致密氣壓裂液與儲層全過程滲吸傷害規律研究

許冬進，張濱海，李紫晗，薛錦善，陳金峰

1.非常規油氣省部共建協同創新中心(長江大學), 湖北 武漢 430100

2.油氣鉆采工程湖北省重點實驗室(長江大學) ，湖北 武漢 430100

3.中海油研究總院有限責任公司，北京 100028

4.中國石油華北油田分公司第四采油廠，河北 廊坊 065000

致密砂巖氣是非常規天然氣的主要類型[1]，其物性較差，孔喉小，資源量大，常規開采方式無法獲得工業氣流，一般采用水平井和大規模水力分段壓裂的儲層改造方式[2]。致密氣儲層具有非均質性強、孔隙半徑小、毛細管壓力現象明顯的特點，導致壓裂后大量壓裂液滯留在儲層中，給儲層帶來各種傷害[3]。這些傷害不僅影響到單井改造的效果，而且直接影響著油氣藏的整體開發效果。因此深入研究壓裂液滲吸傷害機理及解除方法，對于提高致密砂巖氣藏的開發水平、實現高效開發具有重要意義[4,5]。

國內外許多專家學者針對壓裂液滲吸傷害的機理和影響因素開展了大量研究：STEPHEN[6]認為，如果地層壓力不能克服毛細管壓力，且孔喉含水飽和度較大，則這部分孔喉可能不具備產能，特別是在低滲透致密氣藏中，毛細管壓力較大，對產能的影響較大；張琰等[7]從應力敏感性、水鎖效應和反向吸入現象3方面分析影響低滲氣藏損害的因素；賴南君等[8]通過實驗得出損害程度隨壓裂液與儲層接觸時間及作用壓力的增加而增加。

在滲吸傷害的研究手段上也不斷創新。DUTTA[9]利用CT掃描技術量化巖石的非均質性，監測壓裂液運移隨時間和空間的變化，解釋毛細管壓力對低滲透砂巖樣品中流體運移和滯留的影響；石華強等[10]通過核磁共振、巖心流動等室內試驗對蘇里格氣田胍膠類壓裂液傷害機理進行詳細分析；黃禹忠等[11]采用電鏡掃描、恒速壓汞等方法研究了川西致密砂巖氣藏儲層的微觀結構，評價了儲層敏感性及水鎖傷害，同時提出了壓裂液快進快出的工藝對策，如減少液量、全程液氮伴注、提高返排壓差等。

目前國內外對于滲吸傷害機理的研究普遍只針對于作業入井外來流體或者壓裂液進入儲層造成滲吸傷害規律和影響、或者解除傷害的方法，未見定量描述致密氣“壓裂-關井-返排”這一全過程的壓裂液滲吸傷害規律的研究。為此，筆者通過室內試驗模擬致密氣壓裂全過程的滲吸傷害，利用低場核磁共振設備分析不同時刻滲吸前緣的位置以及巖心傷害程度的定量評價，為壓裂后返排解除傷害提供了定量的分析支持。

1 實驗原理

圖1 壓裂過程中壓裂液在儲層中滲吸傷害示意圖Fig.1 Schematic diagram of imbibition damage of fracturing fluid in reservoir during fracturing

目前對于致密砂巖氣的開發方式，主要是直井分層壓裂和水平井分段壓裂的開采方式，如圖1 所示。在壓裂過程中，壓裂液與儲層接觸后發生滲吸作用，壓裂液在毛細管壓力的作用下進入儲層空隙中占據氣體滲流通道造成傷害。致密砂巖氣的開發包括壓裂、壓后關井、開井返排壓裂液、正常生產這幾個過程，實驗中選取裂縫壁面一個單元體巖心，室內模擬整個過程中壓裂液與儲層滲吸作用的過程，研究不同時刻壓裂液進入儲層的深度以及定量描述滲吸傷害的程度。

在室內實驗的基礎上，利用低場核磁共振設備及其成像技術對巖心內部的壓裂液滲吸情況進行τ2譜、一維編碼實時成像分析，準確地反映壓裂液在巖心中隨不同滲吸時間變化的運移規律，從微觀角度對壓裂液傷害機理進行定量客觀評價。

2 室內實驗

2.1 實驗儀器及材料

2.1.1 實驗儀器

SPEC-023核磁共振巖心分析儀、便攜式低磁場(3M)核磁共振分析儀、高精度電子天平、精密壓力表、環壓加壓泵、中間容器、UPUMP-100D恒壓恒速泵、皂膜流量計、高壓氮氣氣瓶等。

2.1.2 實驗材料

實驗選用臨興致密氣區塊儲層巖心，為研究不同物性參數的滲吸規律，選取了2塊滲透率差異較大的巖心(編號96#和57#)，巖心的基本特征及參數如表1所示。實驗所用壓裂液即為臨興致密氣區塊現場壓裂所用壓裂液體系[12]，其組成成分及質量分數為0.005%殺菌劑、0.1%黏土穩定劑、0.02%氧化破膠劑、0.1%助排劑、0.18%pH調節劑、0.04%低溫破膠催化劑、0.3%胍膠、0.1%酶破膠劑、0.001%交聯劑。

表1 臨興區塊天然巖心基本參數

2.2 實驗參數設計

實驗主要是利用核磁共振設備在線監測模擬地層條件下的不同階段壓裂液的動態滲吸過程，定量描述不同階段壓裂液與儲層間的滲吸速度和滲吸位置，揭示壓裂液在裂縫-基質中滲吸分布規律[13]。

實驗參數的設計主要根據臨興致密氣區塊儲層性質及現場壓裂資料，儲層溫度為40℃，滲吸壓力為裂縫延伸壓力，滲吸時間根據不同層位的壓裂施工參數統計表(見表2)得到，太2段、盒8段的滲吸時間分別是235、208min。

表2 臨興致密氣區塊不同層位滲吸壓力和時間分析統計表

2.3 實驗方法與步驟

1)對核磁共振設備進行調試，確定射頻脈沖的頻率和接收機的相位。

2)測量實驗巖心的初始質量m0，再將實驗巖心放在巖心夾持器中測量其初始滲透率K0。

3)將設計實驗條件對應的液相加入中間容器，連接管線，在巖心夾持器中裝入巖心，將設定入口壓力，開始滲吸實驗。

4)記錄干巖心的滲透率K0和質量m0，將巖心放入巖心夾持器中并加環壓，巖心夾持器連接中間容器以及恒壓恒速泵，根據每塊巖心對應層位的現場施工停泵壓差確定恒壓恒速泵的輸出壓力，通過核磁共振設備連續測出不同時刻巖心的核磁共振一維頻率編碼和核磁共振成像，記錄并保存數據。

5)測量并記錄已受壓裂液損害巖心的滲透率K1和質量m1，計算得出巖心的損害率η1。

3 結果與分析

3.1 滲吸傷害實時τ2譜和成像分析

在多孔介質中，孔徑越大，存在于孔中的H+弛豫時間(τ2)越長；孔徑越小，存在于孔中的水受到的束縛程度越大，弛豫時間越短，即峰的位置與孔徑大小有關，峰的面積大小與對應孔徑的多少有關。利用96#巖心的壓裂液動態滲吸傷害過程獲得連續的τ2譜線(見圖2)，τ2譜結果分析表明，對比不同時刻的τ2譜，可以看出滲吸傷害實驗早期壓裂液主要充填小孔道，后期主要充填大孔道。

圖2 96#巖心壓裂液動態滲吸過程連續的τ2譜 Fig.2 Continuous τ2 spectrum of dynamic imbibition process of 96# core fracturing fluid

由于致密氣中不含H+且H+僅存在于壓裂液中，因此利用核磁共振技術采集到的信號為壓裂液中H+的信號，經過信號處理后獲得樣品的H+密度圖像，從而實現對壓裂液在巖心內部運移的變化過程的成像[14,15]。圖像顏色的飽和度越高，代表該處的信號越強，聚集的壓裂液量越多；反之信號越弱，聚集的壓裂液量越少。該技術不僅可以更清晰直觀地呈現壓裂液進入巖心的過程，而且可以看出不同時刻壓裂液前緣的位置及壓裂液在巖心中的分布情況。

利用核磁共振成像技術對96#巖心進行成像分析，其結果見圖3。從成像結果可以看出，壓裂液從滲吸端面進入，且因壓裂液與滲吸端面完全接觸，該處成像飽和度很高，即聚集的壓裂液液量較多。隨著滲吸時間的增加，原本成像飽和度低的位置逐漸被高飽和度取代，意味著壓裂液向巖心內部侵入，并不斷“占據”巖心中的孔隙喉道，直至滲吸結束壓裂液不再向前推進。但核磁共振成像只能系統地看出壓裂液在巖心中的滲吸狀態與分布情況，其結果較為“宏觀”，并不能精準地判斷不同時刻壓裂液到達的位置，也不能實現對滲吸過程更加深入具體的分析。

圖3 96#巖心壓裂液不同注入時間下核磁共振成像結果Fig.3 Magnetic resonance imaging results of 96# core fracturing fluid at different injection time

3.2 滲吸傷害前緣實時表征分析

為了進一步研究滲吸機理及過程，對其進行量化分析，將2塊巖心壓裂液滲吸過程的核磁共振一維頻率編碼分別進行處理，截取對應巖心長度且可呈現巖心內部流體流動規律的部分進行繪圖，其結果如圖4所示。

圖4 壓裂液滲吸過程一維頻率編碼Fig.4 One-dimensional frequency coding of imbibition process of fracturing fluid

壓裂液進入巖心的方向對應核磁共振一維頻率編碼圖示中由左至右的方向。橫坐標為對應巖心的不同位置，左端為滲吸端面，即滲吸起始點，橫坐標的數值越大，代表離滲吸端面距離越遠，壓裂液進入的深度越深；縱坐標為信號幅度，其值越大，意味著采集到的信號量越多，壓裂液在此位置處分布量多，反之分布量少甚至不存在壓裂液。由以上核磁共振一維頻率編碼圖示可以看出，96#和57#巖心壓裂液驅通巖心的時間分別為182、208min，壓裂液隨滲吸時間的增加由左向右推進，通過坐標軸的讀取，可以得到不同時刻壓裂液進入的深度值。對于巖心中的某一位置而言，隨著滲吸時間的增加，壓裂液液量逐漸增多，當該處孔隙喉道被壓裂液全部占據并達到飽和時，壓裂液液量便不再增加。

將較為復雜抽象的一維頻率編碼結果轉化為更加簡單具體的一維平面圖示(利用一維頻率編碼圖讀取某一時刻的滲吸前緣的位置)，便于更加具體直觀地表示不同時刻壓裂液在巖心中的位置變化規律。通過對一維頻率編碼的結果數據進行篩選與計算，得到壓裂液進入巖心的深度隨時間變化的關系曲線，如圖5所示。

3.3 滲吸傷害速度的實時表征分析

從用核磁共振成像技術對2塊巖心進行成像的分析可知，隨著滲吸時間的增加，壓裂液進入巖心深度總體呈現上升趨勢，但當到達一定深度時，壓裂液將不再前進深入。滲吸初期的曲線斜率較大，即壓裂液進入巖心深度增加幅度較大；后期斜率逐漸減緩，即壓裂液進入巖心深度增加幅度減小。通過圖5可以大致估測出某一時刻壓裂液在巖心中滲吸到達的位置。

圖5 壓裂液進入巖心的深度與時間關系Fig.5 The relationship between the depth and time of fracturing fluid into the core

針對滲吸速度與時間的變化規律展開進一步分析，計算得到不同滲吸時間下壓裂液進入巖心的速度為：

(1)

式中：v為壓裂液進入速度，mm/h；xn為某時刻壓裂液前緣的位置，mm；xn-1為上一時刻壓裂液前緣的位置，mm；Δt為相鄰時間間隔，h。

繪制壓裂液進入巖心的速度與時間的關系曲線，如圖6所示。由圖6可知，隨著滲吸時間增加，壓裂液進入巖心速度逐漸減小，兩者之間的變化趨勢大致呈反比例函數關系：滲吸前期滲吸速度降低幅度很大，滲吸中期滲吸速度降低幅度減緩，滲吸后期滲吸速度較小且基本保持不變。由于初始狀態下的巖心內部不含有壓裂液，孔隙喉道并未被壓裂液占據，巖心端面的壓裂液在較高毛細管壓力的作用下迅速進入巖心內部，因此滲吸剛開始時滲吸速度很大；隨著時間的增加，巖心孔隙喉道中充滿了越來越多的壓裂液，毛細管內黏滯阻力變大且毛細管壓力減小，因此在滲吸前期，滲吸速度大幅度降低；滲吸后期，巖心孔隙喉道內的壓裂液量接近飽和，毛細管內的黏滯阻力較大并趨于穩定，所以滲吸后期的滲吸速度較小且基本保持不變。

圖6 壓裂液進入巖心的速度與時間關系Fig.6 The relationship between the velocity and time of fracturing fluid into the core

4 結論

1)壓裂液的滲吸傷害從壓裂液與儲層接觸就開始發生，隨著時間的增加，剛開始速度快，隨后越來越慢，到一定時間后基本上不再增加，進入儲層的量也是越來越少。壓裂液進入巖心的深度隨著滲吸時間的增加而增加，但當到達一定深度時，壓裂液將不再前進深入。

2)從核磁共振的τ2譜來看，由于毛細管壓力的作用，壓裂液先進入小孔隙，然后進入大孔隙；孔喉越小其毛細管壓力的作用越大，具有較強的滯留壓裂液能力，因此滲透率較小的巖心受到壓裂液的損害程度更高。

3)通過核磁共振信號的一維編碼處理得到不同時刻壓裂液滲吸前緣的位置，可以定量描述整個滲吸過程中巖心的傷害程度；利用壓裂液滲吸速度可以表征整個滲吸規律和特點。