致密煤巖氣藏壓裂液損害實驗評價

康毅力，周來誠，池曉明，李相臣，陳德飛，陳飛，

（1.西南石油大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，四川 成都610500；2.中國石油川慶鉆探工程有限公司長慶井下技術作業公司，陜西 西安710000）

0 引言

油氣藏開發過程中，儲層與流體接觸均會發生一定程度的儲層損害［1-2］。致密煤層氣井壓裂施工中，由于壓裂液對儲層的損害造成開發效果很不理想［3-4］。開展壓裂液損害研究是減少儲層損害，改善壓裂效果的基礎性工作［5-6］。

國外較早開展了壓裂液損害煤巖儲層的實驗研究。1991年，Puri 等［7］對San Juan 和Black Warrior 盆地全直徑煤心進行壓裂液損害實驗，結果表明，煤樣與完全破膠和重復過濾的凝膠壓裂液作用后，滲透率降低為初始值的10%～20%，受到損害后，用水和鹽酸溶液長期沖洗，滲透率也難以恢復；Palmer 等［8］對Black Warrior 盆地煤樣研究認為，裂隙堵塞和基質吸附膨脹是壓裂液損害煤巖儲層的2 大因素。Olsen 等［9］2003年和Chen 等［10］2007年也證實了壓裂液侵入會嚴重損害煤巖儲層。

在國內，2002年叢連鑄等［11］使用80～100目煤粉壓制人造巖樣開展了巖心滲透率損害實驗，研究表明，煤基質吸附壓裂液后滲透率大幅降低，且不同煤化階段煤巖損害程度不同。2007年叢連鑄等［12］還使用IR和GC/MS 分析儀，對煤基質吸附壓裂液進行了探索性試驗研究，證實了煤對壓裂液具有吸附作用，且對壓裂液中有機成分有更強的吸附性能。2008年陳進等［13］研究認為，潤濕接觸角的變化可以定性分析壓裂液對煤基質的損害程度。

國內外開展壓裂液對煤巖儲層損害評價時多采用煤粉壓制的人造巖心，不能真實反映煤巖儲層天然結構特性，對煤巖的滲流能力評價不足。本文選取寧武盆地致密煤巖，鉆取柱狀煤巖樣品，開展了活性水壓裂液、離子平衡壓裂液、清潔壓裂液損害實驗，建立了一種壓裂液損害煤巖天然結構的評價方法，為開發過程中有效保護煤巖儲層提供基礎參數。

1 實驗巖樣與流體

實驗煤樣均為沿平行層理方向鉆取的柱狀巖心（見圖1），60 ℃下烘48 h 后用氮氣測克氏滲透率，液體（酒精）加壓飽和法測孔隙度。

圖1 柱狀煤樣

寧武盆地煤巖儲層滲透率為（0.01～0.86）×10-3μm2，有效應力為3 MPa 時氣測滲透率為（0.034 2～0.802 4）×10-3μm2?？紤]煤巖強應力敏感性［14］，原地條件下儲層滲透率小于0.1×10-3μm2，為致密煤巖儲層［15］。煤樣工業分析結果見表1。XRD 分析指出，灰分中以方解石為主。

表1 煤樣工業分析結果

實驗使用的4 種壓裂液體系分別為： 活性水壓裂液（pH=7，黏度1 mPa·s）、離子平衡壓裂液（pH=6，黏度3 mPa·s）、清潔壓裂液A（pH=7，黏度1.8 mPa·s）、弱酸性清潔壓裂液B（pH=5，黏度0.6 mPa·s）。為了排除固相堵塞造成的損害，實驗用壓裂液均進行徹底破膠和重復過濾。

2 鹽敏實驗

依據SY/T 5358—2002《儲層敏感性流動實驗評價方法》進行鹽敏實驗評價，以確定KCl 溶液的臨界質量分數。巖心與不同質量分數的KCl 溶液接觸，分別測試其滲透率，實驗結果見圖2。

圖2 鹽敏實驗結果

由圖2可以看出，巖心與4%，3%，2%KCl 溶液接觸后發生損害，使用1%KCl 溶液反向沖洗，滲透率也難以恢復，反映了損害的不可逆性?；趯嶒灲Y果，壓裂液損害實驗中選擇1%KCl 溶液配制壓裂液，并作為驅替流體，以減小對巖心滲透率的損害。

3 壓裂液損害實驗

3.1 實驗流程和步驟

實驗按SY/T 5107—2005《水基壓裂液性能評價方法》開展，實驗流程見圖3。

圖3 壓裂液損害實驗流程

步驟如下：1）將制備好的巖心裝入巖心夾持器，裝好流程；2）正向驅替1%KCl 溶液，驅替液量為巖心孔隙體積的10 倍以上，測定巖心滲透率K1，作為基準液測滲透率；3）反向驅替壓裂液，驅替液量為巖心孔隙體積的2 倍以上，停止驅替，靜置10 h 以上；4）正向驅替1%KCl 溶液，直至流量達到穩定，測得壓裂液損害后的滲透率K2。

3.2 實驗評價

實驗研究中，選用巖心基質滲透率損害率作為評價參數。巖心基質滲透率損害率計算公式為

式中：SIp為巖心基質滲透率損害率，%；K1為巖心基準滲透率，10-3μm2；K2壓裂液損害后的巖心滲透率，10-3μm2。

壓裂液損害實驗結果見表2。由表2可知，離子平衡壓裂液、活性水壓裂液、清潔壓裂液A 對巖心滲透率平均損害率分別為85.42%，46.61%，39.12%；同一種壓裂液，巖心初始滲透率越小，損害率越大；清潔壓裂液B 使巖心滲透率平均提高了46.57%。

表2 壓裂液損害實驗結果

4 討論

4.1 壓裂液吸附造成煤基質膨脹

煤層氣井壓裂中，壓裂液與煤層接觸造成的滲透率降低，一般是由于煤層裂隙被堵塞以及吸附液體引起煤基質膨脹造成的［7］。本文測試中，壓裂液經過徹底破膠和反復過濾，消除了壓裂液殘渣固相侵入損害。

與常規砂巖不同，煤巖比表面積較大，具有很強的吸附各類液體和氣體的能力，吸附液體的后果之一是造成煤基質膨脹［14，16］。煤巖總裂隙孔隙度僅為1%～2%，壓裂液吸附導致煤基質極輕微的膨脹，也會引起裂隙孔隙度及滲透率大幅下降。此外，由于煤對液體的吸附引起的基質膨脹過程是完全不可逆的，液體吸附會對煤層滲透率造成嚴重損害。

同一種壓裂液，隨著巖心滲透率升高，壓裂液對巖心的損害程度減弱。壓裂液侵入巖心后，引起吸附膨脹，使孔隙半徑減小，增大了孔隙中的毛細管力，對于初始滲透率較大的巖心，毛細管力的作用影響較弱，其滲透率下降幅度也較小。

4.2 煤樣潤濕性變化造成損害

壓裂液與煤接觸中，煤的潤濕性可能發生改變，造成巖石孔道中毛細管力的大小和方向發生改變，導致儲層滲透率降低［17-18］。接觸角的大小反映了液體對煤的潤濕程度，為了體現與4 種壓裂液反應前后煤巖潤濕性變化情況，運用接觸角測定儀對不同實驗流體與煤樣的接觸角進行了測量（見表3）。

表3 煤樣潤濕接觸角測試

由接觸角測量結果可知，活性水壓裂液、離子平衡壓裂液、清潔壓裂液A 與煤片潤濕接觸角損害后值和損害前值相比，都有較大程度的減小，說明與壓裂液作用后，煤親水性增強，煤基質對壓裂液吸附能力增加，壓裂液返排困難，從而造成滲透率降低。巖心與這3 種壓裂液反應，滲透率會大幅降低，使用KCl 溶液反向驅替后，滲透率得到一定程度的恢復，因為KCl 溶液與煤基質接觸后，煤親水性減弱，進而促進外來液體的返排，降低對煤儲層的損害［19］。

4.3 弱酸性壓裂液溶蝕作用引起的滲透率升高

巖心與清潔壓裂液B 反應后，滲透率得到了改善。寧武盆地煤巖天然裂縫孔隙度為0.5%～1.0%，天然裂縫是煤巖儲層滲透率的主要貢獻者。弱酸性清潔壓裂液B 酸溶蝕率為0.637%（見表4），為離子平衡壓裂液的26.5 倍，可以溶蝕煤巖天然裂縫充填物改善天然裂縫的連通性，進而提高儲層滲透率。

表4 壓裂液濾液溶蝕率測定

5 結論

1）壓裂液損害實驗結果表明，離子平衡壓裂液、活性水壓裂液、清潔壓裂液A 對巖心滲透率平均損害率分別為85.42%，46.61%，39.12%，同一種壓裂液，巖樣越致密，損害越嚴重；而清潔壓裂液B 使巖心滲透率平均提高了46.57%。

2）煤樣與離子平衡壓裂液、活性水壓裂液、清潔壓裂液A 作用后，潤濕接觸角減小，滲透率降低。

3）弱酸性壓裂液B 與煤樣作用，可以溶蝕煤巖天然裂縫充填物，改善天然裂縫的連通性，有利于提升煤巖儲層增產改造的效果。

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