郭　琦, 卢祥国， 彭占刚, 牛丽伟, 夏　欢

(1.东北石油大学 提高油气采收率教育部重点实验室，黑龙江 大庆 163318； 2.中国石油大庆油田 第一采油厂，黑龙江 大庆 163001；3. 中海石油(中国)有限公司 天津分公司渤海石油研究院，天津300452)



ASP体系对耐碱砂和石英砂裂缝导流能力影响

郭琦1, 卢祥国1， 彭占刚2, 牛丽伟1, 夏欢3

(1.东北石油大学 提高油气采收率教育部重点实验室，黑龙江 大庆 163318； 2.中国石油大庆油田 第一采油厂，黑龙江 大庆 163001；3. 中海石油(中国)有限公司 天津分公司渤海石油研究院，天津300452)

实验研究了三元复合体系对石英砂和耐碱树脂砂充填裂缝导流能力影响。结果表明，与弱碱相比较，强碱对石英砂溶蚀作用较强，颗粒破碎率较高，填砂裂缝导流能力降低幅度较大。与石英砂相比较，碱型对耐碱树脂砂溶蚀作用程度差异较小，对耐碱树脂砂填砂裂缝导流能力影响程度差异不大。随闭合压力增加，石英砂和耐碱树脂砂充填裂缝导流能力下降，但降低幅度逐渐减小。与石英砂相比较，闭合压力对耐碱树脂砂充填裂缝导流能力影响程度较小，裂缝导流能力较大。

三元复合体系；石英砂；耐碱树脂砂；裂缝导流能力；实验评价；机理分析

三元复合驱作为一种较为成熟的提高采收率技术已在大庆、胜利和新疆等油田部分区块投入矿场试验，增油降水效果十分显著。但三元复合驱矿场试验中也出现了诸如强碱造成储层岩石溶蚀、结垢和聚合物滞留引起注采能力下降等问题，这给三元复合驱增油效果带来不利影响[1-2]。与水驱油藏压裂后裂缝中流体为油水不同，三元复合驱油藏压裂后裂缝中为碱/聚合物/表面活性剂/油多元复合体系，ASP体系(ASP)中聚合物和石油磺酸盐类表面活性剂对石英砂类支撑剂颗粒性能影响不大，而碱尤其是强碱NaOH对石英砂颗粒溶蚀作用较强，这给裂缝导流能力和压裂施工效果造成了极大负面影响[3-5]。近年来，为了适应三元复合驱压裂技术需求，一批耐碱型支撑剂陆续投入矿场施工，取得了较好增油降水效果。

水驱和聚合物驱油藏裂缝导流能力及其影响因素研究方面已有大量文献报道[6-8]，但有关三元复合驱油藏耐碱支撑剂裂缝导流能力及其影响因素方面的研究工作还鲜见相应文献报道。本文以油藏工程、物理化学和高分子材料学等为理论指导，以仪器分析、化学分析和物理模拟等为技术手段，以大庆萨尔图油田油藏地质和流体性质为实验平台，开展了三元复合体系对石英砂和耐碱树脂砂充填裂缝导流能力影响实验研究，其研究成果对矿场技术决策和参数优化具有重要参考价值。

1　实验部分

1.1实验材料

聚合物为大庆炼化公司生产部分水解聚丙烯酰胺，相对分子质量为1 900×104(简称“高分”聚合物)，固含量为88%，表面活性剂为重烷基苯石油磺酸盐，由大庆油田东昊公司生产，有效质量分数为50%。碱包括强碱和弱碱，其中强碱为NaOH溶液，有效质量分数为30%，弱碱为Na2CO3固体，有效质量分数99.5%。实验用水为大庆油田采油一厂注入污水，水质分析见表1。

表1　水质分析

支撑剂包括石英砂和耐碱树脂砂，其中树脂固化剂为亲水性双酚A环氧树脂+中温固化潜伏型固化剂。前者由大庆油田采油一厂工程技术大队提供，后者由大庆井下作业公司提供。实验前对两种支撑剂进行筛析，确保粒径范围在20～40目。

1.2仪器设备和实验原理

1.2.1仪器设备采用DV-Ⅱ型布氏黏度仪测试三元复合体系黏度。采用FCES-100型导流仪评价填砂裂缝导流能力，该仪器包括API标准导流室和岩心夹持器等部件。实验按照API操作规程进行。

1.2.2实验原理填砂裂缝渗透率测试依据达西定律：

(1)

式中，k为填砂裂缝渗透率，μm2；Q为裂缝内流量，mL/s；μ为流体黏度，mPa·s；L为裂缝长度，cm；A为填砂裂缝截面积，cm2；Δp为裂缝两端压差，kPa。

裂缝导流能力计算公式：

(2)

式中，Wf为裂缝缝宽，cm；Q为裂缝内流量，mL/min；其它参数同式(1)。

2　结果分析

2.1碱对两类支撑剂抗压能力的影响

在填砂质量浓度为10 kg/m2和闭合压力从10 MPa逐渐增至50 MPa条件下，让三元复合体系(CP=2 000 mg/L，CS=0.3%，CA=0.4%～1.6%)通过填砂裂缝。当注入压力达到稳定后，取出支撑剂，热蒸馏水清洗、烘干、并用40目筛子进行筛析。能通过筛子颗粒为破碎颗粒，否则，为未破碎颗粒。破碎颗粒质量占总质量的百分数称之为破碎率，两类支撑剂破碎率计算结果见表2。

表2　支撑剂破碎率

从表2中可以看出，碱质量分数、碱类型和支撑剂类型对破碎率存在影响。在碱质量分数和支撑剂类型相同条件下，强碱三元体系作用后支撑剂破碎率高于弱碱三元体系的值。在碱质量分数和碱类型相同条件下，石英砂破碎率明显大于耐碱树脂砂的值。无碱的情况下，两种支撑剂的破碎率明显小于碱性条件下的破碎率，且随着碱质量分数的增大，石英砂破碎率增幅在10%以内，耐碱树脂砂增幅在4%以内，说明耐碱树脂砂的抗碱蚀性较强。 随碱质量分数增加，两类支撑剂颗粒受到碱溶蚀作用增强，破碎率增加，但增幅不大。原因分析表明，石英砂是脆性材料，颗粒之间是点与点接触，在闭合压力50 MPa时易产生点载荷脆性破碎；与石英砂不同，因为表面树脂膜的存在，导致其相互间的接触为面积接触，颗粒受到负荷变小，破碎率较小[11]。进一步分析发现，强碱质量分数对耐碱树脂砂破碎率也存在影响，但影响程度不大。耐碱树脂砂外表包裹树脂为改性双酚A环氧树脂加中温潜伏型固化剂固化[12]，具有优良的耐碱性能。但在50 MPa和45 ℃条件下，强碱仍然能削弱树脂层抗压能力，韧性降低，进而造成破碎率增加。

2.2裂缝导流能力及其影响因素

2.2.1石英砂充填裂缝

(1) 闭合压力的影响

在填砂质量浓度为10 kg/m2和闭合压力10～50 MPa条件下，三元复合体系(CP=2 000 mg/L，CS=0.3%，CA=1.2%)通过填砂裂缝后导流能力与闭合压力关系见图1。从图1中可以看出，随闭合压力增加，裂缝导流能力下降，但降低幅度逐渐减小。这是因为，闭合压力愈高，石英砂颗粒破碎率愈高，填砂裂缝渗透率愈低，因而裂缝导流愈低。与强碱三元复合体系相比较，弱碱三元复合体系作用下裂缝导流能力较高。这是因为，强碱对石英砂溶蚀作用较强，颗粒破碎率较大(见表2)，渗透率降低幅度较大。此外，强碱与石英砂作用后会生成硅酸钠水溶液，它是一种矿物黏合剂，对石英砂颗粒有一定黏合作用，使得渗透率进一步减小。

图1　裂缝导流能力与闭合压力关系

Fig.1Relationship between fracture flow conductivity and closed pressure

(2) 碱质量分数的影响

在闭合压力为10～50 MPa下，让强碱三元复合体系(CP=2 000 mg/L，CS=0.3%，CA=0.4%～1.6%)通过填砂裂缝(10 kg/m2)，裂缝导流能力与碱质量分数关系见图2。从图2中可以看出，随强碱质量分数增加，裂缝导流能力降低，但降低幅度逐渐减小。随闭合压力增加，裂缝导流能力降低，但降低幅度逐渐减小。例如，当闭合压力达到30～50 MPa时，裂缝导流能力变化逐渐趋于平缓。原因分析表明，由于裂缝中支撑剂是以大小颗粒混合方式排列，大颗粒与大颗粒相互支撑，小颗粒充填在大颗粒之间孔隙中。支撑剂破碎率随闭合压力升高而大幅度增加(见图1)，此时破碎颗粒填充次大颗粒孔隙之间，颗粒均匀程度增加，但抗压能力也相应增强[9]。

图2　裂缝导流能力与碱质量分数关系

Fig.2Relation between diversion capacity and alkali concentration

2.2.2树脂砂充填裂缝

(1) 闭合压力的影响

在填砂质量浓度为10 kg/m2和闭合压力10～50 MPa条件下，三元复合体系(CP=2 000 mg/L，CS=0.3%，CA=1.2%)通过填砂裂缝后导流能力与闭合压力关系见图3。

图3　树脂砂填充裂缝导流能力与闭合压力关系

Fig.3Relationship between fracture flow conductivity and closed pressure

从图3中可以看出，与石英砂充填裂缝相似(见图1)，随闭合压力增加，耐碱树脂砂充填裂缝导流能力下降，但降低幅度逐渐减小。原因分析表明，随闭合压力增加，耐碱树脂砂破碎率增加，导致裂缝宽度减小，导流能力降低。但随闭合压力增加，部分大直径颗粒破碎导致裂缝内颗粒分布更加均匀，单个颗粒受力强度降低。当再增加闭合压力时，导流能力降低幅度减小。在闭合压力相同条件下，弱碱和强碱三元复合体系对填砂裂缝导流能力影响差异程度。这是因为在油藏温度条件下裂缝中耐碱树脂砂会发生固化作用，形成具有三维网状结构高聚物，该物质具有良好稳定性[10-12]。

(2) 碱质量分数的影响

在裂缝填砂质量浓度为10 kg/m2和闭合压力为10～50 MPa条件下，让不同碱质量分数三元复合体系通过填砂裂缝。裂缝导流能力与碱质量分数关系见图4。

图4　树脂砂填充裂缝导流能力与碱质量分数关系

Fig.4Relation between fracture conductivity and alkali concentration

从图4中可以看出，与石英砂充填裂缝相似(见图2)，在碱质量分数相同条件下，随闭合压力增加，耐碱树脂砂充填裂缝导流能力下降，但降低幅度逐渐减小。在闭合压力相同条件下，随碱质量分数增加，裂缝导流能力降低，但降低幅度逐渐减小。

2.3两种支撑剂作用机理分析

石英砂和耐碱树脂砂充填裂缝导流能力对比见图5。从图5中可以看出，在碱和闭合压力相同条件下，耐碱树脂砂充填裂缝导流能力要远高于石英砂充填裂缝的导流能力。随碱质量分数增加，耐碱树脂砂充填裂缝导流能力与石英砂充填裂缝导流能力差异呈现增大趋势。分析表明，耐碱树脂砂能保持较高导流能力原理是，在压裂施工之后，较大树脂层面能分散闭合压力，使点负荷减少，即便石英砂被压碎了，外部树脂膜也能防止碎块和微粒运移和形成桥堵，进而影响裂缝导流能力。

图5　裂缝导流能力差异对比

Fig.5Comparison of the difference of fracture flow conductivity

3　结论

(1)与弱碱相比较，强碱对石英砂溶蚀作用较强，颗粒破碎率较高，填砂裂缝导流能力降低幅度较大。与石英砂相比较，碱型对耐碱树脂砂溶蚀作用程度差异较小，因而碱型对耐碱树脂砂填砂裂缝导流能力影响程度差异不大。

(2) 随闭合压力增加，石英砂和耐碱树脂砂充填裂缝导流能力下降，但降低幅度逐渐减小。与石英砂相比较，闭合压力对耐碱树脂砂充填裂缝导流能力影响程度较小，裂缝导流能力较大。

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(编辑王亚新)

Effect of ASP System on Alkali Sand and Quartz Sand Fracture Conductivity

Guo Qi1, Lu Xiangguo1, Peng Zhangang2, Niu Liwei1, Xia Huan3

(1.KeyLaboratoryofEnhancedOilandGasRecovery(MinistryofEducation),NortheastPetroleumUniversity,DaqingHeilongjiang163318,China; 2.The1stOilProductionFactory,DaqingOilfieldCompany,Ltd.,DaqingHeilongjiang163001,China；3.ResearchInstituteofBohaiOilfield,TianjinBranch,CNOOC,Tianjin300452，China)

Influence of ASP system on the fracture conductivity of alkali-resistance resin sands and quartz sands was studied. The results showed that compared with the weak base, the dissolution of strong base on the quartz sands was more serious. And the damage percentage of the particles was higher. Therefore the reduction of conductivity of fractures packed with sands was larger. Compared with quartz sands, there was little difference between the dissolution of weak base on the alkali-resistance resin sands and that of weak base on the alkali-resistance resin sands. So it was the same to conductivity. With the increase of closing pressure, the conductivity of quartz sands and alkali-resistance resin sands were both weakened. But the reduction degree became gradually small. Compared with quartz sands, the influence of closing pressure on the conductivity of fractures packed with alkali-resistance resin sands was weak. And the fracture conductivity capacity was stronger.

ASP system; Quartz sands; Alkali-resistance resin sands; Fracture conductivity capacity; Experiment evaluation; Mechanism analysis

1006-396X(2016)04-0057-05投稿网址：http://journal.lnpu.edu.cn

2016-01-05

2016-05-27

中石油大庆油田重点科技攻关课题“三元复合体系对水井注入能力影响实验研究”(DQYT-0501002-2013-JS)。

郭琦(1990-)，男，硕士研究生，从事提高油气采收率、油田化学方面研究，E-mail: gq6503406@qq.com。

卢祥国(1960-)，男，博士，教授，博士生导师，从事油藏工程和提高采收率研究；E-mail: luxiangg2003@yahoo.com.cn。

TE357.1

Adoi:10.3969/j.issn.1006-396X.2016.04.012