滑溜水減阻劑實(shí)驗(yàn)室評(píng)價(jià)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

張 樂 周福建 汪 杰 梁天博

(中國石油大學(xué)(北京)非常規(guī)天然氣研究院, 北京 102200)

隨著常規(guī)能源的消耗，非常規(guī)能源(如頁巖氣資源)受到越來越多的關(guān)注。頁巖儲(chǔ)層具有低孔、低滲等結(jié)構(gòu)特性，勘探開采難度相對(duì)較大，絕大部分頁巖氣田必須進(jìn)行儲(chǔ)層改造才能取得較高的采收率[1]。目前，公認(rèn)的頁巖氣有效開發(fā)手段就是大規(guī)模水力壓裂技術(shù)，即通過滑溜水壓裂液改造儲(chǔ)層，其中減阻劑壓裂液是專門針對(duì)頁巖氣儲(chǔ)層研發(fā)的一種新型壓裂液體系。與常規(guī)壓裂液相比，減阻水壓裂液能夠產(chǎn)生更加復(fù)雜的幾何網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)裂縫，容易與地層天然裂縫連通，從而達(dá)到增產(chǎn)的目的。在此，結(jié)合國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，對(duì)減阻劑的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用、實(shí)驗(yàn)室評(píng)價(jià)及其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行綜述。

體積壓裂是非常規(guī)致密油氣實(shí)現(xiàn)有效動(dòng)用和效益開發(fā)不可或缺的工程手段?；锼哂心ψ璧?、傷害小、成本低、效果好的特點(diǎn)[2]，可以滿足大規(guī)模壓裂施工的需求。與常規(guī)攜砂液相比，滑溜水壓裂液黏度很低，為了提高支撐劑的攜帶效果必須以較大的排量進(jìn)行施工。受完井管柱和設(shè)備安全承壓所限，井筒水力摩阻成為制約壓裂施工規(guī)模的瓶頸。在清水中加入約1%添加劑配制而成的滑溜水，可以使壓裂施工摩阻降低為清水的15～14[3]。在大排量下，使得滑溜水比清水能夠呈現(xiàn)出更低摩阻系數(shù)的核心試劑便是減阻劑。

1 滑溜水減阻劑實(shí)驗(yàn)室評(píng)價(jià)

在大規(guī)模體積壓裂施工過程中，現(xiàn)場(chǎng)條件多變，對(duì)滑溜水減阻劑的要求也不相同。在實(shí)驗(yàn)室研究中，通過不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)分析，對(duì)減阻劑的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。常用的評(píng)價(jià)指標(biāo)有減阻能力評(píng)價(jià)、配伍性評(píng)價(jià)和地層傷害評(píng)價(jià)等。

1.1 減阻能力評(píng)價(jià)

減阻能力是評(píng)價(jià)滑溜水最為重要的技術(shù)指標(biāo)，準(zhǔn)確估算壓裂摩阻，對(duì)施工排量的設(shè)計(jì)十分關(guān)鍵。目前最常用的環(huán)路摩阻測(cè)試中，將樣液按照設(shè)計(jì)速度泵入測(cè)試管匯，測(cè)量上下游壓差，與純水比較后計(jì)算出減阻率。圖1所示為環(huán)路摩阻測(cè)試示意圖[4-5]。

圖1 環(huán)路摩阻測(cè)試示意圖

測(cè)試減阻能力時(shí)，首先應(yīng)在混合罐內(nèi)裝入適量的水，并開啟儀器使水循環(huán)1 min，并檢查壓力計(jì)和流量計(jì)工作是否正常；再使用清水鹽水循環(huán)5 min，以1 s為間隔記錄第一次壓差Δp0、溫度、密度和流量；接著使用注射器將漿狀減阻劑直接注入罐底，按照相同流量循環(huán)注入減阻劑水5 min，以1 s為間隔記錄第二次壓差Δp1、溫度、密度和流量，并將注減阻劑的時(shí)間設(shè)置為0。最后計(jì)算減阻率[5]：

(1)

式中：F—— 減阻率；

Δp0、Δp1—— 前后2次記錄的壓差。

環(huán)路摩阻法測(cè)試作為測(cè)試減阻能力最廣泛的測(cè)試方法，其裝置簡(jiǎn)單，易于操作，但在其他測(cè)試平臺(tái)應(yīng)用的重復(fù)性不高。雖然可以運(yùn)用相似準(zhǔn)則建立不同管徑的測(cè)試方法，但將評(píng)估結(jié)果準(zhǔn)確應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)的介紹并不多見。

1.2 與其他添加劑的配伍性評(píng)價(jià)

根據(jù)不同的需要，滑溜水中常加入各類型的添加劑，不同的添加劑對(duì)減阻劑的影響不同。常用的添加劑包括黏土膨脹劑、緩蝕劑、抗菌劑等。由于施工條件不同，地層水中可能包含各種濃度不同的金屬陽離子。各類金屬陽離子對(duì)于減阻劑減阻能力的影響是不同的，因此地層流體與減阻劑存在配伍性問題[6]。對(duì)于配伍性的實(shí)驗(yàn)室評(píng)價(jià)[7-8]，通常首先采用環(huán)路摩阻測(cè)試評(píng)價(jià)不同基液下的減阻能力，然后使用流變儀對(duì)添加不同添加劑的滑溜水流變性能進(jìn)行測(cè)試。若體系中出現(xiàn)渾濁的情況，則需使用濁度測(cè)量儀測(cè)定添加不同添加劑時(shí)液體體系的濁度。

以Vilastic Instruments公司生產(chǎn)的VE流變儀為例，介紹評(píng)價(jià)方法。首先以200 rmin的速度混合攪拌30 min，準(zhǔn)備好試樣，單樣測(cè)試，VE系統(tǒng)分析儀預(yù)熱穩(wěn)定30 min。裝載流體樣品之前，將水加入樣品室，并確認(rèn)腔室中無氣泡存在；接著設(shè)置溫度，設(shè)定溫度變化幅度為-0.1～+0.1 ℃時(shí)就會(huì)進(jìn)行流變性能測(cè)量。濁度檢測(cè)可以通過哈希(HACH)水質(zhì)檢測(cè)儀來完成，將用測(cè)定樣與空白樣的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

1.3 地層傷害評(píng)價(jià)

在實(shí)踐中，傳統(tǒng)的瓜膠體系壓裂液因其成本低廉而成為壓裂液首選項(xiàng)。隨著對(duì)滑溜水認(rèn)識(shí)的不斷深入，技術(shù)人員開發(fā)出了能顯著減少地層傷害的減阻劑體系，但地層傷害始終是滑溜水無法回避的問題。地層傷害一般通過測(cè)定傷害前后滲透率的變化來確定。如圖2所示[9]，取巖心置于哈斯勒套筒中，頂部留有一定空隙的墊圈，以形成濾餅。首先，在地層溫度條件下將7%KCl以5 mLmin的恒定流速滲透巖心樣品，測(cè)定巖心樣品的初始滲透率(K0)；然后，將交聯(lián)液以10 mLmin的速度注入巖心樣品上部空隙中，當(dāng)壓力達(dá)到80 MPa 時(shí)即形成濾餅，流體流出回壓閥。保持90 min后，將夾持器置于120 ℃溫度下再保持24 h，使聚合物充分破膠，然后再將7% KCl以5 mLmin的恒定流速滲透巖心樣品，反向測(cè)定傷害后的滲透率(K1)，并計(jì)算傷害后滲透率與傷害前滲透率之比(K1K0)，記為恢復(fù)滲透率。地層傷害較小的滑溜水，其恢復(fù)滲透率可以達(dá)到80%以上[10]。

圖2 恢復(fù)滲透率測(cè)試儀示意圖

2 滑溜水減阻劑的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

與常規(guī)儲(chǔ)層相比，頁巖氣、致密氣等非常規(guī)資源的儲(chǔ)層具有低孔和極低基質(zhì)滲透率等特點(diǎn)，體積壓裂被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)非常規(guī)致密油氣有效動(dòng)用和效益開發(fā)不可或缺的工程手段?，F(xiàn)場(chǎng)施工過程當(dāng)中，針對(duì)不同的施工環(huán)境、施工要求對(duì)減阻劑提出了不同的要求。目前典型的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用有以下4種情況。

2.1 耐鹽減阻劑現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

隨著壓裂用水量的大幅度增加，壓裂供水問題受到越來越多的關(guān)注。相較于付費(fèi)處理返排廢液，直接開發(fā)適用于返排水的減阻劑則更加經(jīng)濟(jì)。以美國Marcellus和Bakken儲(chǔ)層為代表的返排水具有極高的礦化度和陽離子含量，使得減阻效果受到很大影響。新型耐鹽減阻劑由陽離子水包油聚合物及反轉(zhuǎn)劑組成，反轉(zhuǎn)劑實(shí)際操作中的反轉(zhuǎn)效率很高，足以實(shí)現(xiàn)針對(duì)高礦化度返排水的有效降阻。

傳統(tǒng)減阻劑大多為陰離子型減阻劑，在高礦化度水中無法伸展，減阻效果較弱。相比傳統(tǒng)減阻劑，新型減阻劑在現(xiàn)場(chǎng)水源中性能更優(yōu)異。實(shí)際施工操作中，在平均泵入速率下，當(dāng)平均泵入壓力不能充分降低時(shí)，通常會(huì)通過加大減阻劑濃度的方法來改善減阻效果；而在使用新型減阻劑時(shí)，不需要加大減阻劑濃度就可以降低平均處理壓力，并提升平均泵送速度。如圖3、圖4所示，Marcellus頁巖氣藏的相關(guān)試驗(yàn)中，每個(gè)階段的1#井、2#井均使用了傳統(tǒng)減阻劑、耐鹽減阻劑[11]。對(duì)于1#井，前10級(jí)使用常規(guī)減阻劑，之后使用新型減阻劑。可見平均泵入速率與平均泵入壓力都迅速發(fā)生了變化，平均泵入速率大部分保持在14 m3min以上。在第20級(jí)時(shí)，平均泵入速率降至14 m3min以下，這是由于現(xiàn)場(chǎng)工作人員調(diào)整了反轉(zhuǎn)劑與陽離子聚合物的比率所致。觀察2#井可知，在前14級(jí)使用傳統(tǒng)減阻劑時(shí)，平均泵入壓力基本保持60～63 MPa的高位，而在之后使用新型減阻劑時(shí)，平均泵入壓力降到60 MPa，相應(yīng)平均泵入速率升到16 m3min[12]。

圖3 1#井每級(jí)傳統(tǒng)減阻劑、耐鹽減阻劑的平均泵入速率與平均泵入壓力

圖4 2#井每級(jí)傳統(tǒng)減阻劑、耐鹽減阻劑的平均泵入速率與平均泵入壓力

2.2 無殘留減阻劑現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

水力壓裂當(dāng)中通常使用聚合物增加流體黏度，此過程常需泵送含有支撐劑的流體到井下以支撐產(chǎn)生的裂縫。通常使用硼酸鹽或金屬交聯(lián)劑來增強(qiáng)流體黏度，以擴(kuò)大裂縫寬度，并提高支撐劑懸浮和運(yùn)輸?shù)哪芰13]。使用破膠劑破壞交聯(lián)凝膠體系和基聚合物，使其易于返排。 破膠后的返排是壓裂作業(yè)中非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，可以直接影響裂縫井的油氣產(chǎn)量[14]。然而，傳統(tǒng)的瓜膠體系產(chǎn)生的不溶于水的殘留物會(huì)對(duì)地層帶來嚴(yán)重污染，影響油井的滲透率。

新開發(fā)的液體壓裂液體系是一種高性能無殘留減阻壓裂液體系，與傳統(tǒng)的瓜膠基壓裂液相比，有較強(qiáng)的再生導(dǎo)流能力和巖石滲透率，有助于降低井口壓力，以保持泵送速率。該體系自2014年以來已在非常規(guī)儲(chǔ)層開發(fā)中得到了廣泛應(yīng)用。

2.3 干粉減阻劑現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

通常使用的減阻劑是由長鏈聚丙烯酰胺(PAM)和作為反轉(zhuǎn)劑的三元共聚物組成，為了降低運(yùn)輸成本，易于處理，減阻劑通常以PAM油包水聚合物的形式存在。這種形式的減阻劑必須經(jīng)過反轉(zhuǎn)、水合處理才可以使用，然而水合時(shí)間受現(xiàn)場(chǎng)條件影響較大，可能致使壓裂過程中只有部分減阻劑完成水合處理。在不理想的條件下若要完成水合處理，就要加大施工壓力，這樣又導(dǎo)致更多的減阻劑被浪費(fèi)，從而增加不必要的施工成本。

干粉PAM減阻劑可以很好地克服以上不足。除此之外，干粉減阻劑還能減阻溶液的結(jié)冰、凝膠和在工區(qū)的溢出風(fēng)險(xiǎn)。表1所示為干粉減阻劑與液相減阻劑的比較[15-16]。

表1 干粉減阻劑與液相減阻劑的比較

使用干粉減阻劑的最大問題是其能否在現(xiàn)場(chǎng)快速水化。針對(duì)此問題，SNF公司開發(fā)了一套移動(dòng)混合水化和供給系統(tǒng)，應(yīng)用效果顯著。該套系統(tǒng)的主體設(shè)備是已獲專利的聚合物粉碎裝置，用于干粉減阻劑的快速水化；附加設(shè)備包括溶液罐、干燥儲(chǔ)存容器、水泵等。該套設(shè)備可降低運(yùn)營商的物流成本和勞動(dòng)力成本，解決方案的成本也較低；另外，不需要修改壓裂現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備或基礎(chǔ)設(shè)施，該裝置部件采用可更換式設(shè)計(jì)，維護(hù)方便、及時(shí)、高效?，F(xiàn)場(chǎng)使用干粉減阻劑的處理壓力通常約為37 MPa，而乳液減阻劑在等效濃度下的壓力通常保持在48 MPa左右。在移動(dòng)設(shè)備中用干粉減阻劑替換乳液減阻劑，成本更低。

2.4 連續(xù)油管作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

隨著油田鉆井作業(yè)深度不斷加大，完井工作與干預(yù)越來越困難。連續(xù)油管的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)狹小井內(nèi)的便捷操作，并能提供安全保障和降低成本。通常在連續(xù)油管作業(yè)中，較高泵速下的作業(yè)效率更高；然而，重量、長度、井軌跡等參數(shù)限制了連續(xù)油管的使用。在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)中使用新的陽離子減阻劑，可以使連續(xù)油管應(yīng)用更廣泛。

新型減阻劑首次用于連續(xù)油管鉆進(jìn)作業(yè)[17]，摩阻限制了鉆井速度。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，與其他普通減阻劑相比，新型減阻劑可以提供更高的減阻性能。高速流體流量可以有效實(shí)現(xiàn)孔清潔，并確保電機(jī)運(yùn)行良好，且降低立壓可以減少連續(xù)油管疲勞。表2所示為連續(xù)油管作業(yè)中減阻劑施工概覽，新型減阻劑的減阻效果優(yōu)于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)減阻劑。其中，1#井使用了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)減阻劑，此減阻劑主要用于Marcellus頁巖儲(chǔ)層。

表2 連續(xù)油管作業(yè)中減阻劑施工概覽

3 結(jié) 語

以減阻劑為主要組成的滑溜水壓裂施工工藝在非常規(guī)油氣資源開發(fā)方面的應(yīng)用已經(jīng)取得巨大成功，此方法的特點(diǎn)為大排量、大液量，減阻劑的減阻性能備受關(guān)注。除此之外，受其他助劑的添加以及現(xiàn)場(chǎng)施工條件的限制，減阻劑配伍性及耐鹽性也是減阻劑設(shè)計(jì)制造必須考慮的因素。利用最常用的相似準(zhǔn)則建立的減阻能力評(píng)價(jià)在其他平臺(tái)上的重復(fù)性不高，現(xiàn)場(chǎng)施工應(yīng)用效果不匹配，因此仍需探索更為成熟的實(shí)驗(yàn)方法。