徐兵威

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低濃度瓜膠壓裂液體系評價(jià)及在大牛地氣田的應(yīng)用

徐兵威1，2

（1．中國石化華北油氣分公司，河南鄭州 450006；2．西南石油大學(xué)，四川成都 610500）

水力壓裂是大牛地氣田低孔低滲儲層開發(fā)的有效手段，壓裂液是壓裂工藝技術(shù)的重要組成部分，而目前0.45%HPG壓裂液殘?jiān)枯^高（300~700 mg/L），對儲層基質(zhì)和人工裂縫傷害大。通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)評價(jià)，優(yōu)選有機(jī)硼交聯(lián)劑HB-JLJ、高效助排劑HB-ZPJ以及生物酶破膠劑HB-PJJ，并結(jié)合常規(guī)黏土穩(wěn)定劑、殺菌劑和起泡劑等添加劑，形成一套適合90℃儲層溫度條件的低濃度瓜膠壓裂液體系。該壓裂液體系具有良好的交聯(lián)、攜砂和流變性能，破膠液殘?jiān)繛?73~202 mg/L，表面張力為22.2~22.6 mN/m，較現(xiàn)用0.45%HPG壓裂液對巖心傷害率降低19.96%。0.30%HPG壓裂液體系在D井現(xiàn)場應(yīng)用各項(xiàng)性能良好，增產(chǎn)效果顯著。

大牛地氣田；低濃度瓜膠壓裂液；性能評價(jià)

目前，國外壓裂液體系向地層傷害小、環(huán)境友好型的方向發(fā)展，同時(shí)不斷提高其耐溫抗剪切抗鹽性能，已形成適用于各種地層和環(huán)境的壓裂液體系，并得到了廣泛應(yīng)用[1–10]。國內(nèi)各油氣田低傷害壓裂液體系研究和應(yīng)用主要集中在黏彈性表面活性劑壓裂液[11]、合成聚合物壓裂液[12]和低濃度瓜膠壓裂液三個(gè)方面，其中低濃度瓜膠壓裂液在長慶、青海、西北、西南、延長等砂巖油氣藏[13–17]以及煤層氣儲層中均取得了較好的壓裂效果和經(jīng)濟(jì)效益[18]。

1 低濃度瓜膠壓裂液優(yōu)化研究

1.1 研究背景

大牛地氣田位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡北部東段，屬于大型致密低滲透巖性氣藏，縱向上發(fā)育多套氣層。經(jīng)過多年的勘探開發(fā)，累計(jì)提交探明儲量4 545×108m3，截至2016年底累計(jì)動用儲量3 520×108m3，動用程度達(dá)77.4%。剩余未動用儲量主要分布在盒1、山1和太2氣層，整體表現(xiàn)為氣層厚度變薄、儲層物性變差、分布區(qū)域零散的特征。以盒1層為例，未動用儲量分散在大牛地氣田8個(gè)開發(fā)區(qū)內(nèi)，氣層厚度為3.8 ~4.3 m，孔隙度7.5%~7.7%，滲透率（0.35 ~0.36）×10–3μm2。與氣田開發(fā)初期相比，儲層品味逐漸變差，未動用儲量的開發(fā)難度日益增加。

目前，大牛地氣田壓裂改造主要采用0.45%HPG（壓裂液體系）。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明，現(xiàn)用0.45%HPG壓裂液在不同破膠劑加量下，破膠液殘?jiān)繛?22~551 mg/L。研究表明[19]，儲層滲透率越低，破膠液殘?jiān)鼘踊|(zhì)的傷害越大，所以，對于孔滲性更為致密的剩余儲量區(qū)而言，開展低濃度瓜膠壓裂液體系的研究迫在眉睫。

1.2 低濃度瓜膠壓裂液體系研究

1.2.1 交聯(lián)劑優(yōu)選

針對大牛地氣田剩余儲量區(qū)塊儲層特征，低濃度瓜膠壓裂液體系的研究不僅要求壓裂液具有良好攜砂、耐溫和抗剪切性能，還需具有低殘?jiān)蛡?、低表界面張力、易返排等性能[20]。

隨著壓裂液體系中羥丙基瓜膠濃度降低，溶液中聚合物所提供的順式鄰位羥基交聯(lián)基團(tuán)也越少，空間間距越大，交聯(lián)性能也越差。斯倫貝謝Valerie Lafitte和貝克休斯公司Magnus Legemah以及張文勝[21]等人研究發(fā)現(xiàn)，增大有機(jī)硼交聯(lián)劑尺度和增加交聯(lián)劑分子的交聯(lián)位點(diǎn)，能夠大幅度提高交聯(lián)效率和交聯(lián)強(qiáng)度，在較低的交聯(lián)基團(tuán)溶液中形成穩(wěn)固的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

通過對15種不同交聯(lián)劑進(jìn)行室內(nèi)交聯(lián)綜合性能評價(jià)[20]，優(yōu)選出改性有機(jī)硼交聯(lián)劑HB–JLJ。該交聯(lián)劑通過有機(jī)配位體與硼原子的配位作用，使在溶液中顆粒粒徑較小的B(OH)4–離子體積大幅度增加，形成半徑為微米級的有機(jī)硼絡(luò)合物，并與羥基基團(tuán)發(fā)生交聯(lián)作用，形成高強(qiáng)度的化學(xué)鍵，從而提高交聯(lián)密度、交聯(lián)強(qiáng)度。

1.2.2 助排劑優(yōu)選

室內(nèi)壓汞實(shí)驗(yàn)表明，大牛地氣田盒1層基質(zhì)喉道半徑主要為0.01~1.0 μm，壓裂過程中壓裂液濾液進(jìn)入孔喉后，受毛細(xì)管阻力的影響，容易對地層孔隙喉道造成水鎖傷害。研究表明，對于高滲透率儲層，氣井中水鎖解除的速度較快；但對于低滲透儲層而言，毛管壓力隨著孔喉尺寸變小而增大[24]，使得壓后排液阻力增加而影響試氣效果。在壓裂液中加入助排劑來改善壓裂液的表面性質(zhì)，能夠有效降低氣/液表面張力，降低壓裂液濾液的毛細(xì)管阻力，提高壓后壓裂液的返排效率，減輕水鎖效應(yīng)。

室內(nèi)分別測試評價(jià)了23種助排劑的溶解性能、表界面張力、潤濕性[20]、環(huán)境適應(yīng)性及其與壓裂液的配伍性等，優(yōu)選出壓裂液高效助排劑HB–ZPJ。該助排劑不僅可以大幅度降低壓裂液的表界面張力（按照SY/T5370–1999方法測試：HB–ZPJ表面張力22.40 mN/m，界面張力0.91 mN/m），而且具有良好的水溶性、環(huán)境適應(yīng)性和壓裂液配伍性，在20 ℃~115 ℃、pH值7~12、礦化度不大于10×104mg/L的條件下具有良好的表界面性能。

1.2.3 破膠劑優(yōu)選

瓜膠及其衍生物類稠化劑都是由半乳糖與甘露糖組成的多聚糖，聚合形成凍膠后常用的破膠劑主要有氧化破膠劑、膠囊破膠劑和酶破膠劑，其中以過硫酸銨為代表的氧化破膠劑應(yīng)用最為廣泛，膠囊和氧化破膠劑成本偏高，而酶破膠劑是具有破膠時(shí)間可控、環(huán)境友好、無污染等特點(diǎn)。李靜武等對生物酶破膠劑研究表明，生物酶破膠后壓裂液對巖心傷害率明顯低于化學(xué)破膠劑；而王滿學(xué)等研究發(fā)現(xiàn)，生物酶破膠劑與APS復(fù)合作用對羥丙基瓜膠壓裂液破膠和降解作用更徹底。

通過實(shí)驗(yàn)評價(jià)8種破膠劑對壓裂液的破膠時(shí)間、破膠液黏度和殘?jiān)縖20]，優(yōu)選出生物酶HB-PJJ為壓裂液破膠劑，該破膠劑能夠高效分解壓裂液植物膠（瓜膠、田菁膠、魔芋膠及其衍生物等）結(jié)構(gòu)中的β-1,4-糖苷鍵，將聚合物降解為非還原性的單糖和二糖，解決傳統(tǒng)的瓜膠壓裂液體系破膠不徹底的問題。但是通過分析溫度對HB–PJJ活性的影響發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度升高到90 ℃~120 ℃后，HB–PJJ活性呈逐漸降低趨勢，需要與APS復(fù)配使用。HB–PJJ與APS復(fù)配后對壓裂液破膠和降解作用更優(yōu)，能夠?qū)崿F(xiàn)破膠時(shí)間可控、破膠后低殘?jiān)哪康摹?/p>

1.3 低濃度瓜膠壓裂液體系基本配方

針對大牛地氣田盒1層低孔低滲儲層特征，優(yōu)選出的強(qiáng)交聯(lián)劑HB–JLJ、高效助排劑HB–ZPJ和生物酶破膠劑HB–PJJ，結(jié)合常規(guī)黏土穩(wěn)定劑、殺菌劑、起泡劑和pH調(diào)節(jié)劑等添加劑，通過交叉實(shí)驗(yàn)優(yōu)化出適應(yīng)于90 ℃（盒1層溫度90 ℃）溫度條件下的低濃度瓜膠壓裂液配方。

基液配方：0.3%HPG＋0.05％殺菌劑＋1%KCl＋0.5%起泡劑+0.2%HB-ZPJ＋0.12%碳酸鈉。

交聯(lián)劑體系：HB–JLJ，交聯(lián)比100：0.2~0.3（交聯(lián)時(shí)間可調(diào)整交聯(lián)比微調(diào)）。

破膠劑體系：HB–PJJ，10~20 mg/L；APS，10~20 mg/L（復(fù)配體系，破膠時(shí)間可調(diào)整破膠體系微調(diào)）。

2 低濃度瓜膠壓裂液綜合性能評價(jià)

按照《SY/T5107–2005水基壓裂液性能評價(jià)方法》和《SY/T6376–2008壓裂液通用技術(shù)條件》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)評價(jià)了0.30%HPG壓裂液體系綜合性能。

2.1 交聯(lián)攜砂性能

2.1.1 交聯(lián)性能

0.30%HPG基液平均黏度為24.3 mPa·s，按照100∶0.3交聯(lián)比加入HB–JLJ，交聯(lián)時(shí)間為42~51 s；按照100∶0.2交聯(lián)比加入HB–JLJ，交聯(lián)時(shí)間為60~102 s；現(xiàn)場施工過程中可根據(jù)施工要求通過調(diào)整交聯(lián)比控制交聯(lián)時(shí)間?；航宦?lián)后凍膠黏度在210 mPa·s左右，韌性好、可挑掛。

另外，利用掃描電鏡分別觀察0.45%HPG常規(guī)硼交聯(lián)凍膠和0.30%HPG改性有機(jī)硼交聯(lián)凍膠，0.45%HPG凍膠交聯(lián)結(jié)構(gòu)較密集，但內(nèi)部瓜膠分子基本無致密的三維交叉網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，且交聯(lián)纏結(jié)點(diǎn)少，大部分為較規(guī)則的片狀分子鏈聚集體，根據(jù)電鏡圖比例可計(jì)算出該聚集體的大小為0.4~0.6 μm。而0.30%HPG交聯(lián)凍膠內(nèi)部瓜膠分子相互交疊形成較為致密的三維交叉網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，交聯(lián)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，凍膠交聯(lián)纏結(jié)點(diǎn)更多，平均單個(gè)交聯(lián)分子的大小為1.5~1.8 μm。由此推斷，0.30%HPG交聯(lián)壓裂液較0.45%常規(guī)硼交聯(lián)壓裂液具有更為優(yōu)良的攜砂和耐溫抗剪切性能。

2.1.2 攜砂性能

分別配制0.30%和0.45%的瓜膠基液，并加入砂比為35%（模擬實(shí)際施工砂比）的20/40目陶粒（密度1.65 g/cm3），并分別按照最優(yōu)交聯(lián)比加入改性有機(jī)硼HB–JLJ和常規(guī)硼交聯(lián)劑制成攜砂凍膠，置于90 ℃（模擬盒1層地層溫度環(huán)境）恒溫水浴中，分別觀察不同壓裂液體系的靜態(tài)懸砂情況。

0.45%HPG交聯(lián)壓裂液從3 min開始出現(xiàn)支撐劑分層沉降現(xiàn)象，8 min后1/3支撐劑沉降，15 min后支撐劑全部沉降。而0.30%HPG交聯(lián)壓裂液從4 min開始沉降，15 min后2/5支撐劑沉降，全部支撐劑沉降所需時(shí)間約25 min。同等實(shí)驗(yàn)條件下，0.30%HPG壓裂液較0.45%HPG壓裂液具有更優(yōu)良的攜砂性能，能夠滿足現(xiàn)場高砂比施工要求。

2.2 流變性能

壓裂液在施工過程中，同時(shí)受到機(jī)械剪切作用降解和溫度熱降解雙重作用。采用HAAKE MARSⅢ–J流變儀測試0.30%HPG壓裂液體系的流變性能（圖1）。由圖1可以看出，0.30%HPG壓裂液體系在100:0.3交聯(lián)比條件下，在90 ℃、170 s-1、連續(xù)剪切120 min后，黏度不小于140 mPa·s。可見，0.30%HPG壓裂液體系具有良好的耐溫抗剪切性能，能夠滿足現(xiàn)場施工要求。

圖1 0.30%HPG壓裂液流變曲線（交聯(lián)比：100∶0.3）

2.3 靜態(tài)濾失性能

濾失性能是關(guān)系壓裂液效率的關(guān)鍵指標(biāo)，間接影響人工裂縫的動態(tài)幾何尺寸，甚至可以決定施工的成功與否。采用GGS42–2A高溫高壓濾失儀，在90 ℃、3.5 MPa壓差條件下，測定0.30%HPG壓裂液靜態(tài)濾失參數(shù)（圖2）。在90 ℃條件下，0.30%HPG壓裂液初濾失量為0.72×10-3m3/m2，濾失速度為2.33×10-4m/min，濾失系數(shù)為1.40×10-3m/min1/2。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，0.30%HPG壓裂液由于無法形成有效的濾餅，導(dǎo)致其濾失系數(shù)相對較大。施工過程中可以添加降濾失劑或者伴注液氮工藝等降低壓裂液的濾失速率。液氮伴注不僅能夠?qū)崿F(xiàn)降濾失的作用，而且可以提高壓后破膠液的返排速率，降低儲層傷害。

圖2 0.30%HPG壓裂液靜態(tài)濾失性能

2.4 破膠液性能

90 ℃條件下，0.30%HPG凍膠（HB-JLJ交聯(lián)比100：0.3）在生物酶HB–PJJ（10 mg/L）和過氧化物APS（20 mg/L）共同作用下，120 min后徹底破膠水化，破膠液黏度小于5 mPa·s。壓裂液破膠時(shí)間主要受破膠劑加量的影響，對于水平井分段壓裂而言，可以通過調(diào)整各段破膠劑加量，控制各段壓裂液的破膠時(shí)間，實(shí)現(xiàn)同步破膠、同步返排的目的。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，0.30%HPG壓裂液破膠殘?jiān)繛?73~202 mg/L，表面張力為22.2~22.6 mN/m，界面張力小于1 mN/m。低殘?jiān)梢燥@著降低壓裂液對儲層基質(zhì)以及支撐裂縫的傷害，而低表界面張力能夠有效提高壓裂液的返排效率。

2.5 巖心傷害評價(jià)

現(xiàn)場選取同井段巖心2塊，分別測試其在束縛水飽和度下滲透率和不同壓裂液傷害后滲透率，評價(jià)不同壓裂液對巖心的傷害率。

實(shí)驗(yàn)表明，0.30%HPG壓裂液濾液對巖心傷害率為23.78%，較0.45%HPG壓裂液傷害率降低19.96%。若同時(shí)考慮壓裂液濾餅傷害（0.30%HPG壓裂液無法形成濾餅），分析認(rèn)為，0.30%HPG壓裂液對儲層基質(zhì)和支撐裂縫的綜合傷害率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于0.45%HPG壓裂液的綜合傷害率。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

D井為大牛地氣田下石盒子組盒1層一口開發(fā)水平井，采用三級井身結(jié)構(gòu)完井，完鉆井深3 565.0 m（垂深2 364.4 m），水平段長1 000 .0 m，砂巖段長1 000.0 m，具有全烴顯示的砂巖段長320.0 m，水平段加權(quán)全烴凈增值8.9%。根據(jù)水平井測錄井解釋和隨鉆伽馬成果以及地震反演剖面綜合分析，對D井實(shí)施九段壓裂改造，并開展0.30%HPG壓裂液現(xiàn)場試驗(yàn)。

D井施工排量4.5~4.7 m3/min，施工壓力32.9~39.6 MPa，最高砂比35%，平均砂比21.1%，施工過程中壓力平穩(wěn)，壓裂液交聯(lián)、攜砂及其他各項(xiàng)性能指標(biāo)良好。D井壓后放噴4 d即見氣，平均日產(chǎn)氣3.95×104m3，無阻流量10.84×104m3。與同區(qū)盒1層直井（共8口,平均無阻流量0.65×104m3）和同區(qū)地質(zhì)顯示相當(dāng)?shù)乃骄ü?0口，平均無阻流量7.17×104m3）相比，增產(chǎn)效果顯著。

4 結(jié)論

（1）優(yōu)化的0.30%壓裂液體系以改性有機(jī)硼交聯(lián)劑HB–JLJ、高效助排劑HB–ZPJ、生物酶破膠劑HB-PJJ和APS復(fù)合生化破膠體系為主要添加劑，不僅具有良好的耐溫抗剪切和攜砂性能，同時(shí)兼具破膠時(shí)間可控、低殘?jiān)蛡Α⒌捅斫缑鎻埩?、易返排等?yōu)勢，能滿足大牛地氣田安全施工和儲層保護(hù)需要。

（2）0.30%HPG壓裂液現(xiàn)場試驗(yàn)各項(xiàng)性能指標(biāo)良好，能夠滿足現(xiàn)場施工要求，試驗(yàn)井D井壓后無阻流量達(dá)10.84×104m3/d，分別達(dá)到同區(qū)同層位直井和同區(qū)同等地質(zhì)條件下水平井產(chǎn)量的16.7倍和1.5倍，增產(chǎn)效果顯著。

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155533，2012．

編輯：趙川喜

2017–10–20

徐兵威，工程師，1985年生，2011年畢業(yè)于西南石油大學(xué)油氣田開發(fā)專業(yè)，現(xiàn)從事油氣藏增產(chǎn)理論與技術(shù)研究工作。

國家重大科技專項(xiàng)“低豐度致密低滲油氣藏開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)”（2016ZX05048），中石化科技部項(xiàng)目群“鄂爾多斯盆地大中型氣田目標(biāo)評價(jià)與勘探關(guān)鍵技術(shù)”（P17009）。

1673–8217（2018）04–0112–04

TE357.4

A