防凍壓裂液的研究及在蘇里格地區(qū)的應(yīng)用

王曉明，陳宗利，曾科

黃磊光，郭廣軍，郭付君 （中國石油長城鉆探工程有限公司壓裂公司，遼寧 盤錦124107）

壓裂工藝是蘇里格地區(qū)低滲超低滲氣藏開發(fā)的主要技術(shù)手段。但是蘇里格地區(qū)冬季天氣寒冷，平均氣溫－10～－15℃，最低甚至可達(dá)－30℃，加之配制完成的壓裂液在液罐中處于靜置狀態(tài)，壓裂液極易受凍結(jié)冰，冰層厚度甚至超過20cm。壓裂液結(jié)冰后容易造成凍堵，增加施工危險系數(shù)，同時還會增加壓裂液的配液 “富余量”，浪費大量的壓裂液；尤其對蘇里格氣田的大型水平井壓裂來說，其所需液量大，配液耗時久，壓裂液結(jié)冰堵死閥門，會導(dǎo)致水平井無法進(jìn)行壓裂施工。目前，解決上述問題的物理方法有：①給液罐加保溫層，給大罐包裹上防寒材料，如巖棉、超細(xì)玻璃棉、聚氨酯發(fā)泡瓦塊等，這種措施能夠起到一定的耐寒保溫作用，但由于大罐內(nèi)配制好的壓裂液處于非流動狀態(tài)，耐寒能力有限，而且大罐外包裹防寒材料會在吊裝運輸環(huán)節(jié)出現(xiàn)損壞。②給壓裂液加熱，主要有電加熱和蒸汽加熱［1］。但是蘇里格地區(qū)井場沒有鋪設(shè)電網(wǎng)，使用發(fā)電機(jī)發(fā)電成本太高且不能保證生產(chǎn)，液罐也不具備電加熱裝置；蒸汽加熱主要采用鍋爐車加熱，只能保證小液量直井的壓裂施工，且需要對液罐進(jìn)行改造，添加加熱管。上述物理方法都有其局限性，不能大規(guī)模應(yīng)用。為了能有效地解決上述問題，對壓裂液配方進(jìn)行了優(yōu)化，主要是在降低壓裂液的凝固點和減緩壓裂液結(jié)冰速度方面進(jìn)行研究，使之成為適合在冬季使用的防凍壓裂液。

1 防凍劑的篩選

1．1 防凍劑對水溶液凝固點影響

研究表明，醇類和無機(jī)鹽的加入，能有效降低壓裂液的凝固點。在壓裂液中加入大量醇，可以顯著降低壓裂液凝固點或者具有類似于醇基壓裂液的性能［2］。常用的醇類防凍劑有甲醇、乙醇、乙二醇及丙三醇［3，4］，4種醇類防凍劑水溶液的凝固點見圖1。溶液中隨著醇體積分?jǐn)?shù)增加，凝固點降低；當(dāng)體積分?jǐn)?shù)達(dá)到臨界值后，隨體積分?jǐn)?shù)增加凝固點升高。在同等條件下，甲醇溶液防凍效果優(yōu)于其他3種醇溶液。

防凍劑的加入，可以降低水溶液的凝固點，它是水溶液的一種依數(shù)性［5］，能使溶液中溶劑的蒸汽壓下降、凝固點降低、沸點升高，只與溶液中溶質(zhì)的量有關(guān)，與溶質(zhì)的本性無關(guān)。通過這種原理降低溶液凝固點并減緩結(jié)冰速度。

如圖2所示，隨著YWJ－1和YWJ－2無機(jī)鹽防凍劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，凝固點降低的程度越大，抗凍效果越好，都可以作為防凍劑來使用。2種無機(jī)鹽防凍劑加入的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到20%左右時，水溶液的凝固點都能達(dá)到－20℃；但YWJ－1加入的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到23%以上時，抗凍效果變差，也就是說YWJ－1質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，防凍效果不一定越好。此外，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于17%時，相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)水溶液YWJ－1的凝固點低于YWJ－2。

圖1 4種醇溶液的凝固點

圖2 2種無機(jī)鹽水溶液的凝固點

綜上所述，從機(jī)理上考慮使用醇類和無機(jī)鹽水溶液作為壓裂液防凍劑是可行的。為了進(jìn)一步研究防凍劑與壓裂液的配伍性，對防凍劑進(jìn)行試驗篩選。

1．2 防凍劑對壓裂液凍膠的影響

在壓裂液中加入不同防凍劑后，形成的凍膠結(jié)果如表1所示。

表1 加入防凍劑后的凍膠狀態(tài)

根據(jù)表1可知，甲醇和YWJ－1都能作為防凍劑使用，它們對壓裂液凍膠性能幾乎沒有影響，相同加入量時，YWJ－1水溶液凝固點低于甲醇溶液的凝固點。

1．3 防凍劑的安全性能測試

甲醇溶液易燃燒，考慮到甲醇運輸過程中存在安全隱患及現(xiàn)場壓裂作業(yè)的安全性，室內(nèi)進(jìn)行甲醇水溶液點火試驗，結(jié)果如表2所示。

結(jié)果表明，甲醇有毒，飽和蒸汽壓低，極易揮發(fā)，質(zhì)量濃度越高揮發(fā)越快，其水溶液閃點低，容易造成閃爆起火，存在作業(yè)風(fēng)險。從壓裂施工的安全性和環(huán)保要

求考慮，不建議采用甲醇作為防凍劑。而YWJ－1屬于無機(jī)鹽類化學(xué)品，無毒易溶于水，且其水溶液安全性能好，比甲醇安全環(huán)保，現(xiàn)場配制過程中無安全隱患，運輸方便，貨源廣，成本比甲醇低；且YWJ－1溶解度隨著溫度變化影響小，易于溶解，在0℃時溶解度為35．7g，在100℃時溶解度為39．2g，不會因為溫度的降低而結(jié)晶。綜上所述，YWJ－1是良好的防凍劑。

表2 甲醇水溶液及YWJ－1溶液點火試驗結(jié)果

2 防凍壓裂液的評價

2．1 防凍壓裂液的組成

100ml清水＋0．6g羥丙基瓜爾膠＋0．3g防膨劑＋0．5g助排劑＋0．1g溫度穩(wěn)定劑＋0．5g起泡劑＋1．0g黏土穩(wěn)定劑＋0．1g殺菌劑＋0．1g pH 值調(diào)節(jié)劑1＋0．02g pH 值調(diào)節(jié)劑2＋5．0g防凍劑 YWJ－1＋0．3g交聯(lián)劑A＋0．022g交聯(lián)劑B＋0．02g破膠劑＋0．022g膠囊。

2．2 防凍壓裂液抗凍性能

根據(jù)蘇里格地區(qū)冬季施工的氣溫，設(shè)定試驗溫度為－10～－15℃，在該溫度范圍下分別測定防凍壓裂液及普通壓裂液的結(jié)冰情況，結(jié)果如表3所示。由上述可知，防凍壓裂液在－10～－15℃時抗凍效果良好，能有效減少冰層厚度，減緩壓裂液結(jié)冰速度，能滿足冬季低溫條件下壓裂施工的需求。

表3 壓裂液抗凍情況表

2．3 防凍壓裂液流變性能

采用德國的HAKKE MARSⅢ流變儀考察防凍劑對壓裂液流變性能的影響。比較了普通壓裂液與防凍壓裂液的流變性能。2種壓裂液在試驗溫度為120℃的條件下，以170s－1連續(xù)剪切120min的流變曲線如圖3所示。

模擬底層溫度的升溫速度3℃／min，直到升溫至儲層溫度120℃。如圖3所 示，120℃，170s－1連 續(xù)

剪切120min后防凍壓裂液黏度為165mPa·s；普通壓裂液在相同條件下黏度為159mPa·s?？梢姺纼鰟℡WJ－1的加入對壓裂液的流變性能幾乎沒有影響，可以滿足現(xiàn)場壓裂施工的需求。

圖3 2種壓裂液的流變曲線

2．4 防凍壓裂液破膠性能

對普通壓裂液和防凍壓裂液進(jìn)行了破膠試驗。分別取普通壓裂液基液和防凍壓裂液基液各100ml，先加入適量的破膠劑APS，然后加入300mg／L的交聯(lián)劑，形成凍膠后在95℃的恒溫水浴中進(jìn)行破膠，記錄時間在4h后徹底破膠，破膠液清澈，用毛細(xì)黏度計和自動表界面張力儀對破膠液進(jìn)行測定，結(jié)果見表4。

表4 破膠液性能測試結(jié)果

結(jié)果表明，普通壓裂液比防凍壓裂液破膠容易一些，但是防凍壓裂液徹底破膠后黏度更低。整體上看，防凍劑的加入對破膠性能影響不大，可以滿足施工需求。

2．5 破膠液的巖心傷害評價

采用蘇53塊某井巖心按常規(guī)方法（SY 5336—2006）做巖心滲透率傷害評價試驗，結(jié)果見表5。壓裂液通用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（SY／T 6376—2008）要求巖心基質(zhì)滲透率損害小于30%，由表5可知，防凍壓裂液體系破膠液對巖心平均傷害率為25．12%，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表5 防凍壓裂液破膠液對巖心的傷害

防凍壓裂液具有凝固點低、結(jié)冰速度慢、破膠徹底、破膠液黏度低等優(yōu)點，能滿足在冬季寒冷的氣候條件下安全壓裂施工的要求。

3 防凍壓裂液的現(xiàn)場應(yīng)用及經(jīng)濟(jì)效益

3．1 現(xiàn)場應(yīng)用

防凍壓裂液現(xiàn)場不需要增加新的壓裂設(shè)備，只需要在壓裂液配制過程中添加防凍劑即可，操作簡單、方便，2012年已經(jīng)在蘇里格氣田成功應(yīng)用6井次（施工參數(shù)統(tǒng)計見表6）。

表6 防凍壓裂液現(xiàn)場試驗井參數(shù)統(tǒng)計表

蘇53－78－14H井現(xiàn)場施工中防凍壓裂液體現(xiàn)出了良好的抗凍性能，現(xiàn)場最低溫度達(dá)到－18℃，但在防凍劑的 “降低凝固點”和 “減緩結(jié)冰速度”的雙重作用下，壓裂液在配制完成50h后沒有結(jié)冰，僅在液罐的上表面出現(xiàn)一層薄薄絮狀物。該井壓裂井段3551．0～4751．0m，垂深3352．0m，一共配制壓裂液3790m3，施工過程中加砂順利，累計砂量420m3，平均砂比19．2%～23．8%，排量3．5～4．0m3／min。該井共壓裂施工8段，壓力平穩(wěn)，表明防凍壓裂液適合蘇里格地區(qū)氣井的壓裂改造。

3．2 經(jīng)濟(jì)效益

2012年冬季防凍壓裂液在蘇里格地區(qū)施工的6口井，壓前均為新井無產(chǎn)能，壓后增產(chǎn)效果良好（產(chǎn)量見表6），單井最高產(chǎn)量達(dá)14．6×104m3／d。從2013年1月到5月6口井累計產(chǎn)氣488．9×108m3，獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。冬季施工過程中，普通壓裂液因結(jié)冰而造成壓裂液大量浪費，但使用防凍壓裂液能杜絕這種不必要的浪費，降低壓裂成本。相比普通壓裂液，使用每百立方米防凍壓裂液可節(jié)省壓裂液量6．35m3，6口井使用防凍壓裂液累計節(jié)約液量867m3，節(jié)約成本39．3萬元。

防凍壓裂液在蘇里格地區(qū)的應(yīng)用，解決了冬季水平井不能施工的技術(shù)難題，有效地縮短了冬休時間，為蘇里格氣田的增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)提供了重要的技術(shù)支持，獲得了良好的社會效應(yīng)。

4 結(jié)論與認(rèn)識

1）為了解決冬季壓裂液結(jié)冰和達(dá)到節(jié)能降耗的目的，篩選出了防凍劑YWJ－1。該防凍劑能降低壓裂液凝固點并減緩壓裂液結(jié)冰速度，安全可靠，抗凍效果良好，在平均氣溫為－10～－15℃條件下，能滿足冬季蘇里格地區(qū)壓裂施工要求。

2）試驗表明，加入防凍劑后，防凍壓裂液保持了良好的交聯(lián)性能、流變性能和破膠性能，且不會增大對儲層的傷害，能保證冬季壓裂順利施工。

3）防凍壓裂液很好地解決了冬季水平井不能施工的難題，不僅能保證施工的順利進(jìn)行，而且能保證施工效果，同時能有效地縮短冬休時間。

4）防凍壓裂液現(xiàn)場不需要增加新的壓裂設(shè)備，應(yīng)用條件十分簡單，只需要在壓裂液配制過程中添加防凍劑即可，操作簡單、方便。

5）防凍劑貨源廣，成本低，運輸方便，冬季使用防凍壓裂液能有效降低壓裂施工的成本，具有較好的推廣前景。

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