摘 要 对高温高压气藏使用加重压裂技术存在潜在的储层盐析伤害，降低和防止加重液盐析伤害对提高该类气藏的储层改造增产效果意义重大。为此，采用加重液压后返排过程中盐浓聚变化模拟、现场返排液分析和岩心流动试验，对高温高压气藏增产作业中加重液盐析及其伤害进行了研究。结果表明：①加重液在高温高压气藏增产压裂后返排中存在盐浓聚及其导致的盐析伤害现象，严重时将影响气井增产效果；②产生盐析的主要原因包括加重剂类型及其加量、地层返排温度、压力以及返排速度；③盐析主要发生在压裂缝壁附近和近井裂缝附近；④加重压裂液与普通压裂液交替注入可有效防止和降低盐析产生，采用活性水裂缝闭合清洗可有效解除地层盐析伤害。
关键词 高温高压 气藏温度 压力 增产作业 加重液盐析 地层伤害 预防措施
随着油气勘探开发不断向纵深方向发展，国内相断发现了许多高温高压气藏和凝析气藏，井深大多介于5000～7000m，地层温度介于130～160℃。对于深井、超深井储层改造，常规压裂技术受地面设备和施工压力过高限制，难于压开地层。为解决上述难题，常采用加重压裂技术，即利用加大施工液体密度，增加井筒液柱压力来降低地面施工压力口[1]。加重压裂技术虽然解决了压开气层所面临的技术难题，但忽视了加重液在压裂后返排过程中存在的盐析及其对气层的伤害，盐析伤害严重时将影响气层改造增产效果。
盐析是气层在开发过程中由于压力下降变化而引起地层水或外来液体蒸发，使地层水含量减少，增加了地层水的盐度，当地层残余水盐度超过其临界溶解度时产生盐结晶析出的现象。盐结晶颗粒将占据储层部分孔隙空间，缩小储层有效孔喉半径，引起储层渗透率降低，使油气产量下降。近年来，盐析现象在高温油气藏开发过程中已开始引起重视[2]，但对于高温高压气藏增产作业中所用加重液盐析现象及其产生的地层伤害则尚未予以重视。在储层增产中，施工液流人流出对地层温度和压力变化造成较大的影响，尤其是高盐度的液体进入地层后，除与地层和地层流体接触产生各种反应外，在施工后排液过程中受地层压力和温度变化，往往在裂缝壁面附近和近井地带产生盐析，影响储层改造增产效果。
1盐析过程及其伤害
1.1增产作业中使用的加重剂
根据施工储层的压力系数和目前地面压裂设备，决定施工液体加重液选择，其密度主要由高密度无机盐加重剂溶液进行调节。其中压裂液加重剂主要选择有KCl、NaCl、KBr、NaBr、NaNO3等易溶的钾盐和钠盐类；酸液加重剂大多选用CaCl2、CaBr2等易溶的钙盐，主要是Ca2+与酸岩反应的Ca2+产生同离子效应，有利降低酸岩反应速率。除考虑加重剂液体溶解度和密度外，同时还考虑加重剂与压裂液和酸液配伍性以及使用过程中的安全性等因素。
1.2 高温高压气井压后排液过程及盐浓聚模型
在高压下加重压裂液和加重酸进入压开的地层裂缝，并沿裂缝面向地层滤失，并经过地层逐渐加温，当施工结束时最先进入地层的液体已接近地层温度。施工结束后随着开井返排，地层的滤液开始流入裂缝再逐步流向井筒返排出地面。
排液过程分为返排初期、中期和后期3个阶段。在各阶段根据滤液相态及流动特征分为滤液蒸发区、过渡区和滤液连续相流动区。将返排液体沿裂缝流动方向划分为若干相同距离的网格单元(图1)，并假设各单元渗透率和孔隙度相同，按各阶段排液特征对返排过程中液体流动和盐浓度变化进行分析。
1.2.1 返排初期
在返排初期，存在着滤液前缘初始蒸发区、过渡区和液相连续流动区。在滤液进入地层最前缘区主要存在气一液混合相，即滤液与地层天然气流体组成的水一烃多组分混合体系，其余滤失区充满高盐度的加重液滤液。受地层加温作用，前缘区滤液温度非常接近地层温度，其温度介于120～140℃。当开井返排时因压力剧集下降，此时前缘区气一液混合相将发生变化，部分滤液中液相蒸发成水蒸气[2-3]，并以气一液体混合相向裂缝流动，使前缘区液相逐步减少，残留液体的盐度增加，并向相邻单元扩散和传输[4-7]，从而增加与此接触过渡区液体的盐度，其余区域滤液仍为连续液相向裂缝流动。
1.2.1.1 蒸发区
1.2.1.2 过渡区
在过渡区除存在蒸发区输送的天然气、水蒸气外，同时存在大量的外来高盐度的滤液，是液体盐浓聚与传递主要区域。假设地层流入、流出单元孔隙和渗透率相同，根据流入流出物质平衡，则盐度浓聚方程为：
1.2.2 返排中期
蒸发区域逐步扩大，液体流动区逐步缩小。蒸发区液体逐渐蒸发，含水饱和度逐渐下降，液体盐度也逐渐增加。当地层降到一定饱和度时，增加了地层气体有效渗透率，当蒸发区液体不再形成连续流动时，单元间盐度扩散减弱，地层滞留液体盐度直接受地层蒸发后含水饱和度的变化影响。
1.2.3 返排后期
滤液区全部为蒸发区，此时液体以就地蒸发作用为主，液体减少而盐浓聚加剧。
1.3 加重液体盐析模拟及对地层伤害
1.3.1 返排过程中盐浓聚及盐析模拟
根据上述分析，返排过程中盐度变化分别按各网格单元经过初始蒸发区、过渡区、后期液相蒸发区，最后至液体返排到地层束缚水饱和度时的盐浓度。
采用以上模拟原则，以KCl、NaN03加重液为例，分析加重液在高温高压气藏增产过程中盐析过程。图2是KCl、NaN03模拟盐浓聚变化和盐析结果图。从图可看出，即使地面使用加重液盐度远低于该溶液的临界饱和溶解度，但在高温地层返排过程中加重液经过逐渐浓聚后极易产生盐析。如采用70g/L的KCl盐水和250g/L的NaN03盐水，20℃时其临界饱和溶解度分别为254.8g/L和467g/L，但在高温地层返排过程中经过逐渐浓聚后，在距裂缝壁附近液体盐度可高达620g/L和2000g/L以上，超过温度110℃时两者的临界饱和盐度(其临界饱和盐度分别为600g/L和1940g/L)，部分盐将从溶液中结晶析出，即产生盐析现象。该浓度低于130℃时两者的临界饱和溶解度，因此当返排温度为130℃时，溶液无盐析现象属于稳定状态。
从地层返排过程盐浓度变化规律看，盐浓度是逐步向裂缝壁方向浓聚增加过程。盐析主要受地层压力和地层温度变化影响。在相同温度下压力越低蒸发速度越快，越易产生盐析现象。在裂缝和井径附近，地层压力下降变化幅度较快，因此盐析主要分布在裂缝壁附近和近井裂缝地带。
从模拟结果分析得出，目前使用的高盐度压裂酸化加重液在高温气藏增产过程中均存在不同程度的盐析现象。因此设计加重液密度时，不仅参考加重剂在地面溶解度及其加量，同时应考虑加重液在地层高温条件下浓聚变化，根据地层条件合理设计加重液密度，以到达既增加井筒液柱压力压开地层，同时又适当减少加重液产生的盐析伤害的目的。
1.3.2 加重压裂液现场“盐析”实例
盐析将造成液体部分盐分丢失，使其密度下降。在现场可通过检测和分析地层返排出液体密度变化分析判断是否存在“盐析”现象。
以某高温高压气井使用加重压裂液施工为例，该井气层井深5300m，地层温度145℃。采用40%加重剂加重瓜胶压裂液，其密度达1.32g/cm3。在最大泵压88 MPa下注入地层总液量632.5m3和陶粒42.8m3。该气井压裂后获得高产气流，增产效果显著。但现场监测压裂后返排出地面液体性能表明，压后液体破胶较彻底，返排液体黏度在3mPa·s。左右，但返排液体密度比压裂前液体密度低0.1～0.2g/cm3，且随返排时间增加返排出的液体密度逐渐下降(图3)。表明该井在储层增产作业过程中已产生了部分盐析造成盐分丢失，使得压后返排液体密度下降。在该地区采用相同加重压裂工艺改造的气井普遍存在类似现象。
现场实例与室内盐析模拟结果一致，说明加重压裂液高温高压气层增产作业过程中极易产生盐析，当盐析现象严重时将影响气层增产效果。
1.3.3 岩心盐析伤害实验
据研究[8-10]，气井在生产过程中初始盐析压力在15～10 MPa，随着压力下降盐析将加剧。盐析颗粒将使储层有效孔喉半径缩小，甚至堵塞孔喉，造成新的地层伤害。
针对加重压裂液在增产过程中的盐析伤害，采用砂岩储层岩心，进行了标准盐水与加重剂盐水的盐析伤害对比实验。
实验程序如下：①测定岩心气体渗透率；②抽空饱和密度为1.05g/cm3的标准盐水；③在温度120℃和压差0.10 MPa下气驱1h；④室温下称重，测气体渗透率K。；⑤重新抽空饱和密度1.30g/cm3的加重盐水；⑥在120℃和压差0.10 MPa下气驱1h；⑦室温下称重，测气体渗透率K2。
实验结果如表1所示，从表1中可以看出：标准盐水伤害率介于35.7%～59.1%，加重液伤害率介于53.4%～80.2%。与标准盐水相比，因加重液产生的盐析使岩心重量增加1.15%～1.74%，岩心伤害率增加了26.3%～33.2%，可见加重液产生的盐析将对地层造成新的伤害。
高温高压气藏增产过程中现场加重液易产生盐析现象，盐析造成的地层伤害往往会被忽视。由于盐析主要在裂缝壁及井径附近，当产生的盐析伤害严重时将影响增产效果。因此防止和减少高温高压气井增产作业过程中盐析伤害，是目前高温高压气井加重压裂增产作业所面临新的技术难题。
2 降低和防止加重液盐析伤害的措施
2.1 合理设计加重液密度
在保障压开地层和施工作业安全前提下，合理设计加重液密度及其加重剂使用量，以此有效减少和控制地层盐析伤害，到达提高增产效果的目的。
2.2交替使用高密度加重液和常规密度低摩阻工作液。可有效防止和减少盐析伤害
对于高温深井必要采用加重压裂液作业时，应先使用加重压裂液压开地层后交替使用加重压裂液和低摩阻常规压裂液，到达高盐度和低盐度盐液体之间稀释作用，以此来减少产生盐析风险。
对于高温高压气井使用加重酸酸化时，同样应考虑采用加重酸与低摩阻活性水或酸交替注人工艺。采用活性水有利于：①降低和稀释进入地层液体盐度，减少盐析发生的可能性；②降低地层温度，减缓酸岩反应速率；③冲洗前期酸岩反应酸不溶物，避免残余酸不溶物剧集、堵塞酸蚀通道，有利后续注入和返排，提高酸蚀导流能力和地层渗流能力。
2.3 优化完善井身结构，加速现有压裂设备引进改造
优化和完善井身管柱结构，减少施工小径管柱造成的液体流动附加摩阻，同时更新压裂设备，满足现场压裂施工需要。目前压裂车组系列难以满足深井超深井压裂施工，需要加速更新压裂设备，满足现场施工需要。通过从井身和压裂设备出发，减少加重液的使用和降低其加量，从而减少盐析造成的地层伤害。
2.4 采用 活性水闭合洗井清洗裂缝和近井附近的盐析形成的“盐垢”
对于因盐析减产和压后效果不理想的气井，利用盐析主要分布在裂缝壁附近和近井裂缝地带的特点，采用活性水闭合清洗技术进行清洗，以解除盐析产生的“盐垢”伤害。
3结论和建议
1)模拟和现场返排结果表明，加重液在高温高压气藏增产作业中极易产生盐析，并对地层造成新的伤害。
2)盐析产生的主要因素有加重剂类型及其加量，地层返排温度，压力以及返排速度。压力下降越快产生的盐析加剧，盐析主要发生在压裂缝壁附近和近井裂缝地带。
3)盐析是由于盐从溶液结晶所致，利用稀释溶解方法，采用活性水闭合洗盐技术可有效解除盐析造成的伤害。
4)目前使用加重液在很大程度上主要是受深井增产过程中施工液体摩阻压力过大所致，因此建议加速开发低摩阻、超低摩阻压裂液和酸液体系，减缓对加重液过分依赖，以达到提高深井、超深井气层储层改造增产效果的目的。
符号说明
Kg为气体渗透率，D；Kw为液体渗透率，D；Sw为含水饱和度；Krg为气体相对渗透率；Krw为液体相对渗透率；Swi为返排后滤液含水饱和度；Sw0为滤液侵入区初始含水饱和度；C0为滤液侵入区加重液初始盐度或矿化度，g／L；Ci为滤液侵入区加重液返排后的盐度或矿化度，g／L；R、r1分别为滤液侵入深度和流入单元距裂缝壁距离，cm；△Sw11、△C11分别为流出单元含水饱和度变化及浓度变化；C10、C20分别为流入单元初始浓度和浓聚后浓度；V,Vi分别为滤液侵入区滤液体积和单元区滤液体积，cm3；φ为储层孔隙度；L为裂缝长度，m；h为裂缝高度，m；Q为液体流量，cm3/s；μ为液体黏度，mPa·s；r为液体距裂缝壁距离，cm；A为滤液流向裂缝横截面积，cm2；△p为滤液流向裂缝压差，MPa；m为模拟网格单元数；m为模拟网格单元数；tN为返排时间，h。
参考文献
[1]程兴生，张福祥，徐敏杰，等. 低成本加重瓜胶压裂液的性能与应用[J]．石油钻采工艺，2011，33(2)：91-93.
[2]汤勇，杜志敏，张哨楠，等．高温气藏近井带地层水蒸发和盐析研究[J]．西南石油大学学报，2007，29(2)：96-99.
[3]石德佩，孙雷，刘建仪，等．高温高压含水凝析气相态特征研究[J]．天然气工业，2006，26(3)：95-97.
[4]李骞，李相方，郭平，等．异常高压凝析气藏物质平衡方程推导[J]．天然气工业，2010，30(5)：58-60.
[5]朱玉新，邵新军，杨思玉，等．克拉2气田异常高压特征及成因[J]．西南石油学院学报，2000，22(4)：9-13.
[6]刘志斌，刘道杰，田中敬．高温高压凝析气藏物质平衡方程的建立——考虑气藏气相水蒸气含量及岩石颗粒的弹性膨胀作用[J]．天然气工业，2011，31(7)：37-39.
[7]BURNETT D B，VEIL J A．Decision and risk analysis study of the injection of desalination by products into oil and gas—producting zones[C]//paper 86526 presented at the SPE Internation Symposium and Exhibition on Formation Damage Control，18-20 February，2004，Lafayette，Louisiana．USA．New York：SPE，2004．
[8]尚希涛，何顺利，李秀生，等．低渗透气藏水相蒸发对气体渗流的影响[J]．天然气工业，2009，29(6)：80-82.
[9]文守成，何顺利，赖必智，等．气田地层结盐机理试验研究及影响因素分析[J]．石油天然气学报：江汉石油学院学报，2009，30(5)：145-147．
[10]ZULUAGA E，MONSALVE J C．Water vaporization in gas reservoirs[C]∥paper 84829 presented at the SPE Eastern Regions/AAPG Eastern Section Joint Meetin9，6-10 September，2003，Pittsburgh，Pennsylvania，USA．New York．SPE，2003.
本文作者：林启才1 林应之2 李建忠1
作者单位：1．中国石油川庆钻探工程公司井下作业公司 2．西南石油大学石油工程学院
您可以选择一种方式赞助本站
支付宝转账赞助
微信转账赞助
- 注解：本资料由会员及群友提供仅供阅读交流学习，不得用于商业用途！
