王娜，王蕾，龔浩研，李軍，解亞鵬，李文洪

(1. 中國石油長慶油田分公司采氣二廠，陜西榆林 719000；2. 捷貝通石油技術(shù)集團(tuán)股份有限公司，北京 102299)

近年來，我國對油氣的需求量不斷升高。天然氣作為一種清潔化石能源，在一定程度上緩解了我國石油供應(yīng)的壓力，我國天然氣的消費(fèi)量增長較快。2018 年，我國進(jìn)口天然氣1 214 億m3，成為全球最大的天然氣進(jìn)口國，天然氣對外依存度由2017年的38.77%增至2018 年的45.3%，并且還會逐年增加[1-2]。隨著天然氣消費(fèi)量的不斷升高，除了常規(guī)天然氣資源外，低品位的非常規(guī)天然氣資源逐漸受到關(guān)注，我國的非常規(guī)天然氣可采資源量與常規(guī)天然氣可采資源量相當(dāng)，勘探開發(fā)潛力十分巨大。致密砂巖氣，也稱致密氣，是非常規(guī)天然氣的一種，目前國內(nèi)將致密氣定義為滲透率小于或等于1×10-4μm2的砂巖儲層中的天然氣。資料顯示，我國致密氣可采資源量超過9×1012m3[3]。與煤層氣和頁巖氣相比，我國致密氣開發(fā)進(jìn)度較快，我國致密氣已進(jìn)入規(guī)?；_發(fā)利用階段，目前我國致密氣年產(chǎn)約400 億m3，約占我國天然氣總產(chǎn)量的30%，產(chǎn)氣量僅次于常規(guī)氣。

我國鄂爾多斯盆地北部蘊(yùn)含有豐富的致密氣資源，水力壓裂是開發(fā)該類資源的主要手段之一[4-5]。加大該地區(qū)的致密氣勘探開發(fā)力度，低成本、高效地發(fā)展適用于致密氣儲層的壓裂改造新工藝、新技術(shù)是研究重點[6-7]。目前，致密氣水力壓裂大多采用的是線性膠壓裂液、交聯(lián)凍膠壓裂液及泡沫壓裂液體系等，其中，線性膠壓裂液、交聯(lián)凍膠壓裂液存在殘渣含量高、對地層傷害較大等缺點[8-9]，而泡沫壓裂液存在成本高、專業(yè)設(shè)備多及施工風(fēng)險高等缺點[10]。針對鄂北地區(qū)致密氣山西組山2 段的儲層地質(zhì)特征，按照“體積壓裂”，對傳統(tǒng)的致密氣儲層壓裂方式進(jìn)行改進(jìn)創(chuàng)新，提出了自交聯(lián)乳液混合水壓裂技術(shù)，并對制備的自交聯(lián)乳液進(jìn)行了性能評價。該技術(shù)在鄂北地區(qū)致密氣壓裂現(xiàn)場的6 口井得到了成功應(yīng)用，增產(chǎn)效果顯著，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

1 自交聯(lián)乳液混合水壓裂技術(shù)

1.1 目標(biāo)區(qū)增產(chǎn)改造技術(shù)現(xiàn)狀

鄂爾多斯盆地北部地區(qū)二疊系下二疊統(tǒng)山西組山2 段蘊(yùn)含豐富的致密氣資源，巖性主要為石英砂巖、巖屑石英砂巖及巖屑砂巖，以中-粗粒結(jié)構(gòu)為主，碎屑粒徑為0.3～1.0 mm。儲層物性相對較差，結(jié)構(gòu)和成分成熟度均較低，硅質(zhì)及鈣質(zhì)膠結(jié)作用較強(qiáng)，孔隙類型以次生溶孔和晶間孔為主，含有少量收縮孔和微裂縫[11]。

該儲層具有“低孔、低滲、低壓力系數(shù)、低豐度”的典型特征，在覆壓條件下，基質(zhì)滲透率小于0.1×10-3μm2的儲層占89%，具有典型的致密氣儲層特征[12]，該類氣藏必須依靠水力壓裂改造才能獲得工業(yè)產(chǎn)能。

羥丙基胍膠壓裂液是鄂北地區(qū)致密氣儲層最為常用的壓裂液體系，其成本相對較高、殘渣含量較大，容易引起致密儲層孔喉的堵塞以及人工裂縫導(dǎo)流能力的損害，該區(qū)塊儲層使用(w)0.45%胍膠壓裂液時，對支撐帶損害率達(dá)到45%以上[13]。羥丙基瓜膠分子量較大，會進(jìn)一步造成微細(xì)孔道的固相堵塞，從而降低天然氣的絕對滲透率。此外，羥丙基瓜膠壓裂液體系還會在致密砂巖氣藏引起嚴(yán)重的水鎖傷害，降低天然氣的相對滲透率。目前該區(qū)塊單井壓裂試氣產(chǎn)量整體偏低，采用常規(guī)壓裂工藝無法獲得儲層的最大產(chǎn)能。因此，開發(fā)新的“低傷害、高改造程度、高導(dǎo)流”的壓裂技術(shù)是提升目標(biāo)區(qū)壓裂產(chǎn)能的重要途徑之一。

1.2 常規(guī)混合水壓裂技術(shù)

混合水體積壓裂技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)是滑溜水體積壓裂技術(shù)?；锼w積壓裂技術(shù)最早是在頁巖氣開發(fā)中提出的，之后逐漸應(yīng)用于致密氣儲層開發(fā)，其技術(shù)原理是：在水力壓裂過程中，采用低黏度滑溜水，以“大液量、大排量”地注入地層，不斷開啟天然裂縫，并產(chǎn)生剪切滑移自支撐(見圖1)，形成天然裂縫與人工裂縫相互交錯的裂縫網(wǎng)絡(luò)(見圖2)，進(jìn)而縮短油氣從基質(zhì)向裂縫滲流的距離，實現(xiàn)對儲層的三維立體改造，提高壓裂產(chǎn)量[14]。

圖1 裂縫剪切滑移過程示意

由于滑溜水的黏度較低，支撐劑難以被攜帶進(jìn)入天然裂縫，導(dǎo)致儲層改造效果受限。近年來，研究者們提出了以“高低黏度液體組合、不同粒徑支撐劑組合、大排量、大規(guī)模壓裂”為主要特點的混合水壓裂技術(shù)，并在鄂爾多斯盆地致密油氣儲層中得到了應(yīng)用[15-16]?；旌纤畨毫鸭夹g(shù)主要采用滑溜水、線性膠和交聯(lián)液等不同類型的壓裂液進(jìn)行交替壓裂作業(yè)，相比于傳統(tǒng)的滑溜水體積壓裂，該技術(shù)一般在攜砂液階段采用黏度更高的膠液或凍膠來保證攜砂能力，同時采用不同粒徑的支撐劑組合，其中大粒徑支撐劑主要用于支撐縫口，小粒徑支撐劑用于支撐縫尖以及天然裂縫，進(jìn)而保證獲得更大的網(wǎng)絡(luò)裂縫導(dǎo)流能力。混合水壓裂主要分為4 種類型，即正向混合水壓裂、反向混合水壓裂、段塞式正向混合水壓裂以及段塞式反向混合水壓裂[17]?；旌纤畨毫训募夹g(shù)特點為“高低黏度液體組合、不同粒徑支撐劑組合、大排量、大規(guī)模壓裂”，能夠最大程度增大儲層改造體積(SRV)及有效支撐體積(EPV)[18]。

1.3 自交聯(lián)乳液混合水壓裂技術(shù)

常規(guī)混合水壓裂技術(shù)存在一些缺點，如壓裂配方較為復(fù)雜，產(chǎn)生的儲層傷害較大。自交聯(lián)乳液混合水壓裂技術(shù)是針對致密氣藏改造發(fā)展起來的一項技術(shù)，該技術(shù)與常規(guī)混合水壓裂技術(shù)的特點大體一致，施工流程相近，但是自交聯(lián)乳液混合水壓裂技術(shù)以自交聯(lián)乳液作為攜砂液，能夠?qū)w積裂縫產(chǎn)生有效支撐，還能大幅降低壓裂液產(chǎn)生的儲層傷害。自交聯(lián)乳液[19]由線型高彈性聚合物分子和納米材料相結(jié)合，分子量大幅降低，通過在同一個分子上接上不同的活性基團(tuán)，同時具有降阻、防膨、助排、殺菌等多種功能，簡化了壓裂液體系配方。自交聯(lián)乳液是由多種環(huán)保功能單體合成的，合成中不添加對環(huán)境有害的物質(zhì)，同時自交聯(lián)乳液是依靠聚合物分子間的多元締合形成穩(wěn)定的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，無需額外添加交聯(lián)劑，就可具有較好的攜砂能力。

自交聯(lián)乳液混合水可以使用現(xiàn)場水直接配液，現(xiàn)場只使用一種化學(xué)藥劑，通過濃度的調(diào)整實現(xiàn)高低黏液體的轉(zhuǎn)換。與常規(guī)壓裂液體系相比，自交聯(lián)乳液混合水具有以下優(yōu)點：①一劑多效。具有降阻、增黏、助排、防膨、殺菌等多種功效。②速溶性更好。③攜砂性能更好。由于體系為乳液型，體系在水中可自交聯(lián)形成穩(wěn)定的黏彈性空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。④清潔環(huán)保低傷害。采用無毒化學(xué)物質(zhì)合成，清潔安全環(huán)保，無生物毒性，對環(huán)境友好。體系易破膠，破膠后無殘渣、無重金屬成分，對儲層傷害小。⑤耐高溫性能好。使用溫度最高可達(dá)160 ℃。⑥降阻性能好。降阻率可達(dá)75%以上。⑦配液簡單。單一組分，用量少，現(xiàn)場配液簡單，使用方便。⑧成本低：混合水壓裂比常規(guī)凍膠壓裂成本可降低40%～60%。

2 自交聯(lián)乳液的制備與性能評價

2.1 自交聯(lián)乳液制備方法

自交聯(lián)乳液的合成配方主要采用內(nèi)向相和外相結(jié)合進(jìn)行乳液聚合，內(nèi)向選擇水為溶劑，各單體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(5%～8%)，氫氧化鉀(1%～2%)，甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨(15%～20%)；選擇碳酸甘油酯為外相溶劑，各單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：碳酸甘油酯(35%～45%)、丙烯酸(10%～16%)、全氟丙烯酸聚氧乙烯酯(3%～5%)。

合成步驟為：①將甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、氫氧化鉀、水配制成混合物作為內(nèi)相；②將丙烯酸、全氟丙烯酸聚氧乙烯酯、碳酸甘油酯混合配成混合物作為外相；③將外相和內(nèi)相混合配成基液；④利用引發(fā)劑進(jìn)行催化反應(yīng)，在30 ℃下反應(yīng)24 h，最終得到自交聯(lián)乳液產(chǎn)品。

2.2 自交聯(lián)乳液性能評價

2.2.1 紅外光譜特征

對自交聯(lián)乳液進(jìn)行了紅外光譜分析以確定聚合物上的官能團(tuán)的特征吸收峰，結(jié)果見圖3。

圖3 自交聯(lián)乳液紅外光譜

由圖3 可見：3 450 cm-1處寬而強(qiáng)的吸收峰是酰胺基團(tuán)(—NH2)的特征吸收峰，2 930 cm-1處尖而狹窄的吸收峰是高分子主鏈上C—H 的伸縮振動吸收峰，1 750 cm-1處的吸收峰是碳酸甘油酯中酯基的彎曲振動吸收峰，1 700 cm-1處的吸收峰是酰胺基團(tuán)的伸縮振動吸收峰，1 450 cm-1處是自交聯(lián)乳液上—CH3的彎曲振動吸收峰，1 307 cm-1和1 035 cm-1處是側(cè)鏈上羧酸的吸收峰。綜上，自交聯(lián)乳液上具有各聚合單體的所有特征吸收峰，表明多功能自交聯(lián)乳液的合成較為成功。

2.2.2 溶解性能評價

考察了自交聯(lián)乳液(w，0.1%，下同)在清水中的溶解時間對體系黏度的影響，結(jié)果見圖4。

圖4 自交聯(lián)乳液在清水中的溶解時間對體系黏度的影響

由圖4 可見：在清水中加入(w)0.1%的自交聯(lián)乳液，20 s 后體系的黏度可維持在1.5 mPa·s 左右，溶液均勻無沉淀及絮凝物出現(xiàn)，表明自交聯(lián)乳液能夠快速充分溶解。因此，在現(xiàn)場施工配液過程中，自交聯(lián)乳液只需在配液水中循環(huán)即可，無需額外增加攪拌增溶設(shè)備，可大大縮短壓裂施工周期和成本。

2.2.3 降阻性能評價

由于酰胺基團(tuán)易溶于水且能形成黏彈性溶液，因此自交聯(lián)乳液具有較優(yōu)的降阻性能。此外，自交聯(lián)乳液中還引入了耐剪切的AHN 單體，同樣可提高自交聯(lián)乳液的抗剪切能力。按照SY/T 5107—2005《水基壓裂液性能評價方法》，采用管路摩阻測試系統(tǒng)考察了不同剪切速率下清水及自交聯(lián)乳液通過管路時的摩阻，并對其在不同剪切速率下的降阻率進(jìn)行計算，結(jié)果見圖5。

圖5 自交聯(lián)乳液混合水降阻性能曲線

由圖5 可見：自交聯(lián)乳液在剪切速率為5 000 s-1條件下的降阻率高達(dá)78.6%。

考察自交聯(lián)乳液在不同溫度條件下的降阻率，結(jié)果見圖6。

由圖6 可見：隨著溫度的升高，該體系的降阻率幾乎不改變，且在160 ℃以上的高溫條件下仍具有較好的降阻性能。

圖6 溫度對降阻率的影響

2.2.4 防膨性能評價

山2 段致密砂巖儲層黏土含量較多，且含有大量的伊蒙混層，壓裂液進(jìn)入儲層后極容易引起黏土水化膨脹、分散和運(yùn)移，從而堵塞通道并降低天然氣的流動能力[20]。按照SY/T 5971—2016《油氣田壓裂酸化及注水用黏土穩(wěn)定劑性能評價方法》進(jìn)行了防膨能力試驗，分別測定了自交聯(lián)乳液和油田常用防膨劑KCl 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)對防膨率的影響，結(jié)果見圖7。

圖7 自交聯(lián)乳液和防膨劑KCl的防膨性能對比

由圖7 可見：當(dāng)自交聯(lián)乳液加量為(w)0.1%時，其對黏土的防膨率已高達(dá)92.3%，而KCl 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時的防膨率僅為67.5%，表明自交聯(lián)乳液的防膨性能遠(yuǎn)優(yōu)于KCl，可滿足工程要求。這主要是由于自交聯(lián)乳液含有吸附性官能團(tuán)羥基和酰胺基團(tuán)，可以取代水而強(qiáng)烈吸附于黏土表面，達(dá)到隔離水和黏土的目的。同時，自交聯(lián)乳液溶于水后的體系會有一定的黏度，可以控制水活度，進(jìn)而促使水流出黏土晶層間。此外，自交聯(lián)乳液粒度較小，可進(jìn)入到黏土晶層間壓縮黏土擴(kuò)散雙電層，使得黏土聚集沉降。上述3個原因的協(xié)同作用使得自交聯(lián)乳液具有較優(yōu)的防膨性能。

2.2.5 殘渣含量測定

殘渣是壓裂液破膠后殘存的不溶物質(zhì)，該不溶物可能在儲層表面形成致密濾餅并對儲層滲透率造成一定傷害，還可能充填與支撐裂縫帶造成導(dǎo)流能力的損失。按照SY/T 5107—2005《水基壓裂液性能評價方法》測定了自交聯(lián)乳液破膠后的殘渣含量。結(jié)果表明：當(dāng)試驗溫度為90 ℃時，(w)0.1%的自交聯(lián)乳液的殘渣質(zhì)量濃度僅為19 mg/L，符合行業(yè)規(guī)定(小于500 mg/L)，且遠(yuǎn)低于目前主要使用的羥丙基瓜膠壓裂液的殘渣含量，大幅降低了壓裂液導(dǎo)致的固相傷害。

2.2.6 攜砂性能評價

按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5108—2006《壓裂支撐劑性能指標(biāo)及測試推薦方法》的方法對壓裂砂沉降速率進(jìn)行測定[21]。首先采用標(biāo)準(zhǔn)篩組合進(jìn)行篩分，得到符合粒徑規(guī)格的支撐劑。在100 mL 量筒中加入50 mL 的壓裂液，在水浴鍋中恒溫至90 ℃，加入0.5 g 支撐劑，使用秒表測定支撐劑的沉降速率，完成3 次平行試驗，取其平均值作為最終結(jié)果。自交聯(lián)乳液混合水和羥丙基瓜膠壓裂液的支撐劑沉降速率測定結(jié)果見表1。

表1 自交聯(lián)乳液和羥丙基瓜膠壓裂液的支撐劑沉降速率測定結(jié)果

由表1 可見：在90 ℃條件下，40 mPa·s 的自交聯(lián)乳液混合水的懸砂能力與400 mPa·s的羥丙基胍膠壓裂液的懸砂能力相當(dāng)，表明自交聯(lián)乳液體系具有較優(yōu)的攜砂性能，可完全滿足壓裂施工需求。

3 自交聯(lián)乳液混合水現(xiàn)場應(yīng)用分析

3.1 應(yīng)用情況

自交聯(lián)乳液混合水壓裂技術(shù)已在鄂爾多斯盆地北部致密氣壓裂現(xiàn)場成功應(yīng)用6 井次，與常規(guī)胍膠壓裂工藝的應(yīng)用情況對比見表2。

表2 自交聯(lián)乳液混合水與常規(guī)胍膠壓裂工藝的應(yīng)用情況對比

由表2 可見：自交聯(lián)乳液混合水的溶解速率較快，配制的壓裂液體系較為均勻且無沉淀和絮凝物出現(xiàn)，施工壓力較低，降阻效果明顯。壓裂后平均井口油壓15.6 MPa，平均無阻流量11.8 萬m3/d。與常規(guī)羥丙基瓜膠壓裂液的應(yīng)用效果相比，在同等地層條件下，使用自交聯(lián)乳液混合水的措施井無阻流量提高了25.5%，井口油壓提高了4.2 MPa，表明自交聯(lián)乳液混合水壓裂技術(shù)在鄂北地區(qū)致密氣儲層具有較好的適用性。

3.2 典型井改造案例

3.2.1 壓裂改造思路

DK-XX 井是鄂爾多斯盆地北部山西組山2 段致密氣儲層部署的一口水平井，水平段長1 200 m，水平井筒方向與最大水平主應(yīng)力方向呈88°，砂巖鉆遇率達(dá)到82.9%，平均全烴含量(w)為58.9%。目的層砂體厚度為11.4 m，氣層厚度為8.3 m，上部盒1-1 層發(fā)育6～24 m 的泥巖隔層，下部山2-1層發(fā)育20 m 的泥巖隔層，形成了較好的隔層遮擋作用。鄰井在山2-2 層的壓裂無阻流量為1.5～3.7萬m3/d。

根據(jù)DK-XX 井的地層特征，考慮采用自交聯(lián)乳液混合水壓裂工藝，以增大儲層改造體積及有效支撐體積，提高單井產(chǎn)能，進(jìn)而實現(xiàn)該區(qū)山2-2 層的突破。改造方案為：①采用低黏度前置滑溜水，前置液比例(w)提高至40%～45%；②為保證施工順利，適當(dāng)控制砂比，結(jié)合前期施工經(jīng)驗，平均砂比控制在21%～23%，最高砂比控制在35%以內(nèi)；③實行壓裂液用量差異化設(shè)計，對儲層物性好的厚層適當(dāng)加大規(guī)模，對物性差的薄層適當(dāng)控制規(guī)模；④施工排量在前置液階段設(shè)計為10 m3/min，攜砂液階段為8 m3/min；⑤為增大改造體積，對于單簇大厚層段，在中后期采用縫內(nèi)轉(zhuǎn)向工藝來造復(fù)雜縫網(wǎng)；⑥為保證大部分射孔孔眼能夠有效進(jìn)液，采用縫口暫堵劑來促使壓裂液轉(zhuǎn)向，增大儲層改造程度[22]。

3.2.2 壓裂改造效果

該井分13 級25 簇采用可溶橋塞分段壓裂工藝，根據(jù)油氣顯示情況，兩橋塞間射孔分為單簇、兩簇及三簇射孔。平均單簇加砂量為25 m3，全井完成加砂701.6 m3，使用低黏壓裂液1 844 m3，高黏壓裂液4 871 m3。壓后無阻流量達(dá)到12.8 萬m3/d，產(chǎn)氣效果遠(yuǎn)優(yōu)于周圍鄰井?？梢钥闯?，自交聯(lián)乳液混合水壓裂技術(shù)是鄂爾多斯盆地北部致密氣儲層改造的一種有效手段，具有較大的應(yīng)用推廣價值。

4 結(jié)論

1)鄂爾多斯盆地北部山西組儲層具有“低孔、低滲、低壓力系數(shù)、低豐度”的典型特征，采用常規(guī)瓜膠壓裂液體系難以獲得理想的壓裂產(chǎn)能。自交聯(lián)乳液混合水壓裂技術(shù)是針對致密氣藏改造開發(fā)的一項新技術(shù)，主要采用滑溜水、自交聯(lián)乳液等不同類型壓裂液進(jìn)行交替壓裂作業(yè)，該技術(shù)采用不同粒徑縫支撐劑組合、大排量、大規(guī)模壓裂，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對裂縫網(wǎng)絡(luò)的有效支撐，還能大幅減小壓裂液傷害。

2)將線型高彈性聚合物分子和納米材料結(jié)合，開發(fā)了一種低分子多功能自交聯(lián)乳液，介紹了其合成方法，并進(jìn)行了性能評價，試驗結(jié)果表明：該體系具有良好的溶解性、降阻性、防膨性及攜砂性，殘渣含量遠(yuǎn)低于目前常用的羥丙基瓜膠壓裂液，且成本更低、無環(huán)境污染、施工較方便。

3)自交聯(lián)乳液混合水壓裂技術(shù)已在鄂爾多斯盆地北部致密氣儲層成功應(yīng)用6 井次，壓裂后平均井口油壓達(dá)到15.6 MPa，平均無阻流量達(dá)到11.8萬m3/d ，產(chǎn)氣效果優(yōu)于同區(qū)塊采用常規(guī)羥丙基瓜膠壓裂液的氣井。自交聯(lián)乳液混合水壓裂技術(shù)在DK-XX 井的應(yīng)用結(jié)果表明該技術(shù)在鄂北致密氣儲層壓裂改造具有廣闊的應(yīng)用前景。