超低濃度羥丙基胍膠壓裂液體系的研制及在蘇里格氣田的應用

李小玲 丁 里 石華強 尹曉宏 呂小明

（1．長慶油田分公司油氣工藝研究院）（2．陜西低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室）

蘇里格氣田上古砂巖儲層氣層物性差、孔喉半徑小，外來液體容易因吸附作用堵塞孔喉；地層壓力系數(shù)低，返排困難，液體容易滯留儲層造成傷害；巖屑和黏土礦物含量高，易發(fā)生膨脹運移堵塞孔喉，降低巖石的有效滲透率［1－5］。目前，長慶氣田壓裂改造主要采用水基壓裂液，其稠化劑主要是胍膠及其改性產品，使用質量分數(shù)達到了0．50%～0．55%，但研究表明胍膠壓裂液體系水不溶物含量高，對儲層傷害較大［3．6－7］。為了降低對儲層傷害，室內研發(fā)了低濃度羥丙基胍膠壓裂液體系，降低了體系水不溶物含量及殘渣，同時研發(fā)了一種新型的適合低濃度體系的高效交聯(lián)劑和配套開發(fā)的添加劑，保證了體系良好的流變性能和破膠性能，滿足了現(xiàn)場施工要求［8－11］。

1 超低濃度胍膠壓裂液體系的研制

1．1 稠化劑濃度分析

用稀釋液黏度計和光散射法確定黏度和相對分子質量之間的關系：μi＝K（Mv）a（K 為 MarKHouwin系數(shù)，Mv為相對分子質量，胍膠a為0．72～0．80），最低濃度c值可通過測量黏度來確定［12－13］。

表1 HPG樣品的固有黏度μi和臨界重疊濃度cTable 1 Intrinsic viscosityμiand critical overlapping concentration c＊ of sample HPG

依據(jù)“羥丙基胍膠的臨界重疊濃度就是交聯(lián)的最低濃度”理論，根據(jù)表1計算出其最低使用質量濃度為（1．9～2．7）×10－3g／cm3，換算成油田常用的質量分數(shù)為0．19%～0．27%。

1．2 交聯(lián)最低濃度優(yōu)選

配制不同濃度的羥丙基胍膠溶液，在30℃下溶脹4h后，得到稠化劑濃度和體系黏度的關系圖（圖1），同時將上述基液分別與兩種交聯(lián)劑：有機硼交聯(lián)劑和硼砂（工業(yè)四硼酸鈉）進行交聯(lián)試驗。不同質量分數(shù)羥丙基胍膠溶液交聯(lián)試驗結果見表2。

表2 不同質量分數(shù)的羥丙基胍膠壓裂液交聯(lián)性能試驗Table 2 Cross－linking performance test of HPG fracturing fluid with different concentration

羥丙基胍膠溶液交聯(lián)試驗結果表明，壓裂液應用羥丙基胍膠的交聯(lián)最低濃度與交聯(lián)劑有很大關系，有機硼交聯(lián)的羥丙基胍膠最低濃度低于無機硼交聯(lián)的羥丙基胍膠最低濃度。

如果稠化劑質量分數(shù)降低到0．33%～0．35%，就目前采用的有機硼交聯(lián)體系不能很好滿足工藝要求，需要研發(fā)一種新型的能在更低稠化劑濃度的條件下具有較好交聯(lián)性能、延遲性能及流變性能的交聯(lián)體系。

1．3 交聯(lián)體系的研發(fā)

目前，國內所采用的有機硼交聯(lián)劑體系大多由單一絡合劑、硼化合物及其他輔助助劑組成。室內大量實驗發(fā)現(xiàn)，同時選擇兩種絡合劑作為有機硼交聯(lián)劑的配體，一種用作延遲交聯(lián)時間，另一種用作增強體系耐高溫、抗剪切性能，并優(yōu)化了二者的比例，通過優(yōu)化交聯(lián)體系中絡合劑的種類、含量、硼酸鹽和延遲劑含量、體系環(huán)境及反應溫度、時間來優(yōu)化硼酸根離子的存在狀態(tài)和性能。研制開發(fā)了耐高溫抗剪切、延遲時間可調的JL－9有機硼低濃度交聯(lián)劑體系［14－15］。

交聯(lián)劑體系的合成：35%～40%（w，絡合劑A＋絡合劑B）＋2%（w）延遲劑＋12%～18%（w）硼酸鹽＋0．15%（w）堿溶液，在50～70℃下，反應3～3．5h，得JL－9有機硼交聯(lián)劑體系。

將得到的有機硼交聯(lián)劑和現(xiàn)在應用比較廣泛的其他有機硼交聯(lián)劑進行理化性質的比較發(fā)現(xiàn)，所得產物JL－9為均一淺黃色液體，性能穩(wěn)定，長時間靜置無沉淀析出。黏度約15mPa·s（18℃），流動性較好，不影響現(xiàn)場施工。采用該交聯(lián)劑進行試驗，其延遲交聯(lián)時間可達到1～3min。

2 超低濃度壓裂液體系的性能評價

壓裂液體系組成：

基液配方：0．33%（w）CJ2－6＋0．1%（w）CJSJ－3＋0．3%（w）COP－3＋0．5%（w）CF－5F＋0．5%（w）YFP－2＋0．3%（w）TJ－1＋1．0%（w）KCl。

交聯(lián)劑：JL－9，交比范圍：100∶（0．2～0．4）。

2．1 流變性

采用RS6000流變儀將0．33%（w）胍膠基液添加相應助劑后與JL－9做交聯(lián)實驗，交聯(lián)比100∶0．4，當交聯(lián)胍膠完全挑掛后做耐溫實驗。

從圖2可看出，該壓裂液體系耐溫達到130℃，可滿足蘇里格儲層壓裂改造需要。

從圖3可知，JL－9超低濃度壓裂液體系在100℃下，在170s－1剪切60min后，壓裂液的黏度大于2 00mPa·s，說明該體系在100℃下有良好的耐溫、抗剪切性能，流變穩(wěn)定性好，滿足攜砂要求，可滿足現(xiàn)場氣井壓裂施工要求。

2．2 黏彈性能

在室內用RS6000流變儀評價了0．33%（w）胍膠壓裂液的儲能模量G′與損耗模量G″（應力為1．0 Pa，掃描范圍0．1～10Hz）實驗結果見表3。

表3 超低濃度胍膠壓裂液凍膠黏彈性測試對比表Table 3 Elastic test contrast of ultra－low concentration gelled fracturing fluid

壓裂液的攜砂能力與G′／G″值即壓裂液的黏彈性成正比，超低濃度胍膠壓裂液體系具有與常規(guī)有機硼交聯(lián)胍膠壓裂液體系相近的優(yōu)良黏彈性能，攜砂性能明顯好于硼砂交聯(lián)胍膠。

2．3 破膠返排性能

從測試結果（圖4）來看，JL－9壓裂液體系中僅添加0．01%（w）破膠劑，在90℃下，1h可以完全破膠，明顯改善了液體的返排性能，減少液體對地層的傷害。

將壓裂液基液和JL－9交聯(lián)劑按100∶0．4交聯(lián)后完全破膠，取上層清液，測得其表面張力為26．58 mN／m，表明該體系能很好滿足壓裂后返排的要求，較常規(guī)有機硼交聯(lián)體系具有更好的返排性能。

2．4 殘渣含量

從測試結果（圖5）來看，超低濃度胍膠JL－9壓裂液體系當稠化劑質量分數(shù)從0．55%降至0．33%后，壓裂液體系殘渣質量濃度由586mg／L降低至290mg／L，大大減少了稠化劑大分子對儲層的傷害，減少了液體對地層的傷害。

2．5 靜態(tài)濾失

根據(jù)SY／T 5107－2005《水基壓裂液性能評價方法》，用地層天然巖心，采用高溫高壓濾失儀，濾失壓差3．5MPa，測試0．55%（w）HPG常規(guī)有機硼交聯(lián)壓裂液凍膠和0．33%（w）HPG超低濃度胍膠交聯(lián)壓裂液的靜態(tài)濾失，并根據(jù)濾失量和時間平方根在直角坐標圖上回歸直線，得到90℃、100℃下兩種壓裂液凍膠的靜態(tài)濾失系數(shù)和初濾失量。壓裂液濾失測試結果見表4。

超低濃度壓裂液體系初濾失量與常規(guī)壓裂液體系相當，濾失系數(shù)比常規(guī)壓裂液體系低，能有效地控制液體濾失。聚合物壓裂由于低黏度水相進入地層后，在裂縫面形成濾餅，從而造成地層傷害，降低了氣體的運移。比較常規(guī)的壓裂液在90℃和100℃下的靜態(tài)濾失性能，表明JL－9超低濃度胍膠壓裂液體系具有較低的濾失，有利于攜砂及降低對儲層傷害。

表4 靜態(tài)濾失性能對比Table 4 Performance contrast of static fluid loss

2．6 巖心傷害

通過巖心流動試驗，對常規(guī)0．55%（w）胍膠有機交聯(lián)壓裂液和超低濃度0．33%（w）胍膠JL－9交聯(lián)壓裂液的濾液測定對巖心基質滲透率的傷害，試驗結果見表5。

表5 超低濃度胍膠壓裂液與常規(guī)壓裂液的濾液巖芯傷害試驗比較Table 5 Filtrate core injury test comparison between ultra－low gum fracturing fluid and conventional fracturing fluid

實驗表明，常規(guī)胍膠壓裂液體系對巖心滲透率平均傷害率為27．03%；超低濃度胍膠壓裂液僅為17．67%，大大降低了對儲層基質滲透率的傷害。

3 超低濃度胍膠壓裂液體系現(xiàn)場應用

超低濃度胍膠壓裂液是針對長慶蘇里格東區(qū)低滲透砂巖氣藏改造研發(fā)的低傷害壓裂液體系，該體系以常規(guī)羥丙基胍膠為稠化劑，并研發(fā)了相應的交聯(lián)劑JL－9體系。該壓裂液具有成本低、易返排、配液方便及施工性能穩(wěn)定等特點。2011年已累計實施42口直井和3口水平井的現(xiàn)場試驗，取得了較好的改造效果。

從表6可以看出，超低濃度胍膠比常規(guī)壓裂液的排液時間更短，返排率更高，在這兩方面具有明顯優(yōu)勢，改造后井的無阻流量高于鄰井對比井，取得了較好的改造效果。說明該超低濃度壓裂液體系和儲層具有良好的適應性。

表6 2011年超低濃度胍膠試驗井與鄰井試氣效果對比表（直井）Table 6 Gas test effect comparison between ultra－low concentration guar gum test well and adjacent wells in 2011

4 結 論

（1）通過理論分析和室內研究，研發(fā)出了適合蘇里格低滲透氣藏改造的超低濃度胍膠壓裂液體系。該體系采用使用較廣泛的羥丙基胍膠，其質量分數(shù)較常規(guī)降低了30%～40%。針對超低濃度胍膠體系研發(fā)了一種高效交聯(lián)劑，在稠化劑質量分數(shù)由0．50%～0．55%降至0．33%～0．40%時，體系保持了良好的耐溫抗剪切性能。

（2）從2011年試驗的42口直井和3口水平井返排效率看出，該壓裂液體系縮短了壓后液體的返排時間，壓裂后液體返排率約86．7%，大大降低了壓裂液滯留對儲層造成的傷害。

（3）綜合國內外壓裂液研究的熱點和方向來看，低基質傷害和低殘渣傷害一直是低滲油氣藏壓裂液發(fā)展的主要方向，下一步研究仍將在胍膠改性和降低稠化劑使用濃度兩方面進行。同時由于胍膠價格突飛猛漲，目前正在尋求一種可替代品，從成本和性能上取代胍膠。

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