低腐蝕自生熱壓裂液體系的室內(nèi)研究

甄延忠， 營(yíng)虎虎， 韓 進(jìn)， 吳東兵

(1.延安大學(xué) 能源與環(huán)境工程學(xué)院，陜西 延安 716000； 2.延長(zhǎng)油田股份有限公司 化驗(yàn)中心， 陜西 延安 716000)

0 引言

壓裂技術(shù)作為改造低滲透油氣層，提高產(chǎn)能的一種有效手段已成為油田穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)的主要措施之一.目前現(xiàn)場(chǎng)施工使用的壓裂液主要為水基壓裂液，但是水基壓裂液存在破膠不徹底，造成了返排率低，殘留在地層的有機(jī)物，對(duì)儲(chǔ)層造成了“二次傷害”的問(wèn)題[1-3]，因此，改善常規(guī)水基壓裂液的低溫破膠和低壓返排性能，已成為提高低壓低滲透油氣藏壓裂施工效果的關(guān)鍵.

目前，解決壓裂液破膠不徹底的辦法有：將常見(jiàn)氧化型破膠劑改為膠囊破膠劑或酶破膠劑[4-6]，但是膠囊破膠劑可能造成破膠延遲，破膠時(shí)間不好控制；酶破膠劑雖然效果很好，但價(jià)格昂貴，經(jīng)濟(jì)效益降低，同時(shí)也可能影響攜砂效果.

其實(shí)造成壓裂液破膠不徹底的主要原因是破膠溫度過(guò)低.我們常見(jiàn)到的破膠劑有過(guò)硫酸銨或過(guò)硫酸鉀等過(guò)硫酸鹽，這些破膠劑一般在溫度高于50 ℃時(shí)才能激活，進(jìn)而使壓裂液破膠.然而對(duì)于一些油井，由于埋藏淺、地層溫度非常低，根本達(dá)不到破膠劑的破膠溫度，導(dǎo)致了壓裂破膠效果差[7,8]，所以提高地層溫度才能有效地提高破膠效率，提高壓裂液返排率.

自生熱壓裂技術(shù)可以通過(guò)化學(xué)反應(yīng)加熱油層的近井地帶，使其地層溫度大幅度升高，改善壓裂液破膠效果，同時(shí)解除油層的有機(jī)物堵、水堵、高界面張力堵等，降低了原油粘度，提高了裂縫導(dǎo)流能力.另外，反應(yīng)放出的大量高溫氣體能進(jìn)入液體進(jìn)不去的孔隙，沖散“架橋”，破壞毛細(xì)管阻力，解放出油孔隙，從而提高滲流能力，提高油井產(chǎn)能，同時(shí)放出的氣體會(huì)對(duì)壓裂液形成反頂作用，使得施工結(jié)束后，壓裂液返出油層量增多，從而達(dá)到提高油井壓裂殘液返排率，降低污染，提高原油滲流能力，提高油井產(chǎn)能的目的[9-14].

目前自生熱壓裂技術(shù)用到的自生熱體系主要為亞硝酸鹽與銨鹽生熱體系，但是亞硝酸鈉與銨鹽生熱體系經(jīng)常用HCl作為激活劑，在施工時(shí)HCl總是不能及時(shí)返排或徹底返排，對(duì)地層造成傷害，同時(shí)剩余的乏酸對(duì)油桿、抽油泵等都會(huì)產(chǎn)生腐蝕.

我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)室研究，得到了代號(hào)分別為激活劑Ⅰ和激活劑Ⅱ的自生熱體系激活劑，將濃度分別為1%的激活劑Ⅰ和激活劑Ⅱ復(fù)配體系加入自生熱壓裂液體系中.研究表明：自生熱的生熱峰值就能夠滿足過(guò)硫酸鹽分解溫度的要求，增強(qiáng)了破膠劑的活性，使壓裂液的破膠速度加快.同時(shí)自生熱體系的腐蝕性大幅下降，腐蝕速率僅為0.048 5 g·(m2·h)-1，比同體積HCl、草酸激活劑的腐蝕速率明顯降低.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 儀器與試劑

儀器：精密增力電動(dòng)攪拌器(型號(hào)：JJ-1)，常州國(guó)華電氣有限公司生產(chǎn)；電子天平(0.000 1 g)，賽多利斯科學(xué)儀器(北京)有限公司生產(chǎn)；三頸燒瓶(100 mL，天玻牌)；量筒(500 mL，天玻牌)；博勒飛DV-Ⅲ流變儀，美國(guó)Brookfield公司生產(chǎn)；煤油溫度計(jì)；秒表；化學(xué)生熱反應(yīng)器(自制).

試劑：NaNO2(分析純)，天津市博迪化工有限公司；MnO2、NH4Cl(分析純)，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司； 30% H2O2(分析純)，西安化學(xué)試劑廠；草酸(分析純)，天津市耀華化學(xué)試劑有限責(zé)任公司；37% HCl(優(yōu)級(jí)純)，開(kāi)封東大化工(集團(tuán))有限公司試劑廠；四硼酸鈉(分析純)，天津市科密歐化學(xué)試劑開(kāi)發(fā)中心；激活劑Ⅰ、激活劑Ⅱ(自制)；羥丙基胍爾膠、過(guò)硫酸銨(工業(yè)級(jí)).

1.2 化學(xué)生熱的實(shí)驗(yàn)方法

配制一定濃度的反應(yīng)物溶液100 mL，將催化劑加到反應(yīng)物溶液中，轉(zhuǎn)入自制化學(xué)生熱反應(yīng)器中，同時(shí)記下時(shí)間，低速攪拌，并記錄生熱峰值及達(dá)到峰值所需時(shí)間.

1.3 壓裂液配伍性的實(shí)驗(yàn)方法

將一定量自生熱增能體系加入壓裂液的各種添加劑中, 靜置24小時(shí)，觀察混合體系是否分層或有新物質(zhì)生產(chǎn)，如有則說(shuō)明配伍性較差.

1.4 腐蝕性能的測(cè)試方法

參照SY/T 5405-1996《酸化用緩蝕劑性能試驗(yàn)方法及評(píng)價(jià)指標(biāo)》的評(píng)價(jià)方法，采用靜態(tài)掛片進(jìn)行評(píng)價(jià).

2 結(jié)果與討論

2.1 激活劑的篩選

參照《酸化用緩蝕劑性能試驗(yàn)方法及評(píng)價(jià)指標(biāo)》中緩蝕率的評(píng)價(jià)方法，采用靜態(tài)掛片進(jìn)行對(duì)使用不同激活劑時(shí)自身熱體系的腐蝕性進(jìn)行了研究.實(shí)驗(yàn)選用了N80鋼片.實(shí)驗(yàn)過(guò)程為:把N80鋼片將試片用尼龍繩懸掛置于自身熱體系中，腐蝕24 h，將掛片取出用水沖洗，再依次用丙酮、無(wú)水乙醇反復(fù)清洗除去腐蝕產(chǎn)物，干燥稱量，計(jì)算鋼片的腐蝕速度.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1.

表1 反應(yīng)物濃度與生熱溫度峰值的關(guān)系

由表1可以看出：H2O2自生熱體系中，由于H2O2能夠電離出H+，且有O2產(chǎn)生，所以其腐蝕速率為0.158 93 g·(m2·h)-1，高于NaNO2+NH4Cl體系.

NaNO2+NH4Cl體系中分別選用了HCl、草酸、以及自制的代號(hào)為激活劑Ⅰ和激活劑Ⅱ作為反應(yīng)體系的激活劑.研究表明：選用草酸作為激活劑時(shí)腐蝕速率為0.093 78 g·(m2·h)-1，低于HCl為激活劑時(shí)的腐蝕率，同時(shí)體系的生熱溫度峰值和達(dá)到峰值的時(shí)間基本保持不變，說(shuō)明使用草酸的效果好于HCl；選用激活劑Ⅰ和激活劑Ⅱ時(shí)，自生熱體系的腐蝕速率分別為0.08 216 g·(m2·h)-1和0.083 16 g·(m2·h)-1，低于草酸的腐蝕性;將激活劑Ⅰ和激活劑Ⅱ進(jìn)行復(fù)配，我們發(fā)現(xiàn)自生熱體系的腐蝕性大幅下降，腐蝕速率僅為0.048 5 g·(m2·h)-1，而且到達(dá)溫度峰值的時(shí)間也減少為15 min，其主要原因是：對(duì)激活劑Ⅰ和激活劑Ⅱ進(jìn)行復(fù)配后，由于兩種激活劑的協(xié)同效應(yīng)，使復(fù)配后的使用效果提高.因此，我們選用自制的激活劑Ⅰ和激活劑Ⅱ復(fù)配體系為自生熱體系的激活劑.

2.2 生熱體系篩選

實(shí)驗(yàn)選擇NaNO2與NH4Cl為生熱體系，研究了生熱劑含量、激活劑濃度與生熱性能的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2.

表2 NaNO2與NH4Cl生熱體系中生熱劑含量、激活劑濃度對(duì)生熱性能的影響

從表2可以看出，隨著反應(yīng)物濃度的增大，生熱速率迅速增大，生熱溫度峰值升高，達(dá)到峰值時(shí)間快速縮短，當(dāng)反應(yīng)體系的濃度達(dá)到2 mol/L時(shí)，僅20 min，反應(yīng)體系溫度能達(dá)到90 ℃；隨著激活劑濃度的增大，其生熱速率明顯增快，達(dá)到峰值時(shí)間有所縮短，但生熱溫度峰值基本維持不變.

在實(shí)際應(yīng)用中，自生熱體系濃度、催化劑濃度、地面溫度、油層溫度、注入排量和油層套管尺寸等很多因素對(duì)生熱速度都有影響，但油層套管尺寸可視為不可變因素，并且對(duì)于某一油層深度，油層溫度也是一定的，可認(rèn)為是一個(gè)不可變因素，所以可以參照某一井溫，在確定的化學(xué)劑濃度下，通過(guò)調(diào)整催化劑的加入量來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)生熱速度的控制[2].

2.3 自生熱體系與壓裂液的配伍性

壓裂液配方：0.2%羥丙基瓜爾膠(一級(jí))+ 0.7%氣井助排劑+0.3%殺菌劑+ 0.10%Na2CO3+0.8%氣井起泡劑+0.8%氣井粘土穩(wěn)定劑.

交聯(lián)劑：5.0%JL-1有機(jī)硼交聯(lián)劑.

我們選用陜北某油田的壓裂液配方，研究了自生熱體系與壓裂液的配伍性.將自生熱體系與配方中所使用的添加劑進(jìn)行混合、靜置24h，未發(fā)現(xiàn)混合體系分層或有新物質(zhì)生產(chǎn)，說(shuō)明自生熱體系與壓裂液中添加劑的配伍性良好，不影響添加劑的使用效果.

2.4 靜態(tài)攜砂性能

壓裂液對(duì)支撐劑的懸浮穩(wěn)定作用會(huì)直接影響到壓裂支撐裂縫的幾何尺寸及裂縫導(dǎo)流能力，這不僅關(guān)系到壓裂施工是否安全，還會(huì)影響壓裂作業(yè)的最終效果[14].利用靜態(tài)懸砂實(shí)驗(yàn)表征自生熱壓裂液體系的懸砂性能，測(cè)定沉砂速度0.16 cm/min，把砂比提高至30%，沉砂速度僅為0.28 cm/min，表明了自生熱壓裂液體系懸砂性能良好.

2.5 流變性能

采用DV-Ⅲ流變儀，在60 ℃、170 S-1下測(cè)定壓裂液的流變性能，結(jié)果見(jiàn)圖1.由圖1可知，該壓裂液在連續(xù)剪切60 min后，粘度仍保持在80 mPa·s以上，可滿足壓裂施工造縫和攜砂的要求.由于壓裂液中的生熱劑生成的氣體形成了泡沫混合物，增加了黏度，降低了濾失，在流變性曲線上表現(xiàn)為高黏段明顯延長(zhǎng)且高黏段黏度下降平緩，這與文獻(xiàn)報(bào)道一致[2].

圖1 壓裂液的流變性

2.6 壓裂液的破膠性能

壓裂液低溫破膠體系由破膠劑過(guò)硫酸銨、激活劑Ⅰ+Ⅱ和NH4Cl-NaNO2構(gòu)成.

將濃度分別為2.0 mol/L的NaNO2、NH4Cl和濃度為1%的激活劑Ⅰ+Ⅱ加入壓裂液中，進(jìn)行破膠實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，未加自生熱體系，壓裂液破膠緩慢，2 h后粘度為47.6 mPa·s，表明壓裂液破膠性能未達(dá)到工程施工要求；當(dāng)加入自生熱體系后，壓裂液30 min后粘度降低至7 mPa·s，表明壓裂液破膠性能達(dá)到工程施工要求.因此可知：自生熱體系可以提高壓裂液的破膠性能.

圖2 生熱體系對(duì)壓裂液的影響

3 結(jié)論

針對(duì)陜北地區(qū)低滲透油藏埋層淺、油層溫度低，壓裂液破膠不徹底，對(duì)地層二次傷害嚴(yán)重等問(wèn)題，將自生熱增壓體系引入了常規(guī)壓裂液中，同時(shí)用自制的代號(hào)為激活劑Ⅰ和激活劑Ⅱ的激活劑，作為自生熱增壓體系的激活劑，開(kāi)發(fā)出了低腐蝕自生熱增壓壓裂液.

研究表明：將激活劑Ⅰ和激活劑Ⅱ進(jìn)行復(fù)配，加入自生熱增壓體系中，體系的腐蝕性大幅下降，腐蝕速率僅為0.048 5 g·(m2·h)-1，而且到達(dá)溫度峰值的時(shí)間也減少為15分鐘；同時(shí)，自生熱增壓壓裂液破膠性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)胍膠壓裂液，在60 min后，壓裂液的粘度降低至7 mPa·s.

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