羧甲基香豆膠壓裂液在乾安油田的研究與應(yīng)用

何定凱

(吉林油田采油工藝研究院，吉林松原 138000)

乾安油田具有低孔、低滲、低豐度特征，單井自然產(chǎn)能低，絕大多數(shù)油井都需要壓裂改造才能獲得高產(chǎn)。2011年起國內(nèi)外胍膠價格猛漲，制約了吉林油田壓裂施工的順利進(jìn)行。為此，開發(fā)了羧甲基香豆膠壓裂液。

香豆膠外觀為淡黃色粉末，含有87.03%的膠質(zhì)(半乳甘露聚糖)，有較強(qiáng)的耐熱穩(wěn)定性，其分解溫度大于250℃。紅外光譜分析結(jié)果表明，香豆膠分子中半乳甘露聚糖的組成比約為1∶1.2;用黏度計法測得其相對分子質(zhì)量為25×104～30×104。通過化學(xué)改性，在香豆膠分子結(jié)構(gòu)單元(見圖1)中引入羧甲基基團(tuán)，可以提高香豆膠的水溶性和穩(wěn)定性，使香豆膠的綜合性能更加優(yōu)異［1－2］。

圖1 香豆膠分子結(jié)構(gòu)單元

1 實驗部分

1.1 原料和儀器

羧甲基香豆膠 xy－111，交聯(lián)劑 xy－112，交聯(lián)促進(jìn)劑xy－113，黏土穩(wěn)定劑xy－114，助排劑xy－115，過硫酸銨，均為工業(yè)級。

Haake MARSⅢ流變儀，TDL－5C低速臺式大容量離心機(jī)，電熱恒溫三用水箱，電熱恒溫干燥箱，ZKA電動攪拌器，六速黏度計，JYW－200B自動張力儀，YXPXY－HC型高溫高壓膨脹儀。

1.2 實驗方法

依據(jù)中國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《SY/T 5107—2005水基壓裂液性能評價方法》和《SY/T 6376—1998壓裂液通用技術(shù)條件》，對羧甲基香豆膠壓裂液性能進(jìn)行全面評價。

2 羧甲基香豆膠壓裂液性能評價

2.1 壓裂液基液的表觀黏度與時間的關(guān)系

用六速旋轉(zhuǎn)黏度計，在100 r/min下測量一定時間內(nèi)0.4%羧甲基香豆膠XY－111溶液的表觀黏度，結(jié)果見圖2。隨著時間延長，羧甲基香豆膠XY－111溶液的表觀黏度增加;當(dāng)溶脹時間為20 min時，其表觀黏度達(dá)到最大，為33 mPa·s，較0.4%羥丙基胍膠壓裂液的表觀黏度低。

圖2 壓裂液基液表觀黏度與時間的關(guān)系曲線

2.2 壓裂液的耐溫耐剪切性能評價

在90℃、170 s－1剪切速率下，剪切90 min后，羧甲基香豆膠壓裂液的表觀黏度為115 mPa·s(見圖3)。根據(jù)《SY/T 6376—1998壓裂液通用技術(shù)條件》中表觀黏度大于50 mPa·s合格，因此，羧甲基香豆膠壓裂液能滿足90℃儲層壓裂攜砂需求。

圖3 壓裂液耐溫耐剪切實驗結(jié)果

2.3 壓裂液黏彈性能

壓裂液黏彈性能是評價壓裂液攜砂性能的重要指標(biāo)之一。測量的方法是用流變儀進(jìn)行靜態(tài)剪切速率掃描和動態(tài)頻率掃描。高分子在受到外力作用時，既具有彈性響應(yīng)(即彈性形變)，同時也具有黏性響應(yīng)(即黏性流動)，這一現(xiàn)象稱之為黏彈性。儲能模量又稱為彈性模量，是指材料在發(fā)生形變時，由于彈性(可逆)形變而儲存的能量，反映的是材料彈性大小。損耗模量又稱黏性模量，是指材料在發(fā)生形變時，由于黏性形變(不可逆)而損耗的能量，反映的是材料黏性大小。代表彈性的儲能模量(G')取決于壓裂液體系的交聯(lián)結(jié)構(gòu)，代表黏性的儲能模量(G″)取決于植物膠的基本性能［3－4］。

根據(jù)應(yīng)力和頻率掃描結(jié)果看，0.4%香豆膠壓裂液彈性區(qū)范圍:應(yīng)力0.5 ～2 Pa，頻率 0.1 ～0.4 Hz。測得儲能模量G'=10.5 Pa，耗能模量G″=0.42 Pa，儲能模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于耗能模量，證明該壓裂液是黏彈性體，主要以彈性攜砂為主。

2.4 壓裂液靜態(tài)濾失性能

壓裂液靜態(tài)濾失性能是衡量壓裂液效率和在裂縫內(nèi)漏失量的主要指標(biāo)。壓裂液濾失系數(shù)與該液體特性、油層巖性及油層所含流體的特性有關(guān)。壓裂液濾失系數(shù)越低，說明在壓裂過程中其濾失量也越低。因此在同一排量條件下，可以壓出較大的裂縫面積，并將濾失傷害降到最低［5］。

羧甲基香豆膠壓裂液靜態(tài)濾失實驗結(jié)果見表1。其靜態(tài)濾失系數(shù)為6.60 ×10－4m/min0.5，比羥丙基胍膠壓裂液靜態(tài)濾失系數(shù)大。因此，羧甲基香豆膠壓裂液壓裂施工進(jìn)入地層后，濾失大，液體效率較羥丙基胍膠壓裂液低。

表1 靜態(tài)濾失實驗結(jié)果

2.5 壓裂液破膠性能

在一定濃度的100 mL羧甲基香豆膠基液中，加入一定量的過硫酸銨破膠劑，攪拌均勻后加入交聯(lián)劑，配制成壓裂液凍膠。在不同的水浴條件下進(jìn)行靜態(tài)破膠實驗，結(jié)果見表2。羧甲基香豆膠壓裂液凍膠的破膠時間滿足SY/T 6376—2008壓裂液通用技術(shù)條件要求?，F(xiàn)場應(yīng)用時應(yīng)控制破膠劑的添加量，防止水化過快或不破膠。當(dāng)破膠劑過硫酸銨添加量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))達(dá)到0.8‰，膠體性能變差，因此加入量應(yīng)小于0.8‰。在低溫井中壓裂液破膠難度加大，應(yīng)適當(dāng)加入一定量的三乙醇胺。

表2 壓裂液破膠實驗結(jié)果

壓裂施工結(jié)束，壓裂液破膠液返排。由于地層的低滲透性和低孔隙性，毛管力束縛部分水在儲層中，使壓裂液返排困難，對儲層損害更大。侵入基巖的壓裂液會增加水飽和度，降低油氣的相對滲透率，從而造成水鎖。根據(jù)毛管力公式:

式中，Pc為油水間毛細(xì)管力，mN;δ為油水間的界面張力，mN/m;θ為油水間接觸角;γ為毛細(xì)管半徑，m。

因此，降低δ和θ有助于降低毛管力，從而提高壓裂液的返排率。根據(jù)《SY/T 5107—2005水基壓裂液性能評價方法》，將破膠液離心，倒出上層清液進(jìn)行表面張力/界面張力測定。測試結(jié)果為:表面張力 25.93 mN/m，界面張力 1.89 mN/m，接觸角51℃。該壓裂液表面張力、界面張力較低，有助于解除水鎖，有利于壓裂液返排。

2.6 壓裂液防膨性能

乾安油田主力儲層以砂巖為主，其黏土含量一般在10% ～25%，壓裂液進(jìn)入地層，如不進(jìn)行有效的儲層保護(hù)，會對儲層傷害特別大。為此，在壓裂液中加入黏土防膨劑，利用黏土表面化學(xué)離子交換的特點，用黏土穩(wěn)定劑改變結(jié)合離子而改變其理化性質(zhì)，或破壞其離子交換能力，或破壞雙電層離子氛之間的斥力，達(dá)到防止黏土水合膨脹或分散遷移的效果［6］。

根據(jù)《SY/T 5971—1994注水用黏土穩(wěn)定劑性能評價方法》，通過測定膨潤土粉在水中膨脹體積(V1)和在黏土穩(wěn)定劑溶液中的膨脹體積(V2)，評價防膨率(B)。

測試結(jié)果為:羧甲基香豆膠壓裂液防膨率82.75%，能有效保護(hù)儲層，防止壓裂液破膠液對地層的傷害。

3 羧甲基香豆膠壓裂液現(xiàn)場應(yīng)用

目前羧甲基香豆膠壓裂液在乾安油田應(yīng)用3口井，均獲得成功。表3列舉了羧甲基香豆膠壓裂液在乾安油田的應(yīng)用效果。壓裂施工前單井產(chǎn)能低，無法獲得工業(yè)產(chǎn)能;壓裂后單井產(chǎn)能4.87 ～7.22 t/d。

表3 壓裂液在乾安油田應(yīng)用效果

4 結(jié)論

1)羧甲基香豆膠壓裂液耐溫耐剪切性能良好，能滿足90℃儲層壓裂攜砂需求;且為黏彈性體，主要以彈性攜砂為主。

2)羧甲基香豆膠壓裂液壓裂施工進(jìn)入地層后，濾失大，液體效率較羥丙基胍膠壓裂液低。

3)羧甲基香豆膠壓裂液破膠液表面張力，界面張力較低，有助于解除水鎖，有利于壓裂液返排;防膨效果好，能有效保護(hù)儲層，防止壓裂液破膠液對地層傷害。

4)羧甲基香豆膠壓裂液在乾安油田應(yīng)用3口井均獲得成功，壓裂后產(chǎn)能提高。

［1］張華麗，周繼東，周瑜，等.羧甲基羥丙基胍膠壓裂液的研究與應(yīng)用［J］.復(fù)雜油氣藏，2013，6(2):77 －80.

［2］萬仁博.采油技術(shù)手冊:第9分冊［M］.北京:石油工業(yè)出版社，1998，295 －297.

［3］郭麗梅，郭燕.黏彈性表面活性劑壓裂液的合成與性能［J］.天津科技大學(xué)學(xué)報，2011，26(3):29 －31.

［4］盧擁軍，方波，房鼎業(yè)，等.粘彈性膠束壓裂液的形成與流變性質(zhì)［J］.油田化學(xué)，2003，20(4):327 －330.

［5］王鴻勛.水力壓裂原理［M］.北京:石油工業(yè)出版社，1987，15－19.

［6］趙福麟.油田化學(xué)［M］.山東東營:石油大學(xué)出版社，1997，162－179.