自組裝復(fù)合壓裂液在水平井壓裂中的應(yīng)用

趙眾從，唐東珠，李燕，柳建新，彭田杰劉兆杰

（1.長江大學(xué)石油工程學(xué)院，武漢 430100；2.川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院，西安 710000；3.長江大學(xué)圖書館，武漢 430100；4.渤海鉆探井下作業(yè)公司，河北任丘 062552）

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自組裝復(fù)合壓裂液在水平井壓裂中的應(yīng)用

趙眾從1，唐東珠2，李燕3，柳建新1，彭田杰1劉兆杰4

（1.長江大學(xué)石油工程學(xué)院，武漢 430100；2.川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院，西安 710000；3.長江大學(xué)圖書館，武漢 430100；4.渤海鉆探井下作業(yè)公司，河北任丘 062552）

趙眾從等.自組裝復(fù)合壓裂液在水平井壓裂中的應(yīng)用[J].鉆井液與完井液，2016，33（3）：98-101.

摘要為了滿足低滲透儲層水平井改造的需要，開發(fā)了一種梳形聚合物與表面活性劑膠束自組裝復(fù)合壓裂液體系。該體系不使用交聯(lián)劑，不含水不溶物；80 ℃時(shí)，0.3%梳形聚合物CD-1與0.2%表面活性劑組成的自組裝壓裂液儲能模量高達(dá)290 Pa，遠(yuǎn)大于耗能模量，表現(xiàn)出突出的黏彈特性。5 m3/min排量下壓裂液的降阻率達(dá)到74.05%，具有突出的低摩阻特性。不同配方的自組裝壓裂液破膠液的表面張力都低于27 mN/m，界面張力低于0.8 mN/m，滿足壓裂液返排特性的要求。自組裝壓裂液對儲層巖心平均傷害率18.04%，遠(yuǎn)小于瓜膠壓裂液78.75%的水平。室內(nèi)評價(jià)和現(xiàn)場試驗(yàn)施工都表明，自組裝壓裂液降阻率高，對地層傷害小，增產(chǎn)效果明顯，同時(shí)證實(shí)了利用聚合物與表面活性劑膠束自組裝形成結(jié)構(gòu)攜砂理論的正確性。該壓裂液體系滿足特殊結(jié)構(gòu)井壓裂改造要求，為特殊低滲透油氣藏的開發(fā)提供了一種新的方法和手段。

關(guān)鍵詞自組裝壓裂液；梳形聚合物；表面活性劑膠束；水平井

梳形聚合物與表面活性劑膠束自組裝壓裂液（簡稱自組裝壓裂液），是一種將梳形聚合物和黏彈性表面活性劑膠束混合使用的新型壓裂液體系，在聚合物和表面活性劑濃度都較低的條件下，就能具有足夠的黏彈性，達(dá)到造縫和攜帶輸送支撐劑的要求。同時(shí)還具有無需化學(xué)交聯(lián)、不含水不溶物、不易乳化地層原油、配方簡單、成本低廉、摩阻低和攜砂能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

自組裝壓裂液通過梳形聚合物疏水側(cè)基與表面活性劑膠束之間的自組裝形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有黏彈性高、抗剪切性能良好和湍流減阻作用，滿足長水平段壓裂對壓裂液高攜砂能力要求；其壓裂液中的水溶性增稠劑本身無不溶物，并且無需使用交聯(lián)劑。施工過程中注氮?dú)庠瞿?，不僅利用賈敏效應(yīng)解決了濾失問題，在施工后期還有利于破膠液的返排，通過工程辦法解決了液體的濾失問題。通過自組裝壓裂液體系進(jìn)行調(diào)控，有望解決現(xiàn)有壓裂液體系存在的諸多問題，對提高低滲透油氣藏壓裂工藝水平和壓裂效果起到積極的推動作用[2-4]。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1主要試劑及儀器

氯化鉀，過硫酸銨，分析純；硼交聯(lián)劑BCL-61，助排劑DL-10，工業(yè)品，市售；梳形聚合物CD-1，陽離子表面活性劑CD-2，自制；羥丙基瓜膠HPG，工業(yè)品；天然巖心。巖心流動裝置SL32，江蘇聯(lián)友科研儀器有限公司。

1.2測試評價(jià)方法

1.2.1黏彈性測試

黏彈性測試使用HAAKE RS6000流變儀，采用C60/1°Ti錐平板測試系統(tǒng)，錐板直徑為60 mm，錐角為1°，兩板間隙為0.104 mm，在80 ℃、6.18 Hz、0.1Pa下測定[5]。

1.2.2摩阻特性測試

采用φ88.9 mm光油管作為測試管柱，下入井底壓力計(jì)，測試現(xiàn)場條件下自組裝壓裂液的真實(shí)摩阻。試驗(yàn)液體通過壓裂車從油管泵入，經(jīng)油管底端從油層套管環(huán)空返排出來。測試時(shí)由高到低依次調(diào)節(jié)排量，同時(shí)采集壓裂液、清水在各個(gè)排量下的電子壓力計(jì)和施工泵壓實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。采用流經(jīng)油管后的摩阻壓降來計(jì)算降阻率，根據(jù)降阻率的大小評價(jià)壓裂液的降阻效果。降阻率計(jì)算公式為：

式中：η為降阻率，%；△P水為清水通過測試管路時(shí)的壓降，MPa；△P壓裂液為同一流量下壓裂液通過測試管路時(shí)的壓降，MPa。

1.2.3破膠液表界面張力測定

在自組裝壓裂液中加入0.1%的過硫酸銨破膠劑，在80℃下破膠4 h。將破膠液過濾，使用德國KRUSS K100表界面張力儀，測定濾液的表、界面張力。在測界面張力時(shí)，首先將巖樣洗油后粉碎，在70 ℃下老化15 d后裝入管式模型中，測定地層水、壓裂液水化液與其接觸角。

1.2.4巖心傷害評價(jià)

使用氣測滲透率與地層天然巖心相近的人造巖心，參考SY/T 5336—2006在80 ℃下考察巖心傷害評價(jià)實(shí)驗(yàn)。

2　自組裝壓裂液性能研究

2.1黏彈性

研究表明，液體黏度與攜砂性之間并不存在必然的聯(lián)系，通過代表彈性的儲能模量來評價(jià)壓裂液的攜砂性能更加合理[6-8]。自組裝壓裂液通過分子鏈?zhǔn)杷鶊F(tuán)與表面活性劑膠束之間的自組裝形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具有很好的的彈性特征，即代表彈性的儲能模量大于代表黏性的耗能模量。在80 ℃、振蕩頻率為6.18 Hz的實(shí)驗(yàn)條件下，對梳形聚合物CD-1濃度為0.3%、表面活性劑濃度為0.2%的自組裝壓裂液進(jìn)行黏彈性測試，實(shí)驗(yàn)曲線見圖1。由圖1可知，在80 ℃下，自組裝壓裂液的儲能模量高達(dá)290 Pa，遠(yuǎn)大于耗能模量，這是普通的羥丙基瓜膠無法比擬的。高的儲能模量非常有利于支撐劑在水平段的輸送；復(fù)合黏度高達(dá)6 860 mPa·s，高的復(fù)合黏度表明，該自組裝壓裂液中形成了超分子聚集體結(jié)構(gòu)。從微觀結(jié)構(gòu)分析，超分子聚集體結(jié)構(gòu)是復(fù)合壓裂液具有良好的攜砂性能的根本原因。

圖1　自組裝壓裂液黏彈性測試

2.2 摩阻特性

將自組裝壓裂液和清水在不同排量下的壓降曲線進(jìn)行擬合，根據(jù)擬合的多項(xiàng)式計(jì)算特定排量下自組裝壓裂液的降阻率，結(jié)果見圖2。由圖2可知，自組裝壓裂液顯示了良好的低摩阻特性，降阻率隨排量增大而增大，在5 m3/min排量下達(dá)到了74.05%。

圖2　自組裝壓裂液在不同排量下的降阻率

2.3破膠液表界面張力

影響壓裂液返排的主要因素是地層壓力降、黏滯力和毛細(xì)管力等，因此要求壓裂液破膠液具有低的表面張力和界面張力，防止水基壓裂液在油氣層中產(chǎn)生水鎖、液阻、乳化效應(yīng)，從而改善壓裂液的性能，提高液體返排，增強(qiáng)與地層配伍性能[9-10]。不同配方自組裝壓裂液破膠液的表、界面張力見表1。由表1可以看出，不同濃度的自組裝壓裂液破膠液的表、界面張力都較低，滿足壓裂液返排特性的要求。

表1　自組裝壓裂液破膠液表、界面張力

2.4巖心基質(zhì)傷害評價(jià)

為了正確評價(jià)壓裂液對巖心的傷害程度，取8塊天然低滲透巖心進(jìn)行基質(zhì)傷害實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表2和表3。由表2和表3可知，8塊巖心的原始?xì)鉁y滲透率都非常低；自組裝壓裂液對巖心的平均傷害率為18.04%，對巖心平均傷害率比羥丙基瓜膠壓裂液降低了約60%，且傷害率的大小受滲透率的影響比較小，表現(xiàn)出良好的儲層適應(yīng)性；而羥丙基瓜膠壓裂液對巖心平均傷害率高達(dá)78.75%，其中7#巖心的傷害率高達(dá)90.15%[11-12]。

表2　自組裝壓裂液對巖心的傷害

表3　羥丙基瓜膠壓裂液對巖心的傷害

3　現(xiàn)場應(yīng)用

M井位于鄂爾多斯盆地東北部，位于二疊系下統(tǒng)山西組山一段，完鉆井深為3 397 m，垂深為2 916.21m，水平段段長為796 m。山一段儲層為低孔、低滲透儲層，平均孔隙度為8.75%，平均滲透率為0.74×10-3μm2，地層壓力系數(shù)為0.85～0.99，是一個(gè)典型的低壓、低孔、低滲、低含氣飽和度的致密性氣藏[13]，A井為鄰井。M井采用自組裝壓裂液對該水平井進(jìn)行大型壓裂施工，采用裸眼封隔器+投球滑套分8段完井及壓裂，通過分段壓裂措施，提高單井產(chǎn)量，共加砂219.3 m3。表4為M井與A井采用不同壓裂液體系施工后無阻流量對比情況。由表4可知，采用自組裝壓裂液進(jìn)行施工的M井增產(chǎn)效果顯著，說明該壓裂液體系能夠滿足對低滲透儲層特殊結(jié)構(gòu)井壓裂改造的要求。壓裂液及交聯(lián)液配方如下。

自組裝壓裂液 0.3%梳形聚合物CD-1+0.25%表面活性劑CD-2+0.05%破膠劑APS+1%KCl

瓜膠壓裂液 0.45%HPG+1.0%KCl+0.1%HCHO+0.2%助排劑DL-10+0.2%Na2CO3

交聯(lián)液：BCL-61（A∶B=100∶6），交聯(lián)比為：（100∶0.25）～（100∶0.30）

表4　不同水平井山1層位壓裂效果對比

4　結(jié)論

1.研發(fā)了一種梳形聚合物與表面活性劑膠束自組裝的壓裂液體系，該體系不使用交聯(lián)劑，不含水不溶物，對地層傷害小，其對巖心傷害率僅為18.04%。

2.在排量為5 m3/min下，壓裂液的降阻率達(dá)到74.05%，具有突出的低摩阻特性。不同配方的自組裝壓裂液破膠液的表面張力都低于27 mN/m、界面張力低于0.8 mN/m，滿足壓裂液返排的要求。

3.通過現(xiàn)場應(yīng)用證明，自組裝壓裂液體系能滿足對特殊結(jié)構(gòu)井壓裂改造要求，其增產(chǎn)效果優(yōu)于普通羥丙基瓜膠壓裂液。

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The Application of Self-assembled Compound Fracturing Fluid in Horizontal Fracturing

ZHAO Zhongcong1, TANG Dongzhu2, LI Yan3, LIU Jianxin1, PENG Tianjie1
(1. College of Petroleum Engineering, Yangtze University, Wuhan, Hubei 430100;2. Drilling & Production Technology Research Institute of CCDC, Xi’an, Shaanxi 710000;3. The Library of Yangtze University, Wuhan, Hubei 430100; 4. Downhole Service Company BHDC, Renqiu, Hebei 062552)

AbstractTo satisfy the needs for low permeability horizontal well fracturing，a compound fracturing fuid has been developed through self-assembly of a comb polymer and surfactant micelles. This fracturing fuid contains no cross-linkers and water insoluble matter. At 80 ℃，the self-assemble fracturing fuid containing 0.3% co 0 mb polymer CD-1and 0.2% surfactant has storage modulus of 290 Pa，far greater than the loss modulus，showing an obvious viscous-elasticity. At fow rate of 5 m3/min，the percent reduction in friction achieved with the fracturing fuid is 74.05%，showing an obvious low friction nature. Different self-assembled fracturing fuids all have surface tensions less than 27 mN/m，and interface tensions less than 0.8 mN/m，satisfying the needs for the fow-back of fracturing fuids. Average permeability impairment by these self-assembled fracturing fuids is 18.04%，far less than that of the guar gum fracturing fuids，which is 78.75%. Laboratory evaluation and feld application have all indicated that the self-assembled fracturing fuids have high effciency of friction reduction and low damage to reservoir formation，and higher production rates have been gained using these fracturing fuids. It has also demonstrated the soundness of the theory，which states that through self-assembly of polymers and surfactant micelle，a structure can be developed in the fuid to carry sands. The self-assembled fracturing fuid has satisfed the needs for fracturing wells with special holeprofles，and provided a new way of developing low permeability reservoirs.

Key wordsSelf-assembled fracturing fuid； Comb polymer； Surfactant micelle； Horizontal well

中圖分類號：TE357.12

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-5620（2016）03-0098-04

doi:10.3696/j.issn.1001-5620.2016.03.020

基金項(xiàng)目：國家科技重大專項(xiàng)子課題“深井高溫高壓儲層非交聯(lián)壓裂液技術(shù)研究與應(yīng)用”（2011ZX0546-03）資助。

第一作者簡介：趙眾從，講師，博士，1983年生，現(xiàn)在從事油氣藏增產(chǎn)理論與技術(shù)方面的研究工作。電話18086511815；E-mail：1534172909@qq.com。

收稿日期（2016-2-21；HGF=1603C1；編輯王超）