渝东南地区五峰—龙马溪组页岩储层压裂液伤害实验_易明华.pdf

2020年第10期西部探矿工程 * 收稿日期 2020-04-22 第一作者简介 易明华 （1974-） ， 男 （汉族） ， 四川自贡人， 工程师， 现从事油气田开发实验研究工作。 渝东南地区五峰龙马溪组页岩储层压裂液伤害实验 易明华*， 姜志高， 曾隽， 聂军 （中国石化华东油气分公司勘探开发研究院， 江苏 扬州 225007） 摘要 在压裂施工过程中， 由于页岩储层致密， 渗透率一般在微达西以下， 孔隙喉道小， 且连通性 差， 页岩层理和微孔缝较发育， 压裂液在压力差和毛管力作用下侵入储层， 导致储层损害及单井产量 较低等突出问题。针对渝东南地区五峰龙马溪组页岩储层开展了储层特征描述、 压裂液性能、 自 吸实验及渗透率伤害实验。结果表明 页岩自吸阶段和加压饱和10MPa条件下， 侵入岩芯中的标准 盐水大体相当， 不同岩芯略有区别， 分别占总吸水率的40～45； 再加压20MPa， 此压力区间浸入岩 芯的溶液较少， 只有0.88～20.24之间， 明显低于自吸阶段和加压饱和10MPa阶段。分析认为 10MPa压力可以克服页岩岩芯内多数毛孔压力， 使得溶液浸入岩芯。页岩储层伤害实验表明， 不同 实验井对不同压裂液侵入引起的伤害率差别较大， 受矿物成分、 孔隙大小等物性配伍影响较大。 关键词 页岩； 自吸； 压裂液； 渗透率； 伤害 中图分类号 TE353.3 文献标识码 A 文章编号 1004-5716202010-0055-05 全球页岩气资源量为456.24281012m3[1]， 主要分布 在北美、 中亚和中国、 拉美、 北非及前苏联地区[2]， 超过 全球常规天然气资源量436.11012m3， 近年来， 伴随着 我国对非常规油气资源的逐步重视， 页岩气作为三种 非常规天然气之一也备受关注。据张金川 （2009） 估算 中国页岩气可采资源量约为261012m3， 与美国的28 1012m3大致相当[3]。加快开展我国页岩气的研究和勘探 工作具有重大意义。 页岩需要大规模压裂才能获得工业产能， 研究压 裂液对页岩储层伤害十分必要。国内外学者从不同角 度、 使用不同方法对页岩储层压裂液伤害进行了研 究。B.Bazin等利用岩芯实验方法研究了压裂液入侵 对岩芯绝对渗透率和多相流动的伤害[4]。研究表明， 水 基溶液的注入会使岩芯内粘土矿物膨胀和粘土颗粒运 移， 并最终导致岩芯渗透率急剧降低。Y.Cheng利用 数值模拟方法研究了生产过程中裂缝内含水饱和度的 变化及其对页岩气生产的影响[5]。研究发现， 相对渗透 率、 毛细管力、 应力敏感裂缝的传导率及压裂液侵入区 域的渗透率伤害等综合作用， 可能诱发水堵现象。 在压裂施工过程中， 由于页岩储层致密， 渗透率一 般在微达西以下， 孔隙喉道小， 且连通性差， 页岩层理 和微孔缝较发育， 压裂液在压力差和毛管力作用下侵 入储层， 导致储层损害及单井产量较低等突出问题。 水力压裂过程中压裂液滞留在裂缝中或裂缝周围， 侵 入储层的外来工作流体返排缓慢， 甚至不能返排， 形成 水锁伤害， 减少了有效过流面积和有效泄流裂缝， 降低 储层渗透率， 从而导致气井产量下降[6]。页岩储层一旦 受到损害， 这种超低渗储层恢复起来比渗透率高的储 层更加困难[7]。 1页岩储层基本特征 研究区域为彭水武隆南川等区域。目标井为 PY1井、 LY2井、 JY194-3井、 NY1井和SY1井。 实验井基础物性及矿物成分存在差异， 5口井中 PY1井含气性、 孔隙度各项指标均明显偏低， 测试日产 也是最低。含气量及孔隙度差异见图1， 各井岩芯含气 量在 1.82～3.75cm3/g 之间； 各井孔隙度分布范围从 2.51～4.35， 其中PY1井大孔更为发育， 而其他井则 介孔和微孔更为发育。 粘土矿物差异见图2。PY1井、 LY2井粘土矿物更 低， 在23.5～28.5之间， 而JY194-3井、 SY1井、 NY1 井粘土矿物均在 30以上， 石英含量介于 45.4～ 55.3之间。 2压裂液主要性能 2.1页岩压裂液配方 55 2020年第10期西部探矿工程 渝东南地区页岩压裂液采用混合压裂液体系压 裂， 即减阻水胶液体系。减阻水配方为0.1减阻剂 SRFR-10.2SRCS-20.1复合增效剂SRSR-3 0.02消泡剂， 减阻剂为固体粉末， 其余为液体。胶液 体系配方为低分子稠化剂SRFR-CH30.25流变助 剂SRLB-20.15复合增效剂SRSR-30.08粘度 调节剂SRVC-20.02消泡剂。 2.2压裂液主要性能 取减阻水体系， 使用RS6000流变仪进行性能评 价， 压裂液具有良好速溶性。20s后溶解率大于70、 50s后溶解率大于90， 可满足大规模施工连续混配的 要求， 见图3。 实验条件为温度25℃， 控制应力流变仪通过剪切 历程 0.5～1～10～100～170～500～1000～500～170～ 100～10～1～0.5s- 1测 试 ， 结 果 见 图 4。 实 验 表 明 SRFR-1减阻水粘度恢复90以上， 剪切恢复能力强， 在 170～1000s- 1高剪切速率下， 表观粘度为 6.2～ 9.3mPas， 剪切稳定性好。 3页岩储层伤害实验 3.1自吸及加压饱和 将岩芯依次进行自吸实验、 加压饱和10MPa以及 加压饱和20MPa， 测量不同条件下液体进入岩芯的重 量变化。 自吸实验利用精度为0.0001的电子天平悬吊测量 页岩岩芯自吸试液的重量变化， 先将岩芯悬挂在电子 天平下面的挂钩上， 盛有试液的容器放在岩芯的正下 方； 再移动天平下方的升降台， 将岩芯浸入液面 1～ 2mm， 天平归零； 岩芯在毛管压力的作用下自发吸水， 记录吸水量不再增加为止。加压饱和实验是将岩芯分 别在10MPa和20MPa压力下饱和24h， 取出后测量吸 水重量， 测试结果见表1。 由表 1 可见， 岩芯分别经过自吸实验、 加压饱和 10MPa以及加压饱和20MPa， 溶液侵入岩芯的重量逐 渐增加， 其增加的程度见表2。 由表2可见， 五口页岩实验井在20MPa条件下， 总 吸水率在0.31到2.48之间。JY194-3井第二小层 的总吸水率为0.31， 低于1小层和3小层； SY1井第二 小层总吸水率为0.71， 低于1小层和3小层。PY1井 第二小层总吸水率为1.23， 低于1小层和3小层， 三口 井具有相同规律。将岩芯分别经过吸水实验、 加压饱 和10MPa以及加压饱和20MPa， 不同阶段溶液侵入岩 图1实验井含气量和孔隙度分布 图2各实验井矿物成分分布 图3不同浓度下速溶性能测试图 图4减阻水压裂液剪切稳定性 （25℃） 56 2020年第10期西部探矿工程 芯的吸水率绘制见图5。 由图5可见， 自吸阶段和加压饱和10MPa条件下， 侵入岩芯中的标准盐水大体相当， 不同岩芯略有区别， 分别占总吸水率的40～45； 而加压10MPa后再加 压20MPa， 这个压力区间浸入岩芯的溶液较少， 只有 0.88～20.24之间。明显低于自吸阶段和加压饱和 10MPa阶段。分析认为10MPa压力可以克服页岩岩 芯大多数的毛孔压力， 使得溶液浸入岩芯。 3.2渗透率测试 在页岩气井的压裂改造过程中， 目前大部分压裂 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 岩芯 JY194-3-1-6 JY194-3-2-1 JY194-3-3-3 SY1-1-1 SY1-2-1 SY1-3-2 NY1-1-1 NY1-2-2 NY1-3-2 PY1-1-1 PY1-2-1 PY1-3-1 LY2-2-1 LY2-3-1 自吸水率 （） 52.04 35.18 51.37 40.84 34.71 46.01 39.00 47.43 38.14 42.66 56.74 39.14 39.04 45.54 加压10MPa （） 44.43 46.47 34.54 42.35 45.06 39.00 60.12 50.82 49.53 51.27 35.50 48.52 59.17 53.26 加压20MPa （） 3.53 18.34 14.09 16.81 20.24 14.99 0.88 1.75 12.33 6.07 7.76 12.34 1.79 1.20 总吸水率 （） 2.32 0.31 1.24 1.05 0.71 1.12 1.18 1.86 1.16 1.76 1.23 1.30 2.48 2.14 表2不同压力下溶液侵入岩芯程度 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 岩芯 JY194-3-1-6 JY194-3-2-1 JY194-3-3-3 SY1-1-1 SY1-2-1 SY1-3-2 NY1-1-1 NY1-2-2 NY1-3-2 PY1-1-1 PY1-2-1 PY1-3-1 LY2-2-1 LY2-3-1 直径 （cm） 2.54 2.56 2.56 2.56 2.56 2.55 2.56 2.56 2.56 2.56 2.56 2.56 2.56 2.56 长度 （cm） 1.62 2.41 2.44 2.48 4.0 3.36 3.23 2.81 4.78 3.20 2.01 2.42 3.55 3.10 干重 （g） 20.3668 34.3708 32.5611 32.9250 54.6637 44.6386 42.6789 36.8310 58.8001 35.2312 26.5146 32.1978 44.7524 39.6519 自吸重 （g） 20.6128 34.4082 32.7678 33.0657 54.7985 44.8694 42.8750 37.1562 59.0612 35.4956 26.6995 32.3618 45.1853 40.0387 10MPa （g） 20.8228 34.4576 32.9068 33.2116 54.9735 45.0650 43.1773 37.5047 59.4003 35.8134 26.8152 32.5651 45.8415 40.4910 20MPa （g） 20.8395 34.4771 32.9635 33.2695 55.0521 45.1402 43.1817 37.5167 59.4847 35.8510 26.8405 32.6168 45.8614 40.5012 表1不同测试条件下吸水实验结果 57 2020年第10期西部探矿工程 液返排率在20～50之间， 大量压裂液仍然滞留在页 岩储层中， 压裂液对储层的伤害应引起足够重视， 故针 对PY1井、 NY1井、 LY2井、 JY194-3、 SY1井等储层被 外来流体侵入造成渗透率变低的伤害实验。 测量实验井岩芯饱和不同溶液后的岩芯渗透率， 计算出渗透率伤害程度， 主要实验过程如下 （1） 测试初始状态下岩芯渗透率。 （2） 加压饱和溶液。首先将干燥后的岩芯称重量 和测体积， 真空度133Pa情况下抽真空12h， 同时对地 层水或不同溶液进行抽真空， 饱和地层水。再将岩芯 和地层水装入高压容器中20MPa饱和24h。 （3） 测试伤害后岩芯渗透率。使用PDP-200型脉 冲衰减气体渗透率测量仪， 设计用于在模拟地层覆压 条件下， 按美国石油学会标准 （API RP-40） 的要求， 采 用脉冲衰减法测量岩芯样品的克氏渗透率。 （4） 计算渗透率伤害程度。 M＝Kd/K0100（1） 式中 K0初始岩芯渗透率， 10-3μｍ2； Kd伤害后岩芯渗透率， 10-3μｍ2。 计算5口实验井分别在标准盐水、 压裂液A、 压裂 液B侵入后的伤害率， 见表3。 不同实验井对压裂液A和压裂液B的侵入伤害率 图5页岩吸水实验结果对比图 序号 1 2 3 4 5 井号 LY2井 SY1井 JY194-3 PY1井 NY1井 标准盐水伤害率 （） 35.13 38.27 55.33 70.82 91.28 压裂液A伤害率 （） 84.64 30.65 17.01 91.4 97.41 压裂液B伤害率 （） 48.46 53.77 74.64 90.79 11.6 表3各实验井的压裂液伤害率 差别很大， 具有不同的伤害特征。LY2井对压裂液A 伤害敏感， 达到84.64； NY1井对压裂液A敏感， 伤害 率达97.41； 相反， 压裂液B对SY1井和JY194-3井 造成的伤害率大， 分别达到53.77和74.64； 而PY1 井对压裂液A和压裂液B伤害都很敏感， 达到90。 4结论 （1） 对渝东南5口井龙马溪组优质页岩段储层基本 特征分析得知 ①物质基础存在差异 5口井中PY1井 含气性、 孔隙度指标均明显偏低； ②孔径分布存在差 异 PY1井大孔更为发育， 而其他井则介孔和微孔更为 发育； ③粘土矿物存在差异 PY1井、 LY2井粘土矿物 更低， 为23.5～28.5之间， 而JY194-3井、 SY1井、 NY1井粘土矿物均在30以上。 （2） 采用混合压裂液体系压裂， 即减阻水胶液体 系， 剪切恢复能力强， 减阻水体系粘度恢复90以上； 速溶性能强， 可满足大规模施工连续混配的要求； 抗剪 切性能强， 满足压裂现场要求。 （3） 自吸阶段和加压饱和10MPa条件下， 侵入岩芯 中的标准盐水大体相当， 不同岩芯略有区别， 分别占总 吸水率的40～45； 而加压10MPa后再加压20MPa， 这个压力区间浸入岩芯的溶液较少， 只有 0.88～ 20.24之间。明显低于自吸阶段和加压饱和10MPa 阶段。说明10MPa压力可以克服页岩岩芯大多数的毛 孔压力， 使得溶液浸入岩芯。 （4） 页岩储层伤害实验表明， 不同实验井对压裂液 A和压裂液B的侵入伤害率差别较大， 具有不同的伤 害特征， 与矿物成分、 孔隙大小等物性影响较大。 参考文献 [1]杨德敏， 喻元秀， 梁睿， 等.我国页岩气开发环境影响评价现 状、 问题及建议[J].天然气工业， 2018 （8） 119-125. 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