新型低傷害清潔減阻水壓裂液體系研究及應用

吳 瓊, 曹紅燕, 黃 敏, 段寶虹, 許鑫科, 張 亮

(1長江大學石油工程學院 2長慶油田分公司西安長慶化工集團有限公司 渤海鉆探工程有限公司井下技術(shù)服務分公司 4中國石油青海油田分公司 5中國石油青海油田采油五廠 6青海油田采油二廠)

隨著全球常規(guī)能源開發(fā)難度的不斷加大，人們對于頁巖氣、致密氣以及煤層氣等非常規(guī)能源的研究越來越多[1-3]。近年來，我國加強了對頁巖氣的勘探開發(fā)研究，頁巖氣儲層屬于典型的低孔、低滲儲層，自然產(chǎn)能非常低，大多數(shù)頁巖氣井都需要采用水力壓裂等措施來提高產(chǎn)量[4-6]。

與常規(guī)砂巖儲層壓裂改造不同，頁巖氣儲層壓裂改造的目的主要是通過壓裂液進入儲層來開啟天然裂縫，在地層中形成高度溝通的裂縫網(wǎng)絡，增大滲流面積[7-9]。所以頁巖儲層通常采用大排量的體積壓裂方式，減阻水壓裂液體系具有摩阻低、黏度低、對裂縫導流能力影響小等特點，能夠滿足體積壓裂施工對大排量的要求，從而成為此類儲層壓裂施工的首選[10-15]。但其攜砂能力較弱的特點限制了壓裂施工的加砂量，為滿足施工設計要求，通常需要加大壓裂液的用量，這就造成了一定的資源浪費和環(huán)保問題。為此，筆者在調(diào)研分析了各類壓裂液體系的優(yōu)缺點和適應性的基礎上[16-20]，針對傳統(tǒng)減阻水壓裂液攜砂能力低的特點，研制了新型低傷害清潔減阻水壓裂液體系，室內(nèi)對壓裂液體系的綜合性能展開了評價，并在現(xiàn)場進行了試驗。

通過大量室內(nèi)實驗，以新型聚合物類減阻劑GZJ-3為主要處理劑，構(gòu)建了一套適合頁巖儲層體積壓裂用的新型低傷害清潔減阻水壓裂液體系，具體配方為：0.15%減阻劑GZJ-3+0.1%輔助增稠劑FZJ-11+0.2%表面活性劑BSJ-1+1%KCl。

一、壓裂液體系性能評價

1. 抗溫抗剪切性能

室內(nèi)使用哈克RS-6000型流變儀對壓裂液體系的抗溫抗剪切性能進行了評價，實驗溫度為90℃，剪切速率為170 s-1，實驗結(jié)果見圖1。

由圖1可以看出，新型低傷害清潔減阻水壓裂液體系在90℃下剪切100 min后，黏度仍能保持在20 mPa·s左右，說明壓裂液體系具有良好的抗溫抗剪切能力。

圖1 壓裂液體系抗溫抗剪切性能

2. 黏彈性能

壓裂液體系的黏度并不能完全反映其攜砂能力的強弱，還與其彈性結(jié)構(gòu)有關(guān)，可以用彈性模量G′和黏性模量G″的大小來表征壓裂液體系的黏彈性能。室內(nèi)使用MARS可視流變儀測定新型低傷害清潔減阻水壓裂液體系的黏彈性能，實驗溫度設定為25℃，震蕩頻率設定為0.1～100 rad/s，見圖2。

圖2 壓裂液體系黏彈性能評價結(jié)果

由圖2看出，在震蕩頻率為0.1～100 rad/s時，壓裂液體系的彈性模量G′總是大于黏性模量G″。依據(jù)Hoffmann提出的判斷黏彈性流體的標準[21]：在震蕩頻率為0.1～10 rad/s，如果G′>G″，并且G′>10-1Pa，即認為該溶液屬于黏彈性流體。以上實驗數(shù)據(jù)說明該新型低傷害清潔減阻水壓裂液體系內(nèi)部具有穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，分子間作用力較為均衡，彈性略大于黏性，屬于黏彈性流體。

3. 攜砂性能

室內(nèi)參照標準SYT 5185-2008《礫石充填防砂水基攜砂液性能評價方法》，采用靜態(tài)落球沉降實驗評價了新型低傷害清潔減阻水壓裂液體系的攜砂性能，并與常規(guī)減阻水壓裂液體系進行對比。具體評價方法為：準確量取100 mL壓裂液于100 mL的量筒中，分別在25℃、60℃和90℃下記錄粒徑為20～40目的陶粒沉降至量筒底部所需的時間，進而計算沉降速度。實驗結(jié)果見表1。

由表1可以看出，在90℃下，陶粒在新型低傷害清潔減阻水壓裂液體系中的沉降速度為0.478 mm/s，而在常規(guī)減阻水壓裂液體系中的沉降速度為4.275 mm/s。這是由于清潔減阻水壓裂液中加入了輔助增稠劑FZJ-11，使體系具有一定的黏彈性能，從而提高了攜砂能力。

表1 壓裂液體系的攜砂性能

4. 摩阻性能

室內(nèi)使用管路摩阻測試系統(tǒng)測定了新型低傷害清潔減阻水壓裂液體系的摩阻性能，并與常規(guī)減阻水壓裂液體系進行了對比。實驗條件：管徑10 mm，流量0.5～3.0 m3/h，溫度25℃。減阻率對比實驗結(jié)果見圖3。

由圖3可以看出，隨著流量的不斷增大，壓裂液體系的減阻率逐漸增大，新型低傷害清潔減阻水壓裂液體系的減阻率明顯優(yōu)于常規(guī)減阻水壓裂液體系。當流量為3.0 m3/h時，清潔減阻水壓裂液體系的減阻率能夠達到66.7%，可以滿足壓裂現(xiàn)場施工對低摩阻的要求。

圖3 摩阻性能評價結(jié)果

5. 防膨性能

室內(nèi)參照標準SY/T 5971-2016 《油氣田壓裂酸化及注水用黏土穩(wěn)定劑性能評價方法》，使用膨潤土評價了新型低傷害清潔減阻水壓裂液體系的防膨性能，實驗溫度為常溫，實驗結(jié)果見表2。

表2 壓裂液體系防膨性能評價結(jié)果

由表2看出，新型清潔減阻水壓裂液體系的防膨率能夠達到90%以上，具有良好的防膨性能。

6. 破膠性能

為減少壓裂液在地層中的滯留時間，在壓裂施工完成后，應快速將壓裂液從地層中排出，以減輕對地層的傷害。這就要求壓裂液體系能夠達到快速破膠，并且破膠液應該具有黏度低、表面張力小以及殘渣含量低的特點。室內(nèi)評價了破膠劑PJZ-2在不同溫度下對新型低傷害清潔減阻水壓裂液體系的破膠效果，破膠實驗時間為60 min，結(jié)果見表3。

表3 壓裂液體系破膠性能評價結(jié)果

由表3看出，在25℃和90℃條件下，當破膠劑PJZ-2加量為0.2%時，破膠液的黏度都能降低至2.0 mPa·s以下，達到完全破膠的效果，破膠液的表面張力在23 mN/m以下，殘渣含量在1 mg/L左右。說明新型低傷害清潔減阻水壓裂液體系在加入破膠劑后達到快速破膠的效果，破膠液達到了低黏度、低表面張力以及低殘渣含量低的要求，能夠很好地減輕對頁巖氣儲層的傷害。

7. 對巖心的傷害性能

頁巖儲層通常屬于低孔、低滲、致密儲層，因此要求壓裂液體系具有低傷害的特性，為此，室內(nèi)參照石油天然氣行業(yè)標準SY/T 5107-2016《水基壓裂液性能評價方法》，使用多功能巖心驅(qū)替實驗裝置評價了新型低傷害清潔減阻水壓裂液體系對低滲人造巖心和頁巖儲層天然巖心基質(zhì)滲透率的損害情況，實驗結(jié)果見表4。

表4 壓裂液對巖心的傷害實驗

注:實驗溫度為90℃，巖心長度為6.0 cm，直徑為2.5 cm。

由表4可以看出，新型低傷害清潔減阻水壓裂液體系對低滲人造巖心的基質(zhì)滲透率傷害率為5.62%，對儲層天然巖心的基質(zhì)滲透率傷害率為8.01%，表明壓裂液體系對儲層的傷害比較小，具有低傷害特性，能夠起到良好的儲層保護效果。

二、現(xiàn)場試驗

新型低傷害清潔減阻水壓裂液體系在陸上某頁巖氣區(qū)塊進行了現(xiàn)場應用試驗，其中B1井壓裂井段在2 790～2 920 m，地層溫度在90℃左右，壓裂注入方式采用?139.7 mm×7.72 mm套管注入。按照室內(nèi)研究的清潔減阻水壓裂液體系配方，現(xiàn)場配制壓裂液515 m3，壓裂用支撐劑陶粒的粒徑組合為20/40目和40/70目，共計加入支撐劑52 t，該井平均施工排量為10.5 m3/min，最高施工壓力為60.5 MPa，最大砂比為23.6%，平均砂比為16.1%，降阻率能夠達到71.2%。一次順利壓開地層，后續(xù)施工過程正常，各項施工參數(shù)均達到設計要求，極大提高了壓裂施工效率。

三、結(jié)論

(1)針對常規(guī)減阻水壓裂液體系攜砂能力較低，以新型聚合物類減阻劑GZJ-3為主要處理劑，再加入輔助增稠劑FZJ-11、表面活性劑BSJ-1和防膨劑KCl，形成了一套適合頁巖儲層的新型低傷害清潔減阻水壓裂液體系。

(2)新型低傷害清潔減阻水壓裂液體系具有良好的耐溫抗剪切性能、黏彈性能、攜砂性能、低摩阻性能、防膨性能以及破膠性能，并且對儲層巖心基質(zhì)滲透率的傷害較低，具有良好的儲層保護效果。

(3)現(xiàn)場試驗結(jié)果表明，B1井施工過程順利，新型低傷害清潔減阻水壓裂液體系具有良好的減阻性，并且平均施工排量和平均砂比均較高，能夠滿足頁巖儲層壓裂施工對加砂量和排液量的要求。