王改紅, 高 燕, 劉國良

(中國石油川慶鉆探工程有限公司長慶井下技術(shù)作業(yè)公司)

鄂爾多斯盆地榆林地區(qū)分布有豐富的煤礦及天然氣資源，伴隨著煤資源的有效開發(fā)，大量的煤礦井水也隨之排出地面，處理后礦井水色度、濁度有明顯改善，pH值一般在6～8，但礦化度、硬度及硫酸根含量較高，且含Al3+、Fe2+、Fe3+等高價金屬離子，造成其僅能用于景觀用水、消防灑水、鍋爐循環(huán)冷卻用水等[1-5]；與此同時，該地區(qū)分布有開采量可觀的榆林及長北氣田，由于其典型的“三低”特征，該氣田的有效開發(fā)必須經(jīng)過壓裂改造，而配制壓裂液需要大量的水資源；因此，如果能將該地區(qū)豐富的煤礦井水資源作為該地區(qū)氣田壓裂用水，將對緩解榆林/長北氣田水資源供需矛盾、治理煤礦區(qū)環(huán)境傷害、促進企業(yè)清潔化、經(jīng)濟化生產(chǎn)具有非常重要的意義。

一、實驗部分

1. 實驗材料及儀器

表面活性劑增稠劑XYC-7，自制；調(diào)節(jié)劑XYTJ-5，自制；煤油，工業(yè)品。

RS6000流變儀，德國HAAKE 公司；K100張力儀，德國Kruss公司；高速攪拌器，美國CHANDLER公司，ZNN-D6旋轉(zhuǎn)黏度計，青島海通達公司。

2. 實驗方法

(1)水質(zhì)特征分析。滴定法。

(2)增稠性能測試。把設計濃度的稠化劑XYC-7溶于煤礦處理水中，用高速攪拌器進行攪拌的同時，加入調(diào)節(jié)劑XYTJ-5，測定不同時間下的壓裂液黏度。

(3)耐溫耐剪切性能測試。采用HAAKE流變儀，測試該體系在110℃下剪切60 min后的黏度獲得耐溫耐剪切性能曲線。

(4)黏彈性能測試。采用HAAKE流變儀，進行頻率掃描，得到黏彈性能測試曲線。

(5)表面張力性能測試。采用K100張力儀，測試室溫下破膠液清液的表面張力。

二、結(jié)果和討論

1.煤礦處理水的水質(zhì)特征分析

外觀無色、無味、無沉淀，pH值6.5，離子含量見表1。

由表1數(shù)據(jù)可知，該處理水總硬度596 mg/L，礦化度4 420 mg/L，高價金屬離子及含鹽量較高，超出了常規(guī)壓裂液的耐受范圍[6-9]。

表1 處理水的水質(zhì)特征分析(滴定法)

2.煤礦處理水配常規(guī)壓裂液性能分析

關(guān)于處理水、返排液及鹽水對配液性能的影響，劉素華[10]等在地層水壓裂液體系研究、返排廢液中無機鹽離子對壓裂液特性的影響中均指出，返排廢液中二價金屬鹽的水合作用會影響增稠劑羥丙基瓜爾膠高分子鏈的伸展、羥基硼生成速度降低等問題，導致壓裂液體系的黏度降低，抗剪切性能下降，因此，在其研究中建議將鈣鎂離子含量控制在10 000 mg/L以下，袁長忠等[7]在壓裂返排液水質(zhì)分析及無機鹽離子對壓裂液耐溫耐剪切性能影響做了深一步的實驗研究，并強調(diào)了胍膠壓裂液配液水中的鈣、鎂離子總量不應超過500 mg/L。

室內(nèi)采用該處理水配制0.4%胍膠壓裂液，檢測其耐溫能力為81.46℃，耐溫能力較清水配液降低40%以上，達不到施工要求。該實驗結(jié)果與上述文獻分析實驗結(jié)果相吻合，因此，若在該區(qū)塊采用胍膠壓裂液體系，則首要任務是再次對煤礦處理水進行降硬度處理，這將會造成工序繁瑣，且目前該區(qū)塊沒有可成熟推廣的水處理工藝，因此，需要研制一種新型壓裂液體系。

3.HSF-140體系構(gòu)成

HSF-140體系由稠化劑及調(diào)節(jié)劑構(gòu)成。該稠化劑XYC-7在鹽水中能夠快速形成疏水尾基在內(nèi)，親水頭基在外的蠕蟲狀膠束結(jié)構(gòu)。

4.HSF-140增稠性能

稠化劑XYC-7在該配液水中溶解速度快，加入0.2%調(diào)節(jié)劑XYTJ-5后10 s起黏，3 min后黏度不再變化，pH值4～5，形成具有黏彈性的HSF-140弱酸性表面活性劑壓裂液，且隨著稠化劑XYC-7濃度的增大，壓裂液表觀黏度逐步增大。

5.耐溫耐剪切性能

圖1 HSF-140壓裂液耐溫耐剪切曲線

體系的耐溫耐剪切性能測試曲線見圖1。由圖1數(shù)據(jù)可知，該壓裂液在110℃、170 s-1下剪切60 min后黏度為22.73 mPa·s，且隨著剪切時間的延長，黏度降低不明顯，表明該體系壓裂液抗剪切性能良好。

6.黏彈性能

采用震蕩剪切測量確定HSF-140體系的線性黏彈區(qū)，選取應力值為0.45 Pa進行0.1～10 Hz的頻率掃描，結(jié)果如圖2所示。

圖2 HSF-140壓裂液頻率掃描測試曲線

由圖2可以看出，隨著掃描頻率的增加，儲能模量始終高于耗能模量，且G′高于2 Pa、G＂高于0.5 Pa，表明體系黏彈性能良好。

7.破膠性能

常規(guī)清潔壓裂液遇地層油水破膠[11-12]，但實際施工中遇地層水含量低或干層時，導致清潔壓裂液破膠不徹底，無法有效返排。HSF-140壓裂液為弱酸性表面活性劑壓裂液，在施工泵注過程中該體系中的酸性物質(zhì)能夠消耗儲層巖心膠結(jié)物及填隙物中的碳酸鹽成分，實現(xiàn)破膠的同時可改善低滲儲層物性。室內(nèi)采用榆林氣田山2層巖心粉及工業(yè)煤油做破膠劑，模擬90℃儲層條件下該體系的破膠性能。90 min后體系黏度小于2 mPa·s，破膠徹底；且測試破膠液的表面張力為25.093 mN/m，表明在儲層條件下，該體系依然能夠徹底破膠并有效返排。

8.模擬返排液再配液耐溫能力

當壓裂液泵入地層后，大約有40%～70%的破膠液返出至地面，因此，若該體系的返排液能夠繼續(xù)回用，將更大程度的實現(xiàn)水資源的循環(huán)利用，室內(nèi)考察了模擬返排液添加少量稠化劑后再配液的耐溫能力。

模擬返排液配方：50%破膠液+10%CaCl2水溶液(77g/L)+40%煤礦處理水。

模擬返排液再配壓裂液配方：模擬返排液+2.5%XYC-7+0.1%XYTJ-5。

圖3 模擬返排液再配液耐溫能力測試曲線

由圖3測試曲線可知，在模擬返排液再配該壓裂液耐溫仍可達120.26℃，表明該體系具有循環(huán)再利用可行性及較好的抗鹽性。

三、現(xiàn)場試驗及推廣前景分析

該體系的液態(tài)稠化劑XYC-7、調(diào)節(jié)劑XYTJ-5與水混合后即可增黏攜砂，施工簡便，返排液除固體雜質(zhì)后即可循環(huán)再利用，圖4為該體系的現(xiàn)場施工流程圖。2017年該技術(shù)在長慶區(qū)域X96井試驗，選用井場沉降后洗井水及返排液配液150 m3，小樣測試黏度69 mPa·s，施工壓力平穩(wěn)，砂濃達320 kg/m3，施工順利。

圖4 HSF-140壓裂液現(xiàn)場施工流程示意圖

長慶油氣田為典型的“三低”氣藏，幾乎每口井都要進行壓裂改造才能達到工業(yè)氣流，每口井壓裂用水按500 m3計算，則該成果研究僅水費即可節(jié)省約5萬元/井，經(jīng)濟效益顯著。

四、結(jié)論

(1)新研制壓裂液具有良好的抗剪切、懸砂、耐溫及抗鹽性能。

(2)新研制壓裂液具有增稠快、可在線混配的特性。

(3)新研制壓裂液可采用煤礦處理水配液，有助于實現(xiàn)榆林地區(qū)煤礦及氣田的雙重清潔環(huán)保生產(chǎn)，降低工業(yè)投入，具有良好的推廣應用前景。