可變黏多功能壓裂液體系及應用

李 嘉，李德旗，孫亞東，李 然，張祥楓

(1中國石油川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司 2中國石油浙江油田公司)

研究表明，應力越低，外力破壞復雜程度越高，應力越高，外力作用下破壞復雜程度越低，因此，對于中深層頁巖氣井，尤其是水平兩向應力差異大、天然裂縫和水平層理發(fā)育的儲層，采用高低黏度壓裂液交替注入，壓后形成以主縫、分支縫及天然裂縫構(gòu)成的多尺度裂縫并有效支撐是提高產(chǎn)量的關(guān)鍵[1-6]。常規(guī)滑溜水加砂壓裂，通常米加砂量約1.5 t，深層儲層施工壓力高、加砂困難，天然裂縫發(fā)育的儲層易因加砂困難而造成砂堵，同時，常規(guī)壓裂液須提前配液，時效低、費用高，不利于大規(guī)模體積壓裂施工[7-9]。對此研發(fā)了一種一劑多能降阻劑，無需提前配液，通過調(diào)整降阻劑濃度實現(xiàn)滑溜水、線性膠、交聯(lián)液在線自由轉(zhuǎn)換，較常規(guī)降阻劑具備更好的降阻性，攜砂性，并在中深層頁巖氣井中得到了推廣應用。

一、可變黏多功能壓裂液

1.一劑多能降阻劑

引入分子片段設計理念，即引入剛性耐鹽側(cè)基，研發(fā)了一種一劑多能降阻劑，有效屏蔽鈣鎂離子對聚合物鏈解纏繞的作用[10-11]，聚合物鏈段在高礦化度水條件下更加舒展，同時，引入超分子結(jié)構(gòu)側(cè)基進一步增加水動力學體積，使其無論是在淡水還是含鹽量30 000 mg/L 內(nèi)的鹽水溶液中，均具有良好的水溶性及增稠性。

改變一劑多能降阻劑的濃度，即可實現(xiàn)滑溜水、線性膠、交聯(lián)液不同壓裂液體系間的自由轉(zhuǎn)換，從而形成可變黏多功能壓裂液，其黏度如表1所示。

表1 不同濃度下一劑多能降阻劑的液體黏度

當一劑多能降阻劑濃度小于0.10%時，壓裂液的黏度低于4.65 mPa·s，此時液體為低黏滑溜水；濃度0.12%～0.2%時，壓裂液的黏度5.16～12 mPa·s，此時液體為中黏-高黏滑溜水；濃度0.25%～0.30%時，壓裂液的黏度18～21 mPa·s，此時液體為線性膠；當一劑多能降阻劑濃度增加到0.35%，基液黏度大于27.5 mPa·s，加入一定濃度的交聯(lián)劑即可交聯(lián)成凍膠。

2.滑溜水性能評價

2.1 降阻性能

使用MZ-II型摩阻儀評價0.1%的一劑多能降阻劑和常規(guī)乳液降阻劑滑溜水的降阻性能，測試結(jié)果如圖1。實驗數(shù)據(jù)表明，可變黏多功能壓裂液滑溜水降阻率超過80%，剪切10 min降阻率保持率大于95%，常規(guī)稠化劑降阻率初期約73%，但剪切2 min后，降阻率呈顯著下降趨勢，剪切10 min后降阻率下降到47%左右。

圖1 不同稠化劑在相同濃度下滑溜水降阻性能對比圖

2.2 攜砂性能

采用可視化平板裝置，對比相同條件(黏度3 mPa·s，10%砂比的30/50目陶粒，排量0.8 m3/h)下可變黏多功能壓裂液滑溜水與常規(guī)滑溜水的攜砂能力，實驗結(jié)果見圖2～圖3。常規(guī)壓裂液在井筒附近堆積高，可變黏多功能壓裂液滑溜水達到平衡，比常規(guī)壓裂液沉砂高度低40%,表明可變黏多功能壓裂液懸砂性能優(yōu)于常規(guī)壓裂液。

圖2 常規(guī)滑溜水形成的支撐劑剖面(3 mPa·s)

圖3 一劑多能滑溜水形成的支撐劑剖面(3 mPa·s)

2.3 巖心損害率

按照石油行業(yè)標準SY/T 5107—2016《水基壓裂液性能評價方法》，對比測試可變黏多功能壓裂液滑溜水和常規(guī)滑溜水體系對頁巖填砂管的損害情況。質(zhì)量濃度為0.1%的可變黏多功能壓裂液滑溜水對巖心的損害率約為8.86%，僅為常規(guī)乳液滑溜水(18.78%)的47.2%(見表2)。

表2 不同滑溜水對巖心損害測試結(jié)果

3.交聯(lián)液及破膠性能評價

使用HAAKE MARS4型流變儀測試可變黏多功能壓裂液交聯(lián)液(1%一劑多能降阻劑+0.3%交聯(lián)劑)在剪切速率170 s-1、160℃，剪切120 min下的流變性能。測試初期隨著溫度升高，剪切時間增加，交聯(lián)液的表觀黏度逐漸降低，剪切120 min后，壓裂液的表觀黏度大于80 mPa·s，見圖4，表明可變黏多功能壓裂液具有較強的耐溫耐剪切性能，在超高溫下壓裂液具備良好的攜砂性能。

圖4 交聯(lián)液流變曲線

該交聯(lián)液體系配方中加入破膠劑后破膠徹底，95℃下，2 h破膠液黏度小于3 mPa·s，殘渣含量低，見表3。

表3 交聯(lián)液破膠測試結(jié)果

二、在中深層頁巖氣井的應用

1.現(xiàn)場應用模式

按照滑溜水、線性膠或交聯(lián)液配方，將一劑多能降阻劑和其他添加劑直接泵入混砂車攪拌池，降阻劑在攪拌池中21 s即可起黏，45 s溶脹率可達到95%，滿足現(xiàn)配現(xiàn)用施工要求，如需將液體調(diào)整為凍膠，根據(jù)黏度要求調(diào)整一劑多能降阻劑濃度至0.35%或以上，并加入一定量的交聯(lián)劑即可。極大程度簡化了現(xiàn)場配制流程，施工中可在不同壓裂液體系自由切換，避免了施工過程中的流程倒換，提高了作業(yè)時效性。

2.現(xiàn)場應用

X-1井位于四川盆地川南低褶帶得勝向斜區(qū)，是以龍馬溪組為主要目的層的一口深層頁巖氣水平井，垂深約4 070 m，水平段長2 030 m，裂縫相對發(fā)育，水平主應力差約13 MPa，平均脆性指數(shù)48.6%，較難形成縫網(wǎng)壓裂。設計主體采用可變黏多功能壓裂液滑溜水體系，以形成主縫+分支縫的復雜裂縫為目標，采用“大排量、多簇、高強度加砂(單段米加砂量3.0～5.0 t)”壓裂工藝，支撐劑為70/140目粉砂+70/140目粉陶+40/70目陶粒，粉砂用于支撐微細裂縫、降低濾失，粉陶、陶粒分別用于分支縫和主縫的支撐、提高導流能力，以實現(xiàn)主縫、支縫和天然微細裂縫的有效支撐。

該井主要采用小于3 mPa·s的低黏變黏滑溜水，施工排量16 m3/min，泵壓76～84 MPa，各段降阻率均超過81.5%，40/70陶粒最高砂濃度260 kg/m3，最高米加砂強度5.56 t(圖5)，遠高于常規(guī)深層頁巖氣井1.5 t/m的加砂強度，該井加砂強度和最高砂濃度均創(chuàng)下了深層頁巖氣井滑溜水加砂的最高紀錄，同時，節(jié)省配液成本約170萬元。

圖5 X-1井第28段加砂壓裂施工曲線

三、結(jié)論

(1)可變黏多功能壓裂液通過調(diào)整一劑多能降阻劑濃度，實現(xiàn)不同黏度滑溜水、線性膠和交聯(lián)液在線自由轉(zhuǎn)換的功能，節(jié)省場地、液罐和配液費用，降阻性、攜砂性好、損害低，滿足各種加砂工藝及施工調(diào)整的要求，適用于大規(guī)模體積壓裂施工。

(2)現(xiàn)場應用表明相同加量下的可變黏多功能壓裂液滑溜水較常規(guī)滑溜水降阻性好，攜砂能力強、加砂強度高、增產(chǎn)效果顯著。