自生氣泡沫壓裂工藝技術(shù)研究與試驗

周長順，劉怡君，呂勇勝，馬駟駒，邰 龍，李志坪，周亞亞，張大磊，周莉

（中國石油長慶油田分公司第三采油廠，寧夏銀川 750006）

鄂爾多斯盆地是一個沉積穩(wěn)定、疊合的克拉通坳陷盆地，盆地由伊盟隆起、渭北隆起、晉西撓褶帶、伊陜斜坡、天環(huán)坳陷、西緣沖斷帶6 個二級構(gòu)造單元構(gòu)成。其中盆地面積37×104km2，構(gòu)造面積25×104km2，地跨陜、甘、寧、蒙、晉五省區(qū)。其中伊陜斜坡是盆地勘探開發(fā)的主要地區(qū)，目前已發(fā)現(xiàn)的90%的油氣藏分布在該構(gòu)造單元。盆地內(nèi)發(fā)育元古界、古生界、中生界和新生界地層，沉積巖平均厚度6 000 m?？v向上具有“上油下氣”的分布格局。

油氣藏普遍具有“低滲、低壓、低豐度”的特點。延長組砂巖儲層滲透率0.3～2.0 mD，上古生界砂巖儲層滲透率0.1～3.0 mD。油氣藏壓力系數(shù)普遍較低，多為0.62～0.9。油井日均產(chǎn)量2～4 t，氣井日均產(chǎn)量（1～4）×104m3。

1 壓裂液主要類型及特征

1.1 低滲透油藏面臨的問題

在低壓低滲透淺層油藏的壓裂改造過程中，常規(guī)羥丙基胍膠-有機硼交聯(lián)壓裂液體系主要存在的問題有：壓裂液濾液對低壓低滲透油藏造成的水鎖傷害。在壓裂改造過程中，壓裂液濾液等外來流體侵入儲層后，由于毛細管力作用，地層驅(qū)動壓力不能將外來流體完全排出地層，從而使儲層的含水飽和度增加，油氣相滲透率降低。地層壓力低，壓裂液返排能力不足。當(dāng)前各油田采取的措施主要是“液氮伴注”技術(shù)，但是“液氮伴注”技術(shù)增加了壓裂的費用，給現(xiàn)場施工帶來較大的安全風(fēng)險，而且液氮存放也存在較大問題。

1.2 低滲透油藏壓裂對壓裂液的要求

針對低滲透油藏特點，最大程度地降低壓裂液對地層的傷害就顯得十分重要。研究如何降低壓裂液對儲層傷害，有效保護儲層，已成為目前低滲透油藏開發(fā)繼續(xù)解決的難題之一。

對于占液量絕大部分的前置液及攜砂液都應(yīng)具備一定的造縫能力并使壓裂后的裂縫壁面及填砂裂縫有足夠的導(dǎo)流能力，這樣它們必須具備如下的性能要求：（1）濾失少；（2）懸砂能力強；（3）摩阻低；（4）熱穩(wěn)定性和抗剪切穩(wěn)定性；（5）配伍性；（6）破膠快速、徹底；（7）殘渣含量低；（8）貨源廣便于配制，成本適中，經(jīng)濟上切實可行。

2 自生氣泡沫壓裂液研究

針對長慶油田低滲低壓淺層油藏壓裂改造存在的難點，以“增壓、助排和低傷害”為目的，通過引入地層條件下自動生氣體系，同時研制或篩選稠化劑，使之適合在生氣劑水溶液中溶脹且適應(yīng)弱酸性條件交聯(lián)，從而形成一套適合于此類油藏的低傷害、攜砂強、返排好、消除堿敏傷害的自生氣泡沫壓裂液體系，提高此類油藏壓裂改造效果和返排率[1-5]。

2.1 自生氣體系優(yōu)選

2.1.1 常見生成氣體N2和CO2的反應(yīng) CO2有促進原油溶解降黏作用，而N2屬于惰性氣體。因此從安全、經(jīng)濟、環(huán)保等角度考慮，選擇同時產(chǎn)生N2及CO2的化學(xué)反應(yīng)物作為生氣增壓反應(yīng)體系的生氣劑。同時生成N2與CO2的化學(xué)反應(yīng)主要有：

（1）亞硝酸與尿素反應(yīng)：

（2）在酸性溶液中，尿素與亞硝酸鹽的反應(yīng)：

（3）偏二甲肼與N2O4反應(yīng)（點燃）：

2.1.2 不同自生氣體系的生氣效率及現(xiàn)象 在研究的5種體系中，CO（NH2）2+NaNO2、NH4HCO3、Na2CO3+NaH2PO4、Na2CO3+HCl 和NaNO2+NH4Cl 體系在60 ℃和1 個大氣壓條件下的生氣效率見表1。其中CO（NH2）2+NaNO2的生氣效率能達到57.1%，且為CO2和N2的混合氣體，兩者的比例接近于1∶2，其中CO2有促進原油溶解降黏作用，而N2屬于惰性氣體，能實現(xiàn)很好的增壓作用，且對施工管柱的腐蝕性較小，因此選用該體系為生氣體系。

表1 自生氣體系生氣效率匯總表

2.2 自生氣體系生氣規(guī)律研究

氯化銨與亞硝酸鹽反應(yīng)體系：

亞硝酸鈉與尿素反應(yīng)體系：

由計算可知，兩種生氣體系均屬于放熱體系。

2.2.1 亞硝酸鈉用量對生氣量的影響 當(dāng)固定15%鹽酸用量為6 mL、尿素用量為5.0%、溫度為20 ℃時，考察了亞硝酸鈉用量對體系生氣量的影響（圖1）。由圖1可知，隨著亞硝酸鈉用量的增加體系的生氣量逐漸增加，當(dāng)亞硝酸鈉用量達到4.6%時，體系的生氣量可以達到液體體積的15 倍以上。后續(xù)實驗采用4.6%的亞硝酸鈉作為生氣劑的主要成分。

圖1 亞硝酸鈉用量對體系生氣量的影響

2.2.2 尿素用量對生氣體系生氣量的影響 當(dāng)固定15%鹽酸用量為6 mL、亞硝酸鈉用量為4.6%、溫度為20 ℃時，考察了尿素用量對體系生氣量的影響（圖2）。由圖2 可知，隨著尿素用量的增加體系的生氣量逐漸增加，當(dāng)尿素用量達到3.6%時，體系的生氣量可以達到液體體積的15 倍以上。后續(xù)實驗采用3.6%的尿素作為生氣劑的主要成分。

圖2 尿素用量對體系生氣量的影響

2.2.3 催化劑用量對生氣體系生氣量的影響 當(dāng)固定亞硝酸鈉用量為4.6%、尿素用量為3.6%、溫度為20 ℃時，考察了15%鹽酸用量對體系生氣量的影響（圖3）。由圖3 可知，隨著鹽酸用量的增加體系的生氣量逐漸增加，當(dāng)鹽酸用量達到6 mL 時，體系的生氣量可以達到液體體積的15 倍以上。后續(xù)實驗采用6 mL 15%鹽酸作為催化劑。

圖3 鹽酸用量對體系生氣量的影響

2.2.4 亞硝酸鈉對生氣體系生氣量的影響 當(dāng)固定尿素用量為3.6%、溫度為20 ℃、6 mL 15%鹽酸時，進一步考察亞硝酸鈉用量對體系生氣量的影響（圖4）。由圖4 可知當(dāng)亞硝酸鈉用量為4.5%時體系的生氣量可以達到液體體積的15 倍以上。后續(xù)實驗采用4.5% 的亞硝酸鈉體系。

圖4 亞硝酸鈉用量對體系生氣量的影響

2.2.5 生氣體系產(chǎn)氣速度 當(dāng)固定尿素用量為3.6%、4.5%的亞硝酸鈉、溫度為20 ℃、6 mL 15%鹽酸時，考察了體系的產(chǎn)氣速度（圖5），由圖5 可知，在30 s 內(nèi)體系能產(chǎn)生75%左右的氣體，5 min 內(nèi)產(chǎn)氣反應(yīng)基本停止，說明體系能夠?qū)崿F(xiàn)快速增壓。

圖5 反應(yīng)時間與生氣量關(guān)系

2.2.6 生氣體系升溫情況 當(dāng)固定尿素用量為3.6%、4.5%的亞硝酸鈉、溫度為20 ℃、6 mL 15%鹽酸時，考察了體系的升溫情況（圖6），由圖6 可知，體系能夠使自身的液體溫度升高36 ℃，且在30 s 內(nèi)體系升高33 ℃。1 min 內(nèi)達到最高的47 ℃，說明體系能夠?qū)崿F(xiàn)快速升溫。

圖6 體系升溫情況

2.3 自生氣泡沫壓裂液優(yōu)選

2.3.1 稠化劑用量對壓裂液黏度的影響（圖7）隨著稠化劑用量的增加，基液的黏度逐漸增大，但不溶物的量也在增加，當(dāng)稠化劑用量達到0.34%時，基液黏度達到21 mPa·s，根據(jù)壓裂液對基液黏度的要求，由實驗結(jié)果可知，選取基液黏度≥21 mPa·s 的最低稠化劑濃度為最優(yōu)濃度，因此后續(xù)實驗稠化劑用量為0.34%。

圖7 稠化劑用量對壓裂液黏度的影響

2.3.2 交聯(lián)劑用量對壓裂液黏度的影響（圖8）交聯(lián)劑對體系的成膠速度、熱穩(wěn)定性和剪切穩(wěn)定性以及對地層及填砂裂縫的滲透率都有很大的影響。壓裂液的交聯(lián)時間應(yīng)小于壓裂液流經(jīng)壓裂管柱的時間。由圖8可知，隨著交聯(lián)劑用量的增加，交聯(lián)時間逐漸縮短，交聯(lián)強度逐漸增加，當(dāng)交聯(lián)劑用量達到0.34%后，交聯(lián)強度均體現(xiàn)出可挑掛，因此根據(jù)時間、交聯(lián)強度和黏度的綜合分析，選用交聯(lián)劑用量為0.34%。

圖8 交聯(lián)劑用量對壓裂液黏度的影響

2.3.3 增效劑（起泡劑）用量對壓裂液黏度的影響（圖9）當(dāng)體系中僅加入0.34%稠化劑時，體系的黏度能達到基液黏度的要求21 mPa·s，當(dāng)進一步加入0.34%交聯(lián)劑后體系的黏度能達到30 mPa·s 以上，當(dāng)再加入起泡劑后體系的黏度能保持在24 mPa·s 以上，能滿足壓裂液的要求。

圖9 增效劑（起泡劑）用量對壓裂液黏度的影響

2.3.4 不同緩蝕劑用量下的腐蝕速率（表2）測定本實驗體系中所含鹽酸濃度緩蝕速率，15%鹽酸配制體積比為12%的鹽酸溶液110 mL。測定不同緩蝕劑用量在60 ℃下，反應(yīng)4 h 的靜態(tài)腐蝕速率。

表2 不同緩蝕劑用量下的腐蝕速率

2.3.5 20%鹽酸中不同緩蝕劑用量下的腐蝕速率（表3）測定20%鹽酸中不同緩蝕劑用量在60 ℃下，反應(yīng)4 h 的靜態(tài)腐蝕速率。評價指標參照行業(yè)標準SY/T 5405—2019。

表3 20%鹽酸中不同緩蝕劑用量下的腐蝕速率

2.3.6 自生氣泡沫壓裂液體系攜砂性能評價試驗 取100 mL 基液，20 mL 40 目陶粒，將陶粒加入到基液中攪拌均勻，加入0.34 mL 0.1∶20 的交聯(lián)劑，攪拌均勻后，倒入100 mL 量筒中。在10 ℃、25 ℃、40 ℃、60 ℃下沉砂，2 h 之內(nèi)均未沉降。

2.3.7 壓裂液性能實驗 按3.6%CO（NH2）2+4.5%NaNO2+0.35%酸性胍膠稠化劑+0.6%交聯(lián)劑+0.3%助排劑配成壓裂液，進行砂比為35%支撐劑靜態(tài)沉降實驗。

20～40 目的石英砂在24 h 內(nèi)未有明顯沉降，表明酸性胍膠體系+CO（NH2）2/NaNO2生氣后能實現(xiàn)很好的懸砂，且懸砂比例可以達到35%。

2.3.8 泡沫半衰期 按3.6%CO（NH2）2+4.5%NaNO2+0.35%酸性胍膠稠化劑+0.6%交聯(lián)劑+0.3%助排劑+6%催化劑（15%HCl）配成壓裂液，常壓條件下，在常溫和50 ℃下，測試泡沫體系的泡沫半衰期。

體系在室溫常壓下的泡沫半衰期達到10 h 以上，50 ℃常壓下的泡沫半衰期能達到200 min。

2.3.9 濾失測試 參照SY/T 5017—2016《水基壓裂液性能評價方法》，以天然巖心為過濾介質(zhì)，對體系基液進行靜態(tài)濾失測試。靜態(tài)濾失滿足行業(yè)標準：初始濾失≤5×10-2m3/m2，濾失系數(shù)≤1×10-3m/min1/2（表4）。

表4 壓裂液濾失實驗

2.3.10 巖心傷害實驗 參照SY/T 5017—2016《水基壓裂液性能評價方法》，測試基液體系對巖心基質(zhì)的傷害率。巖心基質(zhì)傷害率滿足行業(yè)標準≤30%（表5）。

表5 巖心傷害實驗

3 實施效果

在Y417 區(qū)塊開展試油井2 口，儲層特征延8、延9 油層組砂巖以細－中粒巖屑質(zhì)長石石英砂巖、長石質(zhì)石英砂巖為主，層內(nèi)發(fā)育水平層理和斜層理，沉積層序從底部含煤沉積開始，砂泥互層沉積，電阻呈現(xiàn)高峰狀，自然伽馬呈鋸齒狀，富含植物化石。平均孔隙度17.9%，滲透率132.2×10-3μm2，鑄體薄片分析顆粒主要粒徑為0.2～0.4 mm，最大粒徑2.0 mm，主要為次圓－次棱角狀，分選較好，接觸方式以點-線接觸為主，儲層為弱～無水敏、弱～無速敏、弱～無酸敏、弱鹽敏。

油藏類型為底水直接接觸，Y417-01 井設(shè)計加砂量為2.0 m3，施工排量為0.8 m3/min，砂比為10%，射孔段為2 191.4～2 192.4 m；試排產(chǎn)量為油22.9 t、水8.9 m3，投產(chǎn)初期日產(chǎn)液為5.4 m3、日產(chǎn)油為3.9 t，含水率為14.3%。

4 結(jié)論及建議

（1）針對一般泡沫壓裂液存在成本高、專用設(shè)備多、施工風(fēng)險高等缺點，研制出一種自生氣泡沫壓裂液。對該壓裂液性能的評價實驗結(jié)果表明，自生氣泡沫壓裂液具有濾失量小、攜砂性能好、助排能力強、對地層傷害小等特點，完全能滿足壓裂工藝的加砂、加速破膠返排和低傷害的要求，能廣泛應(yīng)用于低壓低滲、漏失及水敏性地層，是一種優(yōu)質(zhì)低傷害壓裂液體系，是國內(nèi)外壓裂液發(fā)展的一種趨勢。

（2）通過現(xiàn)場試驗，自生氣泡沫壓裂液具有較好的攜砂能力，同時現(xiàn)場返排率明顯提升，生產(chǎn)后含水率穩(wěn)定，具有較好的穩(wěn)產(chǎn)潛力。

（3）做好施工方案優(yōu)化、施工過程管控是提高實施效果的重要手段。