可降解纖維壓裂液的研究及其在蘇里格氣田的應用

甘霖，祁國棟，李照川，付玥穎，王紅科，靳劍霞

（1.中國石油集團安全環(huán)保技術研究院有限公司質量技術研究所，北京 102206；2.中國石油天然氣集團有限公司質量健康安全環(huán)保部，北京 100007；3.渤海鉆探工程技術研究院,河北任丘 062552）

0 引言

蘇里格氣田屬于典型的“低孔、低滲、低壓”儲層，伴隨著氣田開發(fā)的中后期，儲層物性逐漸變差，需要支撐劑在裂縫中形成更好的鋪置效果。由于支撐劑與壓裂液之間的密度差異，支撐劑顆粒在運移過程中發(fā)生沉降，導致支撐劑在裂縫頂部以及裂縫最前端得不到有效鋪置，影響裂縫鋪砂效果和裂縫導流能力。另一方面，由于氣井壓力高、流速快，排液過程容易造成支撐劑回流，導致破碎的支撐劑向井筒運移堆積，降低裂縫長期導流能力，破壞了壓裂施工原有人工裂縫的鋪砂剖面，影響支撐效果，不但容易造成氣井減產，而且對井口及地面流程管線形成沖蝕，產生安全隱患。纖維在壓裂液中由于可以均勻分散形成空間交聯網狀結構，改善支撐劑沉降速度和裂縫鋪置效果，將支撐劑運送到更深的裂縫中；并且可增強支撐劑的內聚力，將支撐劑穩(wěn)定在原始位置，達到防止支撐劑回流的目的[1-4]。

對纖維進行了表面處理，提高了表面能和分散性，對纖維尺寸、加量進行了優(yōu)化，對纖維降解性、分散性、巖心傷害、懸砂性能、壓裂液體系耐溫耐剪切性能、破膠等性能進行了評價，纖維通過橋接作用與壓裂液形成網狀結構，將支撐劑束縛于其中，降低支撐劑沉降速度，提升了壓裂液懸浮支撐劑的能力[5-10]。

1 纖維壓裂液體系室內評價

1.1 纖維改性

市售纖維由于缺少表面活性官能團、表面能低且疏水，導致在溶液中分散性差，需要對纖維進行表面改性處理，提高分散性[5]。稱取一定量市售纖維，放入20%丙基三甲氧基硅烷乙醇溶液中，室溫下攪拌18 h，過濾，用20%乙醇溶液洗滌，烘干。

1.2 纖維尺寸優(yōu)選

纖維尺寸對支撐砂體的穩(wěn)定性影響很大，通過支撐砂體的穩(wěn)定性實驗對改性纖維長度、直徑等尺寸進行了優(yōu)選，如圖1 所示。圖1（a）為該纖維直徑對砂體穩(wěn)定性的影響，由圖1（a）可知，坍塌流量隨改性纖維直徑（5、10、15、20 μm）變化不大，保持在5.5 L/min 左右；纖維直徑越小，坍塌壓力越大，砂體穩(wěn)定性越好。由于纖維直徑過小會導致不易分散，優(yōu)選纖維直徑為10 μm 左右，此時坍塌壓力為37 psi(255.1 kPa)。圖1（b）為纖維長度對砂體穩(wěn)定性的影響，由圖1（b）可知，坍塌流量隨纖維長度（8、10、12、14 mm）變化不大，纖維越長，坍塌壓力越大，砂體穩(wěn)定性越好。由于過長會導致纖維與支撐劑混合均勻難度增加，且不易泵入地層，優(yōu)選纖維長度為12 mm，此時坍塌流量為4.9 mL/min，坍塌壓力為33 psi(227.5 kPa)。

圖1 纖維直徑（a）和長度（b）對砂體穩(wěn)定性的影響

圖2 纖維砂體和無纖維砂體情況對比如圖2 所示。由圖2 中可知，與無纖維砂體對比，纖維砂體坍塌流量增加了2 倍，坍塌壓力增加了6 倍，說明纖維可有效增加砂體穩(wěn)定性，防止出砂。

圖2 纖維砂體和無纖維砂體情況對比圖

1.3 纖維加量的優(yōu)選

在壓裂液中加入不同含量的改性纖維，分別測試室溫和95 ℃下，改性纖維濃度對壓裂液的懸砂能力影響，結果如圖3 所示。由圖3 可知，纖維加量越大，支撐劑沉降速度越小，纖維的加入有助于延長壓裂液懸砂時間，降低支撐劑沉降速度；隨著溫度的升高，支撐劑的沉降速度變大，但當纖維加量大于0.15%時，支撐劑的沉降速度均逐漸穩(wěn)定，分別為0.16 mm/min 和0.07 mm/min，因此優(yōu)化纖維加量為0.15%，遠低于不加纖維的壓裂液的0.25 mm/min 和0.37 mm/min，說明纖維的加入可以有效降低支撐劑的沉降速度。

圖3 纖維加量對懸砂性能影響

1.4 纖維降解性評價

95 ℃下，對纖維的可降解性進行了測試，如圖4 和圖5 所示。圖4(a)為纖維未降解狀態(tài)，在95 ℃下加熱12 h，降解率只有50%左右，滿足壓后放噴纖維固砂防出砂的要求。隨著時間的延長，降解速度逐漸減小并趨于平緩，如圖4(b)所示，120 h 可降解80%以上，纖維幾乎完全降解（圖5），減小了對儲層的傷害。

圖4 纖維未降解和降解12 h 后的狀態(tài)

圖5 纖維隨時間降解情況

1.5 纖維分散性評價

將0.15%纖維分別加入清水和壓裂液中，由圖6 可以看出，纖維在水中和壓裂液中分散程度均比較穩(wěn)定，這是由于用丙基三甲氧基硅烷對纖維進行表面處理后，纖維表面能和在溶液中分散性均有所提升。均勻分散的纖維可與壓裂液通過橋接作用與壓裂液形成網狀結構，提升壓裂液懸浮支撐劑的能力。

圖6 纖維在清水和壓裂液中分散狀態(tài)

1.6 纖維降解后對巖心傷害評價

將1.4 中纖維降解后的溶液進行巖心傷害評價，結果如表1 所示。由表1 可知，纖維降解后溶液對巖心的傷害小于5%，對巖心的傷害較小。

表1 巖心傷害性能評價

1.7 纖維懸砂性評價

壓裂基液中加入0.15%纖維、30%陶粒，交聯后，在95 ℃下測試懸砂性能，結果如圖7 所示。5 h 后，未發(fā)現支撐劑沉降，說明具有較好的懸浮性。這是由于纖維分散在壓裂液形成中網絡體型結構，起到橋接作用，將支撐劑束縛于網狀結構中，降低支撐劑沉降速度，提升壓裂液懸浮支撐劑能力，如圖8 所示。

圖7 纖維懸砂情況

圖8 網絡結構微觀圖

1.8 纖維壓裂液體系性能評價

1.8.1 溶脹時間

量取400 mL 配液用水，倒入攪拌杯中，按照0.45%羥丙基瓜膠+0.3%防膨劑+0.3%助排劑+0.2%碳酸鈉+0.15%纖維配制壓裂液，測試黏度隨時間變化曲線。實驗結果可知，6 min后黏度基本沒有變化，經六速黏度計測定最終黏度穩(wěn)定在63 mPa·s 左右，增黏性能優(yōu)異。

1.8.2 流變性能

按配方0.45%羥丙基瓜膠+0.3%防膨劑+0.3%助排劑+0.2%碳酸鈉+0.15%纖維+0.3%有機硼交聯劑配制壓裂液，交聯時間為100 s 左右，凍膠狀態(tài)良好，挑掛情況如圖9 所示。使用RS6000高溫高壓流變儀，在剪切速率170 s-1、溫度110 ℃下，壓裂液凍膠流變曲線如圖10所示。由圖9 流變曲線可知，剪切30 min 后，曲線穩(wěn)定后一直保持在130 mPa·s 左右，隨剪切時間變化不大，剪切100 min 后黏度依然保持在120 mPa·s 以上，大于標準要求的50 mPa·s，說明加入纖維后壓裂液體系依然具有較好的耐溫耐剪切性能和攜砂能力[6]。

圖9 凍膠挑掛圖

圖10 壓裂液凍膠耐溫耐剪切流變圖

1.8.3 破膠性能

根據標準SY/T 5107—2016 水基壓裂液性能評價方法[7]的要求，加入0.015%的破膠劑，在95 ℃下加熱100 min，破膠液黏度為2.786 mPa·s，表面張力為22.1 mN/m，界面張力為0.86 mN/m，高于標準要求，滿足現場壓裂施工要求。

2 現場實驗應用

2021 年8 月可降解纖維壓裂液在蘇里格氣田蘇X 井進行了現場壓裂試驗，該井改造目的層為45、40 號層，解釋井段為3684.6～3690.5 m、3664.8～3675.1 m，目的層溫度約105 ℃。由于目的層所在砂體厚度較大，為采用纖維攜砂壓裂工藝，控制裂縫閉合前的支撐劑沉降，以獲得更好的裂縫鋪置剖面和更大有效縫長，提升壓裂改造效果，并控制返排過程中的支撐劑回流反吐，采用纖維加砂壓裂技術施工。現場共注入725 m3壓裂液，425 kg 纖維，最高砂比為33%，經過7 d 的放噴，未發(fā)現吐砂情況。經壓后測試無阻流量為108.61×104m3/d，鄰井無阻流量為63.1×104m3/d、吐砂1.2 m3，現場壓裂效果良好。

3 結論

1.對可降解纖維進行了表面處理，提升表面能和分散性，根據纖維尺寸對支撐砂體的穩(wěn)定性影響，優(yōu)選纖維直徑為10 μm、長度為12 mm，加量為0.15%。

2.對纖維降解性、分散性、巖心傷害、懸砂性能、壓裂液體系耐溫耐剪切性能、破膠等性能進行了評價。纖維120 h 降解80%以上，傷害率小于5%，纖維壓裂液增黏性能優(yōu)異，在剪切速率170 s-1、110 ℃下剪切后黏度保持在120 mPa·s 以上。

3.纖維通過橋接作用形成網狀結構，將支撐劑束縛于其中，降低支撐劑沉降速度，現場試驗未發(fā)生出砂和支撐劑回流現象，壓后無阻流量為108.61×104m3/d，現場壓裂效果良好。