一種可回收清潔壓裂液的研制和應用

王改紅， 廖樂軍， 郭艷萍

（川慶鉆探工程有限公司長慶井下技術作業(yè)公司，陜西咸陽712000）

一種可回收清潔壓裂液的研制和應用

王改紅， 廖樂軍， 郭艷萍

（川慶鉆探工程有限公司長慶井下技術作業(yè)公司，陜西咸陽712000）

王改紅等.一種可回收清潔壓裂液的研制和應用[J].鉆井液與完井液，2016，33（6）：101-105.

在長慶油田體積壓裂施工中需要配制大量壓裂液，為避免大量消耗水資源，需對壓裂液進行回收利用，而長慶區(qū)域普遍使用的羥丙基瓜膠體系回收后不能用于攜砂，低分子瓜膠壓裂液的回收利用工藝復雜。因此研制了一種可回收的清潔壓裂液，該壓裂液由3%XYCQ-1稠化劑、0.05%XYPJ-2破膠劑及（0.01%～0.10%）XYTJ-1水質調節(jié)劑構成。XYCQ-1稠化劑是將蔗糖經微生物培育、發(fā)酵而得到的一種微生物多糖稠化劑，在10 s內可使壓裂液黏度趨于穩(wěn)定，增稠快。XYPJ-2破膠劑是一種天然酶和分子改造酶的混合物，由特異水解稠化劑的多糖構成，通過對稠化劑分子結構進行定點突變，促進酶有針對性的反應，形成非天然的新二硫鍵，從而保證了破膠液的再次成膠反復使用。XYTJ-1水質調節(jié)劑與返排液中的Ca2+、Mg2+等高價金屬離子可形成溶于水的絡合物或螯合物，消除高價離子對成膠的不利影響。實驗表明，該壓裂液耐溫80.0 ℃，且有較好的懸砂、降阻及助排性能，在常溫靜置24 h和80 ℃水浴中靜置15 min后基本無沉降，注入排量為64 L/min時降阻率為67%，巖心損害率僅為6.70%。該壓裂液在長慶區(qū)域油水平井體積改造中應用21口井，施工用液10.46×104m3，返排液經分離沉砂等簡單處理后即可再配壓裂液，處理工藝簡單，且回收液配制的清潔壓裂液攜砂性能良好，現(xiàn)場回收利用多達10次，表明該新型清潔可回收壓裂液能滿足多級壓裂施工要求。

清潔壓裂液；回收再利用；環(huán)境保護；稠化劑；微生物多糖；長慶油田

長慶油田是典型的“三低”油氣藏，為實現(xiàn)更好的油氣開采，近幾年以“大砂量、大排量、大液量”為特征的體積壓裂施工井越來越多[1-3]，這就需要配制大量壓裂液，使水資源消耗巨大，而且極大地增加了作業(yè)成本[4-5]。目前，長慶區(qū)域普遍使用的羥丙基瓜膠體系回收后不能用于攜砂，而低分子瓜膠壓裂液回收利用工藝復雜，推廣應用受限[6-7]，為此，需要研制一種既能滿足現(xiàn)場施工要求，又能簡化回收處理流程、提高作業(yè)效率的新型清潔可回收壓裂液。

1 可回收清潔壓裂液的研制

1.1 稠化劑XYCQ-1的研制

XYCQ-1稠化劑是將蔗糖經微生物培育、發(fā)酵而得到的一種微生物多糖稠化劑，該稠化劑在與水混合后分子間發(fā)生相互作用，同時又與游離在周圍的水分子發(fā)生締合作用，從而形成良好攜砂膠體；具有抗剪切、低殘渣、低傷害、快速成膠、反復成膠等特性。圖1為不同稠化劑加量下壓裂液黏度隨時間的變化曲線，由圖1可知，10 s時壓裂液黏度為最終黏度的91%以上。

圖1 不同稠化劑加量下壓裂液黏度隨時間的變化

1.2 輔劑的研制

1.2.1破膠劑XYPJ-2

該破膠劑是一種天然酶和分子改造酶的混合物，由特異水解稠化劑的多糖構成，在常溫條件下性能穩(wěn)定。其破膠原理是通過對稠化劑分子結構進行定點突變，促進酶有針對性地反應，形成非天然的新二硫鍵，從而保證了破膠液的再次成膠反復使用。圖2為采用清水及破膠液配制的清潔壓裂液外觀?，F(xiàn)場施工時可通過控制破膠劑加量實現(xiàn)破膠時間的精確控制，以滿足實際需求。表1為80 ℃下XYCQ-1加量為3%的清潔壓裂液破膠時間的測試結果，可以看出，在破膠劑加量為0.05%時，該壓裂液在60 min內即可徹底破膠。

圖2 清水及破膠液配制的清潔壓裂液外觀

表1 不同破膠劑加量下壓裂液破膠時間的測試結果

1.2.2水質調節(jié)劑XYTJ-1

壓裂返排液成分復雜，主要表現(xiàn)為高礦化度、高懸浮固體含量、高COD值，且含有多種難降解的高分子聚合物及細菌等[8-9]，因此對返排液進行預處理是壓裂液回收利用的必要條件。

為使該清潔壓裂液可回收再利用，研制了水質調節(jié)劑XYTJ-1。該調節(jié)劑是一種活性制劑，它與返排液中的Ca2+、Mg2+等高價金屬離子可形成溶于水的絡合物或螯合物，從而使無機鹽溶解度增加，消除高價離子對成膠的不利影響。水質調節(jié)劑加入量可根據(jù)現(xiàn)場返排液或配液水的水質而定，圖3為不同礦化度返排液中加入水質調節(jié)劑后配制壓裂液的表觀黏度測試數(shù)據(jù)，可以看出，當調節(jié)劑比例增加到0.10%后，壓裂液表觀黏度增加不明顯。因此，確定水質調節(jié)劑加量一般為0.01%～0.10%。

圖3 水質調節(jié)劑加量優(yōu)化實驗數(shù)據(jù)

1.3 配方的確定

在30 ℃、剪切速率為170 s-1的條件下，選用Brookfield PVS流變儀對該壓裂液進行耐溫性能測試，耐溫曲線見4圖。由圖4可知，該稠化劑增黏性較好，隨著稠化劑加量的增加，液體耐溫性能也隨之增加；2%濃度的壓裂液耐溫51 ℃，3%體系耐溫80 ℃，4%體系耐溫115 ℃。考慮到長慶油田的儲層溫度，確定稠化劑使用濃度為3%；結合破膠劑及水質調節(jié)劑評價數(shù)據(jù)，確定的壓裂液配方為：清水+3%XYCQ-1，破膠劑加量為0.05%，水質調節(jié)劑加量為0.01%～0.10%。

圖4 不同稠化劑加量下壓裂液的耐溫性能測試

2 壓裂液性能評價[10]

依據(jù)SY/T 5107—2005、SY/T 6376—2008對壓裂液（清水+3%XYCQ-1）各項性能進行評價。

測該壓裂液的增稠時間為10 s，pH值為7，表觀黏度為37.5 mPa·s。

2.1 耐溫耐剪切性能

選用Brookfield PVS流變儀進行耐溫耐剪切性能測試見圖5，由圖5可知，該壓裂液在78.0 ℃、170 s-1下剪切60 min后黏度為23.26 mPa·s，表明該壓裂液具有良好的耐溫耐剪切性能。

圖5 清潔壓裂液耐溫耐剪切性能

為檢測該壓裂液的可回用性能，檢測了破膠液再配液的耐溫性能，測試曲線見圖6。由圖6可知，當溫度升至78.17 ℃時，壓裂液黏度降低至20.04 mPa·s，表明破膠液再配制該壓裂液的耐溫性能與清水配制壓裂液耐溫性能接近，具有可回用性。

圖6 破膠液再配液耐溫性能

2.2 懸砂性能

取一定量的20/40目陶粒，按照20%砂比加入到100 mL壓裂液中攪拌均勻。分別測試室溫及80 ℃水浴下壓裂液的靜態(tài)懸砂性能，并與0.3%瓜膠壓裂液進行對比，結果如圖7所示。

圖7 室溫及80 ℃水浴下2種壓裂液的靜態(tài)懸砂情況

實驗結果表明，20%砂比的陶粒在清潔壓裂液中，在常溫靜置24 h和80 ℃水浴中靜置15 min后基本無沉降，陶粒均勻分布在液體中，與常規(guī)改性瓜膠懸砂性能相當，表明該清潔壓裂液具有較強的黏彈性能，攜砂性好。

2.3 降阻性能測定

測試了該壓裂液在紊流狀態(tài)下通過圓管的壓差，通過與清水壓差對比，計算其降阻率，實驗結果如表2所示。由測試數(shù)據(jù)可以看出，隨著注入排量的增加，清潔壓裂液的降阻率明顯升高，當注入排量為64 L/min時，降阻率為67%。

表2 室內降阻率測試

2.4 巖心傷害性能

壓裂液濾液進入巖石孔隙喉道介質，進一步導致儲層滲透率降低，引起損害。實驗測定清潔壓裂液破膠液通過長6層巖心的傷害率僅6.70%，明顯低于植物膠及聚合物類壓裂液，表明該壓裂液能有效降低儲層傷害，實驗數(shù)據(jù)見表3。

表3 巖心傷害實驗結果

2.5 表界面張力測定

測試了破膠液的表界面張力，破膠液表面張力為25.093 mN/m（技術要求低于28 mN/m），與煤油界面張力為0.159 mN/m（技術要求低于2 mN/m），表明該壓裂液有較高的表面活性，有助于壓后入井液體的返排。

2.6 殘渣含量測定

將破膠液離心、烘干后測殘渣含量僅為12 mg/L，破膠液粒徑中值為34.08 μm，表明該破膠液較其他類型壓裂液能有效降低儲層傷害，粒徑分布測試結果如圖8所示。

3 現(xiàn)場應用效果

該壓裂液2015年在長慶油田油水平井施工21口井，施工用液10.46萬m3。以ZP15-X井為例進行說明。該井位于華池地區(qū)，完鉆層位長63層，

圖8 破膠液殘渣粒徑分布測試

壓裂長6層11段（2 256.0～3 167.0 m），壓裂層滲透率為0.24×10-3～0.36×10-3μm2，該井返排液回收后全部用于配液，共配液4 343 m3，累計加砂340 m3，表4為返排液性能及再配液黏度監(jiān)測數(shù)據(jù)。

表4 回收液及再配液性能檢測

由表4數(shù)據(jù)可以看出，返排液黏度為1.534 2～1.805 3 mPa·s，均滿足技術要求，且該井返排液與煤油界面張力為0.245～0.273 mN/m，表明較低的界面張力有助于壓后入井液體的返排；此外，由于返排液中伴有地層水的返出，大量無機鹽離子將會影響壓裂液的增黏，因此，需加入水質調節(jié)劑進行水質調整，現(xiàn)場在返排液中加入0.02%～0.10%的水質調節(jié)劑后再配液的表觀黏度為37.5～42.0 mPa·s，表明可以滿足壓裂施工要求。圖9為該井壓裂施工曲線。

圖9 ZP15-X井壓裂施工曲線

從施工油壓可以看出，施工壓力非常平穩(wěn)，表明該壓裂液性能穩(wěn)定，且具有良好的耐溫和耐溫耐剪切性能；該井平均砂比25%，在含砂濃度達到最大520 kg/m3時，施工壓力仍保持平穩(wěn)，表現(xiàn)出了良好的攜砂性能，表5為該井與鄰井的對比情況。

表5 ZP15-X井與鄰井對比情況

4 結論

1.研制的可回收清潔壓裂液具有良好的耐溫耐剪切性及懸砂性能，能夠滿足長慶地區(qū)油水平井壓裂液施工要求。

2.該清潔壓裂液回收再利用工序簡單，易被現(xiàn)場操作人員掌握。

3.該清潔可回收壓裂液將極大減少廢液排液，有助于實現(xiàn)清潔、環(huán)保生產。

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The Development and Application of a Recyclable Clear Fracturing Fluid

WANG Gaihong, LIAO Lejun, GUO Yanping
(CDC Changqing Downhole Technology Company, Xianyang, Shaanxi712000)

Stimulated reservoir volume fracturing operation in Changqing oilfield requires large amount of fracturing fluids. To save water, fracturing fluids are required to be recycled. However, the recycled hydroxypropyl fracturing fluid presently commonly used in Changqingdoes not have the ability to carry sands, and the technique for recycling low molecular weight guar gum fracturing fluid is not feasible for field use. A recyclable clear fracturing fluid was developed recently in an effort to solve these problems. This fracturing fluid was formulated with 3% XYCQ-1 (a thickening agent), 0.05% XYPJ-2 (gel breaker), and 0.01%-0.1% XYTJ-1 (a water quality conditioner). XYCQ-1 is a polysaccharide thickening agent made by microbial cultivation and fermentation, and has the ability to render fracturing fluid stable viscosity in only 10 sec. XYPJ-2 is a mixture of a natural enzyme and a molecularly modified enzyme, composed of the same polysaccharide as that in XYCQ-1. Site-specific mutagenesis was used on the molecular structure of the thickening agent to promote specific reaction to the enzymes to form non-natural new disulfide bond, thereby ensuring the gel resuming and recycling of gel-broken fracturing fluid. XYTJ-1, by reaction with Ca2+and Mg2+in the recycled fracturing fluid to form watersoluble complexes or chelates, eliminates the negative effects of high valence metal ions on gel formation. Laboratory experiments indicated that the properties of the fracturing fluid remained stable at 80 ℃, and had good sand carrying capacity, frictionreduction and cleanup capacity. Almost no sedimentation was found of the fracturing fluid kept quiescence at room temperature for 24 hours, or stayed in 80 ℃ water bath for 15 minutes. At injection rate of 64 L/min, the percentage of friction reduction was 67%, and percentage of core damage only 6.70%. In the stimulated reservoir volume fracturing operation in 21 horizontal wells in the Changqing oilfield, 10.46×104m3fracturing fluid was consumed, and the recycled fracturing fluid, after simple treatment (liquid-sand separation by settling), was reused for making fracturing fluid. The fracturing fluid has been recycled for 10 times, and the clear fracturing fluid madefrom the recycled fracturing fluid has good sand carrying capacity, indicating that the recyclable clear fracturing fluid has satisfied the needs of multi-stage fracturing operation.

Clear fracturing fluid; Recycling; Environmental protection; Thickening agent; Microbial polysaccharide; Changqing oilfield

TE357.12

A

1001-5620（2016）06-0101-05

2016-11-9；HGF=1605F3；編輯 付玥穎）

10.3696/j.issn.1001-5620.2016.06.018

王改紅，工程師，從事壓裂液體系研發(fā)工作。電話 15829585877；E-mail：421635050@qq.com。