低滲儲(chǔ)層改造低傷害壓裂液體系研究

曾東初, 陳超峰, 毛新軍, 袁峰, 李雪彬

（1. 長(zhǎng)江大學(xué) 石油工程學(xué)院, 湖北 武漢 430100; 2. 新疆油田公司勘探事業(yè)部, 新疆 克拉瑪依 834000）

石油化工

低滲儲(chǔ)層改造低傷害壓裂液體系研究

曾東初1, 陳超峰2, 毛新軍2, 袁峰2, 李雪彬2

（1. 長(zhǎng)江大學(xué) 石油工程學(xué)院, 湖北 武漢 430100; 2. 新疆油田公司勘探事業(yè)部, 新疆 克拉瑪依 834000）

為了有效控制和降低壓裂液對(duì)儲(chǔ)層的傷害，提高壓裂液體系的增油效果，降低壓裂成本，在瑪湖凹陷風(fēng)城組低孔、低滲及非均質(zhì)儲(chǔ)層的壓裂改造中，針對(duì)胍膠類壓裂液殘?jiān)枯^多，容易對(duì)儲(chǔ)層造成傷害，同時(shí)胍膠壓裂液在堿性條件下交聯(lián)，高礦化度對(duì)壓裂液性能影響較大等原因，開(kāi)展了低傷害壓裂液體系改性黃原膠的研究。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)研究結(jié)果表明，改性黃原膠可以克服堿性環(huán)境、高礦化度以及硼離子的影響，破膠后殘?jiān)繛?0 mg/L，比HPG的殘?jiān)可?6.5%，有效的減少了破膠液殘?jiān)鼘?duì)地層的傷害。在瑪湖凹陷斜坡區(qū)進(jìn)行了13井次的儲(chǔ)層改造，10口井次獲得工業(yè)油流，獲油率55.6%，取得了較好的改造效果。

儲(chǔ)層改造；低傷害壓裂液；改性黃原膠；破膠；低滲

Abstract:In order to effectively control and reduce the damage of fracturing fluid to reservoir, further improve the effect of fracturing fluid and reduce the cost of fracturing, in the fracturing process of low porosity and low permeability heterogeneous reservoir of Fengcheng group of Mahu depression, because high concentration of guanidine fracturing fluid is easy to cause damage to the reservoir, meanwhile, the cross-linking of guanidine gum fracturing fluid under alkaline conditions easy happens, and the influence of high salinity on the performance of fracturing fluid is easy, modification of xanthan gum for low damage fracturing fluid has been carried out. The results of research show that modified xanthan gum can overcome the influence of alkaline environment, high salinity and boron ion; after gel breaking, the residue content is 90 mg/L, less than 56.5% of the residue content of HPG, which effectively reduces the damage to the formation caused by the broken gel liquid residue. 13 times of reservoir reformation have been carried out in the slope area, 10 wells have obtained industrial oil flow, the oil recovery rate is 55.6%, and better reconstruction results have been achieved.

Key words:Reservoir reformation;Low damage fracturing fluid; Modification of xanthan gum;Gel breaking;Low permeable

瑪湖凹陷是新疆油田重點(diǎn)勘探領(lǐng)域，為了保證油氣勘探開(kāi)發(fā)的效益，提高油氣開(kāi)發(fā)的動(dòng)用效果。針對(duì)該區(qū)塊低孔低滲的儲(chǔ)層特征，開(kāi)展了相關(guān)的儲(chǔ)層壓裂改造工藝技術(shù)的攻關(guān)研究。

目前針對(duì)儲(chǔ)層的壓裂改造，普遍采用 0.35%～0.45%的胍膠壓裂液體系，較高的稠化劑濃度雖然保障了壓裂液的耐溫性能，但稠化劑用量越大導(dǎo)致壓裂液殘?jiān)吭酱?，地層傷害程度也越大[1]，從而影響措施效果。

在低孔、低滲及非均質(zhì)儲(chǔ)層的壓裂改造中，胍膠類壓裂液殘?jiān)枯^多，容易對(duì)儲(chǔ)層造成傷害。同時(shí)胍膠壓裂液主要在堿性條件下交聯(lián)，高礦化度對(duì)壓裂液性能影響較大[2]；若儲(chǔ)層中存在硼離子等重金屬離子，則胍膠壓裂液會(huì)出現(xiàn)反膠的現(xiàn)象，造成壓裂液不破膠、或破膠不徹底而堵塞地層的情況。因此，在堿敏或者高礦化度的儲(chǔ)層中胍膠壓裂液的應(yīng)用就會(huì)受到限制。如果壓裂液體系應(yīng)用不當(dāng)，殘?jiān)窟^(guò)高將會(huì)對(duì)儲(chǔ)層造成損害，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致油氣減產(chǎn)[3]。因此，基于降低儲(chǔ)層傷害，提高油氣產(chǎn)量，耐高溫、低傷害、低成本壓裂液體系成為研究的重要方向[4]。低傷害壓裂液改性黃原膠可以克服堿性環(huán)境、高礦化度以及硼離子的影響，可以有效降低增稠劑及交聯(lián)劑的用量，并且改性黃原膠破膠后殘?jiān)啃?，可以減小破膠液殘?jiān)鼘?duì)地層的傷害。

1 儲(chǔ)層改造難點(diǎn)分析

1.1 儲(chǔ)層物性差

風(fēng)城組儲(chǔ)層為裂縫—孔隙雙重介質(zhì)，儲(chǔ)層為以基質(zhì)孔隙為主裂縫為輔的雙重介質(zhì)，基質(zhì)孔隙主要為晶間孔、晶內(nèi)溶孔及溶蝕孔，裂縫以微裂縫為主。白云巖儲(chǔ)層的孔隙度較差，孔隙度小于 5%的儲(chǔ)層占 78%，孔隙度大于 8%的儲(chǔ)層不到 10%；70%以上的樣品滲透率小于0.1 mD。在微裂縫較發(fā)育的部位有效孔隙度值可達(dá)12%～18%，滲透率值也出現(xiàn)異常偏高。目的層為低孔特低孔、低滲特低滲儲(chǔ)層，物性差，壓裂規(guī)模小增產(chǎn)效果不明顯，客觀上需要較長(zhǎng)的支撐裂縫，并進(jìn)行大規(guī)模儲(chǔ)層改造。

1.2 儲(chǔ)層埋藏深，壓力高

風(fēng)城組儲(chǔ)層埋藏深、地層壓力高，壓力系數(shù)一般大于1.5，且閉合應(yīng)力高，造成壓裂施工泵壓高，排量受限、加砂困難，地面及井下管柱的安全風(fēng)險(xiǎn)大。

1.3 縫高難控制

儲(chǔ)層厚度大，主要油氣層位于儲(chǔ)層上部，而地應(yīng)力差異小，裂縫高度易于向下延展，主力油層得不到有效改造。而且儲(chǔ)層上部發(fā)育大段泥巖隔層，應(yīng)力、巖性遮擋作用強(qiáng)，造成壓裂裂縫下縫高延伸較大，不能充分改造儲(chǔ)層上部。目的儲(chǔ)層天然裂縫發(fā)育，縫高控制難度大。

1.4 儲(chǔ)層富含重金屬離子

儲(chǔ)層溫度高，礦化度高，pH值在8～9之間呈中強(qiáng)堿性，風(fēng)城組云質(zhì)巖儲(chǔ)層富含硼等重金屬離子可溶性鹽，地層礦化度達(dá)2.189×105mg/L，巖礦分析含硼、鈦?zhàn)罡哌_(dá)0.055%，對(duì)入井流體敏感。破膠液容易返膠，堵塞地層滲流孔道。

2 低傷害壓裂液體系的研究

目前胍膠壓裂液主要在堿性條件下交聯(lián)，高礦化度對(duì)壓裂液性能影響較大。針對(duì)目前胍膠類壓裂液存在的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了一種黏彈性非交聯(lián)壓裂液體系改性黃原膠，該體系具有優(yōu)越的攜砂性能、剪切恢復(fù)能力好、耐溫耐鹽能力強(qiáng)、低殘?jiān)?、低傷害的性能。同時(shí)克服了胍膠壓裂液高殘?jiān)鼘?duì)儲(chǔ)層的傷害，適用于高礦化度的儲(chǔ)層，可在酸敏或堿敏條件下使用。

2.1 稠化劑增粘性能

稠化劑是壓裂液體系中主要的添加劑之一，在壓裂增產(chǎn)過(guò)程中，為了提高稠化劑的性能要求，其增粘性能要好，交聯(lián)能力要強(qiáng)[5,6]。HPG為大分子聚糖植物膠，在水中不易分散，易形成魚(yú)眼，配液后需要長(zhǎng)時(shí)間溶脹，影響壓裂效率。改性黃原膠稠化劑為分子量較小的多糖植物膠，室溫條件下稠化時(shí)間小于2 min，現(xiàn)場(chǎng)壓裂過(guò)程中能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)混配。作為一種非交聯(lián)植物膠，改性黃原膠壓裂液粘度與增稠劑濃度關(guān)系如圖1所示。隨著改性黃原膠濃度的增加，液體的粘度也隨之增大，兩者之間呈正比例關(guān)系。

圖1 改性黃原膠濃度與液體粘度關(guān)系實(shí)驗(yàn)曲線Fig.1 Experimental curve of relationship between modified xanthan gum concentration and liquid viscosity

2.2 耐溫耐剪切性能

增稠劑濃度為0.5%時(shí)，用HAAKE RS150流變儀，統(tǒng)一剪切速率170 s-1，在不同溫度條件下，對(duì)改性黃原膠壓裂液進(jìn)行剪切實(shí)驗(yàn)。壓裂液剪切 1 h后粘度隨溫度變化曲線，如圖2所示。隨著溫度的升高粘度逐漸下降，但下降的幅度保持在相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改性黃原膠壓裂液具有較好的耐溫性能。且改性黃原膠壓裂液在較低粘度條件下仍具有較高的攜砂性能，能夠滿足壓裂施工的要求。

圖2 改性黃原膠壓裂液耐溫性能實(shí)驗(yàn)曲線Fig.2 Experimental curve of temperature resistance of modified xanthan gum fracturing fluid

增稠劑濃度為0.5%時(shí)，分別在60和100oC的條件下進(jìn)行改性黃原膠壓裂液的耐溫耐剪切實(shí)驗(yàn)。如圖3所示，在剪切速率為170 s-1條件下持續(xù)剪切1 h，60和100oC條件下壓裂液的粘度保持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，表明改性黃原膠壓裂液體系具有較好的耐剪切性能。

圖3 改性黃原膠壓裂液耐剪切實(shí)驗(yàn)曲線Fig.3 Experimental curves of shear resistance of modified xanthan gum fracturing fluid

2.3 酸堿度以及礦化度的影響

為了研究酸堿性對(duì)壓裂液粘度的影響，在改性黃原膠壓裂液中分別加入不同濃度的稀鹽酸或氫氧化鈉來(lái)改變壓裂液的pH值。當(dāng)pH值發(fā)生改變時(shí)，壓裂液的粘度變化都比較小，且改性黃原膠壓裂液仍能保持較高的粘度。說(shuō)明該壓裂液體系對(duì)酸敏或堿敏都具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，能夠有效的降低壓裂液與儲(chǔ)層的不配伍性所造成的傷害。

圖4 氯化鉀與氯化鈣對(duì)改性黃原膠壓裂液粘度的影響Fig.4 Effect of potassium chloride and calcium chloride on viscosity of modified xanthan gum fracturing fluid

氯化鉀作為粘土穩(wěn)定劑在壓裂液體系中得到了廣泛的應(yīng)用，高礦化度儲(chǔ)層對(duì)壓裂液的使用效果具有重要影響[6]。如圖4所示，在改性黃原膠壓裂液體系中分別加入不同濃度的氯化鉀和氯化鈣，隨著氯化鉀以及氯化鈣濃度的增加，改性黃原膠壓裂液體系的粘度基本保持穩(wěn)定。綜上可知，礦化度對(duì)改性黃原膠壓裂液的影響比較小，適用于高礦化度儲(chǔ)層。

2.4 攜砂性能

壓裂液的攜砂性能對(duì)壓裂施工的成功率至關(guān)重要，壓裂液只有具備較好的攜砂性能才能將支撐劑帶到裂縫的指定位置，在裂縫閉合后形成高導(dǎo)流通道[7，8]。通過(guò)室內(nèi)靜態(tài)懸砂實(shí)驗(yàn)配置不同濃度的改性黃原膠壓裂液，觀察支撐劑的沉降速度。查閱相關(guān)文獻(xiàn)[9]，在靜態(tài)懸砂試驗(yàn)中，當(dāng)支撐劑的沉降速度小于0.18 mm/s時(shí)，壓裂液的懸砂性能較好。如表1所示，改性黃原膠壓裂液的濃度在0.35%～0.45%范圍內(nèi)，具有較好的懸砂性能，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)壓裂的施工要求。

表1 改性黃原膠壓裂液的懸砂性能Table 1 Suspended sand properties of modified xanthan gum fracturing fluid

2.5 破膠液殘?jiān)?/h3>

壓裂施工結(jié)束后壓裂液能否徹底破膠直接影響到壓裂液的返排率和對(duì)儲(chǔ)層的傷害程度。在改性黃原膠壓裂液中加入對(duì)應(yīng)量的過(guò)硫酸鈉進(jìn)行破膠實(shí)驗(yàn)，以胍膠壓裂液作為對(duì)比觀察破膠液的殘?jiān)?，?shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。改性黃原膠壓裂液破膠較徹底，殘?jiān)康臄?shù)據(jù)表明，改性黃原膠壓裂液的殘?jiān)棵黠@低于胍膠壓裂液，從而能夠有效的降低壓裂液對(duì)儲(chǔ)層的二次傷害。

表2 改性黃原膠與胍膠壓裂液殘?jiān)鼘?shí)驗(yàn)Table 2 Experiment of modified xanthan gum and guanidine gum fracturing fluid residue

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

瑪湖凹陷多層系主要以二次加砂技術(shù)為主導(dǎo)，研究應(yīng)用了組合壓裂技術(shù)，開(kāi)發(fā)了低傷害的低濃度壓裂液體系，研究探索了套管完井水平井、裸眼封隔器完井兩種不同完井方式下的水平井儲(chǔ)層改造，在13口井進(jìn)行儲(chǔ)層改造18層，10層獲工業(yè)油氣流，壓裂獲油率 55.6%。風(fēng)南地區(qū)風(fēng)城組儲(chǔ)層存在硼等金屬離子，參考區(qū)塊粘土礦物X衍射分析結(jié)果，該區(qū)風(fēng)城組儲(chǔ)層水敏性較弱，風(fēng)南14井儲(chǔ)層有白云質(zhì)泥巖互層，液體配方中加入 2%氯化鉀，降低儲(chǔ)層潛在水敏性。在進(jìn)行主壓裂前，使用改性黃原膠壓裂液對(duì)風(fēng)南14井4 446～4 458 m地層進(jìn)行測(cè)試壓裂，以獲得地層應(yīng)力、液體濾失特性和了解近井效應(yīng)的強(qiáng)弱等地層相關(guān)參數(shù)，為主壓裂提供依據(jù)。

風(fēng)南14井完成了三級(jí)壓裂施工。第一層壓裂共泵注改性黃原膠壓裂液541 m3，累計(jì)加入30/50目陶粒48.3 m3；第二層壓裂共泵注改性黃原膠壓裂液627 m3，累計(jì)加入30/50目陶粒39 m3；第三層壓裂共泵注改性黃原膠壓裂液 786 m3，累計(jì)加入 30/50目陶粒50 m3，總計(jì)用壓裂液量1 954 m3，累計(jì)加入30/50目陶粒137.3 m3，風(fēng)南14井壓后初期日產(chǎn)液60 m3，日產(chǎn)油40 m3；試油90 d，累計(jì)產(chǎn)油1 192.79 m3，取得了顯著的改造效果。

4 結(jié) 論

（1）低傷害壓裂液體系改性黃原膠具有耐溫、耐鹽、對(duì)硼等重金屬離子不敏感、不受地層重金屬離子（硼、鋯）的影響，可以保證壓后完全破膠，破膠液殘?jiān)康?，可以減小對(duì)地層的傷害，保證改造效果。

（2）該壓裂液體系適用于埋藏深、厚度大、跨度大、地層壓力高，閉合應(yīng)力高，需要進(jìn)行大規(guī)模壓裂的儲(chǔ)層；特別是儲(chǔ)層流體呈堿性，礦化度高，富含重金屬離子硼、鋯等，造成硼交聯(lián)類壓裂液不能完全破膠的儲(chǔ)層，采用低傷害壓裂液體系改性黃原膠比常規(guī)的胍膠壓裂液體系壓裂效果更加好。

（3）不同濃度的交聯(lián)劑和不同濃度的堿可以調(diào)節(jié)壓裂液的交聯(lián)時(shí)間與交聯(lián)強(qiáng)度。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，堿的加入量對(duì)壓裂液體系的耐溫耐剪切性能影響不明顯，但能夠有效延遲交聯(lián)時(shí)間及控制交聯(lián)性能，堿性越強(qiáng)有機(jī)硼親和力越強(qiáng)。

（4）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，采用低傷害壓裂液體系改性黃原膠使壓裂液成本大大降低，在壓裂過(guò)程中減少了對(duì)儲(chǔ)層的傷害，且壓裂液返排與增油效果明顯。其中風(fēng)南14井壓后日產(chǎn)油40 m3，試油90 d，累計(jì)產(chǎn)油1 192.79 m3。

［1］王帥，謝元，張明，等.低濃度羥丙基胍膠壓裂液體系研究[J].化學(xué)工程師，2016,(11)∶15-19.

［2］鄔國(guó)棟.非交聯(lián)植物膠 XG-1壓裂液技術(shù)[J].鉆井液與完井液，2015,32(4)∶81-83,87.

［3］楊冠科，王成.低濃度羥丙基胍膠壓裂液在蘇格里氣田的應(yīng)用[J].油田化學(xué)，2013,2（32)∶73-76.

［4］蘇創(chuàng)，唐美芳，方波，等.可再生低分子量羧甲基羥丙基胍膠體系流變性研究[J].石油與天然氣化工，2011,40(1)∶58-62.

［5］劉遠(yuǎn)亮.低傷害壓裂液室內(nèi)評(píng)價(jià)及其應(yīng)用[J].大慶石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2010,34(4)∶57-61.

［6］黃世財(cái)，劉通義，董櫻花，等.低傷害壓裂液在塔里木油田的應(yīng)用與研究[J].鉆采工藝，2014,37(3)∶92-94.

［7］段玉秀，林景禹，丁建鎖，等.新型低傷害壓裂液的研究與應(yīng)用[J].精細(xì)石油化工進(jìn)展，2003,4(4)∶12-14.

［8］朱輝明，盧紅杰，沈彬彬，等.低濃度聚合物壓裂液體系研究與應(yīng)用效果評(píng)價(jià)[J].鉆采工藝，2011,34(3)∶91-94.

［9］楊彪，杜寶壇，楊斌，等.非交聯(lián)黃原膠/魔芋膠水基凍膠壓裂液的研制[J].油田化學(xué)，2005,22(4)∶313-316.

Study on Low Damage Fracturing Fluid System for Low Permeability Reservoir Reconstruction

ZENG Dong-chu1,CHEN Chao-feng2,MAO Xin-jun2,YUAN Feng2,LI Xue-bin2

（1. School of Petroleum Engineering, Yangtze University, Hubei Wuhan 430100, China;2. Xinjiang Oilfield Company, Xinjiang Karamay 834000, China）

TE 122

A

1671-0460（2017）09-1841-04

中石油股份公司重點(diǎn)科研項(xiàng)目“超深高溫高壓含硫化氫儲(chǔ)層及復(fù)雜巖性低滲儲(chǔ)層試油（含儲(chǔ)層改造）配套技術(shù)研究”。

2017-06-28

曾東初（1990-），男，湖北省黃岡市人，在讀碩士研究生，2014年畢業(yè)于長(zhǎng)江大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院石油工程專業(yè)，研究方向：從事鉆井工藝與技術(shù)方面的研究。E-mail：819339906@qq.com。