胍膠自增稠支撐劑性能及其儲層傷害性評價*

鄶婧文，盧祥國 ，曹偉佳 ，陳 清，鮑文博

（1.東北石油大學提高油氣采收率教育部重點實驗室，黑龍江 大慶 163318；2.中國石油集團渤海鉆探工程有限公司井下作業(yè)分公司，河北 任丘 062552）

近年來，油價下跌使得壓裂施工面臨著降本增效的巨大壓力，研發(fā)低成本、高效壓裂技術已成為科技工作者亟待解決的重大課題［1-12］。自增稠支撐劑是一種能在溶劑水中快速增稠從而實現(xiàn)完全懸浮的新型支撐劑，它可采用現(xiàn)場水在線配制，減少攜帶液配制站配制設備和運輸車輛運行費用，縮減現(xiàn)有壓裂施工中涉及的壓裂液配制、運輸和儲存等諸多步驟，極大地簡化了施工工藝，技術經(jīng)濟效果十分明顯。此外，自增稠支撐劑不會改變支撐劑本身性能，但可改善支撐劑的沉降和運移性能，代表了壓裂技術發(fā)展趨勢［13-14］。近年來，石油科技工作者在自增稠支撐劑研制、性能評價和礦場試驗等方面開展了卓有成效的工作，但主要為膨脹型自懸浮支撐劑性能評價方面的研究［15-18］，較少研究適用于高溫油藏的胍膠自增稠支撐劑。本文將胍膠細粉黏附在支撐劑表面制備胍膠自增稠支撐劑，并對其在高溫條件下的懸浮能力、破膠效果、壓裂液濾失性及對儲層傷害性等進行了評價。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

支撐劑（陶?；蚴⑸埃?0目數(shù)60目）；增稠劑（胍膠細粉，有效含量90%），大慶油田井下作業(yè)公司提供；黏合劑（水溶膠“T306”，有效含量80%），實驗室自制；分散劑（SiO2納米顆粒，有效含量100%）贏創(chuàng)特種化學（上海）有限公司；交聯(lián)劑（有機鋯，有效含量30%），實驗室自制；破膠劑（過硫酸銨，有效含量98%），國藥集團化學試劑有限公司。

所用巖心為石英砂環(huán)氧樹脂膠結人造柱狀巖心［19-20］，長度為 9.8 cm，滲透率Kg1≈10×10-3μm2、Kg2≈50×10-3μm2和Kg3≈150×10-3μm2。實驗用水的水質(zhì)分析見表1。

Hitachi S-3400掃描電鏡（日立高新技術公司）；HAAKE RS6000 旋轉(zhuǎn)流變儀（德國哈克公司）和DV-II+Pro 布氏黏度計（美國博勒飛Brookfield 公司）。巖心驅(qū)替裝置主要包括手搖泵、平流泵、壓力傳感器和中間容器等。

1.2 實驗方法

1.2.1 胍膠自增稠支撐劑制備

將支撐劑（陶粒或石英砂顆粒）與黏合劑（水溶膠）混合、浸泡，然后將表面被黏合劑包裹的支撐劑撈出，放入恒溫箱中烘干24 h，使得支撐劑表面達到一種不完全干燥的狀態(tài)；按照一定比例將支撐劑、增稠劑（胍膠）和分散劑等加入攪拌機中，混合均勻；將混合物取出，放入恒溫箱中烘干24 h。徹底烘干后碾壓，過篩，加工成品，裝袋密封，待用。

1.2.2 胍膠自增稠支撐劑的形貌觀察

采用Hitachi S-3400 掃描電鏡觀測普通支撐劑和胍膠自增稠支撐劑外觀形貌。

1.2.3 適配胍膠增稠劑的溶劑水優(yōu)選

分別采用大港油田注入水、SZ36-1 油田注入水、長慶油田注入水、大慶油田污水和大慶油田清水配制胍膠增稠劑溶液（0.6%胍膠+0.6%交聯(lián)劑），在80、100、120和150℃下采用布氏黏度計在剪切速率7.34 s-1下測試胍膠增稠劑溶液的黏度，考察溶劑水礦化度對胍膠增稠劑增黏效果的影響。

在80℃下，采用HAAKE RS6000旋轉(zhuǎn)流變儀測試胍膠增稠劑溶液的流變性和黏彈性，考察溶劑水礦化度對胍膠增稠劑溶液的流變性和黏彈性的影響。

1.2.4 胍膠自增稠支撐劑懸浮能力測試

采用上述實驗優(yōu)選礦化度溶劑水配制胍膠自增稠支撐劑溶液，砂比（支撐劑與溶劑水的質(zhì)量比）分別為10%、20%、30%和40%，用玻璃棒攪拌至完全懸浮后，用保鮮膜密封，置于80℃（100、120或150℃）恒溫箱內(nèi)。將胍膠自增稠支撐劑從初始與水混合狀態(tài)到完全懸浮狀態(tài)所需時間記為懸浮時間，從完全懸浮狀態(tài)到完全沉降狀態(tài)所需時間記為沉降時間，實驗反復進行3次以上，取平均值記為最終結果。

1.2.5 胍膠自增稠支撐劑壓裂液破膠實驗

采用上述實驗優(yōu)選礦化度溶劑水配制砂比為30%的胍膠自增稠支撐劑溶液，攪拌至完全懸浮，再分別加入質(zhì)量分數(shù)為0.03%、0.05%、0.1%、0.3%、0.5%、1%、3%和5%的破膠劑，置于80℃恒溫箱內(nèi)。每隔30 min采用布氏黏度計測試在80℃、7.34 s-1下胍膠液的黏度，當黏度值低于5 mPa·s時記錄數(shù)據(jù)，測量3次取平均值記為最終數(shù)據(jù)。

1.2.6 胍膠自增稠支撐劑壓裂液濾失性及其對儲層傷害實驗

參照中國石油天然氣行業(yè)標準SY/T 5107—2005《水基壓裂液性能評價方法》進行壓裂液濾失性及其對儲層傷害實驗。先向用大港油田注入水配制的砂比為30%的胍膠自增稠支撐劑溶液中加入0.3%的破膠劑，置于80℃恒溫箱內(nèi)中完全破膠得到壓裂液濾液，然后分別進行“恒速實驗”和“恒壓實驗”探究胍膠壓裂液對儲層的傷害，其中，恒速實驗在0.5 mL/min 的恒定注入速率條件下，考察不同巖心滲透率下攜帶液濾液對儲層的傷害率；恒壓實驗在巖心滲透率一定（5×10-3μm2左右）條件下，考察不同濾失壓差（1.9、3.5和4.2 MPa）下攜帶液濾液對儲層的傷害率。具體巖心實驗步驟如下：（1）將巖心抽真空飽和水，計算孔隙體積與孔隙度，據(jù)此篩選重復性較好的巖心；（2）傷害前滲透率K1的測定：將巖心放入夾持器內(nèi)，將模擬水反向注入（從出口端到入口端）巖心進行水測滲透率，排量分別為0.5、1和1.5 mL/min，直至壓差穩(wěn)定，穩(wěn)定時間大于30 min；（3）將胍膠壓裂液濾液按照0.5 mL/min注入速度注入巖心中，濾液開始流出時開始記錄時間和累計濾失量，濾失時間3 min。濾失結束后，取出巖心并用濾紙輕輕擦拭凈端面殘留濾液，將巖心放回夾持器中，關閉兩端閥門，在油藏溫度下放置2 h；（4）采用大港油田注入水注入巖心，直至巖心注入壓差穩(wěn)定為止，計算壓裂液傷害后滲透率K2。按式（1）計算。

表1 水質(zhì)分析

式中：η—傷害率，%；K1—巖心傷害前滲透率，μm2；K2—巖心傷害后滲透率，μm2。

2 結果與討論

2.1 胍膠自增稠支撐劑的SEM形貌觀察

普通支撐劑和胍膠自增稠支撐劑的SEM照片如圖1所示。從圖1可以看出，普通支撐劑的表面相對光滑，而胍膠自增稠支撐劑外層黏附了胍膠顆粒。

圖1 普通支撐劑與自增稠支撐劑的SEM照片

2.2 適配胍膠增稠劑的溶劑水優(yōu)選

為使胍膠自增稠支撐劑在溶劑水中具有優(yōu)良懸浮效果，需要胍膠增稠劑在溶劑水中具有良好的增黏性；為使胍膠自增稠支撐劑在溶劑水中懸浮后具有優(yōu)良攜沙性能，需要胍膠增稠劑在溶劑水中具有良好的流變性和黏彈性。

2.2.1 溶劑水對胍膠增稠劑溶液黏度的影響

不同溫度下，分別采用5 種水樣配制的胍膠增稠劑溶液（0.6%胍膠+0.6%交聯(lián)劑）的黏度見表2。從表2可以看出，在實驗溫度一定的條件下，溶劑水礦化度越高，胍膠溶液成膠效果越好，礦化度最高的大港水油田注入水配制的胍膠溶液成膠效果更好。在溶劑水礦化度一定條件下，隨著溫度的升高，交聯(lián)反應速度逐漸加快，當溫度超過100℃后，除了大慶油田清水之外，其它4 種溶劑水配制的胍膠溶液黏度均超過10×104mPa·s。交聯(lián)劑的活性隨溫度升高而增強，交聯(lián)劑在高溫條件下能夠快速釋放出大量可以與胍膠發(fā)生交聯(lián)反應的活性分子，在交聯(lián)劑分子和胍膠分子之間形成更多分子間交聯(lián)點，使得內(nèi)部分子之間流動難度大大提高，整體結構增強，從而形成較為穩(wěn)定的膠凍。

表2 不同溶劑水配制的胍膠增稠劑溶液的黏度

2.2.2 溶劑水對胍膠增稠劑溶液流變性和黏彈性的影響

5種水樣配制的胍膠增稠劑溶液在80℃下的視黏度隨剪切速率變化情況見圖2。從圖2可以看出，在溶劑水一定的條件下，隨著剪切速率的增大，胍膠增稠劑溶液的視黏度在初期快速下降，在后期下降速度逐漸減緩。不同溶劑水配制的胍膠增稠劑溶液的視黏度高低順序為：大港油田注入水＞SZ36-1 油田注入水＞長慶油田注入水＞大慶油田污水＞大慶油田清水，即用大港油田注入水配制的胍膠增稠劑溶液的視黏度最高。

圖2 5種溶劑水配制的胍膠增稠劑溶液的視黏度隨剪切速率變化（80℃）

5種水樣配制的胍膠增稠劑溶液在80℃下的儲能模量G'和損耗模量G''與振蕩頻率f 關系見圖3。從圖3可以看出，在溶劑水類型一定的條件下，胍膠增稠劑溶液的儲能模量G'大于損耗模量G''，表明胍膠增稠劑溶液的彈性優(yōu)于黏性。在振蕩頻率一定條件下，不同溶劑水配制的胍膠增稠劑溶液儲能模量G'和損耗模量G''大小順序為：大港油田注入水＞SZ36-1 油田注入水＞長慶油田注入水＞大慶油田污水＞大慶油田清水。儲能模量G'越大壓裂液體系的攜砂性能越好，即大港油田注入水配制的胍膠壓裂液體系攜砂性能最好。由此可見，對于高溫油藏，應該優(yōu)選大港油田注入水配制胍膠自增稠支撐劑。

圖3 5種溶劑水配制的胍膠增稠劑溶液的儲能模量和損耗模量與振蕩頻率關系

2.3 胍膠自增稠支撐劑的懸浮能力及其影響因素

按不同砂比將胍膠自增稠支撐劑加入大港油田注入水中，在不同溫度下測定支撐劑的懸浮時間和沉降時間，結果見表3。從表3可以看出，在相同溫度下，隨著砂比增加，懸浮時間縮短，沉降時間延長；在砂比一定的情況下，隨溫度升高，懸浮時間縮短，但沉降時間變化不大。一方面，當砂比逐漸增加時，由于單獨的顆粒在發(fā)生沉降時會引起顆粒周圍的流體向上運動，沉降阻力會有所增加，導致沉降速率減緩，沉降時間延長；另一方面，當砂比增加時，懸浮后整個溶液的黏度和密度也會迅速增大，溶液中的支撐劑顆粒所受到的浮力也隨之增大，也會導致沉降時間延長。當砂比大于30%后，懸浮時間小于20 s，沉降時間大于4 h，說明胍膠自增稠支撐劑的自增稠性能十分優(yōu)良，可以滿足渤海鉆探井下現(xiàn)場實際應用需求（3 min 內(nèi)實現(xiàn)完全懸浮，沉降時間（80℃）≥240 min）。

表3 不同砂比的胍膠自增稠支撐劑懸浮時間和沉降時間測試結果（80℃）

2.4 胍膠自增稠支撐劑壓裂液的破膠效果

胍膠自增稠支撐劑壓裂液的破膠時間和破膠黏度見表4。從表4可以看出，隨著破膠劑加量增加，破膠時間逐漸縮短。當破膠劑加量為0.03%時，破膠時間為14 h，破膠劑加量為5%時，破膠時間縮短為2.5 h。在壓裂施工后期破膠劑將胍膠壓裂液體系降解形成低黏度的破膠液而迅速被返排到地面，而支撐劑則鋪設在已經(jīng)產(chǎn)生的裂縫當中。在投放現(xiàn)場應用的過程中，可以根據(jù)現(xiàn)場油藏實際情況選擇破膠劑加量，滿足礦場實驗需求和達到保護地層的目的。

表4 破膠時間和破膠黏度測試結果

2.5 胍膠自增稠支撐劑壓裂液的濾失性及其對儲層傷害特性

攜帶液濾液對儲層滲透率的影響主要源于攜帶液在巖心孔隙內(nèi)滯留而產(chǎn)生的附加滲流阻力，與巖心滲透率、濾失量與濾失壓差有關，分別采用“恒速實驗”和“恒壓實驗”探究胍膠壓裂液對儲層的傷害。

（1）恒速實驗

在0.5 mL/min 的恒定注入速率下，考察攜帶液濾液在不同滲透率巖心中的濾失量及其對巖心的傷害情況，結果見表5，注入壓力隨注入體積變化見圖4。在恒速實驗中，巖心滲透率越大，濾失量越大，傷害率越低。對于中高滲透地層，攜帶液先進入巖心大孔隙中，滲流阻力較低，壓力升高后，攜帶液開始進入中孔隙，最后進入小孔隙。由于攜帶液維持高壓的時間較短，進入中小孔隙時間較短，所以在孔隙中滯留量較少，附加滲流阻力的增幅不大，傷害率較低。對于低滲透地層，注入壓力增幅明顯大于中高滲透率層，這是因為低滲透率地層內(nèi)的小孔隙居多，所以攜帶液在小孔隙中滯留時間長，滯留量大，附加滲流阻力的增幅較大，傷害率較大。

（2）恒壓實驗

在恒壓條件下，考察不同濾失壓差（1.9、3.5 和4.2 MPa）下攜帶液濾液在氣測滲透率約10×10-3μm2左右?guī)r心的濾失量及其對巖心的傷害情況，結果見表6。在恒壓條件下，滲透率一定時，隨著濾失壓差的增大，濾失量逐漸增加，傷害率也逐漸增加。對于低滲透率地層，恒壓實驗始終保持在一個較高的注入壓力，攜帶液將隨著濾失壓差的增加而進入更多的細小孔隙，滯留量增加，附加滲流阻力增幅變大，導致傷害率升高。

表5 攜帶液濾液在巖心中的濾失量及其對巖心的傷害情況（注入速率0.5 mL/min）

圖4 恒速實驗注入壓力隨注入體積變化

表6 傷害率測試結果

因此，對于中高滲透率地層，可以采用恒速注入的方式來降低破膠液對儲層的傷害，而對于滲透率較低（氣測滲透率10×10-3μm2）的地層，可以，通過適當減小濾失壓差來降低傷害率。

3 結論

將胍膠細粉黏附在支撐劑表面制備的胍膠自增稠支撐劑的耐溫耐鹽性強，在高溫高礦化度條件下具有優(yōu)良懸浮效果。在溫度和溶劑水礦化度一定條件下，隨砂比增大，胍膠自增稠支撐劑懸浮時間縮短，沉降時間延長；在砂比和溶劑水礦化度一定條件下，隨溫度升高，胍膠自增稠支撐劑懸浮時間縮短，但沉降時間差距不大。

在實際礦場應用中，對于中低滲透率油藏，可以采用恒速注入方式來降低胍膠自增稠支撐劑破膠液對儲層的傷害率；對于超低滲透率油藏，可以采用盡量減小濾失壓差的方式來降低傷害率。

在砂比大于30%、80℃條件下自增稠支撐劑可實現(xiàn)20 s 內(nèi)完全懸浮，沉降時間大于240 min，滿足渤海鉆探井下現(xiàn)場實際應用需求，為渤海油田高效壓裂施工提供了良好的技術基礎。