低濃度羥丙基胍膠壓裂液在蘇里格氣田的應(yīng)用

楊冠科 王 成

中國(guó)石油集團(tuán)長(zhǎng)城鉆探工程公司 ，遼寧 盤(pán)錦 124010

0 前言

蘇里格氣田屬于典型的低壓、低滲透率、低豐度氣田，開(kāi)發(fā)此類油氣田最有效的方法即為水力壓裂，而壓裂液性能則直接關(guān)系到壓裂施工的成功與否。雖然壓裂液的耐溫耐剪切性是影響壓裂施工的關(guān)鍵指標(biāo)，但壓裂液破膠液的殘?jiān)窟^(guò)高，也會(huì)堵塞油氣滲流通道導(dǎo)致地層傷害增加[1-2]，產(chǎn)量下降。降低壓裂液稠化劑濃度是降低壓裂液殘?jiān)驓埬z含量、提高裂縫導(dǎo)流能力、降低壓裂液成本的重要途徑[3]，但降低壓裂液稠化劑濃度會(huì)影響壓裂液的交聯(lián)強(qiáng)度和耐溫耐剪切性能，增大壓裂施工的風(fēng)險(xiǎn)。

目前蘇里格氣田壓裂氣井深度大多超過(guò)3 000 m，地層溫度均在100℃以上，蘇里格氣田氣藏的前期評(píng)價(jià)及相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，蘇里格氣田儲(chǔ)層主體表現(xiàn)為弱-中偏弱水敏，水基壓裂液不會(huì)對(duì)氣井產(chǎn)能造成較大影響。目前使用的壓裂液稠化劑多為羥丙基胍膠，濃度約0.55%，壓裂液稠化劑濃度偏高，破膠后的殘?jiān)慷啵瑖?yán)重堵塞油氣滲流通道，影響人工裂縫的導(dǎo)流能力。

近年來(lái)應(yīng)用效果較好的清潔壓裂液可在一定程度上達(dá)到壓裂施工要求，但大多數(shù)清潔壓裂液體系存在難耐100℃以上的高溫、在氣井壓裂應(yīng)用時(shí)不易破膠及使用成本高等問(wèn)題[4-6]。在其他類型壓裂液無(wú)明顯性能和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)的情況下，不改變施工工藝，只降低胍膠等主、助劑在壓裂液體系中的濃度，采用優(yōu)化后的胍膠類壓裂液體系則是最穩(wěn)妥的選擇，在降低成本的同時(shí)還能降低壓裂液破膠液殘?jiān)鼘?duì)地層的傷害。因此開(kāi)發(fā)出了一種低濃度羥丙基胍膠壓裂液體系，并成功應(yīng)用到蘇里格氣田。

1 低濃度羥丙基胍膠壓裂液體系實(shí)驗(yàn)

首先，選擇合適的胍膠壓裂液體系。常用的胍膠體系有羥丙基胍膠、羧甲基胍膠以及羥丙基羧甲基胍膠，其中羧甲基胍膠性能不穩(wěn)定，施工工藝不成熟；而羥丙基羧甲基胍膠的施工成本較高。因此，兼具經(jīng)濟(jì)性和安全性的首選是在其它添加劑濃度不變的情況下，減少羥丙基胍膠稠化劑的用量。通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)0.35%～0.5%濃度的羥丙基胍膠可獲得理想的交聯(lián)和挑掛效果。

另外，應(yīng)提升交聯(lián)性能。從提高交聯(lián)性能角度看，羥丙基胍膠稠化劑濃度越低，溶液中聚合物提供的順式臨位羥基交聯(lián)基團(tuán)也越少，空間間距越大。為使這些有限的交聯(lián)基團(tuán)有效交聯(lián)，需要增加交聯(lián)劑交聯(lián)離子的體積半徑，保持適度的pH值環(huán)境，以形成穩(wěn)固的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

經(jīng)優(yōu)化得到的有機(jī)硼鋯交聯(lián)劑可增大絡(luò)合離子的體積半徑，能與低濃度胍膠分子上的羥基基團(tuán)發(fā)生交聯(lián)作用，形成高強(qiáng)度的化學(xué)鍵。實(shí)驗(yàn)表明，100 ℃時(shí)，pH值為9.2～9.6的環(huán)境下，交聯(lián)比在100∶2～100∶3之間，通過(guò)交聯(lián)促進(jìn)劑的作用，可以提高交聯(lián)劑的絡(luò)合點(diǎn)，提高稠化劑的交聯(lián)能力，能夠在較低稠化劑濃度下形成穩(wěn)定的交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

通過(guò)降低稠化劑濃度和提高交聯(lián)性能，并優(yōu)化其他助劑配方，最終形成了如下適用于蘇里格氣田的壓裂液配方：0.35%～0.5%羥丙基胍膠+1% KCl+0.3%助排劑+0.05%～1%殺菌劑+0.5%起泡劑+0.5%防膨劑+0.1%溫度穩(wěn)定劑+0.01%～0.02%膠囊破膠劑+0.01%～0.02%過(guò)硫酸銨。pH值調(diào)整到9.2～9.6時(shí)，交聯(lián)比控制在100∶2～100∶3之間。根據(jù)直井和水平井井況的不同，可在上述配方的框架內(nèi)微調(diào)各組分含量。

1.1 壓裂液耐溫耐剪切性與流變性能

蘇里格氣田目前壓裂改造的儲(chǔ)層溫度多為100 ℃左右，但由于壓裂過(guò)程中常伴液氮助排，液氮的降溫作用及壓裂液導(dǎo)熱性能差導(dǎo)致壓裂液在裂縫內(nèi)的溫度難達(dá)到100 ℃以上，因此實(shí)驗(yàn)溫度設(shè)定為100 ℃即可。實(shí)驗(yàn)方法為：溫度達(dá)到100 ℃后，開(kāi)始以170 s-1速率剪切壓裂液90 min，剪切過(guò)程全程恒溫在100 ℃。該壓裂液表觀黏度與剪切時(shí)間的關(guān)系曲線見(jiàn)圖1。

圖1 低濃度羥丙基胍膠壓裂液流變曲線

由圖1可知，以170 s-1剪切速率分別剪切胍膠濃度為0.45%和0.4%的壓裂液90 min后，壓裂液表觀黏度為68.37 mPa·s 和56.05 mPa·s。滿足SY/T 6376-2008《壓裂液通用技術(shù)條件》中對(duì)壓裂液耐溫耐剪切性能的要求（≥50 mPa·s）。

1.2 破膠性能與殘?jiān)?/h3>

不同濃度的羥丙基胍膠壓裂液體系在100℃時(shí)，加入0.02%濃度的過(guò)硫酸銨破膠，1 h后其破膠液黏度平均值為3 mPa·s，破膠液表面張力均值為26 mN/m，滿足SY/T 6376-2008《壓裂液通用技術(shù)條件》中對(duì)水基壓裂液破膠性能的要求(破膠液表觀黏度≤5.0 mPa·s，破膠液表面張力≤28.0 mPa·s)。其中，濃度為0.4%的羥丙基胍膠壓裂液破膠液殘?jiān)繛?90 mg/L，僅為常規(guī)濃度羥丙基胍膠壓裂液殘?jiān)康?/3，能降低對(duì)地層的二次傷害。

1.3 壓裂液懸砂性能

1.3.1 束縛水蒸氣法檢驗(yàn)壓裂液黏彈性

實(shí)驗(yàn)原理：當(dāng)水或黏度低的溶液溫度達(dá)到100℃時(shí)，水會(huì)轉(zhuǎn)化為水蒸氣逸出；反之，如果溶液的黏度較高，黏彈性較好，水蒸氣便會(huì)被束縛到液體中，無(wú)法逸出并在液體內(nèi)部膨脹，液體體積逐漸增大。因此液體在加熱后體積增加越大，此液體的黏彈性就越佳。

分別以基液∶交聯(lián)劑（體積比）為100∶2、100∶2.5和100∶3配制壓裂液，性能檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 不同交聯(lián)比的壓裂液束縛水蒸氣實(shí)驗(yàn)

由表1可知，低濃度羥丙基胍膠壓裂液體系的壓裂液在100 ℃水浴2 h后，與初始體積相比，液體體積最大增幅為17%，證明其具有較好黏彈性。

此外，根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀察，基液∶交聯(lián)劑=100∶2.5的體系壓裂液在水浴2 h后流體的挑掛性較其它二者更佳，黏彈性較高，懸砂性能更好，可在壓裂現(xiàn)場(chǎng)優(yōu)先采用此交聯(lián)比進(jìn)行施工。

1.3.2 靜置懸砂法檢驗(yàn)壓裂液懸砂性能

按體系配方分別配成羥丙基胍膠濃度為0.4%、0.45%、0.5%的壓裂液基液，溶脹4 h后，分別檢測(cè)3杯壓裂液基液的pH值、表觀黏度、交聯(lián)時(shí)間。并在交聯(lián)后分別對(duì)其進(jìn)行懸砂效果實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)砂比設(shè)定為25% 。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同濃度的壓裂液懸砂實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，采用100 r/min轉(zhuǎn)速分別對(duì)0.4%、0.45%、0.5%濃度的羥丙基胍膠壓裂液攪拌剪切30 min后，凍膠狀態(tài)遭破壞，呈分散小塊狀，但仍能有效攜砂，無(wú)砂降。表2數(shù)據(jù)表明，該壓裂液體系具有較好的懸砂性能，能滿足蘇里格氣田壓裂施工的要求。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2.1 施工情況

將低濃度羥丙基胍膠壓裂液配方及工藝設(shè)計(jì)應(yīng)用于蘇里格氣田蘇E、蘇F區(qū)塊4口井（蘇E-20、蘇E-21、蘇E-22和蘇F-75H），其中3口為直井，1口為水平井（蘇F-75H）。共使用壓裂液6 047 m3，順利攜帶632 m3支撐劑入井，具體井號(hào)及主要施工參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 低濃度羥丙基胍膠壓裂井主要施工參數(shù)

低濃度羥丙基胍膠壓裂液實(shí)驗(yàn)井的壓裂施工過(guò)程均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，無(wú)停泵、砂堵等現(xiàn)象出現(xiàn)，返排效果好，施工成功率100%，表明該壓裂液體系具有良好的耐溫耐剪切性、造縫能力以及攜砂能力。

2.2 投產(chǎn)情況

2.2.1 直井產(chǎn)量對(duì)比

用低濃度羥丙基胍膠壓裂液的直井和常規(guī)濃度羥丙基胍膠壓裂液進(jìn)行壓裂施工的鄰直井（蘇E-66和蘇E-26均為同區(qū)塊同時(shí)期壓裂規(guī)模相近的相鄰直井），壓裂后單井日均增產(chǎn)效果對(duì)比見(jiàn)圖2，產(chǎn)氣量按壓裂后的前30個(gè)有效生產(chǎn)日（完整生產(chǎn)24 h）的產(chǎn)量計(jì)算。由圖2可見(jiàn)，使用低濃度羥丙基胍膠壓裂液壓裂的直井，產(chǎn)量普遍高于對(duì)比井。并經(jīng)計(jì)算可知，其單井日均產(chǎn)氣1.756 8×104m3，與采用常規(guī)壓裂工藝的鄰井產(chǎn)氣量1.409 8×104m3相比，增產(chǎn)25%，增產(chǎn)效果明顯。

圖2 直井產(chǎn)氣量對(duì)比圖

此外，采用低濃度羥丙基胍膠壓裂液體系施工的直井平均每米儲(chǔ)層壓裂后初期每MPa壓降產(chǎn)氣量均大于對(duì)比井，見(jiàn)圖3，說(shuō)明該低濃度羥丙基胍膠壓裂液體系在降低儲(chǔ)層傷害、提高改造效果方面具有優(yōu)勢(shì)。圖2～3中，藍(lán)色為使用低濃度羥丙基胍膠壓裂液的直井，黃色為使用常規(guī)濃度羥丙基胍膠壓裂液的鄰直井。

圖3 平均每米儲(chǔ)層壓裂后初期壓降產(chǎn)氣量

2.2.2 水平井產(chǎn)量對(duì)比

由表4可知，應(yīng)用低濃度羥丙基胍膠壓裂液的水平井，與其他用常規(guī)濃度羥丙基胍膠壓裂液施工的相鄰水平井（蘇F-76H、蘇F-74H）對(duì)比，在用液量相當(dāng)，胍膠用量減少的情況下，單井日均產(chǎn)氣量幾乎持平。證明低濃度羥丙基胍膠壓裂液應(yīng)用在水平井壓裂中兼具經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。

表4 低濃度羥丙基胍膠壓裂液與常規(guī)濃度羥丙基胍膠壓裂液水平井壓裂數(shù)據(jù)對(duì)比

截至2013年5月1日，采用低濃度羥丙基胍膠壓裂液進(jìn)行壓裂改造的蘇E-21、蘇E-20、蘇E-22和蘇F-75H井投產(chǎn)已近半年，累計(jì)產(chǎn)氣2 053×104m3，產(chǎn)量穩(wěn)定，未出現(xiàn)明顯遞減趨勢(shì)。

綜上所述，使用低濃度羥丙基胍膠壓裂液進(jìn)行壓裂施工安全可靠，能有效實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層改造，增產(chǎn)效果良好。

3 效益分析

采用該低濃度羥丙基胍膠壓裂液體系進(jìn)行施工，以每口直井用壓裂液500 m3計(jì)算（其中胍膠以10萬(wàn)元/t估算），濃度由原來(lái)的0.55%降低到0.4%，而配方中其他添加劑的使用成本幾乎不變，單井僅液體材料可節(jié)約成本75 000元；以每口水平井用壓裂液4 000 m3計(jì)算，濃度由原來(lái)的0.6%降低到0.5%，配方中其他添加劑的使用成本也無(wú)明顯增加，單井液體材料可節(jié)約成本40萬(wàn)元。

按蘇里格氣田某項(xiàng)目部所轄區(qū)塊年均壓裂直井70口，水平井30口計(jì)算，每年可節(jié)約成本1 725萬(wàn)元。

4 結(jié)論

a）該低濃度羥丙基胍膠壓裂液體系的耐溫耐剪切性能、破膠液殘?jiān)繚M足SY/T 6376-2008《壓裂液通用技術(shù)條件》以及蘇里格氣田100～120℃儲(chǔ)層的壓裂施工要求。其壓裂液破膠液中殘?jiān)績(jī)H為常規(guī)濃度羥丙基胍膠壓裂液的2/3，對(duì)地層的二次傷害低，懸砂性能佳。

b）該低濃度羥丙基胍膠壓裂液體系中增稠劑用量可根據(jù)井型的不同，比蘇里格氣田目前常用的羥丙基胍膠類壓裂液減少15%～30%。在用液量相當(dāng)，胍膠用量減少、施工成本降低的情況下，直井單井日均產(chǎn)氣量平均增加25%，水平井單井日均產(chǎn)氣量與鄰井幾乎持平。建議在蘇里格氣田的壓裂施工中，有針對(duì)性地應(yīng)用此項(xiàng)技術(shù)。

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