須家河氣藏地層水工作液體系研究

林飛　歐陽傳湘　李春穎　盛萍

1.油氣鉆采工程湖北省重點實驗室(長江大學)　2.長江大學石油工程學院　3.中國石油新疆油田分公司

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須家河氣藏地層水工作液體系研究

林飛1,2歐陽傳湘1,2李春穎1,2盛萍3

1.油氣鉆采工程湖北省重點實驗室(長江大學)2.長江大學石油工程學院3.中國石油新疆油田分公司

川西氣田須家河組氣藏在開采過程中產(chǎn)生了大量的氣田廢水，而地層水是氣田廢水的主要來源之一，無害化處理難度較大。為了能夠更好地處理須家河地層水，針對其高礦化度的水質(zhì)特點，通過優(yōu)選處理劑、優(yōu)化配方、綜合性能評價等方法，對須家河地層水配制不同工作液的可行性進行了分析。結(jié)果表明，使用須家河地層水配制胍膠壓裂液、鉆井液難度較大，但可以通過優(yōu)選抗鹽性能較好的降阻劑來實現(xiàn)對減阻水的配制。新型減阻水在川西地區(qū)的現(xiàn)場施工過程中取得了良好的效果，降阻率可達到65%～71%。

地層水胍膠壓裂液減阻水鉆井液

隨著川西氣田須家河組氣藏開采力度的增大，氣田廢水逐年增加。地層水是氣田廢水的主要來源之一。目前，國內(nèi)外處理地層水的主要方法包括回注地層、處理達標后外排及低溫蒸餾法3種[1]。這3種方法總體上來說處理難度較大，且成本較高，同時回注水處理不當易造成儲層污染及水資源的浪費，嚴重制約了氣田的勘探與開發(fā)。

相比以上3種方法，使用地層水配制工作液既能緩解廢水處理的壓力，又能實現(xiàn)對氣田廢水的重復(fù)利用，達到節(jié)能減排的宗旨。經(jīng)調(diào)研可知，使用川西地區(qū)中淺層地層水配制的特效增溶劑GCY-14性能良好，進一步證明了川西地區(qū)地層水配制工作液的可實施性。目前，國內(nèi)外大多數(shù)研究停留在地層水配制單一工作液階段，不夠全面。因此，本研究從須家河組地層水的水質(zhì)特征入手，通過優(yōu)選處理劑、優(yōu)化配方、綜合性能評價等方法，分別對須家河組地層水配制胍膠壓裂液、減阻水及鉆井液3種不同工作液的性能進行研究，從而確定與須家河組地層水水質(zhì)特征相匹配的工作液體系。

1　須家河地層水水質(zhì)特征

須家河地層水離子成分復(fù)雜，偏酸性或中性。如表1、表2所列。須家河地層水整體礦化度較高，平均礦化度高達39 917 mg/L，Ca2+、Mg2+、Cl-濃度高，水型以CaCl2為主[2-3]。相比中淺層地層水，須家河組地層水超高的礦化度給工作液的配制帶來了更大的困難。

表1 川西地區(qū)地層水礦化度統(tǒng)計表Table1 SalinityofstratumwaterinWesternSichuan層位水型總礦化度/(mg·L-1)礦化度平均值/(mg·L-1)蓬萊鎮(zhèn)組CaCl2(占55.56%)9617～7166829952遂寧組CaCl2(占16.7%)13178～4161027334上沙溪廟組CaCl2(占83.17%)290～6595418687下沙溪廟組CaCl2(占100%)16316～1719516701須家河組CaCl2(占84.21%)894～11972439917

表2 須家河氣藏地層水離子成分表Table2 IoncomponentsofXujiahegasreservoirstratumwatermg/L離子種類K+Na+Ca2+Mg2+Fe2+Fe3+Cl-SO2-4HCO-3CO2-3質(zhì)量濃度884.928752.63066.43066.446.85.052478.559.8327.40

2　地層水配制壓裂液性能研究

2.1胍膠壓裂液體系研究

采用須家河地層水配制胍膠壓裂液，在加入稠化劑羥丙基胍膠后，胍膠無法直接溶脹，基液不起黏[4]。加入Na2CO3或NaOH后，基液自發(fā)弱交聯(lián)(見表3)。分析表明，高氯廢水中的Ca2+、Mg2+是影響壓裂液基液交聯(lián)形成凍膠的主要原因。因此，在配制壓裂液過程中，需要對地層水進行預(yù)處理，優(yōu)選金屬離子絡(luò)合物[5]，以降低Ca2+、Mg2+的影響。

表3 加入Na2CO3或NaOH后的基液性能Table3 BasefluidpropertiesafteraddingNa2CO3orNaOHpH值調(diào)節(jié)試劑基液pH值基液自發(fā)弱交聯(lián)情況加入交聯(lián)劑后基液交聯(lián)情況Na2CO36.0無Na2CO36.5有輕微弱交聯(lián)Na2CO37.0弱交聯(lián)嚴重NaOH7.0無不交聯(lián)NaOH8.0有輕微弱交聯(lián)不交聯(lián)NaOH9.0弱交聯(lián)嚴重不交聯(lián)NaOH10.0弱交聯(lián)嚴重不交聯(lián)

2.1.1堿性交聯(lián)條件下調(diào)試須家河地層水壓裂液

優(yōu)化高氯廢水預(yù)處理流程，向廢水中加入過量的Na2CO3溶液，產(chǎn)生白色沉淀[6]。取上層清液，在3 000 r/min的轉(zhuǎn)速下離心30 min，離心管底部無明顯沉淀，然后取離心后的清液加入1.0%～2.0%(w)特效增溶劑GCY-14配制壓裂液基液，發(fā)現(xiàn)仍然存在基液自發(fā)弱交聯(lián)現(xiàn)象，形成的凍膠起始黏度低(約92 mPa·s)，無法滿足施工要求。

2.1.2優(yōu)選金屬離子絡(luò)合劑

在地層水中加入性能較好的金屬離子絡(luò)合劑EDTA和WD-8，考察其對Ca2+、Mg2+的抑制能力，實驗結(jié)果見表4。由表4可看出，優(yōu)選的絡(luò)合劑并沒有很好地抑制地層水中的Ca2+和Mg2+，基液自發(fā)弱交聯(lián)現(xiàn)象嚴重，pH值達到堿性后基液無法交聯(lián)形成凍膠。

2.1.3弱酸性條件下調(diào)試須家河組地層水壓裂液

由于堿性條件下無法配制滿足施工要求的壓裂液，因此優(yōu)選pH值調(diào)節(jié)劑、交聯(lián)穩(wěn)定劑和弱酸性交聯(lián)劑，在弱酸性條件下調(diào)試壓裂液配方。但研制的地層水壓裂液破膠困難，效果較差，殘渣質(zhì)量濃度高達6 225 mg/L(超過行業(yè)標準10倍)，無法滿足現(xiàn)場施工要求。

表4 加入金屬絡(luò)合劑后基液交聯(lián)情況Table4 Basefluidcross-linkingafteraddingmetalcomplexingagents絡(luò)合劑種類配制情況基液交聯(lián)情況EDTA向地層水中加0.5%(w,下同)EDTA,再加入HPG和其他添加劑基液pH值=5.0,加入1.5%Na2CO3,pH值=7.0,基液自發(fā)交聯(lián)現(xiàn)象嚴重;或加入0.3%NaOH,pH值=9.0,基液無法交聯(lián)形成凍膠WD-8先向產(chǎn)出水中加入HPG,再依次加入其他添加劑和1.5%WD-8基液pH值=5.0,加入1.5%Na2CO3,pH值=7.0,基液自發(fā)交聯(lián)現(xiàn)象嚴重;或加入0.3%NaOH,pH值=9.0,基液無法交聯(lián)形成凍膠

綜上所述，3種方案均無法配制出性能優(yōu)良的須家河組地層水胍膠壓裂液體系。

2.2減阻水體系研究

減阻水成分簡單，用量大，可用于大規(guī)模的壓裂施工，利用須家河組地層水配制減阻水可作為緩解氣田廢水壓力的重要手段之一。高礦化度的須家河地層水與降阻劑的配伍性較差，在降阻水配制過程中會產(chǎn)生大量的白色膠狀沉淀。同時，地層水中大量的無機鹽電解質(zhì)，會導致降阻劑流狀鏈或長直鏈少側(cè)鏈的高分子聚合物呈現(xiàn)卷曲狀態(tài)，降低了對流體微元的作用力[7]，降阻率遠低于清水配制的減阻水。因此，減阻水的研制只能通過優(yōu)選抗鹽性能優(yōu)良的降阻劑來實現(xiàn)。

2.2.1降阻劑優(yōu)選

采用的減阻水配方為：降阻劑+0.1%(w)殺菌劑+0.2%(w)黏穩(wěn)劑+0.2%(w)增效劑+地層水，實驗降阻劑包括BRD-JZ3、BRD-JZ4、BA1-9B、BA1和威德福5種。分別對不同配方配制的減阻水進行降阻性能實驗，結(jié)果見表5。對比可以看出，降阻劑BRD-JZ3和BTD-JZ4所配制的降阻水性能較好，降阻率較高。考慮到BRD-JZ3成本較低，因此優(yōu)選BRD-JZ3為最佳的降阻劑。

2.2.2降阻劑加量優(yōu)選

采用不同加量的BRD-JZ3降阻劑配制減阻水，并對其性能進行評價，結(jié)果如圖1所示。當降阻劑的加量為0.04%(w)時，在3 000 s-1的剪切速率下，降阻率可達53%，效果較好，滿足施工要求?？紤]到降阻劑的配伍性問題[8-9]，在實驗過程中同時對殺菌劑及黏土穩(wěn)定劑進行了優(yōu)選，最終確定的減阻水配方為：0.04%(w)降阻劑BRD-JZ3+0.1%(w)殺菌劑WDS-2A+0.1%黏穩(wěn)劑WD-5L+0.1%(w)增效劑BM-B10+須家河組地層水。

表5 不同降阻劑配制的減阻水的降阻率Table5 Resistancereductionrateofdrag-reducingwaterpreparedwithdifferentresistancereducingagents剪切速率/s-1降阻率/%BRD-JZ3BRD-JZ4BA1-9BBA1威德福200044.3545.2234.5813.8921.12300048.6549.8538.458.1523.52400045.2447.3239.654.1224.68500041.2344.8938.12-0.8723.98600040.7542.1536.45-2.9822.13

2.2.3減阻水綜合性能評價

按照上述配方，使用清水及須家河組地層水分別配制不同體系的減阻水，并對其進行綜合性能評價，主要包括減阻水的黏度、表面張力、防膨率及破膠性能，結(jié)果見表6和表7。由表6和表7可以看出，與清水配制的減阻水相比，使用須家河地層水所配制的減阻水表面張力略低，但黏度較大，防膨率較高，兩者整體的破膠性能相似，符合行業(yè)標準，完全具備了現(xiàn)場應(yīng)用的條件。

將使用須家河地層水配制的新型減阻水應(yīng)用于現(xiàn)場施工過程中，取得了良好的效果，降阻率可達到65%～71%，完全能夠滿足施工要求。

表6 減阻水綜合性能評價Table6 Comprehensiveperformanceevaluationofdifferenttypesofdrag-reducingwater樣品名稱300r/min黏度/(mPa·s)表面張力/(mN·m-1)防膨率/%清水減阻水1.631.2570.25地層水減阻水2.426.8494.90

表7 減阻水破膠性能對比表Table7 Gelbreakingpropertyofdifferenttypesofdrag-reducingwaterρ(過硫酸銨)/(mg·L-1)破膠液黏度/(mPa·s)清水減阻水地層水減阻水02.122.090501.291.2601001.241.2221501.211.1802001.181.170

2.2.4減阻水返排液的重復(fù)利用

地層水配制的減阻水在施工之后會產(chǎn)生大量的返排液，為了節(jié)約水資源、保護環(huán)境，需開展減阻水返排液的重復(fù)利用技術(shù)研究。在已有減阻水配方的基礎(chǔ)上，確定減阻水返排液配制降阻水的配方：0.04%(w)降阻劑BRD-JZ3+0.1%(w)殺菌劑WDS-2A+0.1%(w)黏穩(wěn)劑WD-5L+0.1%(w)增效劑BM-B10+減阻水返排液。綜合性能評價見表8。由表8可以看出，減阻水返排液配制的減阻水性能與清水配方相似，滿足現(xiàn)場施工需求，實現(xiàn)了地層水配制減阻水的重復(fù)利用，解決了大量返排液所造成的環(huán)保問題。

表8 減阻水綜合性能評價Table8 Comprehensiveperformanceevaluationofdifferenttypesofdrag-reducingwater降阻水類型清水配方降阻水返排液配方降阻率/%58.254.5表面張力/(mN·m-1)33.528.4防膨率/%64.281.5巖心傷害率/%23.424.1

3　鉆井液體系研究

膨潤土是鉆井液配漿的主要材料，但無機鹽對膨潤土的水化分散具有一定的抑制作用。在鉆井液配制過程中，須家河組地層水極高的礦化度嚴重影響了膨潤土的造漿率，導致鉆井液流變性變差、濾失量劇增。室內(nèi)采用地層水和淡水配制不同體系的基漿，并對基漿的濾失性能進行測定，結(jié)果見表9。

表9 不同基漿體系濾失性能測定Table9 Filtrationperformanceofdifferentbasemud基漿體系A(chǔ)PI濾失量/mL淡水+4%(w)Na2CO3(土)+4%(w)膨潤土65m(地層水)∶m(淡水)(1∶2)+4%(w)Na2CO3(土)+4%(w)膨潤土112m(地層水)∶m(淡水)(1∶1)+4%(w)Na2CO3(土)+4%(w)膨潤土154地層水+4%(w)Na2CO3(土)+4%(w)膨潤土+0.4%(w)LV-CMC氣穿

采用不同配方配制的鉆井液基漿，膨潤土的造漿率會有較大的不同。與淡水相比，地層水配制的基漿水化分散能力差，濾失量劇增，易產(chǎn)生沉降，造成氣穿[10-12]；當?shù)壤黾訒r，基漿濾失量雖有所減小，但改善幅度較小，仍不能滿足施工的要求。在此基礎(chǔ)上，添加處理劑雖可進一步降低濾失量，但提高了成本。同時，增加淡水比例勢必減少地層水的用量，不利于緩解廢水處理的壓力。綜合考慮，不推薦使用須家河組地層水配制鉆井液。

4 　結(jié) 論

(1) 須家河組地層水超高的Ca2+、Mg2+濃度不利于壓裂液基液交聯(lián)形成凍膠，在配制鉆井液時會嚴重影響膨潤土的造漿率，添加處理劑并不能很好地解決這兩個問題。因此，不推薦使用須家河組地層水配制胍膠壓裂液、鉆井液。

(2) 通過優(yōu)選抗鹽性能較好的降阻劑BRD-JZ3，可以實現(xiàn)減阻水的配制，研制形成的須家河組地層水減阻水體系，應(yīng)用于現(xiàn)場施工，降阻率可達到65%～71%。

(3) 可使用地層水減阻水施工后產(chǎn)生的返排液配制降阻水，實現(xiàn)了地層水減阻水的重復(fù)利用，有利于環(huán)境保護。

(4) 須家河組地層水離子成分復(fù)雜，建議進一步加強地層水工作液體系的研究，為須家河組地層水的重復(fù)利用提供技術(shù)上的支撐。

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Study on working fluid preparation with formation water from Xujiahe gas reservoir

Lin Fei1，2, Ouyang Chuanxiang1，2, Li Chunying1，2, Sheng Ping3

(1.KeyLaboratoryofDrillingandProductionEngineeringforOilandGas(YangtzeUniversity),Wuhan430100，China; 2.CollegeofPetroleumEngineering,YangtzeUniversity,Wuhan430100) (3.PetroChinaXinjiangOilfieldCompany,Karamay834008,China)

The exploitation of Xujiahe formation gas reservoir in Western Sichuan has generated a large number of water as by-products, which is mainly derived from the stratum. It is difficult to impose hazard-free treatment on the stratum water. According to its high salinity, methods including chemicals and recipe optimization, comprehensive performance assessment, etc., were adopted to explore the feasibility of using the Xujiahe formation water in working fluid preparation. The results demonstrated that it is difficult to prepare guar gum fracturing fluid and drilling fluid with Xujiahe stratum water. However, drag-reducing water could be developed by selecting appropriate salinity-tolerant resistance reducer. This new drag-reducing water has been successfully applied in the field practice of Western Sichuan, and showed that the drag reduction rate could reach 65%-71%.

stratum water, guar gum fracturing fluids, reduction friction water, drilling fluid

國家自然科學基金“高溫高壓CO2-原油-地層水三相相平衡溶解度規(guī)律”(51404037)。

林飛(1990-),男,長江大學在讀研究生,主要從事油氣田開發(fā)、油藏數(shù)值模擬研究。E-mail:324389610@qq.com

TE992

A

10.3969/j.issn.1007-3426.2016.04.019

2015-12-25；編輯：鐘國利