压裂液破胶液对低渗储层伤害机理研究

陈磊,秦世利,曹波波,匡腊梅,鲍文辉,阎兴涛,赵健

[1.中海石油(中国)有限公司深圳分公司,广东 深圳 518000; 2.中海油田服务股份有限公司,天津 300459]

在低渗储层压裂改造过程中,压裂液对储层造成的固相和液相伤害不可避免[1～2]。压裂液对低渗气藏的伤害以水相伤害为主,经过长期的返排,水相滞留产生的伤害可以部分解除[3]。而由压裂液残渣引起固相滞留造成的伤害是永久不可逆的,因此对固相伤害的来源、机理的研究尤为重要。研究认为:胍胶压裂液破胶液中的残胶和固体残留在岩石壁面形成滤饼、吸附堵塞与桥堵,是造成渗透率降低的主要原因[4～14];而缔合非交联压裂液的伤害特征,主要体现在岩心端面聚合物残渣及残胶堵塞和高分子聚合物在大孔喉的吸附滞留共同作用[15]。目前破胶液对低渗储层伤害研究集中在宏观方面,深部伤害程度和微观机理尚不清楚。

本工作分别对胍胶和聚合物压裂液破胶液的残渣含量、粒径、相对分子质量和吸附性能进行了评价,研究了不同破胶液对低渗岩心的深度伤害程度和微观机理。

1 实 验

1.1 材料与仪器

羟丙基瓜尔胶、有机硼交联剂,工业品,中海油田服务股份有限公司;聚合物稠化剂为疏水缔合聚合物,由丙烯酰胺、耐温抗盐功能型单体和少量疏水单体通过溶液聚合得到,白色粉末状,黏均相对分子质量(300～400)×104;物理交联剂为离子型表面活性剂混合物,疏水尾基碳原子个数8～12,自制;破胶剂(过硫酸铵),化学纯,天津市巴斯夫化工有限公司;去离子水,电导率≤1 μS/cm,实验室自制;人造岩心,φ2.54 cm×2.54 cm,气测渗透率约(1～10)×10-3μm2,自制;工业氮气,纯度≥99.2%。

压裂液动态滤失伤害测试系统,中海油田服务股份有限公司;Mastersizer 2000激光粒度仪,英国马尔文仪器有限公司;DAWN HELEOS型凝胶渗透色谱仪,美国怀雅特公司;FEI Quanta 200F型场发射环境扫描电子显微镜,美国FEI公司。

1.2 实验方法

1.2.1 压裂液破胶性能

参照SY/T 5107—2016《水基压裂性能评价方法》分别测试2种压裂液的破胶液黏度、残渣含量,其中:胍胶压裂液(1#)配方为:0.6%羟丙基瓜尔胶+0.5%有机硼交联剂+0.05%破胶剂;聚合物压裂液(2#)配方为:0.8%聚合物稠化剂+0.5%物理交联剂+0.05%破胶剂。聚合物稠化剂与物理交联剂通过疏水基团间的缔合作用形成高强度的网状结构提高压裂液黏度。

1.2.2 压裂液伤害深度评价

以氮气作为驱替介质,分别测试2种压裂液破胶液的岩心渗透率损害率。压裂液伤害后的岩心,在破胶液注入端切除10 mm后,测试切除后的岩心渗透率损害率。岩心渗透率损害率测试方法参照SY/T 5107—2016。

1.2.3 岩心薄片的微观形貌

采用场发射环境扫描电子显微镜观察被压裂液伤害后的岩心薄片的微观形貌。

阿里衣服没穿，爬起来，先到桌前按了一下录音机的键，哀乐轰一声响起。阿里打开窗子，哀乐便如同被释放，从窗口涌了出去。

1.2.4 胶团粒径测试

采用激光粒度仪测试破胶液中胶团的粒径。

1.2.5 分子质量测试

采用凝胶渗透色谱仪测试聚合物分子质量。

1.2.6 吸附实验

将20/40目石英砂用蒸馏水清洗3次,取出石英砂于105 ℃下烘干至恒重(记为m1),冷却至室温备用。用0.8 μm的微孔滤膜将破胶液进行过滤,滤液备用。按质量分数5%称取20/40目石英砂,分别将石英砂与2种破胶液滤液充分混合,静置24 h。用蒸馏水重复冲洗3次,取出石英砂在105 ℃下烘干至恒重(记为m2),称重并按式(1)计算破胶液在石英砂上的吸附量(Γ)。

(1)

2 结果与讨论

2.1 岩心基质伤害特征

表1 岩心基质渗透率损害率

图1为2种破胶液伤害后岩心不同位置微观形貌。

图1 2种破胶液伤害后岩心微观形貌

由图1可见,采用1#破胶液,在岩心注入端,观察到大量的压裂液残渣附着在表面,形成滤饼;在距注入端10 mm处,岩心表面未观察到明显残留物,表明胍胶压裂液残渣难以运移至岩心深部,伤害主要来自端面形成的滤饼[12]。采用2#破胶液,在岩心注入端表面存在压裂液残渣,残渣的附着密度低、胶团尺寸小,形成的滤饼厚度较小;在距注入端10 mm处,岩心端面上仍能观察到聚合物分子胶团的存在,是岩心深部伤害的主要原因。

2.2 压裂液对储层损害机理

2.2.1 破胶性能

2种压裂液的破胶性能测试结果见表2。

表2 压裂液破胶性能

由表2可见,在95 ℃下破胶4 h后,2种破胶液黏度均小于5 mPa·s,说明压裂液破胶彻底。但胍胶压裂液的残渣含量为589 mg/L,远高于聚合物压裂液的残渣含量45 mg/L。通过2种破胶液外观观察发现,胍胶压裂液破胶液中存在大量的絮状物,主要是胍胶水不溶物[16]和大量残胶[17]。聚合物压裂液破胶液清澈、透明,一方面是由于稠化剂本身的水不溶物少,破胶后的固相残渣少;另一方面是破胶后聚合物稠化剂分子链被断裂,物理交联作用被破坏,残留的胶团少。

2.2.2 胶团粒径

2种破胶液胶团粒径分布见图2。由图2可见,胍胶压裂液破胶液的残渣平均粒径85.5 μm,聚合物压裂液破胶液残渣平均粒径为1.8 μm。

图2 破胶液粒径分布

从胶团粒径分布可知,胍胶压裂液破胶液的残渣粒径分布在1～300 μm范围内,60～150 μm之间的比例超过65%;聚合物压裂液破胶液残渣粒径主要分布在0.8～4 μm,分布比例高达89%。通过压汞测试可知,岩心平均孔隙半径1.4 μm。胍胶压裂液破胶液中的残渣粒径远大于岩心孔喉半径,难以进入岩心深部[13]。聚合物压裂液破胶液中残渣粒径小,在高注入压力的挤注下,部分小粒径残渣进入岩心内部,造成深部伤害[18]。

2.2.3 破胶液分子质量

实验测得1#和2#破胶液的重均分子质量分别为86.9×104g/mol和28.1×104g/mol。胍胶分子质量为(200～300)×104g/mol,破胶后胍胶分子质量大幅度降低,破胶液平均粒径达到85.5 μm,高于胍胶分子水力学直径,说明破胶液中部分胍胶分子发生交联,形成大尺寸胶团。聚合物稠化剂分子质量450×104g/mol,破胶液的残渣平均粒径1.8 μm,缔合聚合物破胶后分子小,但其破胶液中的残渣粒径高于聚合物分子半径[19～20],说明破胶后的聚合物小分子通过物理交联形成小粒径的胶团,导致破胶液胶团粒径增大。

2.2.4 吸附性能

3 结 论

a.胍胶压裂液破胶液的未切除和切除10 mm后的岩心损害率分别为27.3%和4.5%,在岩心注入端面观察到大量残渣。聚合物压裂液破胶液的未切除和切除10 mm后的岩心损害率分别为22.2%和15%,在岩心端面和深部均观察到聚合物残渣,表明聚合物小分子进入岩心深部造成伤害。

b.胍胶压裂液破胶后,残渣含量高,相对分子质量大,形成的残渣平均粒径85.5 μm,远大于岩心孔隙半径,难以进入岩心深部。聚合物压裂液破胶后,残渣含量少,相对分子质量小,残渣平均粒径1.8 μm,聚合物小分子在岩心深部滞留造成损害。

c.胍胶和聚合物压裂液破胶后在石英砂上的吸附量分别为3.99 mg/g和6.57 mg/g,聚合物压裂液在岩心深部吸附造成的损害大于胍胶压裂液。