吳 瓊, 曹紅燕, 黃 敏, 段寶虹, 許鑫科, 張 亮

(1長江大學(xué)石油工程學(xué)院 2長慶油田分公司西安長慶化工集團(tuán)有限公司 渤海鉆探工程有限公司井下技術(shù)服務(wù)分公司 4中國石油青海油田分公司 5中國石油青海油田采油五廠 6青海油田采油二廠)

隨著全球常規(guī)能源開發(fā)難度的不斷加大，人們對(duì)于頁巖氣、致密氣以及煤層氣等非常規(guī)能源的研究越來越多[1-3]。近年來，我國加強(qiáng)了對(duì)頁巖氣的勘探開發(fā)研究，頁巖氣儲(chǔ)層屬于典型的低孔、低滲儲(chǔ)層，自然產(chǎn)能非常低，大多數(shù)頁巖氣井都需要采用水力壓裂等措施來提高產(chǎn)量[4-6]。

與常規(guī)砂巖儲(chǔ)層壓裂改造不同，頁巖氣儲(chǔ)層壓裂改造的目的主要是通過壓裂液進(jìn)入儲(chǔ)層來開啟天然裂縫，在地層中形成高度溝通的裂縫網(wǎng)絡(luò)，增大滲流面積[7-9]。所以頁巖儲(chǔ)層通常采用大排量的體積壓裂方式，減阻水壓裂液體系具有摩阻低、黏度低、對(duì)裂縫導(dǎo)流能力影響小等特點(diǎn)，能夠滿足體積壓裂施工對(duì)大排量的要求，從而成為此類儲(chǔ)層壓裂施工的首選[10-15]。但其攜砂能力較弱的特點(diǎn)限制了壓裂施工的加砂量，為滿足施工設(shè)計(jì)要求，通常需要加大壓裂液的用量，這就造成了一定的資源浪費(fèi)和環(huán)保問題。為此，筆者在調(diào)研分析了各類壓裂液體系的優(yōu)缺點(diǎn)和適應(yīng)性的基礎(chǔ)上[16-20]，針對(duì)傳統(tǒng)減阻水壓裂液攜砂能力低的特點(diǎn)，研制了新型低傷害清潔減阻水壓裂液體系，室內(nèi)對(duì)壓裂液體系的綜合性能展開了評(píng)價(jià)，并在現(xiàn)場進(jìn)行了試驗(yàn)。

通過大量室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，以新型聚合物類減阻劑GZJ-3為主要處理劑，構(gòu)建了一套適合頁巖儲(chǔ)層體積壓裂用的新型低傷害清潔減阻水壓裂液體系，具體配方為：0.15%減阻劑GZJ-3+0.1%輔助增稠劑FZJ-11+0.2%表面活性劑BSJ-1+1%KCl。

一、壓裂液體系性能評(píng)價(jià)

1. 抗溫抗剪切性能

室內(nèi)使用哈克RS-6000型流變儀對(duì)壓裂液體系的抗溫抗剪切性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)溫度為90℃，剪切速率為170 s-1，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1。

由圖1可以看出，新型低傷害清潔減阻水壓裂液體系在90℃下剪切100 min后，黏度仍能保持在20 mPa·s左右，說明壓裂液體系具有良好的抗溫抗剪切能力。

圖1 壓裂液體系抗溫抗剪切性能

2. 黏彈性能

壓裂液體系的黏度并不能完全反映其攜砂能力的強(qiáng)弱，還與其彈性結(jié)構(gòu)有關(guān)，可以用彈性模量G′和黏性模量G″的大小來表征壓裂液體系的黏彈性能。室內(nèi)使用MARS可視流變儀測定新型低傷害清潔減阻水壓裂液體系的黏彈性能，實(shí)驗(yàn)溫度設(shè)定為25℃，震蕩頻率設(shè)定為0.1～100 rad/s，見圖2。

圖2 壓裂液體系黏彈性能評(píng)價(jià)結(jié)果

由圖2看出，在震蕩頻率為0.1～100 rad/s時(shí)，壓裂液體系的彈性模量G′總是大于黏性模量G″。依據(jù)Hoffmann提出的判斷黏彈性流體的標(biāo)準(zhǔn)[21]：在震蕩頻率為0.1～10 rad/s，如果G′>G″，并且G′>10-1Pa，即認(rèn)為該溶液屬于黏彈性流體。以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說明該新型低傷害清潔減阻水壓裂液體系內(nèi)部具有穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，分子間作用力較為均衡，彈性略大于黏性，屬于黏彈性流體。

3. 攜砂性能

室內(nèi)參照標(biāo)準(zhǔn)SYT 5185-2008《礫石充填防砂水基攜砂液性能評(píng)價(jià)方法》，采用靜態(tài)落球沉降實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)了新型低傷害清潔減阻水壓裂液體系的攜砂性能，并與常規(guī)減阻水壓裂液體系進(jìn)行對(duì)比。具體評(píng)價(jià)方法為：準(zhǔn)確量取100 mL壓裂液于100 mL的量筒中，分別在25℃、60℃和90℃下記錄粒徑為20～40目的陶粒沉降至量筒底部所需的時(shí)間，進(jìn)而計(jì)算沉降速度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

由表1可以看出，在90℃下，陶粒在新型低傷害清潔減阻水壓裂液體系中的沉降速度為0.478 mm/s，而在常規(guī)減阻水壓裂液體系中的沉降速度為4.275 mm/s。這是由于清潔減阻水壓裂液中加入了輔助增稠劑FZJ-11，使體系具有一定的黏彈性能，從而提高了攜砂能力。

表1 壓裂液體系的攜砂性能

4. 摩阻性能

室內(nèi)使用管路摩阻測試系統(tǒng)測定了新型低傷害清潔減阻水壓裂液體系的摩阻性能，并與常規(guī)減阻水壓裂液體系進(jìn)行了對(duì)比。實(shí)驗(yàn)條件：管徑10 mm，流量0.5～3.0 m3/h，溫度25℃。減阻率對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3。

由圖3可以看出，隨著流量的不斷增大，壓裂液體系的減阻率逐漸增大，新型低傷害清潔減阻水壓裂液體系的減阻率明顯優(yōu)于常規(guī)減阻水壓裂液體系。當(dāng)流量為3.0 m3/h時(shí)，清潔減阻水壓裂液體系的減阻率能夠達(dá)到66.7%，可以滿足壓裂現(xiàn)場施工對(duì)低摩阻的要求。

圖3 摩阻性能評(píng)價(jià)結(jié)果

5. 防膨性能

室內(nèi)參照標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5971-2016 《油氣田壓裂酸化及注水用黏土穩(wěn)定劑性能評(píng)價(jià)方法》，使用膨潤土評(píng)價(jià)了新型低傷害清潔減阻水壓裂液體系的防膨性能，實(shí)驗(yàn)溫度為常溫，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 壓裂液體系防膨性能評(píng)價(jià)結(jié)果

由表2看出，新型清潔減阻水壓裂液體系的防膨率能夠達(dá)到90%以上，具有良好的防膨性能。

6. 破膠性能

為減少壓裂液在地層中的滯留時(shí)間，在壓裂施工完成后，應(yīng)快速將壓裂液從地層中排出，以減輕對(duì)地層的傷害。這就要求壓裂液體系能夠達(dá)到快速破膠，并且破膠液應(yīng)該具有黏度低、表面張力小以及殘?jiān)康偷奶攸c(diǎn)。室內(nèi)評(píng)價(jià)了破膠劑PJZ-2在不同溫度下對(duì)新型低傷害清潔減阻水壓裂液體系的破膠效果，破膠實(shí)驗(yàn)時(shí)間為60 min，結(jié)果見表3。

表3 壓裂液體系破膠性能評(píng)價(jià)結(jié)果

由表3看出，在25℃和90℃條件下，當(dāng)破膠劑PJZ-2加量為0.2%時(shí)，破膠液的黏度都能降低至2.0 mPa·s以下，達(dá)到完全破膠的效果，破膠液的表面張力在23 mN/m以下，殘?jiān)吭? mg/L左右。說明新型低傷害清潔減阻水壓裂液體系在加入破膠劑后達(dá)到快速破膠的效果，破膠液達(dá)到了低黏度、低表面張力以及低殘?jiān)康偷囊?，能夠很好地減輕對(duì)頁巖氣儲(chǔ)層的傷害。

7. 對(duì)巖心的傷害性能

頁巖儲(chǔ)層通常屬于低孔、低滲、致密儲(chǔ)層，因此要求壓裂液體系具有低傷害的特性，為此，室內(nèi)參照石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5107-2016《水基壓裂液性能評(píng)價(jià)方法》，使用多功能巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)裝置評(píng)價(jià)了新型低傷害清潔減阻水壓裂液體系對(duì)低滲人造巖心和頁巖儲(chǔ)層天然巖心基質(zhì)滲透率的損害情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 壓裂液對(duì)巖心的傷害實(shí)驗(yàn)

注:實(shí)驗(yàn)溫度為90℃，巖心長度為6.0 cm，直徑為2.5 cm。

由表4可以看出，新型低傷害清潔減阻水壓裂液體系對(duì)低滲人造巖心的基質(zhì)滲透率傷害率為5.62%，對(duì)儲(chǔ)層天然巖心的基質(zhì)滲透率傷害率為8.01%，表明壓裂液體系對(duì)儲(chǔ)層的傷害比較小，具有低傷害特性，能夠起到良好的儲(chǔ)層保護(hù)效果。

二、現(xiàn)場試驗(yàn)

新型低傷害清潔減阻水壓裂液體系在陸上某頁巖氣區(qū)塊進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用試驗(yàn)，其中B1井壓裂井段在2 790～2 920 m，地層溫度在90℃左右，壓裂注入方式采用?139.7 mm×7.72 mm套管注入。按照室內(nèi)研究的清潔減阻水壓裂液體系配方，現(xiàn)場配制壓裂液515 m3，壓裂用支撐劑陶粒的粒徑組合為20/40目和40/70目，共計(jì)加入支撐劑52 t，該井平均施工排量為10.5 m3/min，最高施工壓力為60.5 MPa，最大砂比為23.6%，平均砂比為16.1%，降阻率能夠達(dá)到71.2%。一次順利壓開地層，后續(xù)施工過程正常，各項(xiàng)施工參數(shù)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，極大提高了壓裂施工效率。

三、結(jié)論

(1)針對(duì)常規(guī)減阻水壓裂液體系攜砂能力較低，以新型聚合物類減阻劑GZJ-3為主要處理劑，再加入輔助增稠劑FZJ-11、表面活性劑BSJ-1和防膨劑KCl，形成了一套適合頁巖儲(chǔ)層的新型低傷害清潔減阻水壓裂液體系。

(2)新型低傷害清潔減阻水壓裂液體系具有良好的耐溫抗剪切性能、黏彈性能、攜砂性能、低摩阻性能、防膨性能以及破膠性能，并且對(duì)儲(chǔ)層巖心基質(zhì)滲透率的傷害較低，具有良好的儲(chǔ)層保護(hù)效果。

(3)現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明，B1井施工過程順利，新型低傷害清潔減阻水壓裂液體系具有良好的減阻性，并且平均施工排量和平均砂比均較高，能夠滿足頁巖儲(chǔ)層壓裂施工對(duì)加砂量和排液量的要求。