壓裂液破膠液對低滲儲層傷害機理研究

陳磊,秦世利,曹波波,匡臘梅,鮑文輝,閻興濤,趙健

[1.中海石油(中國)有限公司深圳分公司,廣東 深圳 518000; 2.中海油田服務股份有限公司,天津 300459]

在低滲儲層壓裂改造過程中,壓裂液對儲層造成的固相和液相傷害不可避免[1～2]。壓裂液對低滲氣藏的傷害以水相傷害為主,經過長期的返排,水相滯留產生的傷害可以部分解除[3]。而由壓裂液殘渣引起固相滯留造成的傷害是永久不可逆的,因此對固相傷害的來源、機理的研究尤為重要。研究認為:胍膠壓裂液破膠液中的殘膠和固體殘留在巖石壁面形成濾餅、吸附堵塞與橋堵,是造成滲透率降低的主要原因[4～14];而締合非交聯壓裂液的傷害特征,主要體現在巖心端面聚合物殘渣及殘膠堵塞和高分子聚合物在大孔喉的吸附滯留共同作用[15]。目前破膠液對低滲儲層傷害研究集中在宏觀方面,深部傷害程度和微觀機理尚不清楚。

本工作分別對胍膠和聚合物壓裂液破膠液的殘渣含量、粒徑、相對分子質量和吸附性能進行了評價,研究了不同破膠液對低滲巖心的深度傷害程度和微觀機理。

1 實 驗

1.1 材料與儀器

羥丙基瓜爾膠、有機硼交聯劑,工業品,中海油田服務股份有限公司;聚合物稠化劑為疏水締合聚合物,由丙烯酰胺、耐溫抗鹽功能型單體和少量疏水單體通過溶液聚合得到,白色粉末狀,黏均相對分子質量(300～400)×104;物理交聯劑為離子型表面活性劑混合物,疏水尾基碳原子個數8～12,自制;破膠劑(過硫酸銨),化學純,天津市巴斯夫化工有限公司;去離子水,電導率≤1 μS/cm,實驗室自制;人造巖心,φ2.54 cm×2.54 cm,氣測滲透率約(1～10)×10-3μm2,自制;工業氮氣,純度≥99.2%。

壓裂液動態濾失傷害測試系統,中海油田服務股份有限公司;Mastersizer 2000激光粒度儀,英國馬爾文儀器有限公司;DAWN HELEOS型凝膠滲透色譜儀,美國懷雅特公司;FEI Quanta 200F型場發射環境掃描電子顯微鏡,美國FEI公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 壓裂液破膠性能

參照SY/T 5107—2016《水基壓裂性能評價方法》分別測試2種壓裂液的破膠液黏度、殘渣含量,其中:胍膠壓裂液(1#)配方為:0.6%羥丙基瓜爾膠+0.5%有機硼交聯劑+0.05%破膠劑;聚合物壓裂液(2#)配方為:0.8%聚合物稠化劑+0.5%物理交聯劑+0.05%破膠劑。聚合物稠化劑與物理交聯劑通過疏水基團間的締合作用形成高強度的網狀結構提高壓裂液黏度。

1.2.2 壓裂液傷害深度評價

以氮氣作為驅替介質,分別測試2種壓裂液破膠液的巖心滲透率損害率。壓裂液傷害后的巖心,在破膠液注入端切除10 mm后,測試切除后的巖心滲透率損害率。巖心滲透率損害率測試方法參照SY/T 5107—2016。

1.2.3 巖心薄片的微觀形貌

采用場發射環境掃描電子顯微鏡觀察被壓裂液傷害后的巖心薄片的微觀形貌。

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1.2.4 膠團粒徑測試

采用激光粒度儀測試破膠液中膠團的粒徑。

1.2.5 分子質量測試

采用凝膠滲透色譜儀測試聚合物分子質量。

1.2.6 吸附實驗

將20/40目石英砂用蒸餾水清洗3次,取出石英砂于105 ℃下烘干至恒重(記為m1),冷卻至室溫備用。用0.8 μm的微孔濾膜將破膠液進行過濾,濾液備用。按質量分數5%稱取20/40目石英砂,分別將石英砂與2種破膠液濾液充分混合,靜置24 h。用蒸餾水重復沖洗3次,取出石英砂在105 ℃下烘干至恒重(記為m2),稱重并按式(1)計算破膠液在石英砂上的吸附量(Γ)。

(1)

2 結果與討論

2.1 巖心基質傷害特征

表1 巖心基質滲透率損害率

圖1為2種破膠液傷害后巖心不同位置微觀形貌。

圖1 2種破膠液傷害后巖心微觀形貌

由圖1可見,采用1#破膠液,在巖心注入端,觀察到大量的壓裂液殘渣附著在表面,形成濾餅;在距注入端10 mm處,巖心表面未觀察到明顯殘留物,表明胍膠壓裂液殘渣難以運移至巖心深部,傷害主要來自端面形成的濾餅[12]。采用2#破膠液,在巖心注入端表面存在壓裂液殘渣,殘渣的附著密度低、膠團尺寸小,形成的濾餅厚度較小;在距注入端10 mm處,巖心端面上仍能觀察到聚合物分子膠團的存在,是巖心深部傷害的主要原因。

2.2 壓裂液對儲層損害機理

2.2.1 破膠性能

2種壓裂液的破膠性能測試結果見表2。

表2 壓裂液破膠性能

由表2可見,在95 ℃下破膠4 h后,2種破膠液黏度均小于5 mPa·s,說明壓裂液破膠徹底。但胍膠壓裂液的殘渣含量為589 mg/L,遠高于聚合物壓裂液的殘渣含量45 mg/L。通過2種破膠液外觀觀察發現,胍膠壓裂液破膠液中存在大量的絮狀物,主要是胍膠水不溶物[16]和大量殘膠[17]。聚合物壓裂液破膠液清澈、透明,一方面是由于稠化劑本身的水不溶物少,破膠后的固相殘渣少;另一方面是破膠后聚合物稠化劑分子鏈被斷裂,物理交聯作用被破壞,殘留的膠團少。

2.2.2 膠團粒徑

2種破膠液膠團粒徑分布見圖2。由圖2可見,胍膠壓裂液破膠液的殘渣平均粒徑85.5 μm,聚合物壓裂液破膠液殘渣平均粒徑為1.8 μm。

圖2 破膠液粒徑分布

從膠團粒徑分布可知,胍膠壓裂液破膠液的殘渣粒徑分布在1～300 μm范圍內,60～150 μm之間的比例超過65%;聚合物壓裂液破膠液殘渣粒徑主要分布在0.8～4 μm,分布比例高達89%。通過壓汞測試可知,巖心平均孔隙半徑1.4 μm。胍膠壓裂液破膠液中的殘渣粒徑遠大于巖心孔喉半徑,難以進入巖心深部[13]。聚合物壓裂液破膠液中殘渣粒徑小,在高注入壓力的擠注下,部分小粒徑殘渣進入巖心內部,造成深部傷害[18]。

2.2.3 破膠液分子質量

實驗測得1#和2#破膠液的重均分子質量分別為86.9×104g/mol和28.1×104g/mol。胍膠分子質量為(200～300)×104g/mol,破膠后胍膠分子質量大幅度降低,破膠液平均粒徑達到85.5 μm,高于胍膠分子水力學直徑,說明破膠液中部分胍膠分子發生交聯,形成大尺寸膠團。聚合物稠化劑分子質量450×104g/mol,破膠液的殘渣平均粒徑1.8 μm,締合聚合物破膠后分子小,但其破膠液中的殘渣粒徑高于聚合物分子半徑[19～20],說明破膠后的聚合物小分子通過物理交聯形成小粒徑的膠團,導致破膠液膠團粒徑增大。

2.2.4 吸附性能

3 結 論

a.胍膠壓裂液破膠液的未切除和切除10 mm后的巖心損害率分別為27.3%和4.5%,在巖心注入端面觀察到大量殘渣。聚合物壓裂液破膠液的未切除和切除10 mm后的巖心損害率分別為22.2%和15%,在巖心端面和深部均觀察到聚合物殘渣,表明聚合物小分子進入巖心深部造成傷害。

b.胍膠壓裂液破膠后,殘渣含量高,相對分子質量大,形成的殘渣平均粒徑85.5 μm,遠大于巖心孔隙半徑,難以進入巖心深部。聚合物壓裂液破膠后,殘渣含量少,相對分子質量小,殘渣平均粒徑1.8 μm,聚合物小分子在巖心深部滯留造成損害。

c.胍膠和聚合物壓裂液破膠后在石英砂上的吸附量分別為3.99 mg/g和6.57 mg/g,聚合物壓裂液在巖心深部吸附造成的損害大于胍膠壓裂液。