)不同實(shí)驗(yàn)階段巖心內(nèi)束縛流體、可動(dòng)流體的含量及變化，并借助常規(guī)流動(dòng)實(shí)驗(yàn)，測(cè)試流體擠入前后巖心滲透率的變化情況。

2.3.1水敏傷害實(shí)驗(yàn)

每組選取一塊巖心（1-A，2-A，…，5-A），首先，進(jìn)行飽和地層水狀態(tài)下巖心水測(cè)滲透率（Kw），并進(jìn)行第1次核磁共振測(cè)量；然后，反向擠入1.5倍巖心孔隙體積的普通活性水溶液，放置2 h，進(jìn)行第2次核磁共振測(cè)量；之后，用地層水返排外來(lái)活性水，在返排量達(dá)到10倍孔隙體積時(shí)測(cè)水相滲透率Kw1，并進(jìn)行第3次核磁共振測(cè)量；最后，利用擠入活性水前后的Kw與Kw1計(jì)算巖心滲透率的最終傷害率。

2.3.2水鎖傷害實(shí)驗(yàn)

每組選取一塊巖心（1-B，2-B，…，5-B），首先，進(jìn)行飽和地層水狀態(tài)下的核磁共振測(cè)量；再用去氫煤油進(jìn)行驅(qū)替至不再出水，建立巖心的飽和油束縛水狀態(tài)，并測(cè)量該狀態(tài)下的油相有效滲透率（Ko）及核磁共振圖譜；然后，反向擠入1.5倍孔隙體積的普通活性水，放置2 h，進(jìn)行第3次核磁共振測(cè)量；最后，用去氫煤油返排擠入的活性水，返排量達(dá)到10倍孔隙體積后，測(cè)量巖心在該狀態(tài)下的油相有效滲透率（Ko1），并進(jìn)行返排完成后的核磁共振測(cè)量。利用擠入活性水前后巖心滲透率變化（Ko與Ko1），計(jì)算活性水滲入對(duì)巖心油相有效滲透率的傷害程度。

2.3.3儲(chǔ)層傷害解除實(shí)驗(yàn)

主要根據(jù)上述水鎖傷害實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)剩余5塊巖心（1-C，2-C，…，5-C）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，只是用低表面張力活性水溶液替代普通活性水溶液。

3　儲(chǔ)層液相傷害實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

上述實(shí)驗(yàn)巖心，擠入不同活性水溶液前后巖心滲透率變化以及驅(qū)替結(jié)束后巖心內(nèi)束縛水與可動(dòng)水含量、相對(duì)增加量見(jiàn)表2。

表2　實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果對(duì)比

由于實(shí)驗(yàn)選取的第1與第2組，第3與第4、第5組巖心具有接近的孔滲特性，從而也具有相似的核磁共振特征，因此，本文只列舉第2組與第5組巖心的核磁共振圖譜進(jìn)行對(duì)比分析。

進(jìn)行水敏傷害實(shí)驗(yàn)的2-A，5-A兩塊巖心的核磁共振圖譜如圖2a，2b所示，進(jìn)行水鎖傷害及解除實(shí)驗(yàn)的2-B，5-B，2-C，5-C四塊巖心核磁共振圖譜如2c—2f所示。

圖2　不同巖心的核磁共振圖譜

對(duì)比5組實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，以及上述3組核磁共振圖譜可知，同一層位巖心前2種傷害實(shí)驗(yàn)中束縛水增加量比較接近，因此，引起比較相近的水敏傷害。在進(jìn)行水鎖傷害程度計(jì)算時(shí)，可用水鎖傷害實(shí)驗(yàn)中滲透率總傷害減去水敏傷害實(shí)驗(yàn)中的滲透率總傷害。

4　解除儲(chǔ)層液相傷害措施分析

4.1增加返排量

巖心水敏傷害實(shí)驗(yàn)中，2塊巖心2-A，5-A的水敏傷害率與返排體積的關(guān)系曲線如圖3所示；巖心普通活性水水鎖傷害實(shí)驗(yàn)中，2塊巖心2-B，5-B的水鎖傷害率與返排體積的關(guān)系曲線如圖4所示。

由實(shí)驗(yàn)曲線可知，巖心水敏傷害程度與活性水溶液的返排體積沒(méi)有明顯關(guān)系，基本維持在一定值，而巖心水鎖傷害程度隨返排體積的增大明顯減小，滲透率下降率高達(dá)70%～80%，并且最終趨于穩(wěn)定。由此可以看出，活性水?dāng)D入巖心后造成的水敏傷害是不可逆、不可恢復(fù)的，而水鎖傷害可以通過(guò)增大返排體積得到部分解除，從而降低液相對(duì)儲(chǔ)層的傷害程度。

4.2降低表面張力

對(duì)比表2中飽和油束縛水條件下，巖心在普通活性水溶液與低表面張力活性水溶液侵入前后滲透率變化可知，2種情況下巖心水敏傷害程度相差不大，而水鎖傷害程度則有明顯不同。應(yīng)用低表面張力活性水溶液傷害后的巖心水鎖傷害程度，比應(yīng)用普通活性水溶液傷害后的巖心低5%左右。這是由于，降低流體間的表面張力，可以減小毛細(xì)管壓力，減少儲(chǔ)層中外來(lái)流體的滯留，提高油相相對(duì)滲透率；同時(shí)，表面活性劑還可以減緩賈敏效應(yīng)，將賦存于細(xì)小孔隙吼道中的水驅(qū)替出來(lái)，增強(qiáng)外來(lái)流體的返排程度，降低水鎖傷害程度，從而降低液相的總傷害程度。

圖3　不同巖心水敏傷害程度與返排體積關(guān)系曲線

圖4　不同巖心水鎖傷害程度與返排體積關(guān)系曲線

5　結(jié)論

1）將常規(guī)流動(dòng)實(shí)驗(yàn)與核磁共振分析技術(shù)相結(jié)合，提供了一種有效評(píng)價(jià)水基壓裂液對(duì)儲(chǔ)層液相傷害的實(shí)驗(yàn)方法。應(yīng)用該方法，能夠準(zhǔn)確計(jì)算出壓裂液等外來(lái)流體滲入儲(chǔ)層后所引起的水敏傷害、水鎖傷害及液相傷害的大小。

2）研究表明，水基壓裂液引起的儲(chǔ)層水敏傷害程度與束縛水增加量呈正相關(guān)；引起的水鎖傷害程度與可動(dòng)水滯留量呈正相關(guān)。

3）不同滲透率巖心擠入水基壓裂液后表現(xiàn)的液相傷害程度不同，較低滲透率巖心的液相傷害程度比較高滲透率巖心的液相傷害程度要高。

4）通過(guò)增加水基壓裂液的返排量及提高返排效率，增加表面活性劑改善壓裂液性能，能夠有效降低壓裂液對(duì)儲(chǔ)層的水鎖傷害，從而降低壓裂液對(duì)儲(chǔ)層的液相傷害程度，保證合理的壓裂效果。

5）將核磁共振技術(shù)應(yīng)用于水基壓裂液對(duì)儲(chǔ)層的液相傷害研究，可以實(shí)現(xiàn)不同傷害類型的客觀、準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，能夠建立每種傷害機(jī)理與傷害程度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而，對(duì)后續(xù)研究壓裂液性能改善和油層保護(hù)措施具有重要意義。

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（編輯王淑玉）

Experimental study on damage of water-based fracturing fluid to reservoir liquid phase

CAO Yanchao1，QU Zhanqing1，XU Huaru1，GUO Tiankui1，YANG Shengguang2，GONG Diguang3
（1.College of Petroleum Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266580，China；2.Fracturing Service Company，Great Wall Drilling Company Ltd.，CNPC，Panjin 124010，China；3.School of Petroleum Engineering，Xi′an Shiyou University，Xi′an 710065，China）

In this paper，the damage of water sensitivity and water locking caused by fracturing fluid to reservoir is analyzed from the microscopic point，and the nuclear magnetic resonance analysis technique is applied to fracturing fluid damage to the reservoir liquid phase.Combined with conventional flow experiments，an experimental method of evaluating the damage of fracturing fluid to reservoir is put forward，and the relationship between the damage mechanism and the degree of damage is established.The experiment results show that the fracturing fluid filtrate into the reservoir will cause different degrees of bound water and movable water retention，which will reduce the permeability of reservoir and result in the reservoir liquid phase damage.Moreover，the damages of different permeability reservoirs are unlike，which can be relieved by increasing the addition of return flow and injecting surface active agent.This study will provide some guiding to fracturing fluid optimization and oil well fracturing.

water-based fracturing fluid；water-sensitive damage；water-locking damage；nuclear magnetic resonance

國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目“徑向鉆孔引導(dǎo)水力壓裂裂縫定向擴(kuò)展機(jī)理研究”（51404288）；中國(guó)石油大學(xué)（華東）研究生創(chuàng)新工程資助項(xiàng)目“徑向井壓裂裂縫起裂擴(kuò)展規(guī)律研究”（YCX2014010）

TE357.1

A

10.6056/dkyqt201605030

2016-02-12；改回日期：2016-07-15。

曹彥超，男，1990年生，在讀碩士研究生，主要從事油井壓裂酸化增產(chǎn)增注技術(shù)研究。E-mail：cyc901019@163.com。

引用格式：曹彥超，曲占慶，許華儒，等.水基壓裂液對(duì)儲(chǔ)層液相傷害的實(shí)驗(yàn)研究［J］.斷塊油氣田，2016，23（5）：676-680.

CAO Yanchao，QU Zhanqing，XU Huaru，et al.Experimental study on damage of water-based fracturing fluid to reservoir liquid phase［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2016，23（5）：676-680.