压裂返排液颗粒粒径与储层损害关系研究

张小意，王松，胡三清，杨欢 （长江大学化学与环境工程学院，湖北 荆州434023）

油层压裂工艺措施是提高油层渗透能力以增加注水量或产油量的主要措施之一［1］。压裂过程中采用的液体是压裂液，压裂工作结束后返排到地面的液体即压裂返排液（废弃压裂液）。随着油田开发的进行，压裂工作量逐年增大，压裂会对储层造成伤害。当压裂液进入地层后，会导致黏土吸水膨胀、分散运移引起渗透率下降，还会导致原油重质成分析出、堵塞地层孔隙使底层渗透率下降，而压裂液返排不彻底也会严重损害油层，若将压裂液直接外排，会对周围环境尤其是农作物和地表水系造成污染［2～5］。由于压裂液对于储层的伤害具有不可逆性，因而对压裂返排液颗粒粒径与储层损害的关系进行研究具有重要意义。

1 试验部分

1.1 试验材料与仪器

1）试验原料。陕北油田压裂返排原液样品以及人造岩心若干；氯化钠、氯化钙和六水合氯化镁（均为分析纯）；3种体系压裂返排液配方，即滑溜水体系（AP183）：清水＋0.25%EM30＋0.25%TOF－2＋0.5%TOS－1；胍胶体系（L41）：基液，清水＋（025%或0.3%）CJ2－6＋0.5%COP－3＋0.5%CF－5D＋0.1%CJSJ－3＋0.3%TJ－1，交联剂，JL－13（0.3%～0.6%）；滑溜水与胍胶的混合体系（混合比例为1∶1）。

2）主要仪器。Microtrac S3500型激光粒度分析仪。

1.2 试验方法

1）配制标准盐水（参照文献 ［6］，配方比为NaCl∶CaCl2∶MgCl2·6H2O＝7∶0.6∶0.4），静置48h后用双层滤纸过滤备用，同时作好岩样准备。

2）按岩心驱替试验流程图（见图1）接好管线，将标准盐水装入高压容器，将岩样装入岩心夹持器中，使标准盐水正向挤入岩心，缓慢将围压调至2MPa，且检测过程中始终保持围压值大于岩心上游压力1.5～2MPa。调节驱替泵的流量为0.5ml／min开始驱替，直至流量及压差稳定后记录压差和流量值。

3）将标准盐水更换为压裂返排液，更换岩样方向，使返排液反向挤入岩心，注入量应大于2PV，停驱替泵，关闭岩心夹持器的入口和出口阀门，使岩样与工作液接触达10h以上。

4）将标准盐水装入高压容器中，使标准盐水正向挤入岩样，调节驱替泵的流量为0.5ml／min，使其与测Ko（返排液损害岩心前岩心对标准盐水的平衡渗透率）时的驱替流量相等，待压差和流量稳定后，记录稳定的压差和流量值，计算岩样在被压裂返排原液损害前后岩样的液体渗透率以及损害后岩心渗透率恢复值。

图1 岩心驱替试验流程图

2 结果与分析

2.1 粒径分析

图2 AP183压裂返排原液粒径分布图

分别取3种压裂返排液体系，即滑溜水体系（AP183）、滑溜水＋胍胶混合体系（AP189）和常规胍胶体系（L41）的原液少量，摇匀后利用激光粒度仪进行粒径分析。

AP183压裂返排原液粒径分布图如图2所示。从图2可以看出，AP183悬浮物颗粒粒径大小分布很宽，从几微米到几百微米不等，其中悬浮物颗粒中值粒径D50（代表悬浮物颗粒平均粒径）为55.69μm。

AP189压裂返排原液粒径分布图如图3所示。由图3可知，AP189悬浮物颗粒粒径分布范围也很宽，但分布相对于AP183更加不规律，且悬浮物颗粒中值粒径D50更小（9.55μm）。

L41压裂返排原液粒径分布图如图4所示。由图4可知，L41悬浮物颗粒粒径的分布则相对于前两者分布范围较窄，其中悬浮物颗粒中值粒径D50为95.46μm，表明其平均粒径很大。

图3 AP189压裂返排原液粒径分布图

图4 L41压裂返排原液粒径分布图

2.2 损害程度评价

1）压裂返排原液损害程度评价。根据前述试验方法进行岩心驱替试验，以评价3种体系压裂返排液对岩心的损害程度，每种体系测3个平行样，压裂返排原液对储层损害评价结果如表1所示。从表1可以看出，滑溜水＋胍胶混合体系（AP189）渗透率恢复值最小，对储层伤害最大；胍胶体系的渗透率恢复值最大，对储层伤害最小；滑溜水体系的渗透率恢复值居中。”定律［7］，由3种体系悬浮物颗粒粒径分布图分析可知：①AP183悬浮物颗粒中值粒径D50为55.69μm，而岩心的孔喉直径为44.8μm，表明悬浮物颗粒平均粒径大于岩样孔喉直径的1／3，返排液中悬浮物有一半以上不会侵入岩心内部，只会堵塞在岩心端面形成外滤饼。②AP189悬浮物颗粒中值粒径D50为9.55μm，而相应的岩心孔喉直径为43.34μm，悬浮物颗粒中值粒径恰好在在岩心孔喉直径的

表1 压裂返排原液对储层损害评价结果表

2）压裂返排液过筛后损害程度评价。针对3种体系压裂返排液样品中悬浮物对储层损害的可能原因，根据3种体系中悬浮物颗粒粒径分布情况，将3种体系样品用160目（96μm）筛网过筛，这样大颗粒悬浮物被去除。采用激光粒度仪测定过筛后压裂返排液粒径分布情况。AP183过筛后粒径分布图如图5所示。由图5可知，AP183过筛后总的固相含量明显减少，悬浮物颗粒中值粒径D50由55.69μm下降到47.25μm，分布范围变窄。

AP189过筛后粒径分布图如图6所示。由图6可知，过筛后，AP189大颗粒悬浮物被除去，悬浮物颗粒中值粒径D50下降到3.23μm，相对过筛前粒径分布范围明显变窄很多。

L41过筛后粒径分布图如图7所示。由图7可知，由于L41相对于AP183和AP189返排原液中悬浮物颗粒偏大，过筛后，L41中大部分大颗粒悬浮物被除去，分布范围左移，悬浮物颗粒中值粒径D50从95.46μm下降到53.55μm。

过筛后压裂返排液对储层损害评价结果如表2所示。从表2可以看出，3种体系的压裂返排原液过筛后，岩心渗透率恢复值相对于原液都普遍升高。分析其可能原因如下：筛网将一部分机械杂质过滤掉，固相颗粒减少，对岩样的堵塞也随之减弱；AP189原液经过筛后对岩样的损害程度相对于过筛前明显减弱，损害前后岩心渗透率恢复值由46.06%上升到78.38%，结合过筛后粒径分布结果，过筛后体系中悬浮物颗粒中值粒径D50由9.55μm下降到3.23μm，岩心孔喉直径为46.7μm，此时返排液中悬浮物颗粒平均粒径小于岩心孔喉直径的1／7，固相颗粒不会堵塞岩样孔喉，因而损害程度大大减小；AP183以及L41中固相颗粒只会堵塞在岩心端面形成外滤饼而不会侵入岩样内部。因此，压裂返排液对储层损害的原因包括2个方面：外来流体（包括固体）与储集地层岩石的相互作用；外来流体与地层流体不配伍，生成固相沉淀导致堵塞损害。

图5 AP183过筛后粒径分布图

图6 AP189过筛后粒径分布图

图7 L41过筛后粒径分布图

表2 过筛后压裂返排液对储层损害评价结果表

3 结论与建议

1）根据粒度分析结果，3种体系悬浮物中L41颗粒的中值粒径D50最大，AP189颗粒的中值粒径D50最小，AP183颗粒的中值粒径D50居于中间。

2）通过岩心驱替试验可知，当压裂返排液流入岩心时，悬浮物的浓度及其颗粒粒径与岩样孔喉大小关系将直接决定是在岩心端面形成外滤饼还是直接侵入岩心内部造成损害。

3）从3种体系的压裂返排液在过筛前后对储层损害情况看，过筛后损害前后岩样的渗透率恢复值都有所升高，但压裂返排液成分复杂，要达到回用标准，除了要进行固相处理外，还需经过其他一系列相关处理措施。

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［2］徐兵威，李雷，何青，等 .致密砂岩储层压裂液损害机理探讨 ［J］.断块油气田，2013，19（5）：639～643.

［3］贺承祖，华明琪 .压裂液对储层的损害及其抑制方法 ［J］.钻井液与完井液，2003，20（1）：52～56，71.

［4］郑晓军，苏君惠，徐春明 .水基压裂液对储层伤害性研究 ［J］.应用化工，2009，37（11）：1623～1628.

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