低摩阻高溫加重壓裂液體系研究及性能評(píng)價(jià)

趙 瑩

中國(guó)石化中原石油工程有限公司鉆井工程技術(shù)研究院，河南濮陽 457000

隨著能源需求的日益增長(zhǎng)和勘探開發(fā)技術(shù)的進(jìn)步，在油氣田開發(fā)中所遇到的高溫深井、高應(yīng)力井或致密油氣藏日益增多，因完井裝備和地面設(shè)備的承壓能力限制，采用常規(guī)壓裂液已無法滿足施工的要求。如新疆塔河油田、四川元壩探區(qū)，儲(chǔ)層埋藏深達(dá)7 000 m、溫度高達(dá)180 ℃，破裂壓力梯度高達(dá)0.035 MPa/m，采用常規(guī)壓裂液部分井地面施工壓力甚至超過140 MPa，而國(guó)內(nèi)壓裂機(jī)組及地面高壓管匯、井口等設(shè)備的額定工作壓力大多為105 MPa[1]。因此受到壓裂施工條件和施工壓力的影響，壓裂成功率降低。

增加井筒壓裂液靜液柱壓力能降低井口施工壓力，由壓裂施工過程中各壓力之間的關(guān)系式：p施工=p破裂+p摩阻-p液柱可以看出，降低施工壓力可以通過降低破裂壓力和減小壓裂液摩阻，同時(shí)增加液柱的靜壓力的方法，前2種方法實(shí)施有限，可通過增加壓裂液的密度從而增加液柱的靜壓力，一定程度上降低井口施工壓力[2]。常規(guī)壓裂液的密度較低，一般為(1.0～1.04)×103kg/m3。壓裂液密度每提高0.1 g/m3，井筒中壓裂液的靜液柱壓力每1000 m即可提高近1 MPa[3]。相同井深下壓裂液密度越高，井筒中靜液柱壓力就越高，因此在一定程度上提高壓裂液密度可實(shí)現(xiàn)地面安全施工。目前，國(guó)內(nèi)外提高壓裂液密度方法是加入加重劑。因此，針對(duì)常規(guī)壓裂液已無法滿足高溫深井、高應(yīng)力井或致密油氣藏勘探開發(fā)的施工要求，現(xiàn)通過實(shí)驗(yàn)研制低摩阻耐高溫加重壓裂液，從增加井筒靜液柱壓力和降低流體摩阻兩方面降低地面施工壓力，從而提高壓裂勘探開發(fā)效率[4]。

1 低摩阻高溫加重壓裂液體系

1.1 加重劑的篩選

加重劑篩選原則一般包括密度、自身溶解度、與其他外加劑配伍性、安全性及成本等主要因素。壓裂液加重劑的選擇應(yīng)滿足的要求：可溶性鹽且具有較大溶解度，避免對(duì)地層造成顆粒堵塞傷害，利于現(xiàn)場(chǎng)溶解配制；與壓裂液體系及地層配伍性良好；成本低[5]。選取不同種類的加重劑試驗(yàn)，考察在20 ℃條件下的溶解度，見表1。

表1 加重劑篩選

由表1可見，確定密度調(diào)節(jié)范圍(1.0～2.0 g/cm3)較大的NaCl、NaBr、NaNO3、CaCl2作為壓裂液體系初選加重劑。加重劑加重效果與其加量有關(guān)，加量關(guān)系成本，因此，結(jié)合溶解性、配伍性、加重效果及成本的綜合因素，最終選擇NaNO3作體系加重劑。另試驗(yàn)研究了硝酸鈉加量與基液密度關(guān)系，壓裂液基礎(chǔ)配方中硝酸鈉含量為41%，密度為1.310 g/cm3。

1.2 稠化劑的篩選

常用的水溶性聚合物作為稠化劑主要有：1)植物膠(田青膠、瓜膠)及其衍生物；2)纖維素衍生物；3)合成聚合物。不同水基壓裂液性能比較見表2。

表2 水基壓裂液性能對(duì)比

由表2可以看出，植物膠及其衍生物或聚合物稠化劑與加重劑的配伍性，用聚合物稠化劑的體系整體摩阻最小，且是用于高溫深井，最終選擇聚合物稠化劑作為加重壓裂液用稠化劑。聚合物稠化劑不僅配伍性好，殘?jiān)?，最重要的是適用溫度范圍廣，可用于高溫深井加重壓裂。

優(yōu)選出一種聚合物稠化劑并測(cè)試其增黏性能，用聚合物配制不同濃度的基液置于具塞廣口瓶中，將廣口瓶置于30 ℃水浴中充分溶脹4 h，用六速旋轉(zhuǎn)黏度儀測(cè)定不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)稠化劑的黏度，結(jié)果見表3。

表3 稠化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)-黏度關(guān)系表

為降低施工摩阻并保障供液，基液黏度應(yīng)控制在90 mPa·s以內(nèi)?；吼ざ雀?，交聯(lián)后形成的凍膠耐溫性能好，但會(huì)造成壓裂液供液困難，施工過程中排量受到限制；基液黏度低，可能會(huì)造成壓裂液耐溫性能差，施工過程中濾失大，難以達(dá)到儲(chǔ)層的有效改造[6]。由表3可見，結(jié)合施工中基液黏度指標(biāo)，并考慮到攜砂耐溫與降低儲(chǔ)層傷害等因素，針對(duì)180 ℃高溫地層的硝酸鈉加重壓裂液，體系最終選取聚合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%。

1.3 交聯(lián)劑的篩選

由于改造儲(chǔ)層深、壓力高、溫度高的特點(diǎn)，因此要求壓裂液體系同時(shí)具有良好的耐溫耐剪切性能及延緩交聯(lián)特性，交聯(lián)劑則是實(shí)現(xiàn)以上特性的關(guān)鍵因素。因此開發(fā)了高溫延緩交聯(lián)劑，以滿足高溫剪切及延緩交聯(lián)的要求[7]。室內(nèi)試驗(yàn)優(yōu)選在復(fù)配主配體的基礎(chǔ)上利用分子尺寸大小和空間位阻效應(yīng)合成了高溫延緩交聯(lián)劑WK180，其具有較好的延緩交聯(lián)特性，可降低施工管柱摩阻。按照180 ℃恒溫過程，交聯(lián)劑WK180加量分別為0.8%，1.2%，進(jìn)行高溫流變實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 交聯(lián)劑加量篩選

由圖1可見，1.2%交聯(lián)劑效果更好，確定為壓裂液交聯(lián)劑使用比例，該交聯(lián)劑可隨溫度升高逐級(jí)釋放，因此在施工過程中，既可滿足攜砂需要，又可降低管柱摩阻。

1.4 溫度穩(wěn)定劑的優(yōu)選

溫度穩(wěn)定劑能與溶解氧反應(yīng)，也可與聚合物降解產(chǎn)生的自由基作用，從而延長(zhǎng)聚合物穩(wěn)定存在的時(shí)間，減緩高溫對(duì)稠化劑分子的熱降解作用，提高壓裂液的耐溫性[7]。試驗(yàn)選取4種溫度穩(wěn)定劑，按照標(biāo)準(zhǔn)Q/SH 10250580—2008檢測(cè)其黏度提高值見表4。選擇黏度提高值較高的0.3% wd-3為體系用溫度穩(wěn)定劑。

表4 溫度穩(wěn)定劑檢測(cè)結(jié)果

1.5 助排劑優(yōu)選

在壓裂液中加入適量的助排劑可降低返排液的表界面張力，能有效地降低地層流體在流動(dòng)中的毛細(xì)管阻力，提高液體返排速度，減少對(duì)地層傷害[8]。選了常用助排劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)其性能進(jìn)行檢測(cè)結(jié)果見表5，結(jié)合配伍性實(shí)驗(yàn)選擇性能較好的助排劑zp-2。

表5 助排劑檢測(cè)結(jié)果

對(duì)助排劑zp-2進(jìn)行加量?jī)?yōu)化,試驗(yàn),結(jié)果見表6。助排劑表面張力隨加量增加呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，但是當(dāng)加量大于0.5%時(shí)表面張力增長(zhǎng)變緩。綜合考慮最終確定助排劑zp-2加量為0.5%。

表6 助排劑zp-2加量?jī)?yōu)化

1.6 防膨劑

加重壓裂液由于加入的加重劑一般為無機(jī)鹽，具有一定的防膨效果，有時(shí)可不需添加防膨劑[9]。經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不加防膨劑體系防膨效果不穩(wěn)定，防膨劑篩選見圖2。因此篩選高溫長(zhǎng)效防膨劑BFC-200，經(jīng)優(yōu)選加量為0.5%。

圖2 防膨劑篩選

經(jīng)過加重劑、稠化劑、交聯(lián)劑、溫度穩(wěn)定劑、防膨劑及助排劑的篩選最終確定了低摩阻高溫加重壓裂液的配方：41% NaNO3+0.6%聚合物稠化劑+1.2%高溫延緩交聯(lián)劑WK180+0.3%高溫穩(wěn)定劑+0.5%助排劑+0.5%防膨劑，并對(duì)壓裂液進(jìn)行性能評(píng)價(jià)。

2 加重壓裂液性能評(píng)價(jià)

2.1 耐溫耐剪切性

耐溫耐剪切性可檢測(cè)液體的黏度受高溫剪切作用影響程度。壓裂液在通過管匯、井筒、炮眼時(shí)或在地層中推進(jìn)都會(huì)受到很大的剪切作用，所以耐溫耐剪切性能是考察壓裂液性能好壞的首要參數(shù)[10]。用德國(guó)HAKKE RS6000流變儀對(duì)加重壓裂液進(jìn)行180 ℃的耐溫耐剪切性能測(cè)試。測(cè)試升溫至180 ℃后恒溫，剪切速率170 s-1條件下測(cè)試該高溫交聯(lián)體系的流變性能見圖3。

圖3 加重壓裂液耐溫耐剪切性

由圖3可以看出，該壓裂液連續(xù)剪切2 h后黏度始終≥50 mPa·s，甚至達(dá)到100 mPa·s以上。說明該體系在壓裂施工中，不僅滿足井筒攜砂性能要求，具有良好的耐溫耐剪切性能，且降低管柱摩阻，可滿足長(zhǎng)井段、高溫儲(chǔ)層加砂壓裂改造需求。

2.2 摩阻性能

使用SY-MZ管路摩阻測(cè)試儀，通過測(cè)量不同流體在一定剪切速率下，流經(jīng)一定長(zhǎng)度和直徑的管路時(shí)產(chǎn)生的壓差(測(cè)試溫度：25 ℃)，對(duì)清水和180 ℃高溫加重壓裂液配方體系降阻性能進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，結(jié)果見圖4。

圖4 加重壓裂液摩阻性能評(píng)價(jià)

由圖4可以看出，剪切速率為12 000 s-1時(shí)，清水摩阻(P水)為171.36 kPa/m，180 ℃配方體系摩阻(P樣)為76.528 kPa/m，根據(jù)降阻率η=(P水-P樣)/P水，計(jì)算得出180 ℃配方體系的降阻率為55.34%，高于標(biāo)準(zhǔn)《SY/T 6376—2008 壓裂液通用技術(shù)條件》中水基壓裂液降阻率≥50%指標(biāo)。表明加重壓裂液有低摩阻性能。

2.3 破膠性能

在180 ℃按配方配制壓裂液并加入0.05%的破膠劑，攪拌均勻并移至老化罐中，密閉狀態(tài)下200 ℃恒溫2 h，冷卻后取出破膠液，用毛細(xì)管黏度計(jì)測(cè)定黏度，并按《SY/T 5107—2005水基壓裂液性能評(píng)價(jià)方法》進(jìn)一步測(cè)定破膠液的表面張力及界面張力，結(jié)果表7。

表7 破膠液性能

從表7可以看出，所開發(fā)的低摩阻高溫加重壓裂液破膠后性能指標(biāo)遠(yuǎn)低于《SY/T 6376—2008 壓裂液通用技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)。

3 結(jié) 論

1)選擇聚合物壓裂液體系，經(jīng)對(duì)比加重劑選擇硝酸鈉。經(jīng)過篩選確定了稠化劑、交聯(lián)劑、溫度穩(wěn)定劑、助排劑、防膨劑的種類及加量，確定180 ℃低摩阻加重壓裂液的配方為:41% NaNO3+0.6%聚合物稠化劑+1.2%高溫延緩交聯(lián)劑+0.3%高溫穩(wěn)定劑+0.5%助排劑+0.5%防膨劑。

2)對(duì)低摩阻高溫加重壓裂液進(jìn)行性能評(píng)價(jià)，NaNO3加量為41%時(shí)，溶液密度為1.33 g/cm3。加重壓裂液耐溫耐剪切性能良好，在高溫180 ℃、170 s-1連續(xù)剪切100 min黏度仍≥50 mPa·s，該體系破膠性能良好，低摩阻，可有效緩解地面設(shè)備施工壓力。