， ， ，，

(1.中國(guó)石油 勘探開發(fā)研究院，北京 100083；2.中國(guó)石油 油氣藏改造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廊坊 065007；3.中國(guó)石油 大慶油田采油二廠，大慶 163461；4.中國(guó)石油 長(zhǎng)慶化工集團(tuán)有限公司，西安 710018)

壓裂液是壓裂施工的作用液體，其能夠在地層形成具有一定幾何形狀的高導(dǎo)流裂縫。壓裂液在改善油氣通道時(shí)，因?yàn)橐后w與儲(chǔ)層的相互作用會(huì)給儲(chǔ)層帶來傷害[1]，影響壓裂施工的效果，所以分析致密儲(chǔ)層的特點(diǎn)與壓裂液傷害的關(guān)系，對(duì)減少壓裂液傷害，提高壓裂效果有極大意義。目前，用于測(cè)試壓裂儲(chǔ)層傷害的試驗(yàn)方法主要有：恒速壓汞、巖心基質(zhì)滲透率損害測(cè)定、敏感性、表面和界面張力、膨脹測(cè)試[2-6]等。上述方法通過模擬壓裂液及其破膠液在儲(chǔ)層中的作用過程，得到試驗(yàn)數(shù)據(jù)，反映壓裂液性能對(duì)儲(chǔ)層傷害的影響程度。雖然上述方法能夠定性定量分析不同類型傷害的程度，但由于試驗(yàn)對(duì)巖心的破壞性，所以不能對(duì)比分析傷害前后的巖心數(shù)據(jù)；由于可視化能力的限制，不能直觀表現(xiàn)傷害發(fā)生的位置和程度，進(jìn)而難以分析傷害產(chǎn)生的具體原因。

CT(計(jì)算機(jī)斷層掃描)技術(shù)可以在不破壞巖心的前提下進(jìn)行無損檢測(cè)[7-8]，分析巖心結(jié)構(gòu)、流體分布狀態(tài)、黏土礦物形態(tài)改變等參數(shù)。在石油工業(yè)的許多領(lǐng)域尤其是地質(zhì)勘探領(lǐng)域，采用CT技術(shù)對(duì)儲(chǔ)層和巖心性質(zhì)的研究已經(jīng)有很大發(fā)展[9]，如使用CT技術(shù)建立儲(chǔ)層巖心結(jié)構(gòu)模型[10-13]，將CT技術(shù)與巖心壓敏試驗(yàn)結(jié)合分析儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性[14]，將CT技術(shù)與核磁共振試驗(yàn)結(jié)合分析巖心水驅(qū)油過程[15-16]等。

1 CT試驗(yàn)方法

CT技術(shù)可以在巖心孔隙存在壓裂液等液體的情況下進(jìn)行試驗(yàn)，有利于對(duì)比傷害前后巖心的狀態(tài)、且可以定量分析和直觀觀察壓裂液儲(chǔ)層傷害的位置和程度。已有學(xué)者使用CT技術(shù)對(duì)儲(chǔ)層傷害進(jìn)行分析，但僅僅局限于地質(zhì)角度，未與壓裂施工和壓裂液作用相結(jié)合[17-19]。筆者使用CT技術(shù)分析了壓裂液破膠液浸泡前后的巖心結(jié)構(gòu)、孔隙度和黏土體積等參數(shù)，將CT數(shù)據(jù)與壓裂液傷害研究試驗(yàn)相結(jié)合，對(duì)壓裂液傷害的原因進(jìn)行深入剖析。

采用微米-納米級(jí)CT 掃描系統(tǒng)對(duì)壓裂液傷害前后的巖心進(jìn)行微觀分析過程為：① 建立傷害前后的孔-喉結(jié)構(gòu)微觀圖像；② 使用CT分析軟件定量計(jì)算傷害前后的孔隙度、滲透率的變化；③ 通過定性和定量數(shù)據(jù)對(duì)比，結(jié)合恒速壓汞、傷害等壓裂液性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)結(jié)果，解釋CT技術(shù)對(duì)傷害分析的補(bǔ)充作用；④ 通過CT圖像直觀分析傷害產(chǎn)生的位置、傷害程度和傷害原因。

2 實(shí)例分析

2.1 試驗(yàn)條件

壓裂液浸泡后巖心碎屑會(huì)在孔-喉處產(chǎn)生膨脹和運(yùn)移，進(jìn)而使油氣滲流通道發(fā)生變化，即“傷害”。采用CT技術(shù)分析使用3種壓裂液破膠液浸泡同一儲(chǔ)層巖心前后發(fā)生的結(jié)構(gòu)改變和定量檢測(cè)結(jié)果，結(jié)合同一儲(chǔ)層巖心的恒速壓汞、傷害試驗(yàn)等數(shù)據(jù)，分析CT數(shù)據(jù)對(duì)傷害分析的輔助作用。

CT試驗(yàn)選用Phoenix nanotom m CT系統(tǒng)分析儲(chǔ)層巖心三維孔-喉結(jié)構(gòu)和建立3D圖像，利用VGStudio MAX軟件定量計(jì)算巖心孔隙度和滲透率；巖心取自鄂爾多斯盆地的延長(zhǎng)組7段儲(chǔ)層，制成直徑為0.3 cm,長(zhǎng)度為1 cm的圓柱體。試驗(yàn)液體采用壓裂液破膠液，破膠液配方和制得條件見表1。浸泡過程中，破膠液常溫下浸泡72 h。采用ASPE730型恒速壓汞儀對(duì)巖心樣品進(jìn)行孔-喉大小的定量分析；樣品是長(zhǎng)7組儲(chǔ)層的近50個(gè)巖心樣品。采用美國(guó)千德樂6100型傷害儀等儀器，參考石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5107-2015《水基壓裂液性能試驗(yàn)方法》和SY/T 5971-2016《注水用黏土穩(wěn)定劑性能評(píng)價(jià)方法》測(cè)試壓裂液巖心基質(zhì)滲透率傷害率、膨脹率等性能數(shù)據(jù)。巖心樣品是同一儲(chǔ)層的巖心。

表1 壓裂液破膠液配方和制得條件

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 CT試驗(yàn)結(jié)果

通過CT掃描得到的不同壓裂液破膠液浸泡傷害前后的巖心孔-喉結(jié)構(gòu)如圖1～3所示。CT定量測(cè)試得到的儲(chǔ)層參數(shù)包括傷害前后的孔隙百分比及體積減少率等(見表2)。孔隙度減少率=(傷害前孔隙度-傷害后孔隙度)/傷害前孔隙度×100%。

使用CT分析軟件可建立孔-喉結(jié)構(gòu)的球棍模型：在試驗(yàn)中設(shè)定直徑大于5 μm的孔隙在圖中表現(xiàn)為“球”，直徑小于5 μm的孔隙在圖中表現(xiàn)為“棍”，球棍模型可以更明顯地表達(dá)浸泡后孔隙和喉道數(shù)量的變化和傷害產(chǎn)生的位置，以利于傷害因素的分析。以纖維素壓裂液為例，其孔-喉變化的球棍模型如圖4所示。

表2 CT定量測(cè)試得到的儲(chǔ)層參數(shù)

圖1 瓜膠壓裂液破膠液浸泡前后的巖心孔-喉CT圖像

圖2 纖維素壓裂液破膠液浸泡前后的巖心孔-喉CT圖像

圖3 低濃度瓜膠壓裂液破膠液浸泡前后的巖心孔-喉CT圖像

圖4 纖維素壓裂液破膠液浸泡前后的巖心孔-喉球棍模型

由CT圖像分析可知，儲(chǔ)層喉道多呈束狀、片狀等，孔-喉結(jié)構(gòu)不利于液體的運(yùn)輸。由CT定量分析軟件分析可知，長(zhǎng)7組致密油儲(chǔ)層孔隙和喉道都是微-納米級(jí)別，物性較好的儲(chǔ)層(滲透率>0.1 mD，1 mD=0.987×10-3μm2)存在20%～30%連通性較好的大喉道，喉道半徑大于4 μm，而物性較差儲(chǔ)層(滲透率<0.1 mD)喉道細(xì)小，半徑小于0.1 μm的喉道約占60%，且連通性差。有效儲(chǔ)集空間滲流能力差是傷害產(chǎn)生的根本原因。

2.2.2 恒速壓汞數(shù)據(jù)

使用恒速壓汞試驗(yàn)進(jìn)行孔隙、喉道及孔-喉連通性研究，數(shù)據(jù)見表3，由數(shù)據(jù)可知，主體喉道半徑為0.3 μm左右，主體孔隙半徑為160 μm左右，喉道細(xì)小，不利于儲(chǔ)層中的流體流動(dòng)，儲(chǔ)層物理性質(zhì)差，容易產(chǎn)生傷害。分析其中5塊巖心樣品儲(chǔ)層孔-喉半徑比(見表4)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，滲透率低的樣品(Y2,Z143,N52)的孔-喉半徑比大，即大孔隙被小喉道所控制，連通性差。通過標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)試得到的與壓裂液傷害分析有關(guān)的參數(shù)見表5。

表3 孔-喉定量分析數(shù)據(jù)

表4 致密油儲(chǔ)層定量評(píng)價(jià)綜合對(duì)比

表5 壓裂液傷害性能評(píng)價(jià)參數(shù)

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

由CT掃描得到的不同壓裂液破膠液浸泡傷害前后的巖心孔-喉結(jié)構(gòu)圖可知，浸泡后孔-喉明顯減少，分布變稀。結(jié)合CT定量分析數(shù)據(jù)、恒速壓汞數(shù)據(jù)和壓裂液巖心基質(zhì)滲透率傷害性能評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)可知，壓裂液儲(chǔ)層傷害主要是儲(chǔ)層和壓裂液雙方相互作用的結(jié)果。

(1) 致密儲(chǔ)層巖心物性差是引起儲(chǔ)層傷害的根本原因。儲(chǔ)層喉道多呈束狀、孔隙縮小型、片狀等；主體喉道半徑為0.3 μm左右，主體孔隙半徑為160 μm左右，喉道細(xì)小，不利于儲(chǔ)層中流體的流動(dòng)；喉道半徑小于0.1 μm的喉道約占60%，細(xì)小喉道是形成傷害的主要位置；主要孔隙和喉道都是微-納米級(jí)別，有效儲(chǔ)集空間滲流能力差是傷害產(chǎn)生的根本原因。

(2) 壓裂液與儲(chǔ)層的相互作用是傷害的引發(fā)因素：壓裂液膨脹率數(shù)據(jù)說明，自身防膨脹效果較好的纖維素壓裂液在CT定量分析中，黏土物質(zhì)體積增加[20]最少，其作用原理為：黏土物質(zhì)膨脹對(duì)孔-喉的擠占少，對(duì)應(yīng)的孔隙率減小最少，黏土物質(zhì)體積增加也最少。壓裂液破膠液表面和界面張力數(shù)據(jù)說明了壓裂液的返排能力，易于返排的低濃度改性瓜膠壓裂液表面和界面張力數(shù)值低，其破膠液滯留在孔-喉中引起水鎖傷害[21-22]的可能性降低，其直觀表現(xiàn)為CT分析時(shí)，殘留液體占據(jù)的孔隙體積小。殘?jiān)鼣?shù)據(jù)反映壓裂液產(chǎn)生堵塞孔-喉物質(zhì)[23-24]的多少，無殘?jiān)睦w維素壓裂液在CT定量分析中對(duì)應(yīng)的孔隙度的減少率最小。因此，改善壓裂液膨脹、表面、界面和殘?jiān)雀鞣矫嫘阅芸梢杂行Ц淖儔毫岩浩颇z液對(duì)儲(chǔ)層的破壞程度。

(3) 巖心基質(zhì)滲透率傷害率是壓裂液傷害導(dǎo)致儲(chǔ)層滲透率改變的宏觀表示，是膨脹、運(yùn)移、水鎖等傷害因素共同作用的結(jié)果。CT定性、定量、可視化分析的結(jié)果與巖心基質(zhì)滲透率傷害試驗(yàn)結(jié)果一致。巖心基質(zhì)滲透率傷害率低的低濃度改性壓裂液和纖維素壓裂液，其黏土物質(zhì)的增加和孔隙的減少都相對(duì)較低。CT定性、定量、可視化的分析能力能更直觀反映上述傷害產(chǎn)生的原因和位置，為壓裂液傷害分析提供有效支持。

4 結(jié)語

(1) CT技術(shù)可以定量并直觀分析壓裂液儲(chǔ)層傷害的程度、位置和原因。通過CT技術(shù)在壓裂液傷害分析上的應(yīng)用可知，儲(chǔ)層喉道細(xì)小時(shí)不利于儲(chǔ)層中的流體流動(dòng)。儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)、不規(guī)則的孔隙結(jié)構(gòu)都是傷害的因素。

(2) CT技術(shù)可以有效印證其他分析手段得到的數(shù)據(jù)。CT定量分析數(shù)據(jù)與壓裂液傷害評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)有較好的印證。黏土膨脹、表界面張力等作用效果都可以通過CT圖像直觀地反映。

(3) CT技術(shù)能建立球棍模型等直觀分析模型，能定量計(jì)算孔隙體積等孔-喉數(shù)據(jù)，有利于進(jìn)一步分析產(chǎn)生傷害的儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和傷害產(chǎn)生的程度與位置。