高詠梅，王維恒，夏巍巍，劉浩，張斌

（中國(guó)石化華東油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，江蘇南京210000）

隨著石油資源進(jìn)入深度開(kāi)采，頁(yè)巖氣成為能夠替代石油能源的最主要的非常規(guī)能源，為了更大限度地利用頁(yè)巖氣資源，目前國(guó)內(nèi)外大部分使用的是以滑溜水為壓裂液的大排量、大液量體積壓裂工藝[1-3]，即在水中加入降阻劑和助排劑等，充分溶脹使其達(dá)到一定的黏度。劉立宏、銀本才、王滿(mǎn)學(xué)等通過(guò)對(duì)速溶胍膠進(jìn)行表面改性，改善胍膠結(jié)構(gòu)，從而降低胍膠水化時(shí)間，在胍膠結(jié)構(gòu)改性方面取得了一些成果和認(rèn)識(shí)[4-7]，但國(guó)內(nèi)的研究大部分都是針對(duì)壓裂液一整套體系，而對(duì)增稠劑本身的研究相對(duì)較少[8-11]，國(guó)外對(duì)增稠劑本身的研究則相對(duì)比較成熟。常用的新型速溶胍膠主要以磺酸基、馬來(lái)酸酐等主要改性基團(tuán)進(jìn)行結(jié)構(gòu)改性[12-14]，即改變胍膠的鏈長(zhǎng)，使其能快速溶脹，達(dá)到減少水化時(shí)間的目的；合成基速溶胍膠，即通過(guò)對(duì)胍膠干粉進(jìn)行結(jié)構(gòu)改性，減少胍膠在水中的表面能從而減少水化時(shí)間，但由于相關(guān)產(chǎn)品制備工藝復(fù)雜，通常涉及化學(xué)合成及結(jié)構(gòu)改性，以及運(yùn)輸和后期維護(hù)成本較高，難以在國(guó)內(nèi)推廣和使用[15-18]。目前國(guó)內(nèi)胍膠壓裂是一種非連續(xù)壓裂技術(shù)，即先讓增稠劑水化完全后再壓裂作業(yè)，這一過(guò)程往往需要幾個(gè)小時(shí)，而罐內(nèi)會(huì)有余液殘留，既浪費(fèi)材料，又易造成環(huán)境污染。所以適用于連續(xù)壓裂的壓裂液材料研制成為目前具有經(jīng)濟(jì)效益和廣闊前景的研究方向[19-20]。

針對(duì)目前涪陵頁(yè)巖氣田平橋南區(qū)塊壓裂的現(xiàn)場(chǎng)情況和需求，對(duì)壓裂試劑和工藝進(jìn)行分析和優(yōu)化，通過(guò)預(yù)分散處理，研制出一種預(yù)分散速溶胍膠（PGW），能快速溶脹分散，減少水化時(shí)間，使膠液能在較短時(shí)間達(dá)到最大黏度，再通過(guò)連續(xù)混配設(shè)備直接進(jìn)行壓裂作業(yè)，減少材料浪費(fèi)和設(shè)備擱置的時(shí)間，形成了一套適用于頁(yè)巖氣水平井連續(xù)壓裂液的壓裂液體系。

1 預(yù)分散速溶胍膠（PGW）的研制

1.1 分散體系優(yōu)選

由于羥丙基胍膠分子鏈上的半乳糖和甘露糖成分可通過(guò)其羥基與水形成氫鍵，而使羥丙基胍膠溶于水，但由于高分子獨(dú)特的團(tuán)聚效應(yīng)和延時(shí)溶脹性使得胍膠干粉在分散體系中易團(tuán)聚、板結(jié)，導(dǎo)致水化時(shí)間變長(zhǎng)。通過(guò)將胍膠干粉進(jìn)行預(yù)分散，能保證胍膠在溶解過(guò)程中不易團(tuán)聚、板結(jié)，從而減少水化時(shí)間。

在室內(nèi)對(duì)各類(lèi)分散體系進(jìn)行了濃縮比和穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)方法是先測(cè)出不同分散體系的黏度，然后在相同體積的分散體系中不斷加入胍膠原粉，直至體系黏度過(guò)大無(wú)法攪拌，所得胍膠原粉與分散體系的質(zhì)量體積比即為濃縮比，最后放置不同時(shí)間，測(cè)出樣品上方液體析出體積，計(jì)算出上層液體析出率，從而能直觀得出樣品的穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 各類(lèi)分散體系的濃縮比和穩(wěn)定性對(duì)比Table 1 Comparison of concentration ratio and stability of various dispersion systems

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：4種醇類(lèi)靜置20 min后均開(kāi)始分層，7 d之后下層板結(jié)，表明這4種醇不適用于分散體系；10#白油和異構(gòu)烷烴濃縮比較高，但本身懸浮性能較差導(dǎo)致后期分層明顯，穩(wěn)定性較差；26#白油穩(wěn)定性較好，但是濃縮比較低；10#白油+異構(gòu)烷烴的體系濃縮比適中，但是黏度較低，后期易分層；26#白油+異構(gòu)烷烴的體系濃縮比、黏度均適中，穩(wěn)定性較好，滿(mǎn)足分散體系要求。

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)選取26#白油+異構(gòu)烷烴作為最終的分散體系配方，為了優(yōu)化其配方，在室內(nèi)對(duì)不同比例的分散體系進(jìn)行性能檢測(cè)，使其能同時(shí)兼顧高濃縮比、高穩(wěn)定性和良好的流動(dòng)性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 不同配比的分散體系性能對(duì)比Fig.1 Performance of disperse system with different proportion

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，異構(gòu)烷烴決定分散體系穩(wěn)定性，其含量越高，穩(wěn)定性越好，但流動(dòng)性逐漸變差；26#白油決定分散體系濃縮比上限，白油含量越高，濃縮比越大，但體系穩(wěn)定性會(huì)逐漸變差；結(jié)合實(shí)驗(yàn)預(yù)期目標(biāo)體系綜合黏度在150 mPa·s、濃縮比在50%左右，選取26#白油∶異構(gòu)烷烴=8.5∶1.5為最終分散體系配比。

1.2 表面活性劑優(yōu)選

由于不同相界面張力不同，隨著時(shí)間的推移會(huì)導(dǎo)致體系發(fā)生聚沉，從而穩(wěn)定性被破壞，實(shí)驗(yàn)表明表面活性劑的種類(lèi)和數(shù)量會(huì)直接影響膠粒尺寸大小、產(chǎn)品穩(wěn)定性。所以針對(duì)分散體系、不同濃縮比選擇合適的表面活性劑，能保證PGW的整體穩(wěn)定性及后期水溶液的穩(wěn)定性。室內(nèi)對(duì)各類(lèi)表面活性劑進(jìn)行了濃縮比和穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 各類(lèi)表面活性劑穩(wěn)定性對(duì)比Table 2 Stability comparison of various surfactant

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)，在相同加量下對(duì)其上層液體析出率檢測(cè)可以看出，其HLB值（親水親油值）對(duì)PGW的穩(wěn)定性有直接關(guān)系，HLB值越大，產(chǎn)品液體析出率越低，穩(wěn)定性越好，所以后期可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體需要的HLB值對(duì)表面活性劑配方進(jìn)行調(diào)整，根據(jù)平橋南區(qū)塊現(xiàn)場(chǎng)需要，選擇Twen-80為表面活性劑配方。

1.3 配制工藝研究

PGW的配制工藝包括加料順序、攪拌時(shí)間、攪拌強(qiáng)度。攪拌時(shí)間越長(zhǎng)，攪拌強(qiáng)度越大，越有利于胍膠干粉在分散體系中分散，使產(chǎn)品更穩(wěn)定；在室內(nèi)復(fù)配實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，不同的加料順序，產(chǎn)品的性能也有較大的差異（表3）。

由表3可知：不同的加料順序?qū)Ξa(chǎn)品的最終性能有直接影響，且通過(guò)2、4兩種加料順序表明表面活性劑不能放在兩種分散劑中間添加，可能是因?yàn)楸砻婊钚詣┯H油基團(tuán)會(huì)與第一個(gè)分散劑過(guò)度結(jié)合，導(dǎo)致表面活性劑被包裹成油珠，從而使分散體系形成微乳狀態(tài)，破壞其穩(wěn)定性；通過(guò)第3種加料順序表明胍膠干粉不能中途添加，因?yàn)榇藭r(shí)分散體系并未完全乳化均勻，當(dāng)黏度提升到一定程度后表面活性劑不能完全混合，達(dá)不到最終效果。所以最后的加料順序確定為白油→異構(gòu)烷烴→Twen-80→胍膠干粉。

表3 不同加料順序的對(duì)比Table 3 Comparison of different charging sequence

2 預(yù)分散胍膠（PGW）的性能評(píng)價(jià)

通過(guò)對(duì)PGW的水化時(shí)間、膠液黏度、抗溫抗剪切性能、交聯(lián)性能、破膠性能及殘?jiān)康燃夹g(shù)指標(biāo)進(jìn)行室內(nèi)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，使其具有良好的綜合性能，滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)壓裂要求。

2.1 水化時(shí)間評(píng)價(jià)

通過(guò)對(duì)0.6%PGW（濃縮比50%）和0.3%胍膠干粉的水化時(shí)間和黏度關(guān)系進(jìn)行室內(nèi)評(píng)價(jià)，保證其在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到規(guī)定黏度，使其能滿(mǎn)足連續(xù)/半連續(xù)壓裂的前提條件，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 PGW和胍膠干粉水化時(shí)間與黏度的關(guān)系Fig.2 Relationship between viscosity and dissolved time of PGW and guar gum powder

圖2表明，PGW在0.6%加量下，攪拌時(shí)間3 min時(shí)，在25℃、170 s-1剪切速率下，體系黏度達(dá)36 mPa·s，滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)使用條件，攪拌5 min后體系黏度達(dá)到39 mPa·s；而傳統(tǒng)胍膠干粉的黏度達(dá)到39 mPa·s，則需要20 min。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明PGW的水化時(shí)間短，體系增黏快，能滿(mǎn)足連續(xù)/半連續(xù)壓裂的條件。

2.2 交聯(lián)性能評(píng)價(jià)

為了保障壓裂液膠液的性能，現(xiàn)場(chǎng)通常會(huì)采用加入少量交聯(lián)劑(JL-1)，使其保持較高黏度，從而具有良好的攜砂能力，室內(nèi)對(duì)PGW進(jìn)行了交聯(lián)性能評(píng)價(jià)，測(cè)其交聯(lián)后的抗溫抗剪切性能（圖3、圖4），并和胍膠干粉的抗溫抗剪切性能（圖5）進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如下。

圖3 0.6%PGW（濃縮比50%）+0.3%JL-1的抗溫抗剪切性能Fig.3 Heat resistance and ability of shear resistance of 0.6%PGW（concentration ratio of 50%）+0.3%JL-1

圖4 0.6%PGW（濃縮比50%）+0.3%JL-1+0.02%NaOH的抗溫抗剪切性能Fig.4 Heat resistance and ability of shear resistance of 0.6%PGW（concentration ratio of 50%）+0.3%JL-1+0.02%NaOH

圖5 0.3%胍膠干粉+0.3%JL-1的抗溫抗剪切性能Fig.5 Heat resistance and ability of shear resistance of 0.3%guar gum powder+0.3%JL-1

實(shí)驗(yàn)表明，隨著溫度上升至90℃左右（藍(lán)線(xiàn)），各組分的黏度逐漸降低并穩(wěn)定（紅線(xiàn)）。胍膠干粉在90℃下剪切90 min后的黏度為48 mPa·s左右；PGW在同等條件下剪切120 min后的黏度達(dá)80 mPa·s左右，完全滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)使用要求；并且在添加0.02%NaOH作為溫度穩(wěn)定劑之后，產(chǎn)品黏度能達(dá)到240 mPa·s。結(jié)果表明PGW具有較好的交聯(lián)性能，并且可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，合理添加氫氧化鈉，以達(dá)到更高的抗溫性能要求。

2.3 破膠性能及殘?jiān)吭u(píng)價(jià)

為了保護(hù)環(huán)境和節(jié)約成本，往往會(huì)對(duì)交聯(lián)后的膠液進(jìn)行破膠，方便后續(xù)使用和處理，在室內(nèi)對(duì)交聯(lián)后的膠液加入0.02%的破膠劑（PJ-1）進(jìn)行破膠性能及殘?jiān)吭u(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 PGW和胍膠干粉的破膠性能、殘?jiān)繉?duì)比Table 4 Comparison of gel breaking property and residue content of PGW and guar gum powder

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，相較于胍膠干粉，PGW能較快速破膠，最終破膠后黏度為3 mPa·s，殘?jiān)繛?60 mg/L，總體上能達(dá)到膠液破膠性能要求，滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)使用。

2.4 破膠后返排液重復(fù)利用性能評(píng)價(jià)

壓裂現(xiàn)場(chǎng)水源比較難保障，所以為了保證水源充足和保護(hù)環(huán)境，破膠后的返排液需要用于再次配液重復(fù)利用，室內(nèi)進(jìn)行了破膠液再配液性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)，在破膠后液體中加入0.6%PGW（濃縮比50%），檢測(cè)其黏度隨時(shí)間的變化情況，并和清水所配膠液進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 破膠液和清水配制膠液性能對(duì)比Fig.6 Comparison of properties of gel fracturing fluid with gel breaking liquid and water

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，破膠液+0.6 %PGW（濃縮比50%）的黏度與清水+0.6%PGW（濃縮比50%）的黏度相差不大，體系黏度均在現(xiàn)場(chǎng)使用要求范圍內(nèi)，說(shuō)明PGW中的白油和異構(gòu)烷烴對(duì)膠液性能影響不大，但由于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)不存在其他離子和懸浮顆粒，而現(xiàn)場(chǎng)返排液的Ca2+、Mg2+、Cl-離子含量較高，并且會(huì)含有大量懸浮顆粒，所以在現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)要根據(jù)實(shí)際情況添加適量殺菌劑、絮凝劑等處理劑，保證膠液性能。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

為評(píng)價(jià)PGW的綜合性能，在涪陵頁(yè)巖氣田平橋南區(qū)塊的205平臺(tái)205-1HF井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)性能試驗(yàn)。使用現(xiàn)場(chǎng)處理后的壓裂返排水按照0.6%PGW的加量進(jìn)行配液，7 min達(dá)到最高黏度，最高黏度為39 mPa·s，滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)壓裂需求。該井一共壓裂試驗(yàn)16段，產(chǎn)品用量共10.32 t，配制膠液1 568 m3，平均黏度36 mPa·s，地層壓力70～80 MPa，攜砂性能良好，未出現(xiàn)沉砂、卡砂等異常情況，相較于同平臺(tái)井使用增稠劑的設(shè)計(jì)用量，實(shí)際使用量減少1.68 t，達(dá)到了降本增效的目的。

在平橋南地區(qū)202平臺(tái)202-2HF井和202-3HF井進(jìn)行了連續(xù)壓裂試驗(yàn)，壓裂進(jìn)度由原來(lái)平均每天壓裂2段提升至每天平均壓裂3～4段。目前涪陵頁(yè)巖氣區(qū)塊共對(duì)12口井使用了速溶胍膠，一共用量176 t，膠液配量29 200 m3，綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見(jiàn)表5。

表5 綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比Table 5 Comparison of comprehensive economic indicators

由表5可知，相較于之前使用的傳統(tǒng)胍膠干粉壓裂液，速溶胍膠PGW壓裂液的壓裂周期縮短了33.3%以上，當(dāng)量平均價(jià)格148元/m3，相較于之前胍膠干粉配成膠液價(jià)格（220元/m3）降低了32.7 %左右，節(jié)約壓裂成本約221×104元，壓裂成功率達(dá)100%，實(shí)現(xiàn)了降本增效的目的。

4 結(jié)論

1）速溶胍膠（PGW）穩(wěn)定性好（30 d無(wú)明顯分層）、濃縮比高（大于50%）、水化時(shí)間短（5 min達(dá)到黏度）、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、交聯(lián)性能及破膠性能良好，具有較好的綜合性能，為今后連續(xù)/半連續(xù)壓裂提供了技術(shù)支撐。

2）膠液破膠后的破膠液配制的膠液性能良好，說(shuō)明異構(gòu)烷烴和白油對(duì)破膠后的液體性能沒(méi)有不良影響，可用于再次配液。

3）速溶胍膠（PGW）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況良好，實(shí)際黏度能滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)壓裂工藝要求，攜砂性能良好，縮短了壓裂周期，減少了增稠劑用量，膠液當(dāng)量?jī)r(jià)格下降了32.7 %左右，降低了壓裂成本，實(shí)現(xiàn)了降本增效的目的。