压裂作业的储层保护技术
*** 化学与环境工程学院
1 概述
one note samba压裂是指采油过程中，利用水力作用，使油层形成裂缝的一种方法，又称油层水力压裂。压裂液在水力压裂中起着重要的作用，它的好坏直接关系到压裂施工的效果和增产效果。油层压裂工艺过程是用压裂车，把高压大排量具有一定粘度的液体挤入油层，当把油层压出许多裂缝后，加入支撑剂(如石英砂等)充填进裂缝，提高油层的渗透能力，以增加注水量(注水井)或产油量(油井)。压裂应用技术在油气田开发采收率低的问题、油气的勘探开发和增储上有着非常显著的作用。我国大部分属于低渗透层油气藏，开发难度很大，一旦造成伤害，很难弥补，故应用压裂技术开采好这类油气藏意义十分重大。近几十年来，国内外各大油田对压裂技术方面进行了很多研究，开发出了常用的压裂液有水基压裂液、油基压裂液、乳状压裂液、泡沫压裂液及酸基压裂液、天然植物胶冻胶压裂液、清洁压裂液等各种压裂液体系。压裂液中各种化学添加剂性能优劣对减小压裂液的地层伤害性十分重要，开展压裂液伤害性研究及开发研制新型低伤害压裂液体系十分必要。
2 压裂作业对油气层的损害
2.1 压裂过程中引起储层中粘土矿物的膨胀和颗粒运移
储层中的粘土矿物含量平均约为10%，虽然比例并不是很大，但它的化学性质极其活跃，往往在储层打开后就会与外来流体发生各种物理或化学反应。造成润失反转，孔隙结构改变，渗透率降低等等一系列损害。所以说，粘土矿物是造成储层损害的主要因素之一。就以粘土矿物的水化膨胀为例，利用不镀膜，水化冷冻后制样方法，对含蒙脱石砂岩进行水化前后对比，水化后比水化前孔隙缩小约25%，可见其对储层的损害程度具有很大的影响。
2.2 金文声滤液进入喉道后因毛细管力作用而造成水锁
水锁相对渗透率是指二相或二相以上的流体共存时每一相的有效渗透率与其绝对渗透率的比值，它反映了该相流体通过岩石能力的大小。从油水两相体系典型相对渗透率曲线可知，水相饱和度稍有增大，油相的相对渗透率就迅速下降。在压裂施工过程中，侵入区滤液以“指进”替换地层流体而使水的饱和度增加。施工结束后开井返排，由于地层低渗透性
和孔隙性差，毛管力作用使部分水被束缚在储层中，排液困难，导致地层损害。损害程度受地层压力降、粘滞力和毛细管力影响，地层压力降越慢，排液压差越大，损害越小；粘滞力与地层孔隙大小、压裂液粘度和流速有关。在致密低渗油气层压裂改造施工中，毛管阻力较高，可达孤单的人总说无所谓1.4 MPa，排液困难，可能造成永久性堵塞，严重损害地层。
2.3 压裂液滤饼对储层造成的损害
滤饼和裂缝中残渣将损害到裂缝渗透率，减小导流能力，目前国内外大量使用水基压裂液，其中的成胶剂多数是天然植物粉剂，都有一定数量的残渣，这种残渣一是来自胶粉剂中水不溶物，二是破胶不完全所致。冻胶压裂液在裂缝壁上，由于滤失的作用而形成滤饼，在此处聚集了大量的残渣。滤饼和残渣影响流体的通过，导致导流能力受到不同程度的损害。滤饼的存在也将减小裂缝的有效宽度。由于紧靠缝壁的那一层支撑剂基本上被滤饼粘在一起，相邻的那一层支撑剂相对自由，比较松散。因此，导流能力和渗透率下降的机理是由于滤饼沉积在井壁上而减小了支撑裂缝的有效宽度。孙燕姿 逆光
滤饼存在的情况下，对储层孔隙喉道起着严重的封堵作用，阻碍了流体的径向流动，使地层的平均损害率达到了27.48%；而刮掉滤饼后，平均损害率仅为3.91%。因此，压裂液滤
饼对地层造成严重损害的同时，又具有降低滤失，阻碍滤失液侵入储层深部，起到减小地层损害程度的作用。
2.4 支撑剂嵌入和返排对储层造成的损害
支撑剂在裂缝中要受到挤压，当支撑砂子硬度小于岩石硬度时，砂子将嵌入到岩石中。支撑剂对岩石的嵌入而造成有效缝宽的损失，影响了支撑剂的导流能力，从而降低了裂缝的渗透率。支撑剂嵌入产生的碎屑必然会影响裂缝的导流能力。国外实验研究的定量认识表明：由于嵌入引起的地层碎屑使裂缝充填层的导流能力明显受到损害。在13.79MPa闭合应力下，只要5%的地层碎屑就可以使损害区域的导流能力降低到只有初始导流能力的45%，20%的碎屑将使导流能力降低到只有27%；在34.48MPa闭合应力下，10%地层碎屑将使嵌入区域中的充填导流能力降低到只有13.79MPa下原始充填导流能力的18%高圆圆资料。在压后的压裂液返排以及采油生产过程中，容易出现支撑剂返排现象。特别是在一些闭合压力不高，结构较疏松的地层。当支撑剂流回到井眼时，裂缝宽度减小，导致充填层的导流能力总体降低，也严重影响到压裂作业处理效果。
2.5 压裂液与原油乳化对储层造成的损害
在压裂作业中，常常会用到水基压裂液，与储层原油两相互不相溶，原油中有天然的乳化剂，如胶质、沥青和蜡等，胶质和沥青是具有乳化性能的活性物质。当地层注入水基压裂液时，压裂液的流动具有搅拌作用压裂液会与油在储层孔隙中流动时就会形成油水乳化液。乳化液粘度比地下原油粘度高3.2～3.5倍，将堵塞地层，这种堵塞作用是乳状液中的分散相在流经地层毛管喉道的时候产生的贾敏效应叠加而成，由此使渗流阻力大大增加。引起的地层损害程度取决于乳状液粘度和稳定性。
2.6 压裂液残渣引起的地层损害
压裂液残渣是压裂液破胶后不溶于水的固体微粒，影响存在双重性：一是形成滤饼，阻碍压裂液侵入地层深处，提高了压裂液效率，减轻了地层损害；另一方面是堵塞地层及裂缝内孔晾和喉道，增强了乳化液的界面膜厚度，难于破乳， 降低地层和裂缝渗透率，损害地层。压裂液残渣含量及性质与压裂液添加剂及配方、温度和时间等因素有关。对于低水不溶物的稠化剂，且在破胶体系(林忆莲和李宗盛破胶剂及用量)较好时，压裂液残渣含量较低，一般小于5%；而对于高水不溶物(大于20 % )的稠化剂，若破胶体系选择不当，压裂液残渣含量可大于20.0 %。残渣对地层与裂缝的损害程度，还与其在破胶液体系中的粒径大小及分布规律有关。
当固体颗粒直径小于地层孔喉直径的1/3时，则不能进入油层造成损害。而一般不同渗透性油气藏, 岩心孔隙最大孔径均小于20m，平均孔径小于10m。因此，压裂液能进入岩心中起损害作用的残渣颗粒是很少的。压裂液对低渗透地层基质损害主要是滤液引起的损害。压裂液破胶液残渣对支撑裂缝存在一定的损害。破胶水化液表观粘度小于10mPa·s，这表明压裂液破胶后的产物中仍有短链分子或支状分子存在，并吸附于支撑剂和岩石表面，从而降低裂缝导流能力；残渣损害主要是由于残渣颗粒堵塞了裂缝中部分孔隙喉道，导致流动能力的降低。对支撑裂缝导流能力的损害是破胶液和残渣叠加作用的结果。残渣含量越大，损害越严重。
3 压裂作业的储层保护技术
3.1 粘土水化膨胀，分散运移的储层保护
针对粘土水化膨胀，分散运移造成的储层损害，可以通过在压裂液中加入氯化钾(l%~2%)消除。氯化钾廉价易得，而且其岩心流动试验渗透率损害率低于某些阳离子聚合物。因此在水基压裂液中，推荐使用氯化钾作为粘土稳定剂，同时也可使用低分子量的阳离子聚合物稳定枯土。
3.2 水锁的储层保护
针对水锁对地层的损害，可采取以下措施：在水基压裂液中加入表面活性剂即助排剂，降低油水界面张力，增大接触角，减少毛细管力。改善压裂液破胶性能，实现压裂液在地层中的彻底水化破胶，减小压裂液在地层介质中流动的粘滞阻力。压裂液快速破胶，并在压裂结束后采用小油嘴，利用余压强制裂缝排液，减少压裂液在地层的滞留时间。使用液氮、CO2助排等。
3.3 压裂过程的储层保护
针对压裂过程中造成的乳化堵塞，主要采取以下措施：慎用表面活性剂，特别是阳离子表面活性剂，因为它能油湿粘土，并易于形成稳定的油包水乳化液。使用优质压裂液，彻底破胶，减少压裂液残渣，降低破胶液粘度以及防止地层“微粒”生成，消除油水界面膜稳定因素。在压裂液中使用优质破乳剂，消除压裂液进入地层后潜在的乳化堵塞。
此外，除了在压裂施工中，加强现场质量控制外，首先还要选用低水不溶物稠化剂和易降解破胶的交联剂；其次要优选破胶体系，实现压裂液彻底破胶、水化，减少压裂液残渣对
地层基质和支撑裂缝导流能力的损害；而且还要选择无残渣或者低残渣的压裂液，尽量减少固相微粒对储层的损害，防止孔隙喉道堵塞。
4 压裂作业储层保护技术的新发展
4.1 胶囊破胶剂改善压裂液破胶性能
90年代研究和开发的缓释型胶囊破胶剂是破胶剂的最大发展，在不严重影响压裂液流变性能的同时可提高破胶剂用量成为可能。它是利用特殊工艺将常用的酶或过硫酸盐破胶剂包裹起来，形成0.90mm~0.45mm的胶囊颖粒，并利用膜的渗透作用和裂缝闭合的挤压作用释放破胶活性物质。与常规破胶剂相比，其特点是能缓慢释放破胶剂，缓释时间可控，能将破胶剂浓度提高到常规破胶剂的5-10倍，对压裂液流变性能影响很小；破胶完全、彻底，消除了压裂液浓缩及滤饼引起的压裂液的损害。
4.2 使用优质植物胶稠化剂, 降低压裂液残渣
目前国内外使用的压裂液稠化剂包括天然植物胶及其改性产品、纤维素衍生物和合成聚合物。国外油田使用的稠化剂以植物胶及其改性产品即瓜胶及轻丙基瓜胶为主，约占90%。
国外加工的经丙基瓜胶水不溶物低(小于5%),增粘能力强(l%溶液粘度大于280mPa·s),用量小(一般为0.48%),大大降低了压裂液体系中因稠化剂造成的残渣。