川西致密砂巖氣藏近井帶復(fù)合污染治理技術(shù)研究

雷 煒，許 劍，趙哲軍，劉 通

中國石化西南油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，四川 德陽618000

引言

川西致密砂巖氣藏儲(chǔ)集層有效滲透率大都低于0.1 mD、孔隙度小于10%，喉道半徑小于0.1 μm，具有地層系數(shù)低、孔喉窄小、基質(zhì)含水飽和度大、儲(chǔ)層敏感性較強(qiáng)等特點(diǎn)[1]。對(duì)2019--2020 年川西中江氣田沙溪廟組120 口生產(chǎn)氣井跟蹤分析，因近井帶污染造成產(chǎn)量異常遞減的氣井有42 口井，直接產(chǎn)量損失達(dá)30×104m3/d，年產(chǎn)氣量損失超過了5 000×104m3以上[2]，以此推算，川西致密砂巖氣藏有2 000 余口生產(chǎn)井，存在近井帶污染井達(dá)到500口以上，年天然氣損失超過1×108m3，井底污染已影響到氣田總體開發(fā)效益。

近年來，國內(nèi)油氣田開始持續(xù)關(guān)注致密砂巖氣藏近井帶污染問題，2018 年，大牛地氣田開展了4 口井解水鎖作業(yè)，實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)39×104m3[3]，2019 年，蘇里格氣田開展了4 口井解水鎖、解堵作業(yè)，實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)91×104m3[4]，川西致密砂巖氣藏前期也開展了大量的解水鎖工藝探索。然而上述技術(shù)主要針對(duì)單一的水鎖傷害，當(dāng)近井帶面臨復(fù)合型污染時(shí)，往往難以取得好的效果；同時(shí)，上述技術(shù)多采用小液量清洗工藝，當(dāng)儲(chǔ)層致密時(shí)，凈化劑難以穿透進(jìn)入近井污染帶，制約了凈化效果。為此，開展川西致密砂巖氣藏近井帶污染類型研究，研發(fā)了多功能儲(chǔ)層復(fù)合凈化藥劑，提出了強(qiáng)頂替、深穿透的復(fù)合凈化工藝，并在現(xiàn)場進(jìn)行了推廣應(yīng)用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

1 近井帶污染主要類型

1.1 污染物來源分析

川西致密砂巖氣藏大都要進(jìn)行加砂壓裂改造后才能獲得產(chǎn)能，從地層到井筒將建立“基質(zhì)-微裂縫-壓裂主裂縫-井筒”滲流系統(tǒng)。近井帶污染貫穿氣井整個(gè)生命周期，鉆開產(chǎn)層過程中泥漿漏失污染，壓裂改造過程中壓裂液殘?jiān)退i傷害，采氣過程中水鎖、結(jié)垢、化學(xué)助排劑傷害等[5-6]，通常同一口井存在多種類型的復(fù)合傷害。污染位置主要在近井儲(chǔ)層的基質(zhì)、微裂縫、裂縫滲流通道，見表1。

表1 川西中淺層壓裂井井底污染類型Tab.1 Bottom hole pollution types of middle and shallow fractured wells in Western Sichuan

通過對(duì)川西致密砂巖氣藏典型井產(chǎn)出物特征分析，以及對(duì)各類型產(chǎn)出物組分全分析，井底污染主要類型有泥漿污染、壓裂液殘?jiān)廴?、起泡劑殘?jiān)廴?、無機(jī)垢傷害等，見表2。

表2 川西致密砂巖氣藏井底污染物類型Tab.2 Types of bottom hole pollutants in tight gas reservoirs in Western Sichuan

1.2 近井帶主要污染類型研究

川西致密氣藏近井帶污染統(tǒng)計(jì)表明，90%氣井為儲(chǔ)層近井帶水鎖傷害，70%氣井為起泡劑傷害，30%氣井為壓裂液殘?jiān)退i傷害，10%氣井為儲(chǔ)層結(jié)垢、結(jié)晶傷害。

（1）儲(chǔ)層水鎖傷害

川西致密砂巖氣藏水鎖主要來源于兩部分：?壓裂作業(yè)過程中，大量水基工作液侵入儲(chǔ)集層孔喉中，堵塞過流通道[7-8]；?氣井生產(chǎn)中后期長期積液，在液柱壓力和毛管力共同作用下，積液會(huì)反向滲吸至儲(chǔ)層孔喉中，造成近井儲(chǔ)層水鎖傷害[9-11]。實(shí)驗(yàn)表明，致密巖芯經(jīng)水鎖傷害后，平均巖芯滲透率傷害率達(dá)到78.82%，平均含水飽和度從56.14% 上升至89.18%，巖芯越致密傷害越嚴(yán)重，巖芯驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 巖芯驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Core displacement test results

（2）起泡劑傷害

川西致密氣藏90%氣井都采用泡沫排水措施，單井加注起泡劑時(shí)間通常達(dá)到5 a 以上。起泡劑中的化學(xué)成分與井底地層水、凝析油長期接觸后會(huì)形成黏稠物和固體沉淀，對(duì)近井儲(chǔ)層裂縫和孔喉造成堵塞[12-14]。采用天然裂縫巖芯開展實(shí)驗(yàn)，見圖1，在標(biāo)準(zhǔn)鹽水飽和狀態(tài)下，氣測滲透率為0.189 1 mD，經(jīng)泡排液傷害后，滲透率降為0.038 6 mD，滲透率降低了79.6%，見圖2。

圖1 川西致密氣藏天然裂縫巖芯Fig.1 Natural fracture core of tight gas reservoir in Western Sichuan

圖2 滲透率恢復(fù)曲線Fig.2 Permeability recovery curve

（3）壓裂液傷害

川西致密氣藏普遍需要加砂壓裂改造才能獲得產(chǎn)能，壓裂過程中，在正壓差作用下，壓裂液從裂縫壁面大量濾失進(jìn)入儲(chǔ)層基質(zhì)，主要有3 種形式：①裂縫延伸和支撐過程中，前置液中的凍膠濾失進(jìn)入儲(chǔ)層；②返排前破膠液濾失進(jìn)入儲(chǔ)層；③返排前壓裂液破膠不完全，既有凍膠濾失又有破膠液濾失[15-17]。開展了凍膠液和破膠液對(duì)巖芯傷害實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表4，凍膠液滲透率損害率達(dá)到90.24%，破膠液滲透率損害率達(dá)到68.39%，且驅(qū)替啟動(dòng)壓力增加了70%～83%，充分說明了壓裂過程壓裂液傷害的嚴(yán)重性。

表4 壓裂液巖芯驅(qū)替實(shí)驗(yàn)Tab.4 Fracturing fluid core displacement experiment

（4）地層水結(jié)晶與結(jié)垢

采用侏羅系沙溪廟組地層水驅(qū)替巖芯720 h 后，采用掃描電鏡對(duì)巖芯內(nèi)部形貌變化進(jìn)行了觀察，如圖3，地層水長期在巖芯內(nèi)部滲流時(shí)，能夠形成微量具有規(guī)整結(jié)構(gòu)無機(jī)垢，從而降低近井帶有效滲透率。

圖3 電鏡掃描結(jié)果Fig.3 Scanning results of electron microscope

川西侏羅系沙溪廟地層水礦化度高，礦化度在10 000～100 000 mg/L，水型主要為CaCl2、Na2SO4型，富含大量的成垢離子（Ca2+、Mg2+、，在地層中發(fā)生反應(yīng)，生成碳酸鈣、硫酸鈣等無機(jī)垢[18]?；瘜W(xué)反應(yīng)式為

2 近井帶儲(chǔ)層凈化劑研發(fā)

2.1 藥劑體系

川西致密氣藏近井帶污染類型較為復(fù)雜，普遍面臨水鎖傷害，部分井還存在壓裂液殘?jiān)鼈?、起泡劑殘?jiān)鼈Α⒁约皟?chǔ)層結(jié)垢傷害等復(fù)合污染。對(duì)于已投產(chǎn)的氣井，井底污染類型復(fù)雜多樣，為此，形成了復(fù)合解堵配方體系，主要由酸、解水鎖劑、破膠劑、破乳劑及其他劑等組成。酸的作用是溶解裂縫、微裂縫中無機(jī)垢，同時(shí)還具有酸化擴(kuò)孔作用，提升其他助劑的穿透性；解水鎖劑是借助表面活性劑降低液固界面張力，減小毛管力，改變巖石表面的潤濕性，提高液相流動(dòng)性；破膠劑是促進(jìn)地層中未破膠的胍膠二次破膠；破乳劑降低乳化液黏度，提升乳化液返排能力；其他劑包括黏穩(wěn)劑、鐵穩(wěn)劑、防膨劑、增效劑及緩蝕劑等，其作用是提升藥劑與地層流體配伍性，防止黏土膨脹，降低藥劑對(duì)地層的二次傷害，防止井下管柱腐蝕。

該體系的核心組分為解水鎖劑，為此設(shè)計(jì)了新型解水鎖劑，見圖4，分子結(jié)構(gòu)上有一層偶聯(lián)劑，能夠緊密吸附在巖石表面，分子表層為輸水層，降低液體附著能力，提升藥劑與巖石表面的接觸角，從而實(shí)現(xiàn)解水鎖功能。

圖4 新型表面活性劑分子結(jié)構(gòu)Fig.4 Molecular structure of new surfactants

將新藥劑與常用的氟碳類、檸檬烯類、醇類等進(jìn)行對(duì)比，新藥劑降低表面張力效果最好，表面張力能降低至15.95 mN/m，見圖5。采用蒸餾水測試接觸角，經(jīng)新型表面活性劑處理后載玻片蒸餾水的接觸角從42.0°提升至95.6°，接觸角增加率達(dá)到127%，見圖6 和圖7，起到了潤濕反轉(zhuǎn)的作用。

圖5 表面張力檢測Fig.5 Surface tension detection

圖6 載玻片處理前水滴接觸角Fig.6 Contact angle of water drop before glass slide treatment

圖7 載玻片處理后水滴接觸角Fig.7 Contact angle of water drop after glass slide treatment

2.2 藥劑性能評(píng)價(jià)

藥劑是復(fù)合解堵體系，解除對(duì)象包含了儲(chǔ)層水鎖傷害、壓裂液殘?jiān)鼈?、泡排乳化液傷害及無機(jī)垢傷害等，為此對(duì)該藥劑體系開展了物理特性、溶垢能力、降黏破乳能力、巖芯驅(qū)替實(shí)驗(yàn)測試。

（1）物理特性

藥劑外觀為乳白色液體，密度為1.0～1.1 g/cm3，pH 值＜1，表面張力＜25 mN/m，對(duì)N80 鋼片腐蝕速率1.31 g/（m2·h），與川西致密氣藏地層水混合后無沉淀，配伍性較好。

（2）溶垢能力

在4 個(gè)燒杯中均加入20 mL 清水和1 g 碳酸鈣粉未，分別加入復(fù)合解堵劑0、1、3 及5 mL，放在常溫環(huán)境靜置1 h，碳酸鈣的溶解率分別為0、53%、78%及100%。

（3）破乳降黏性能

取現(xiàn)場乳化液黏附物5 mL，從左至右分別加入0，0.1，0.3，0.5，0.7 和1.0 mL 新藥劑，80°C水浴鍋內(nèi)靜置1 h，測試結(jié)果見圖8，采用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測試黏度值，當(dāng)藥劑加注量占乳化液體積的10% 以上，則可實(shí)現(xiàn)完全破乳，乳化液黏度從34 mPa·s 降至4 mPa·s 以下。

圖8 破乳能力測試Fig.8 The demulsification ability test

（4）巖芯驅(qū)替實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)步驟：將巖芯抽真空，飽和標(biāo)準(zhǔn)鹽水，氣測滲透率K1，作為初始滲透率；分別采用地層水、壓裂液、乳化液反向注入巖芯，模擬外來流體傷害過程，氣測滲透率K2；向巖芯反向注入解堵劑，氣測滲透率K3。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5，巖芯被污染后滲透率降低66%～85%，經(jīng)多功能復(fù)合解堵劑凈化后，滲透率能提升1.74～2.40 倍，解堵效果明顯。

表5 傷害解除巖芯驅(qū)替實(shí)驗(yàn)Tab.5 Damage relief core displacement experiment

3 復(fù)合解堵工藝優(yōu)化

3.1 藥劑用量設(shè)計(jì)

近井帶污染主要發(fā)生在壓裂裂縫，以及緊貼壓裂主裂縫的基質(zhì)部分水鎖傷害帶，壓裂井近井污染模型見圖9。凈化劑需要完全填充壓裂裂縫和基質(zhì)水鎖區(qū)域，藥劑用量=人工裂縫容積V1+基質(zhì)水鎖帶體積V2。

圖9 壓裂井近井污染模型Fig.9 Near well pollution model of fractured well

3.2 工藝措施優(yōu)化

（1）藥劑充分作用至污染帶

采用強(qiáng)排或者氣舉工藝排除井筒積液，防止藥劑被積液稀釋，同時(shí)預(yù)防積液被壓入地層造成二次傷害；在保證井筒管柱安全性的情況下，采用壓裂泵車向儲(chǔ)層泵注足量凈化劑，確保藥劑充分填充至儲(chǔ)層近井帶；采用液氮進(jìn)行強(qiáng)頂替，將井筒藥劑內(nèi)的凈化劑充分頂替進(jìn)近井污染帶，實(shí)現(xiàn)藥劑的深穿透；最后，關(guān)井24 h 以上，確保藥劑在儲(chǔ)層內(nèi)充分反應(yīng)。

（2）確保污染物高效返排

對(duì)生產(chǎn)中后期氣井實(shí)施井底凈化后，通常面臨氣井能量不足、凈化劑返排困難的問題，需要配套強(qiáng)排或者氣舉排液工藝，及時(shí)排除井筒積液，對(duì)于低壓低產(chǎn)井，需要配套長期強(qiáng)排液措施。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

川西致密氣藏開展“大液量深度凈化工藝”現(xiàn)場應(yīng)用10 口井，其中，9 口井增產(chǎn)效果明顯，措施有效率為90%，年增產(chǎn)天然氣1 923×104m3，見表6。新工藝目前已在新場氣田、中江氣田及洛帶氣田進(jìn)行推廣應(yīng)用。

表6 “大液量深度凈化工藝”應(yīng)用情況統(tǒng)計(jì)Tab.6 Application statistics of“l(fā)arge liquid volume deep purification process”

川西致密氣藏主要形成了“小液量常規(guī)凈化”“小液量復(fù)合凈化”“大液量深度凈化”3 類工藝，年應(yīng)用井?dāng)?shù)達(dá)到170 余口，對(duì)各個(gè)工藝應(yīng)用情況進(jìn)行對(duì)比，見表7。

表7 川西致密氣藏井底凈化工藝應(yīng)用情況對(duì)比Tab.7 Comparison of application of bottom hole purification process in tight gas reservoir in Western Sichuan

“小液量常規(guī)凈化工藝”和“小液量復(fù)合凈化工藝”，單井增產(chǎn)量通常小于2×104m3，主要原因是藥劑用量過少，只能解除井筒附近的污染，不能解決儲(chǔ)層近井帶污染問題，導(dǎo)致措施有效期短，增產(chǎn)效果不明顯。“大液量深度凈化工藝”提升凈化劑用量，再配合液氮強(qiáng)頂替工藝，實(shí)現(xiàn)了藥劑深穿透，后期配合放噴助排措施，實(shí)現(xiàn)了污染物的高效返排，凈化效果得到了大幅提升。

5 結(jié)論

（1）川西致密砂巖氣藏近井帶污染為水鎖傷害、起泡劑傷害、壓裂液傷害、結(jié)垢和結(jié)晶傷害復(fù)合型污染，其中，水鎖巖芯滲透率傷害率達(dá)到78.82%，乳化液傷害后巖芯滲透率降低了79.6%，凍膠液滲透率損害率達(dá)到90.24%。

（2）研制了多功能復(fù)合型解堵劑，具有溶解無機(jī)垢、破乳降黏、解水鎖等多項(xiàng)功能，驅(qū)替污染巖芯后滲透率能提升1.74～2.40 倍。

（3）利用“大液量注入、液氮強(qiáng)頂替、放噴助排”的深度凈化工藝，能夠提高凈化劑在儲(chǔ)層的穿透深度，提高污染物的返排效率。