VF-8清潔二氧化碳泡沫前置液壓裂工藝在延長氣井的應(yīng)用

楊 洪，李彥林，郭 慶，白方林，張鋒三，高志亮，王 瑛

(陜西延長石油 (集團)有限責(zé)任公司研究院，陜西西安 710075)

前置壓裂液是傳遞壓力、壓裂地層的一種主要工作液［1］。前置液的用量直接影響著裂縫形態(tài)、壓裂改造效果，甚至決定壓裂施工的成?。?］。因此前置液對于壓裂施工的成功、傷害大小、返排率等影響極為關(guān)鍵。

中國石化中原油田分公司采油工程技術(shù)研究院曾研究過預(yù)前置液技術(shù)，認(rèn)為預(yù)前置液能夠防止或減少壓裂液對地層的傷害，對提高壓裂增產(chǎn)效果具有重要意義。但其預(yù)前置液主要屬于多效功能性液體，用量較少，對于油層壓裂區(qū)域不能提供全面的保護作用。

陜西延長石油 (集團)有限責(zé)任公司研究院針對延長油田多數(shù)氣層泥質(zhì)含量比較高、外來流體傷害嚴(yán)重的特點，成功開發(fā)研制了新型VF－8清潔二氧化碳泡沫前置液體系，對地層具有防黏土膨脹和運移、破乳、降低入井液表面張力與界面張力、起泡攜砂及提高返排效率等特點，對防止或減少壓裂液對地層傷害，增強施工效果都將起到重要作用。在實際運用中，將VF－8清潔前置液與二氧化碳復(fù)合使用，形成新型VF－8清潔二氧化碳泡沫壓裂液體系。該體系技術(shù)同傳統(tǒng)的瓜爾膠壓裂液伴注液氮相比較，有效解決了三低氣井壓裂液返排慢、返排率低、排液周期長的問題。該體系目前在YY2井實施了施工，取得了較理想的效果，目前該井日產(chǎn)氣8×104m3。

1 儲層概況

延長油田氣田上古生界本溪組的暗色泥頁巖厚度大、有機碳含量 (TOC)高，具有較好的勘探開發(fā)潛力，突出特點是黏土礦物含量高，即:石英+長石平均含量為14.2%，黏土礦物平均含量為69.4%，碳酸鹽巖及其他礦物平均含量為16.4%。黏土礦物相對含量以伊利石 (26.6%)和高嶺石 (48%)為主，伊利石和高嶺石中的微孔隙非常發(fā)育。

氣測錄井顯示，儲層段2464～2469m具有較好的含氣性，氣測基值為0.167%，峰值為0.533%，平均為0.336%。2485.5～2489.5m層段也具有較好的含氣性，氣測基值為 0.128%，峰值為0.510%，平均為0.321%。儲層特征要求壓裂液具有高防膨能力、偏低pH值、低表界面張力及高返排能力。通過篩選及室內(nèi)研究認(rèn)為，清潔二氧化碳泡沫前置液壓裂工藝較適合該類儲層壓裂改造增產(chǎn)的目的［2］。

2 壓裂液體系性能

壓裂液殘渣的存在對儲層基質(zhì)、支撐裂縫導(dǎo)流能力造成極大的傷害［3］。清潔壓裂液具有對地層傷害低、破膠徹底、無殘渣、攜砂能力較好、配制簡單、破膠液具有低表界面張力，有利于壓裂液返排，被油田廣為采用。目前現(xiàn)場應(yīng)用的清潔壓裂液通常適用于溫度在85℃以下的陸地油田，且都為淡水配制，原料成本較高［4－6］。清潔壓裂液受溫度、pH值、水的礦化度、油氣接觸、鹽類等的影響較大，可作為二氧化碳酸性泡沫壓裂液基液的清潔體系更是少之又少。為此，針對被改造儲層特點研制了一種耐鹽、耐酸 (pH值為4～6)、抗溫性等較好的清潔壓裂液體系，并對其相關(guān)性能進行了測試評價。

2.1 耐鹽性

清潔壓裂液基本成分為直鏈烷基季銨鹽表面活性劑，通常需要加入一定比例的氯化鉀作為膠束結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定劑，用量遠小于5%。但有些地層中含有高礦化度地層水，特別是CaCl2型或型或CaSO4型水，若清潔壓裂液與其接觸易引起壓裂液迅速破膠，影響施工;因此清潔壓裂液還必須具有一定的耐鹽性。從圖1可知，分別加入1.0%、2.0%的KCl和CaCl2對液體黏度影響不大［7］。

圖1 VF－8清潔壓裂液耐鹽性能圖Figure 1 Salt resistance of VF－8 clean fracturing fluid

2.2 耐酸性

當(dāng)清潔壓裂液混入二氧化碳液體時，由于二氧化碳在水中的輕度水解作用，會導(dǎo)致壓裂液pH值下降至3～5;因此VF－8清潔壓裂液還必須具有一定的抗酸性［8］。實驗測定了VF－8清潔壓裂液在室溫、不同pH值下的黏度變化情況 (表1)。結(jié)果表明，該清潔壓裂液黏度受pH值影響非常小，可以與二氧化碳復(fù)配使用。

表1 VF-8清潔壓裂液室溫不同pH值下的黏度表Table 1 VF-8 clean fracturing fluid viscosity with different pH at room temperature

2.3 抗溫性

經(jīng)過室內(nèi)配方篩選，確定VF－8清潔壓裂液配方:0.45%BCG－1H+0.3%B－14+0.30%B－55+1%KCl。使用HAK6000型旋轉(zhuǎn)黏度計，在170s－1、室溫至80℃下連續(xù)剪切1.5小時。測定壓裂液的黏度，結(jié)果表明，該配方壓裂液具有較好的耐剪切能力，黏度最終保持在50mPa·s左右，完全可以滿足施工要求 (圖2)。另外，發(fā)現(xiàn)在剪切十幾分鐘后黏度有一定的下降，但在剪切速率下降的過程中黏度又上升到初始值。這種現(xiàn)象表明，黏彈性表面活性劑壓裂液中存在棒狀膠束相互纏結(jié)形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。受剪切時網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)處于破壞和重新形成的平衡中，在高剪切作用下棒狀膠束纏結(jié)解開，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)破壞，當(dāng)剪切作用下降時，黏度有所下降;消失后的棒狀膠束重新纏結(jié)自動恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這種現(xiàn)象有利于壓裂液在裂縫中提高懸砂能力［9－10］。

圖2 清潔壓裂液80℃的流變曲線圖Fig.2 at clean fracturing fluid at Rheological curves of at 80℃

2.4 防膨性

VF－8清潔壓裂液主要配方成分為直鏈烷基季銨鹽和氯化鉀。直鏈烷基季銨鹽通過吸附作用成為黏土礦物的長效防膨劑，而氯化鉀通過鉀離子的鑲嵌作用，對黏土礦物具有暫時的防膨作用。另外，液體二氧化碳的水解作用會使泡沫壓裂液具有較低的pH值 (為3～4)，酸性條件一定程度抑制了黏土礦物的膨脹［11］。因此，二氧化碳泡沫壓裂液總體上對儲層的傷害較低。而在瓜爾膠壓裂液中一般只含有1%～2%氯化鉀;相比較而言，VF－8清潔壓裂液具有更好的防膨能力。分別在含有25mL清水、瓜爾膠破膠液與VF－8清潔液破膠液的比色管中，加入2g鈉膨潤土并充分搖勻，然后靜置4小時，觀察鈉膨潤土膨脹的高度 (圖3)。結(jié)果表明，使用VF－8清潔壓裂液可以獲得更好的防膨效果。

圖3 3種液體防膨性能對比圖Fig.3 Anti－swelling performance contrast of three types of liquid

2.5 泡沫質(zhì)量和排量

液態(tài)二氧化碳在泵注過程中會吸熱升溫而汽化，與壓裂液混合形成泡沫，因此地面排量要小于井底排量。用泡沫質(zhì)量表示氣體在泡沫中所占的比例，其公式為:

式中 FQ——泡沫質(zhì)量;

k——二氧化碳的體積系數(shù);

QCO2——二氧化碳排量;

Ql——清潔壓裂液排量。

本次采用恒定內(nèi)相，保持井底總排量，氣相不變，支撐劑增加，二氧化碳排量不變。經(jīng)模擬設(shè)計地面二氧化碳的排量為1.8m3/min，清潔壓裂液的排量為1.7m3/min。根據(jù)井溫和井底壓力計算井底泡沫質(zhì)量可達55.8%，平均裂縫寬度為9.9mm［12－13］。

3 現(xiàn)場實驗

3.1 設(shè)計思路

YY2井為一口直井，本溪組2450.8～2495.3m(厚度為44.5m)層段巖性組合為黑色含氣頁巖、深灰色含氣細砂巖和深灰色泥巖，總體表現(xiàn)為3層泥頁巖夾兩套細—粉砂巖。其中，2464.0～2469.0m井段為深灰色含氣細砂巖，2485.5～2489.5m井段為深灰色細砂巖;分析認(rèn)為，該井本溪組發(fā)育的薄砂層為天然氣富集區(qū)。壓裂設(shè)計思路為:

(1)砂泥巖互層，高角度充填縫，不利控縫高，施工難度大。

(2)頁巖層理發(fā)育，盡量提高排量和縫內(nèi)凈壓力，并加大前置液用量，彌補液體濾失，溝通與開啟更多的天然裂縫。

(3)采用清潔二氧化碳泡沫壓裂液，液態(tài)二氧化碳汽化提高壓裂液返排能力，能夠降低液體表面張力，有助于壓裂液的迅速返排;二氧化碳泡沫壓裂液能有效降低液體濾失，提高壓裂液效率;減少了水基壓裂液的用液量;降低了液體pH值，減小了壓裂液對基質(zhì)的傷害。

(4)考慮到儲層微裂縫較為發(fā)育，爭取形成復(fù)雜裂縫，擴大裂縫有效改造體積;適當(dāng)提高施工排量。本井采用光套管壓裂施工。

(5)為降低破裂壓力和解除近井傷害，設(shè)計10m3酸液對儲層進行壓裂前預(yù)處理。

(6)支撐劑主體類型選用低密度陶粒，選擇3種支撐劑組合，考慮到泥頁巖儲層微裂縫較為發(fā)育，前置液階段采用70～100目陶粒段塞處理技術(shù)，打磨裂縫壁面消除彎曲效應(yīng)，同時其有利于橋塞和充填開啟的次生微裂縫的作用。其中，40～70目陶粒支撐主裂縫，20～40目陶粒用于封口，以提高近井裂縫導(dǎo)流能力。

3.2 壓裂施工

YY2井采取前置泡沫壓裂工藝和光套管注入方式進行現(xiàn)場施工。施工最高壓力為28.6MPa，破裂壓力為15.3MPa，停泵壓力為18.6MPa;二氧化碳施工排量為1.5～1.85m3/min，清潔壓裂液施工排量為1.5～5.3m3/min;共計注入地層清潔壓裂液672m3、二氧化碳172m3，加砂量為80m3。泡沫質(zhì)量最高為66%，施工曲線見圖4。加入70～100目陶粒10m3、40～70目陶粒54m3、20～40目陶粒16m3。

圖4 壓裂施工曲線圖Fig.4 Fracturing operation curves

3.3 壓裂施工及壓裂后效果

嘗試使用清潔二氧化碳泡沫壓裂液只作為前置液的壓裂工藝對氣儲層進行改造，因此只在前置液階段使用泡沫進行施工。YY2井恒定井底排量為5.0～5.4m3/min，泡沫階段最高摩阻為13MPa。停泵壓力高于初始破裂壓力約為13MPa，最高砂比為24%，平均砂比為17.6%。按經(jīng)驗公式計算，泡沫壓裂液的泡沫質(zhì)量為34.3%～66.2%，加砂率為100%，表明清潔二氧化碳泡沫壓裂液性能優(yōu)良，雖然只在前置液階段使用二氧化碳泡沫，依然能夠滿足該類地層壓裂攜砂和返排的要求。

壓裂后兩周，該井共返排壓裂液106.5m3，用8mm油嘴放噴，日產(chǎn)水量為1.2m3，日產(chǎn)氣量為56476m3。一個月后產(chǎn)量達到日產(chǎn)氣8×104m3，油壓穩(wěn)定在13.08MPa。二氧化碳泡沫壓裂液可減少壓裂液中水的用量50%～80%［13］，按此計算可減少超過10%的費用。前置二氧化碳泡沫壓裂工藝在保證壓裂效果的前提下，可以節(jié)省攜砂液部分大量的氣體。同時，因攜砂液部分不用泡沫，施工摩阻降低，可減少設(shè)備消耗。

4 結(jié)束語

(1)YY2井的成功實施為以后前置清潔二氧化碳泡沫壓裂工藝的應(yīng)用提供了有效的借鑒作用和寶貴經(jīng)驗。

(2)應(yīng)進一步提高泡沫質(zhì)量和最高砂比進行施工。

(3)采用VF－8清潔二氧化碳泡沫前置液壓裂工藝技術(shù)可以在保證增產(chǎn)效果前提下，大量節(jié)省施工成本。

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