自締合壓裂液優(yōu)選及應(yīng)用

于洋，郭粉娟，李立，楊超，邱偉，欒飛，王雪婷

（中國石化中原石油工程有限公司井下特種作業(yè)公司，河南 濮陽 457164）

0 引言

隨著非常規(guī)油氣藏大規(guī)模的勘探開發(fā)，由于其獨(dú)特的儲層特性，使得大型壓裂成為對其進(jìn)行高效開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。傳統(tǒng)的壓裂配液與施工作業(yè)模式存在諸多不足：1）施工周期長，配液強(qiáng)度大；2）配制的壓裂液經(jīng)過長時(shí)間儲存容易產(chǎn)生基液降解、黏度降低，甚至變質(zhì)腐敗等問題；3）大規(guī)模壓裂中，液量大，罐群數(shù)量多，場地占用面積大；4）一般情況下，罐底余液占原來壓裂液體積的5%～7%，施工結(jié)束后必須對這些液體進(jìn)行處理，不僅會造成浪費(fèi)，而且環(huán)保成本極大［1］。

資料顯示［2］，自締合壓裂液具有低殘?jiān)?、易返排、對地層傷害小的特點(diǎn)，而且配制簡單，成本低廉，特別適用于低滲透油氣藏儲層改造。

1 自締合壓裂液配方的形成

1.1 稠化劑的優(yōu)選

自締合聚合物的合成方法有2種，即水溶性單體與疏水性單體共聚法和水溶性聚合物化學(xué)改性法。自締合聚合物獨(dú)特的締合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)決定了自締合壓裂液具有較好的增黏作用、優(yōu)良的抗鹽性，以及良好的耐溫耐剪切能力［3］。而且此類聚合物用作稠化劑最大的特點(diǎn)在于［2］：當(dāng)稠化劑低加量（聚合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于臨界膠束質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時(shí)，聚合物主要是分子內(nèi)聚合，水溶液黏度低，可作為壓裂施工前期頂替液；當(dāng)增加稠化劑加量（聚合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于臨界膠束質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時(shí)，聚合物主要為分子間締合，流體力學(xué)體積急劇升高，相應(yīng)地，壓裂液黏度也會增大，可用于壓裂施工中的加砂壓裂。

本次研究收集了來自不同生產(chǎn)廠家的5種自締合稠化劑樣品，對其溶脹時(shí)間、抗鹽性、耐溫性等性能進(jìn)行了評價(jià)實(shí)驗(yàn)，以選擇性能優(yōu)良的稠化劑產(chǎn)品。

1.1.1 溶脹時(shí)間及表觀黏度

溶脹時(shí)間的快慢，決定了是否能即配即用，溶脹時(shí)間越快，越有利于現(xiàn)場連續(xù)混配施工。室內(nèi)評價(jià)了A，B，C，D，E等5種自締合稠化劑的溶脹時(shí)間及表觀黏度。實(shí)驗(yàn)方法：首先量取500 mL自來水，加入Waring混調(diào)器中，調(diào)整轉(zhuǎn)速至1 700 r/min；然后加入10 mL自締合稠化劑并開始計(jì)時(shí)，記錄漩渦閉合時(shí)間，即溶脹時(shí)間；繼續(xù)調(diào)整溫度至30℃，恒溫放置4 h，用六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測其表觀黏度（見表1）。

表1 稠化劑溶脹時(shí)間及表觀黏度

綜合比較溶脹時(shí)間和表觀黏度，最終優(yōu)選出溶脹時(shí)間較短、表觀黏度較高的稠化劑A和D進(jìn)行下一步測試優(yōu)選。

1.1.2 抗鹽性能

儲層壓裂改造中，尤其是大規(guī)模壓裂，壓裂液的配制往往需要大量的水資源，為了緩解淡水資源的匱乏，壓裂液的抗鹽性顯得尤為重要。優(yōu)良的抗鹽稠化劑，可以放寬配液水的使用限制，根據(jù)井場位置，就地取水，降低配液施工成本。室內(nèi)分別用清水和質(zhì)量分?jǐn)?shù)6%，8%，10%的CaCl2水溶液，配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%的稠化劑，并測其表觀黏度，結(jié)果如表2所示。由表可見，在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的鹽溶液中，稠化劑A和D均具有較高的黏度，抗鹽性能較好。

表2 稠化劑抗鹽性能

1.1.3 耐溫耐剪切性能

由于自締合聚合物自身結(jié)構(gòu)的特殊性，當(dāng)其受到機(jī)械破壞時(shí)，溶液黏度會下降，但當(dāng)此外力消失時(shí)，其分子間的物理交聯(lián)將會重新建立，表現(xiàn)在宏觀性能上，即黏度恢復(fù)［2］；所以，相比普通的稠化劑，自締合稠化劑具有更高的耐剪切優(yōu)勢。而良好的耐溫性能，可減緩聚合物壓裂液在高溫下的降解，適用于較高溫儲層的壓裂需求。

參考標(biāo)準(zhǔn)Q/SH 0616—2014《聚合物壓裂液性能測定方法》，用RS6000高溫高壓流變儀測稠化劑A和D的耐溫耐剪切性能。稠化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%，在溫度110℃、剪切速率170 s-1的條件下連續(xù)剪切60 min后流變曲線如圖1所示。

圖1 自締合稠化劑流變曲線

由圖1可知：稠化劑D的保留黏度為46.3 mPa·s，而稠化劑A的保留黏度為78.4 mPa·s，說明稠化劑A的耐溫耐剪切性能明顯優(yōu)于D，可以滿足壓裂施工攜砂需求。最終選擇A作為自締合壓裂液的稠化劑。

1.2 黏土穩(wěn)定劑的優(yōu)選

在各種井筒作業(yè)中，頁巖穩(wěn)定是一個重要問題，該問題經(jīng)常是由頁巖膨脹造成的。尤其是在具有水敏性的頁巖和黏土地層中，巖石吸收壓裂液中的液體后膨脹，可能導(dǎo)致井筒崩塌，而發(fā)生此效應(yīng)的主要原因就是黏土的水化作用［4-5］。所以，壓裂液中加入合適的黏土穩(wěn)定劑，可以有效緩解地層中的礦物膨脹。

本次實(shí)驗(yàn)選取了KCl黏土穩(wěn)定劑（1#）、小陽離子型黏土穩(wěn)定劑（2#）、高溫黏土穩(wěn)定劑（3#）等3種黏土穩(wěn)定劑進(jìn)行防膨性能評價(jià)。首先在室溫（25℃）下測試3種黏土穩(wěn)定劑的防膨率，然后為保證黏土穩(wěn)定劑適用于110℃的高溫環(huán)境，將3種樣品放入老化罐中，于110℃恒溫保存3 d，測試其高溫防膨率，結(jié)果見表3。由表3可知，2#黏土穩(wěn)定劑在室溫和高溫下均具有較高的防膨率，防膨效果最好。

表3 不同黏土穩(wěn)定劑的室溫、高溫防膨率

1.3 助排劑的優(yōu)選

在低滲透油氣儲層中，由于存在毛細(xì)管壓力，液體滯留在非常小的孔隙中，液體通過毛細(xì)管孔喉時(shí)，需要變形，從而導(dǎo)致了流體阻力的增加，產(chǎn)生水鎖［6］。降低毛細(xì)管壓力也就降低了返排壓裂液所需的油層壓力，從而提高返排率［7-8］。助排劑的加入，可降低表面張力或油水界面張力，增大接觸角，利于壓裂液壓后返排［9-10］。常用的助排劑有陽離子型（如季銨鹽、季膦鹽）、陰離子型（如二（2-乙基己酯）磺基琥珀酸鈉）、溴化陰離子型（如9-溴硬酯酸）。

實(shí)驗(yàn)選取4個助排劑樣品，按質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3%配成水溶液，分別測試其在室溫（25℃）下及高溫老化后（150℃密閉空間恒溫72 h）的表面、界面張力，結(jié)果見表4。

表4 室溫及高溫下助排劑的表面、界面張力 mN·m-1

參照標(biāo)準(zhǔn)Q/SHCG 69—2013《壓裂酸化用助排劑技術(shù)要求》，室溫下表面張力不大于30 mN/m、界面張力不大于3 mN/m，老化后表面張力不大于32 mN/m、界面張力不大于5 mN/m時(shí)，才能滿足技術(shù)要求。由表4可見，4種助排劑在室溫下的表面、界面張力均滿足技術(shù)要求，而高溫老化后僅有1#和3#助排劑滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。因此，優(yōu)選助排劑1#和3#。

將1#和3#助排劑與體系中的其他添加劑進(jìn)行配伍性實(shí)驗(yàn)。按照2%自締合稠化劑+0.5%黏土穩(wěn)定劑+0.5%助排劑的比例加入到清水中，觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，加入1#助排劑得到的溶液是無色透明的，加入3#助排劑得到的溶液變得渾濁。3#助排劑在室溫及高溫老化后的表面、界面張力均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但是3#助排劑與其他添加劑存在不配伍的現(xiàn)象，可能導(dǎo)致壓裂液耐溫性能變差或者加大對儲層的傷害。因此，助排劑最終選用1#助排劑。

1.4 配方的確定

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，該自締合稠化劑壓裂液的配方為：2%自締合稠化劑A+0.5%黏土穩(wěn)定劑2#+0.5%助排劑1#。

2 自締合壓裂液性能評價(jià)

2.1 耐溫耐剪切性能

壓裂液在進(jìn)入地層的過程中，將受到壓裂管柱、射孔孔眼等的剪切作用，壓裂液黏度因此而降低；同時(shí)，壓裂液進(jìn)入地層的過程中，隨著溫度不斷上升，黏度也會隨之改變［11-12］。壓裂液只有具有較高的黏度，才能很好地?cái)y砂；因此，壓裂液的耐溫耐剪切性能是評判壓裂液性能好壞的指標(biāo)之一［13-14］。

室內(nèi)采用RS6000流變儀對該體系進(jìn)行高溫流變性能評價(jià)，在溫度110℃、剪切速率170 s-1條件下，連續(xù)剪切60 min，其高溫流變曲線如圖2所示。

圖2 自締合壓裂液高溫流變曲線

由圖2可見，該體系在110℃，170 s-1條件下連續(xù)剪切60 min，黏度依舊大于70 mPa·s，滿足壓裂液黏度不低于50 mPa·s的要求。

2.2 破膠性能

壓裂液把支撐劑攜帶到已經(jīng)形成的裂縫中，支撐劑可增大油井的裂縫支撐程度。破膠劑的加入可以在一定程度上對聚合物進(jìn)行降解，使其變成小分子物，從而降低液體黏度，以便裂縫成為高滲透的通道，油和氣通過此路徑進(jìn)入井中［15-16］。

室內(nèi)選用過硫酸銨（APS）作為破膠劑進(jìn)行破膠實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化加量及破膠時(shí)間。將1%的稠化劑壓裂液分成5份，每份200 mL。分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%，0.03%，0.05%，0.07%，0.10%的過硫酸銨，放入70℃水浴中，并開始計(jì)時(shí)， 測量 0.5，1.0，1.5，2.0，3.0，4.0，5.0 h 時(shí)的黏度，結(jié)果如表5所示。

表5 自締合壓裂液破膠性能

由表5可見，壓裂施工中，為了防止壓裂液破膠太快造成砂堵，同時(shí)破膠液又能順利返排，最終確定破膠劑最優(yōu)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.03%。

2.3 殘?jiān)鼫y試

壓裂液殘?jiān)雌颇z水化液中殘存的水不溶物，其主要來源是稠化劑、壓裂液未破膠物質(zhì)，及黏土穩(wěn)定劑等添加劑中的水不溶物。殘?jiān)鼤氯麕r石孔隙和裂縫，影響裂縫支撐帶的導(dǎo)流能力和油氣層的滲透率［17-19］。破膠液殘?jiān)缴?，對油氣層造成的損害越小。

室內(nèi)按照配方2%稠化劑+0.5%黏土穩(wěn)定劑+0.5%助排劑+0.03%過硫酸銨配制壓裂液，參照標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5107—2016《水基壓裂液性能評價(jià)方法》對破膠液殘?jiān)M(jìn)行測試，破膠液狀態(tài)如圖3所示。圖中左側(cè)為自締合體系破膠液，右側(cè)為常規(guī)HPG壓裂液體系破膠液，自締合體系的殘?jiān)@然比常規(guī)HPG體系的更少。通過計(jì)算，自締合體系破膠液的殘?jiān)|(zhì)量濃度僅為69 mg/L，遠(yuǎn)低于常規(guī)HPG體系的322 mg/L?？梢?，該體系破膠后的殘?jiān)|(zhì)量濃度極低，對地層的傷害也很小。

圖3 2種破膠液示例

2.4 靜態(tài)懸砂實(shí)驗(yàn)

壓裂液懸砂性能是決定壓裂成功與否的關(guān)鍵因素，壓裂液攜帶支撐劑在地層裂縫中水平移動時(shí)，顆粒會發(fā)生沉降，沉降速度可衡量壓裂液的懸砂性能［20-22］。沉降速度過快，容易造成砂堵導(dǎo)致施工失??；沉降速度慢，則利于將支撐劑攜帶到更遠(yuǎn)的地層，形成長縫。

室內(nèi)按照支撐劑和配液用水體積比30∶100配制自締合壓裂液，倒入500 mL量筒中，觀察支撐劑的沉降。4 h之后，自締合壓裂液懸砂效果依舊良好，可滿足現(xiàn)場施工需求。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

2020年6月，該自締合稠化劑壓裂液在衛(wèi)22-1A井和衛(wèi)22-1B井進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用。2口井井溫均為110℃，最高施工排量為5.6 m3，最高砂比為35%，累計(jì)用液650 m3，成功率100%，壓后效果良好。施工曲線如圖4、圖5所示，可以看出，自締合壓裂液具有良好的耐溫耐剪切性能及優(yōu)良的攜砂效果。另外，自締合稠化劑呈液態(tài)，采用可控制泵速的齒輪泵即可滿足在線混配，降低了對作業(yè)場地面積的要求。

圖4 衛(wèi)22-1A井施工曲線

圖5 衛(wèi)22-1B井施工曲線

4 結(jié)論

1）該稠化劑具有溶脹速度快、分散均勻的優(yōu)點(diǎn)，可滿足在線連續(xù)混配的施工要求，解決了目前壓裂配液勞動強(qiáng)度大、配液速度慢、施工準(zhǔn)備周期長等問題。

2）自締合稠化劑具有良好的耐鹽性，可大量節(jié)約水資源，降低壓裂施工成本。

3）自締合壓裂液體系具有耐溫耐剪切、破膠徹底、低殘?jiān)?、高攜砂等特點(diǎn)，滿足了高溫井的需求，可保證施工順利進(jìn)行。