水基压裂液伤害机理及措施研究

槐巧双，葛欣炜，王怀婧，窦国全

（1.中国石油集团渤海钻探工程有限公司井下技术服务分公司，天津 300283；2.中国石油集团渤海钻探工程有限公司工程技术研究院，天津 300280）

压裂液具有传递压力、形成裂缝并携带支撑剂的作用，是水力压裂成功与否的关键。压裂液对储层是外来流体，在进入储层再返排回地面的过程中会对储层造成各种伤害，这些伤害主要是指由于压裂液中的液相或固相导致的裂缝壁面附近孔喉结构的变化从而表现出的渗透率降低现象[1]。特别是压裂液中含有的如稠化剂等的高分子聚合物，这些聚合物分子会滞留岩石孔喉和裂缝支撑剂，降低储集层渗透率和裂缝的导流能力，甚至堵塞孔道，严重影响增产改造效果[2]。

此前压裂液对储层的伤害机理研究大多是在按工业标准设计的常规岩芯试验中进行的，根据压裂液渗入岩芯前后的渗透率变化来估算储层的伤害程度，并未从微观角度对伤害的机理进行实验分析，并且未确定储层损害的主要和次要因素以及特定因素的具体破坏程度[3-4]。为精细化水力压裂的生产服务，揭示压裂液对储层的伤害机理，提升增产改造效果，近年来多种微观方法[5-8]被引入到研究压裂液对储层的伤害中来，进一步认识压裂液对储层的伤害机理。研究人员对多种不同类型的低渗储层进行了压裂液伤害精细化评价，发现固相伤害占比基本在20%左右，为主要伤害因素；水敏伤害9%~11%，水锁伤害5%~8%，为次要伤害因素[9-10]。

1 水基压裂液伤害类型及机理

20 世纪中叶，恩格尔哈特和图恩初步发现压裂液会对储层造成伤害，通过宏观的敏感性伤害实验，都证明了盐、速、碱等敏感性伤害的存在。压裂液作为外来流体，对储层不可避免地会造成伤害，针对不同的储层类型，水基压裂液的伤害类型和原理也不同。

1.1 水相伤害

水基压裂液使用水作为基础流体介质，会携带大量水进入地层，对于低渗储层，只有5%~50%水能从地下返排回地面，导致大量水滞留在地层中，对储层造成伤害。水相伤害分为水敏伤害和水锁伤害。水敏伤害的大小与储层中粘土矿物含量呈正相关；水锁伤害的大小与储层渗透率呈负相关。水相伤害的最终表现为储层渗透率下降。

1.1.1 水敏伤害

压裂液水敏伤害主要指水基压裂液中水与地层粘土矿物作用而引起的储层渗透率下降的现象。

膨胀后的粘土矿物受外力作用很容易破碎分散，随压裂液流动而运移。因此，控制和降低水敏伤害的核心是抑制粘土矿物的水化膨胀，见图1。粘土矿物含量越高，其导致的储层损害越大。粘土矿物的种类不同，水化作用的强弱不同；矿物晶体部位不同，形成的水化膜厚度不同，所引起的水敏伤害程度不同。

图1 粘土矿物水化膨胀原理示意图

1.1.2 水锁伤害

水基压裂液返排后还会有大部分水将滞留在压裂后形成的裂缝及致密储层中，裂缝中残留的水将降低裂缝的导流能力，而渗入储层基质中的水将导致“水锁伤害”并阻碍油气的流动。研究表明，裂缝的存在会增大储层的水锁伤害，而水锁对气层的伤害远高于油层，这主要是由于气体的存在会产生贾敏效应，气泡由于界面张力的作用会堵塞微小孔喉，从而降低油气流动孔道，见图2。因此，控制和降低水锁伤害的关键是降低流体间的界面张力。

图2 贾敏效应

1.2 固相伤害

水基压裂液中使用了稠化剂、添加剂等大量的高分子化合物，这些高分子化合物是固相伤害的主要诱因。压裂液产生的固相伤害的原因有二：一是由于压裂液破胶不彻底产生残渣的及水不溶物堵塞孔道；二是高分子化合物吸附在孔道及裂缝壁面缩小油气流动通道。

1.2.1 残渣堵塞

残渣堵塞的原因是由于破胶不充分产生的固相颗粒发生了机械捕集，不溶物逐渐堆积，尺寸不断增大，随流体运移而堵塞微小孔喉，严重降低裂缝附近的基质渗透率。稠化剂的浓度越高，压裂液产生的残渣越多；破胶时温度越低，残渣含量越大。若能使水基压裂液的分解成水溶性好的小分子物质，便能很好地解决压裂液破胶不彻底产生的残渣伤害，见图3。

图3 残渣堵塞示意图

1.2.2 吸附滞留

吸附滞留伤害是对于残渣堵塞伤害问题的进一步剖析，高分子链上的基团会与基质孔喉和支撑剂表面及裂缝壁面产生吸附作用，损害储层渗透率和裂缝导流能力，严重影响改造效果。在低渗油气藏中，高分子吸附滞留导致的渗透率伤害更为严重，对产量影响很大。

吸附和滞留同时存在不可割分，只有当聚合物分子在岩石多孔介质中发生少量吸附才会逐渐形成吸附滞留伤害，机械捕集导致少量滞留，水动力学聚集导致大量滞留，见图4。

图4 吸附滞留示意图

1.3 速敏伤害

速敏伤害也是残渣堵塞的诱因。水力压裂施工时，为使压裂液能有足够能量压开储层，通常会采用大排量。储层中的碎屑颗粒以及颗粒间的填隙物受压力和流速的影响，当流速达到某个临界，部分固相颗粒会随着压裂液在储层中的流动而运移，这些微粒会堵塞微小的孔喉通道以及狭窄部位。当流速增大到一定数值时，微粒在孔喉处会形成较稳定的“桥堵”，导致储层渗透率降低，造成速敏损害。

速敏伤害主要受流速、储层岩石的胶结程度影响。岩石的胶结越差，岩石表面颗粒越容易脱落；流速增加，运移的微小颗粒增多，孔喉及裂缝狭窄处发生堵塞的概率增大，见图5。

图5 速敏伤害示意图

1.4 碱敏伤害

在常规碱性条件下交联的滤液中可观察到致密的网络结构，含有一些残留物和松散聚集的颗粒。碱性压裂液进入储层后，会与石英、长石、白云石等碎屑颗粒反应形成硅酸盐矿物，这些硅酸盐物质具有较强的吸附性，会附着在岩石表面形成致密的吸附膜，从而缩小甚至堵塞孔喉。

1.5 酸敏伤害

酸敏伤害的机理和碱敏类似，在酸性条件下压裂液与地层中的物质发生反应而产生沉淀，如与绿泥石中铁离子发生反应形成的铁沉淀，再通过流体运移堵塞孔喉。但目前使用的水基压裂液体系基本呈中性或弱碱性，所以不再关注酸敏伤害。

1.6 盐敏伤害

水基压裂液进入储层后会降低地层中流体的矿化度，当低至某一临界矿化度时，会导致粘土矿物晶层间阳离子被置换导致层间距增大，粘土矿物膨胀造成伤害。盐敏伤害的本质与水敏相似，而且伤害程度较小，控制和降低水敏伤害时盐敏伤害可以同时解决。同时目前矿场上为节约淡水资源，控制成本，提出使用高矿化度的返排液和地层产出水配置水基压裂液，因此目前不再关注压裂液的盐敏伤害。

2 压裂液伤害降低措施

为降低水基压裂液对储层造成的伤害，提高水力压裂的改造效果，国内外学者做了大量的研究工作，提出了多种降低水基压裂液伤害的方法，主要分为化学手段和工程手段两大类。

2.1 化学手段

2.1.1 添加剂

（1）粘土稳定剂和防膨剂。粘土稳定剂是通过在分子吸附在粘土矿物表面形成一层保护膜，将水隔离开，防止粘土颗粒遇压裂液时发生破碎、膨胀后随压裂液流动而分散运移堵塞孔喉，从根源上降低水敏伤害。防膨剂可以通过中和粘土矿物表面的负电性，抑制层间阳离子交换防止晶片间距增大，从而达到防止粘土矿物膨胀的效果；同时防膨剂可以改变粘土矿物表面的润湿性，阻碍水进入粘土层间结构。

（2）表面活性剂。表面活性剂是能使溶液体系界面状态发生明显变化的物质，其分子结构具有两亲性，可分为阳离子、阴离子、两性和非离子表面活性剂。表面活性剂的核心作用就是可以显著改变界面状态，降低界面张力。

（3）醇。小分子醇的沸点低、互溶性及挥发性强，可以溶解在压裂液滤液中并随着滤液侵入基质孔隙和微裂缝，同时由于地层温度较高，醇在孔喉中受热挥发，将孔隙中由于水锁而无法返排的水带出，从而降低水锁伤害。甲醇成本较低，在现场运用较多，但醇由于自身性质，运输成本较高，同时在现场危险性较大，目前使用逐渐减少。

（4）氢键抑制剂。氢键抑制剂的作用有两方面，一是抑制压裂液中聚合物分子与岩石表面形成氢键，二是破坏已经在岩石表面形成的氢键，从而改善孔喉结构及岩石表面润湿性，显著降低吸附伤害。添加剂的分子量不宜过大，否则容易堵塞微小孔喉对储层造成二次伤害。

2.1.2 生物技术

生物酶能对侵入裂隙的压裂液有效破胶，降解凝胶残留物，提高储层的渗透率和导流能力，同时降解过程中生成的CO2气体有助于返排，进一步降低压裂液伤害。胍胶降解酶可以减小残渣粒径，改善孔喉结构，具有一定解堵作用。其中CGS胍胶降解酶对破胶后胍胶压裂液残渣的降解率达36%，渗透率恢复程度高达80%以上。

2.1.3 低分子量稠化剂

清洁压裂液的本质是使用小分子的粘弹性表面活性剂作为稠化剂，其配液简单，不需要交联剂和其它化学添加剂；流动摩阻小，只有清水的25%～40%，施工安全简单；配液时无水不溶物，破胶后无残渣，返排率高，能够取得良好压裂效果。研究人员通过实验对比了胍胶压裂液、聚合物压裂液和清洁压裂液的基质渗透率损害率，结果表明清洁压裂液对地层伤害最小，残渣测定结果显示清洁压裂液几乎没有残渣。

2.1.4 纳米材料

粒径小、表面大是纳米材料的显著特征，纳米材料可以对压裂液体系进行改性，改善压裂液耐温性、流变性等各方面性能。在压裂液中加入纳米颗粒可以降低压裂液对地层的伤害。纳米粒子对伤害的降低作用主要有三方面：提高压裂液的流变性能，改变岩石的润湿性，增大返排量，从而减少压裂液在储层中的滞留；降低水相的相对渗透率，提高油相的流动能力；降低压裂液中稠化剂等添加剂的用量，减少残渣的产生。

2.2 工程手段

（1）优化注排速度。在满足压裂施工排量需求下，根据储层实际情况优化压裂液进入和返排的速度，使压裂液在储层中的流速不超过临界流速，可以大幅降低压裂液对储层造成的速敏损害。

（2）快速返排技术。快速返排技术对于低渗油气藏开发是一套实用性很强的配套技术，主要采用缩短压裂液压后的破胶水化时间，同时优化作业程序及管理手段来缩短压后投产时间，提高压裂液返排率，减少压裂液在储层中的滞留时间，显著降低压裂液对储层的伤害，对单井产能的提高效果显著。

快速返排技术成本低、见效快，主要是对作业方法及压裂液配方进行调整。但如何控制和应对好施工过程中返排吐砂及生产吐砂的问题还有待研究。

（3）优化施工设计。根据储层实际情况，在满足压裂效果前提下，通过优选压裂液体系、优化压裂设计裂缝长度、导流能力、施工排量、前置液比和平均砂比等施工参数，来减少压裂液及压裂液中添加剂的用量，从而降低压裂液对储层造成的伤害。

（4）使用预前置液和缓冲剂。在压裂前置液中使用适宜的缓冲剂体系，通过改善压裂液滤液的酸碱度，可以有效减轻压裂液碱敏伤害或酸敏伤害。

（5）无水压裂。无水压裂技术无需消耗水资源，不含固相颗粒，与储层完全配伍，不存在水敏以及水锁伤害等问题，且压后返排迅速彻底，对地层没有残留物。主要介绍两种无水压裂液，一是液氮压裂液。液氮降温引起的热应力超过岩石强度时，会对岩石产生致裂作用，有助于提高压裂效果。但液氮成本较高，携砂能力弱，储存与运输不便，现场运用较少；二是超临界CO2压裂液。其密度接近液体，粘度接近气体，表面张力接近于0，理论上是一种较为完美的压裂液。但CO2压裂液也存在成本较高、携砂能力弱等问题，同时如果地层含水，在一定压力下会CO2完全溶于水，因此在现场运用很少，且实际效果不佳。

3 结语与展望

（1）水力压裂过程中，压裂液对储层的伤害一直是增产改造中关注的热点，且愈受重视。本文调研了截止现阶段，国内外学者对于水基压裂液在常规及低渗储层中的伤害现象及原理，调研了降低伤害的措施，并进行了归纳总结。这为压裂液伤害后续的研究方向提供了一定的参考，为新型低伤害压裂液体系的研制提供一定的支撑。

（2）水基压裂液对储层的伤害机理主要表现在：压裂液与地层中物质产生的化学反应；毛管压力和贾敏效应等阻力效应的影响；压裂液破胶不彻底产生大量残渣；高分子间的缠结、在储层中的捕集以及高分子在岩石表面的吸附。最终导致储层渗透率的下降和裂缝导流能力的降低，严重影响增产改造效果。

（3）降低压裂液伤害的措施主要有化学和工程两大手段，添加剂和低分子稠化剂的运用最为广泛，生物技术和纳米技术具有很大的发展潜力，将化学方法与工程手段结合效果更为显著。

（4）未来应继续加强压裂液伤害微观机理研究的深度和广度，同时解决目前存在的问题，追求更全面且精细化的认识。对于降低压裂液伤害的措施，在满足现场水力压裂施工需求和改造效果的基础上，践行绿色环保及可持续发展理念，改进和完善现有的技术的同时，关注新方法的研究。