加重液在高溫高壓氣藏增產作業中的鹽析傷害及預防措施

摘 要

摘 要 對高溫高壓氣藏使用加重壓裂技術存在潛在的儲層鹽析傷害，降低和防止加重液鹽析傷害對提高該類氣藏的儲層改造增產效果意義重大。為此，采用加重液壓后返排過程中鹽濃
    摘 要 對高溫高壓氣藏使用加重壓裂技術存在潛在的儲層鹽析傷害，降低和防止加重液鹽析傷害對提高該類氣藏的儲層改造增產效果意義重大。為此，采用加重液壓后返排過程中鹽濃聚變化模擬、現場返排液分析和巖心流動試驗，對高溫高壓氣藏增產作業中加重液鹽析及其傷害進行了研究。結果表明：①加重液在高溫高壓氣藏增產壓裂后返排中存在鹽濃聚及其導致的鹽析傷害現象，嚴重時將影響氣井增產效果；②產生鹽析的主要原因包括加重劑類型及其加量、地層返排溫度、壓力以及返排速度；③鹽析主要發生在壓裂縫壁附近和近井裂縫附近；④加重壓裂液與普通壓裂液交替注入可有效防止和降低鹽析產生，采用活性水裂縫閉合清洗可有效解除地層鹽析傷害。
    關鍵詞 高溫高壓 氣藏溫度 壓力 增產作業 加重液鹽析 地層傷害 預防措施
 
隨著油氣勘探開發不斷向縱深方向發展，國內相斷發現了許多高溫高壓氣藏和凝析氣藏，井深大多介于5000～7000m，地層溫度介于130～160℃。對于深井、超深井儲層改造，常規壓裂技術受地面設備和施工壓力過高限制，難于壓開地層。為解決上述難題，常采用加重壓裂技術，即利用加大施工液體密度，增加井筒液柱壓力來降低地面施工壓力口[1]。加重壓裂技術雖然解決了壓開氣層所面臨的技術難題，但忽視了加重液在壓裂后返排過程中存在的鹽析及其對氣層的傷害，鹽析傷害嚴重時將影響氣層改造增產效果。
鹽析是氣層在開發過程中由于壓力下降變化而引起地層水或外來液體蒸發，使地層水含量減少，增加了地層水的鹽度，當地層殘余水鹽度超過其臨界溶解度時產生鹽結晶析出的現象。鹽結晶顆粒將占據儲層部分孔隙空間，縮小儲層有效孔喉半徑，引起儲層滲透率降低，使油氣產量下降。近年來，鹽析現象在高溫油氣藏開發過程中已開始引起重視[2]，但對于高溫高壓氣藏增產作業中所用加重液鹽析現象及其產生的地層傷害則尚未予以重視。在儲層增產中，施工液流人流出對地層溫度和壓力變化造成較大的影響，尤其是高鹽度的液體進入地層后，除與地層和地層流體接觸產生各種反應外，在施工后排液過程中受地層壓力和溫度變化，往往在裂縫壁面附近和近井地帶產生鹽析，影響儲層改造增產效果。
1鹽析過程及其傷害
1.1增產作業中使用的加重劑
    根據施工儲層的壓力系數和目前地面壓裂設備，決定施工液體加重液選擇，其密度主要由高密度無機鹽加重劑溶液進行調節。其中壓裂液加重劑主要選擇有KCl、NaCl、KBr、NaBr、NaNO3等易溶的鉀鹽和鈉鹽類；酸液加重劑大多選用CaCl2、CaBr2等易溶的鈣鹽，主要是Ca2+與酸巖反應的Ca2+產生同離子效應，有利降低酸巖反應速率。除考慮加重劑液體溶解度和密度外，同時還考慮加重劑與壓裂液和酸液配伍性以及使用過程中的安全性等因素。
1.2 高溫高壓氣井壓后排液過程及鹽濃聚模型
    在高壓下加重壓裂液和加重酸進入壓開的地層裂縫，并沿裂縫面向地層濾失，并經過地層逐漸加溫，當施工結束時最先進入地層的液體已接近地層溫度。施工結束后隨著開井返排，地層的濾液開始流入裂縫再逐步流向井筒返排出地面。

    排液過程分為返排初期、中期和后期3個階段。在各階段根據濾液相態及流動特征分為濾液蒸發區、過渡區和濾液連續相流動區。將返排液體沿裂縫流動方向劃分為若干相同距離的網格單元(圖1)，并假設各單元滲透率和孔隙度相同，按各階段排液特征對返排過程中液體流動和鹽濃度變化進行分析。
1.2.1 返排初期
    在返排初期，存在著濾液前緣初始蒸發區、過渡區和液相連續流動區。在濾液進入地層最前緣區主要存在氣一液混合相，即濾液與地層天然氣流體組成的水一烴多組分混合體系，其余濾失區充滿高鹽度的加重液濾液。受地層加溫作用，前緣區濾液溫度非常接近地層溫度，其溫度介于120～140℃。當開井返排時因壓力劇集下降，此時前緣區氣一液混合相將發生變化，部分濾液中液相蒸發成水蒸氣[2-3]，并以氣一液體混合相向裂縫流動，使前緣區液相逐步減少，殘留液體的鹽度增加，并向相鄰單元擴散和傳輸[4-7]，從而增加與此接觸過渡區液體的鹽度，其余區域濾液仍為連續液相向裂縫流動。
1.2.1.1 蒸發區

1.2.1.2 過渡區
    在過渡區除存在蒸發區輸送的天然氣、水蒸氣外，同時存在大量的外來高鹽度的濾液，是液體鹽濃聚與傳遞主要區域。假設地層流入、流出單元孔隙和滲透率相同，根據流入流出物質平衡，則鹽度濃聚方程為：
 

 

1.2.2 返排中期
    蒸發區域逐步擴大，液體流動區逐步縮小。蒸發區液體逐漸蒸發，含水飽和度逐漸下降，液體鹽度也逐漸增加。當地層降到一定飽和度時，增加了地層氣體有效滲透率，當蒸發區液體不再形成連續流動時，單元間鹽度擴散減弱，地層滯留液體鹽度直接受地層蒸發后含水飽和度的變化影響。
1.2.3 返排后期
    濾液區全部為蒸發區，此時液體以就地蒸發作用為主，液體減少而鹽濃聚加劇。
1.3 加重液體鹽析模擬及對地層傷害
1.3.1 返排過程中鹽濃聚及鹽析模擬

    根據上述分析，返排過程中鹽度變化分別按各網格單元經過初始蒸發區、過渡區、后期液相蒸發區，最后至液體返排到地層束縛水飽和度時的鹽濃度。
    采用以上模擬原則，以KCl、NaN03加重液為例，分析加重液在高溫高壓氣藏增產過程中鹽析過程。圖2是KCl、NaN03模擬鹽濃聚變化和鹽析結果圖。從圖可看出，即使地面使用加重液鹽度遠低于該溶液的臨界飽和溶解度，但在高溫地層返排過程中加重液經過逐漸濃聚后極易產生鹽析。如采用70g/L的KCl鹽水和250g/L的NaN03鹽水，20℃時其臨界飽和溶解度分別為254.8g/L和467g/L，但在高溫地層返排過程中經過逐漸濃聚后，在距裂縫壁附近液體鹽度可高達620g/L和2000g/L以上，超過溫度110℃時兩者的臨界飽和鹽度(其臨界飽和鹽度分別為600g/L和1940g/L)，部分鹽將從溶液中結晶析出，即產生鹽析現象。該濃度低于130℃時兩者的臨界飽和溶解度，因此當返排溫度為130℃時，溶液無鹽析現象屬于穩定狀態。
    從地層返排過程鹽濃度變化規律看，鹽濃度是逐步向裂縫壁方向濃聚增加過程。鹽析主要受地層壓力和地層溫度變化影響。在相同溫度下壓力越低蒸發速度越快，越易產生鹽析現象。在裂縫和井徑附近，地層壓力下降變化幅度較快，因此鹽析主要分布在裂縫壁附近和近井裂縫地帶。
    從模擬結果分析得出，目前使用的高鹽度壓裂酸化加重液在高溫氣藏增產過程中均存在不同程度的鹽析現象。因此設計加重液密度時，不僅參考加重劑在地面溶解度及其加量，同時應考慮加重液在地層高溫條件下濃聚變化，根據地層條件合理設計加重液密度，以到達既增加井筒液柱壓力壓開地層，同時又適當減少加重液產生的鹽析傷害的目的。
1.3.2 加重壓裂液現場“鹽析”實例

    鹽析將造成液體部分鹽分丟失，使其密度下降。在現場可通過檢測和分析地層返排出液體密度變化分析判斷是否存在“鹽析”現象。
    以某高溫高壓氣井使用加重壓裂液施工為例，該井氣層井深5300m，地層溫度145℃。采用40%加重劑加重瓜膠壓裂液，其密度達1.32g/cm3。在最大泵壓88 MPa下注入地層總液量632.5m3和陶粒42.8m3。該氣井壓裂后獲得高產氣流，增產效果顯著。但現場監測壓裂后返排出地面液體性能表明，壓后液體破膠較徹底，返排液體黏度在3mPa·s。左右，但返排液體密度比壓裂前液體密度低0.1～0.2g/cm3，且隨返排時間增加返排出的液體密度逐漸下降(圖3)。表明該井在儲層增產作業過程中已產生了部分鹽析造成鹽分丟失，使得壓后返排液體密度下降。在該地區采用相同加重壓裂工藝改造的氣井普遍存在類似現象。
現場實例與室內鹽析模擬結果一致，說明加重壓裂液高溫高壓氣層增產作業過程中極易產生鹽析，當鹽析現象嚴重時將影響氣層增產效果。
1.3.3 巖心鹽析傷害實驗
    據研究[8-10]，氣井在生產過程中初始鹽析壓力在15～10 MPa，隨著壓力下降鹽析將加劇。鹽析顆粒將使儲層有效孔喉半徑縮小，甚至堵塞孔喉，造成新的地層傷害。
    針對加重壓裂液在增產過程中的鹽析傷害，采用砂巖儲層巖心，進行了標準鹽水與加重劑鹽水的鹽析傷害對比實驗。
    實驗程序如下：①測定巖心氣體滲透率；②抽空飽和密度為1.05g/cm3的標準鹽水；③在溫度120℃和壓差0.10 MPa下氣驅1h；④室溫下稱重，測氣體滲透率K。；⑤重新抽空飽和密度1.30g/cm3的加重鹽水；⑥在120℃和壓差0.10 MPa下氣驅1h；⑦室溫下稱重，測氣體滲透率K2。 
    實驗結果如表1所示，從表1中可以看出：標準鹽水傷害率介于35.7%～59.1%，加重液傷害率介于53.4%～80.2%。與標準鹽水相比，因加重液產生的鹽析使巖心重量增加1.15%～1.74%，巖心傷害率增加了26.3%～33.2%，可見加重液產生的鹽析將對地層造成新的傷害。  
高溫高壓氣藏增產過程中現場加重液易產生鹽析現象，鹽析造成的地層傷害往往會被忽視。由于鹽析主要在裂縫壁及井徑附近，當產生的鹽析傷害嚴重時將影響增產效果。因此防止和減少高溫高壓氣井增產作業過程中鹽析傷害，是目前高溫高壓氣井加重壓裂增產作業所面臨新的技術難題。
2 降低和防止加重液鹽析傷害的措施
2.1 合理設計加重液密度
    在保障壓開地層和施工作業安全前提下，合理設計加重液密度及其加重劑使用量，以此有效減少和控制地層鹽析傷害，到達提高增產效果的目的。
2.2交替使用高密度加重液和常規密度低摩阻工作液。可有效防止和減少鹽析傷害
    對于高溫深井必要采用加重壓裂液作業時，應先使用加重壓裂液壓開地層后交替使用加重壓裂液和低摩阻常規壓裂液，到達高鹽度和低鹽度鹽液體之間稀釋作用，以此來減少產生鹽析風險。
    對于高溫高壓氣井使用加重酸酸化時，同樣應考慮采用加重酸與低摩阻活性水或酸交替注人工藝。采用活性水有利于：①降低和稀釋進入地層液體鹽度，減少鹽析發生的可能性；②降低地層溫度，減緩酸巖反應速率；③沖洗前期酸巖反應酸不溶物，避免殘余酸不溶物劇集、堵塞酸蝕通道，有利后續注入和返排，提高酸蝕導流能力和地層滲流能力。
2.3 優化完善井身結構，加速現有壓裂設備引進改造
    優化和完善井身管柱結構，減少施工小徑管柱造成的液體流動附加摩阻，同時更新壓裂設備，滿足現場壓裂施工需要。目前壓裂車組系列難以滿足深井超深井壓裂施工，需要加速更新壓裂設備，滿足現場施工需要。通過從井身和壓裂設備出發，減少加重液的使用和降低其加量，從而減少鹽析造成的地層傷害。
2.4 采用 活性水閉合洗井清洗裂縫和近井附近的鹽析形成的“鹽垢”
    對于因鹽析減產和壓后效果不理想的氣井，利用鹽析主要分布在裂縫壁附近和近井裂縫地帶的特點，采用活性水閉合清洗技術進行清洗，以解除鹽析產生的“鹽垢”傷害。
3結論和建議
    1)模擬和現場返排結果表明，加重液在高溫高壓氣藏增產作業中極易產生鹽析，并對地層造成新的傷害。
   2)鹽析產生的主要因素有加重劑類型及其加量，地層返排溫度，壓力以及返排速度。壓力下降越快產生的鹽析加劇，鹽析主要發生在壓裂縫壁附近和近井裂縫地帶。
   3)鹽析是由于鹽從溶液結晶所致，利用稀釋溶解方法，采用活性水閉合洗鹽技術可有效解除鹽析造成的傷害。
   4)目前使用加重液在很大程度上主要是受深井增產過程中施工液體摩阻壓力過大所致，因此建議加速開發低摩阻、超低摩阻壓裂液和酸液體系，減緩對加重液過分依賴，以達到提高深井、超深井氣層儲層改造增產效果的目的。
 
符號說明
Kg為氣體滲透率，D；Kw為液體滲透率，D；Sw為含水飽和度；Krg為氣體相對滲透率；Krw為液體相對滲透率；Swi為返排后濾液含水飽和度；Sw0為濾液侵入區初始含水飽和度；C0為濾液侵入區加重液初始鹽度或礦化度，g／L；Ci為濾液侵入區加重液返排后的鹽度或礦化度，g／L；R、r1分別為濾液侵入深度和流入單元距裂縫壁距離，cm；△Sw11、△C11分別為流出單元含水飽和度變化及濃度變化；C10、C20分別為流入單元初始濃度和濃聚后濃度；V,Vi分別為濾液侵入區濾液體積和單元區濾液體積，cm3；φ為儲層孔隙度；L為裂縫長度，m；h為裂縫高度，m；Q為液體流量，cm3/s；μ為液體黏度，mPa·s；r為液體距裂縫壁距離，cm；A為濾液流向裂縫橫截面積，cm2；△p為濾液流向裂縫壓差，MPa；m為模擬網格單元數；m為模擬網格單元數；tN為返排時間，h。
 
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本文作者：林啟才1 林應之2 李建忠1
作者單位：1．中國石油川慶鉆探工程公司井下作業公司 2．西南石油大學石油工程學院