張 穎,周東魁,余維初,張鳳娟,董景鋒,王牧群,張 磊
(1.長江大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,湖北荊州 434000;2.中國石油新疆油田公司工程技術(shù)研究院,新疆克拉瑪依 834000;3.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)資源學(xué)院,湖北武漢 430000)
隨著中國探明石油地質(zhì)儲(chǔ)量中致密油藏所占比例大幅增加,尤其是十億噸級(jí)的瑪湖砂礫巖油藏的發(fā)現(xiàn),標(biāo)志著越來越多的致密油田將投入開發(fā)[1-2]。瑪湖1 井區(qū)百口泉組整體為向東南傾的單斜構(gòu)造,儲(chǔ)層孔隙度為5.1%~14.7%,滲透率0.027×10-3~82.4×10-3μm2,屬于典型的低孔低滲致密油儲(chǔ)層,無自然產(chǎn)能,均需要壓裂建產(chǎn)。針對(duì)致密油藏的高效開發(fā),大規(guī)模水力壓裂是非常有效的開發(fā)技術(shù)之一。壓裂液是壓裂施工的血液,其性能決定了壓裂的成敗,目前現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用最廣泛的是滑溜水壓裂液。水基壓裂液進(jìn)入地層后,易造成黏土礦物的水化膨脹和顆粒運(yùn)移,而對(duì)儲(chǔ)層造成無法修復(fù)的傷害,導(dǎo)致產(chǎn)能下降[3]。此外,壓裂液的殘?jiān)窟^高或壓裂液體系與地層流體不配伍會(huì)使壓裂液殘?jiān)蚬滔鄿粼诹芽p中,導(dǎo)致支撐劑孔道堵塞,降低導(dǎo)流能力[4]。傳統(tǒng)的壓裂理念及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)壓裂液的防膨性能有要求,需要添加黏土穩(wěn)定劑實(shí)現(xiàn),增加了壓裂成本和環(huán)境壓力。研究表明,黏土礦物主要包括高嶺石族、伊利石族、蒙脫石族等礦物,不同礦物的水化膨脹性不同。儲(chǔ)層中蒙脫石的含量決定了儲(chǔ)層的水化膨脹程度[5-8]。
瑪湖1井區(qū)百口泉組大規(guī)模水力壓裂面臨的難題主要為:(1)所用壓裂液減阻效果差、殘?jiān)扛摺⑷芙馑俣嚷?、?duì)儲(chǔ)層傷害大;(2)淡水資源匱乏,壓裂耗水量巨大,油田污水處理困難;(3)縫間剩余油分布,采收率有待提高。針對(duì)上述難題,本文以研發(fā)新型低傷害減阻劑為突破口,構(gòu)筑了高效減阻、速溶的低傷害滑溜水壓裂液,研究了目標(biāo)區(qū)塊水源和儲(chǔ)層巖石的黏土礦物含量對(duì)黏土在滑溜水中水化膨脹性能的影響,考察了滑溜水對(duì)瑪湖1 井區(qū)百口泉組天然巖心的傷害。
羥甲基苯乙烯、醋酸乙烯酯、丙烯酰胺、焦磷酸鈉、氯化亞錫(Ⅱ)二水合物,分析純,上海麥克林生化科技有限公司;聚乙烯基芐基三甲基氯化銨,自制;氯化鈉、硫酸銨、三水合亞甲基藍(lán)、過硫酸銨、亞硫酸氫鈉,分析純,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;多功能添加劑JHFD,聚醚類表面活性劑和雙子季銨鹽類黏土穩(wěn)定劑按質(zhì)量比1∶2復(fù)配,自制;現(xiàn)場(chǎng)滑溜水壓裂液,主要成分為減阻劑XJ-A(油包水聚丙烯酰胺類減阻劑)和助排劑XJ-B(氟碳類表面活性劑),取自新疆油田;1#~6#黏土的來源如表1所示;瑪湖1 井區(qū)天然巖心,層位T1b2,井段3294.6~3302.0 m;去離子水;地層水、返排水、凈化水-1、凈化水-2,均來自瑪湖1 井區(qū),水質(zhì)分析數(shù)據(jù)如表2 所示;2%、5%KCl溶液。
表1 黏土樣品信息
表2 瑪湖1井區(qū)不同水樣的離子含量
JHFR-2 高溫高壓頁巖氣井滑溜水減阻率測(cè)試儀、JHMD-II高溫高壓巖心動(dòng)態(tài)損害評(píng)價(jià)系統(tǒng),荊州現(xiàn)代石油科技發(fā)展有限公司;TX-500C 旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀,美國科諾工業(yè)有限公司;微量滴定管,比克曼生物科技有限公司;HH-2S 恒溫水浴鍋,常州恩培儀器制造有限公司;LDZ4-1.8 低速平衡離心機(jī),北京雷勃爾醫(yī)療器械有限公司。
(1)減阻劑的制備
采用分散聚合法制備水包水的減阻劑JHFR。將適量(占反應(yīng)物總質(zhì)量的50%~80%)的去離子水加入500 mL三口燒瓶中,分別稱取適量的水溶性單體羥甲基苯乙烯、醋酸乙烯酯、丙烯酰胺(3 者質(zhì)量比為1∶1∶2)、分散劑聚乙烯基芐基三甲基氯化銨、質(zhì)量比為1∶2的無機(jī)鹽氯化鈉和硫酸銨加入三口燒瓶后攪拌升溫,并不間斷地通入氮?dú)?,待溫度升?5 ℃后加入0.005%~0.01%過硫酸銨/亞硫酸氫鈉(質(zhì)量比為1∶1)復(fù)合引發(fā)劑,反應(yīng)10 h 后得到乳白色液體狀的減阻劑JHFR。
(2)減阻劑性能評(píng)價(jià)
參照國家能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 14003.2—2016《頁巖氣壓裂液第2 部分:降阻劑性能指標(biāo)及測(cè)試方法》,評(píng)價(jià)JHFR 的溶解時(shí)間、減阻性能和對(duì)巖心的傷害性。
(3)滑溜水性能評(píng)價(jià)
參照國家能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 14003.1—2015《頁巖氣壓裂液第1 部分:滑溜水性能指標(biāo)及評(píng)價(jià)方法》,評(píng)價(jià)滑溜水壓裂液的性能。
(4)蒙脫石含量的測(cè)定
將黏土樣品烘干后加入焦磷酸鈉使黏土晶層分散,加入過量的三水合亞甲基藍(lán)溶液使土樣充分吸附染料,靜置取出上層液體,再用高速離心機(jī)將上層清液與顆粒分離,以排除沙粒等顆粒物質(zhì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果的干擾。用氯化亞錫對(duì)上層清液進(jìn)行反滴定,即可計(jì)算出土樣中蒙脫石的含量。
(5)黏土膨脹體積的測(cè)定
參照石油天然氣行業(yè)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》,測(cè)定不同黏土樣品在去離子水、地層水、返排水、凈化水、2%KCl 溶液、5%KCl 溶液和用不同水質(zhì)配制的滑溜水中的膨脹體積。
(6)滑溜水對(duì)巖心滲透率損害率的測(cè)定
參照國家能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 10030—2016《鉆井液完井液對(duì)煤層氣儲(chǔ)層損害室內(nèi)評(píng)價(jià)方法》中的孔隙壓力振蕩法,評(píng)價(jià)滑溜水對(duì)瑪湖1 井區(qū)天然巖心基質(zhì)滲透率的影響。主要步驟為:測(cè)定巖樣初始滲透率;用滑溜水驅(qū)替10~15 PV后停止驅(qū)替;保持圍壓和溫度不變,使滑溜水充分與巖石礦物反應(yīng)2 h;測(cè)定傷害后的滲透率;計(jì)算巖心滲透率損害率。
2.1.1 溶解時(shí)間
按0.1%的加量將減阻劑與自來水混合。JHFR約15 s即完全溶解,溶液澄清透明;而現(xiàn)場(chǎng)所用減阻劑(XJ-A)需要1 h 才能完全溶解,溶液為白色渾濁狀。說明JHFR 具有速溶的特點(diǎn),更適用于大規(guī)模水力壓裂的連續(xù)混配作業(yè),有利于提高作業(yè)效率,降低施工成本。
2.1.2 減阻性能
由圖1可見,在不同條件下JHFR的減阻率規(guī)律表現(xiàn)為:(1)隨著濃度的增加,減阻率先增加后降低,在加量約為0.1%時(shí)的減阻率達(dá)到最大;(2)同一加量下,隨著排量的增加,減阻率呈上升趨勢(shì)。前者是由于JHFR 為線性高分子聚合物,其水化體積有限,在一定濃度下聚合物分子可以完全伸展,但當(dāng)濃度超過這一極限時(shí),聚合物分子會(huì)相互纏結(jié),形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)而阻礙了液體的流動(dòng),造成減阻率下降[9]。后者是由于液體在密閉管路中的摩阻隨流速增加而增大。在較高流速下,液體流動(dòng)的層狀結(jié)構(gòu)被破壞形成湍流狀態(tài),大量的能量被消耗于渦流及其他隨機(jī)運(yùn)動(dòng)中,因此,流體壓力損失也就迅速增加[10]。在排量越大的條件下,JHFR 表現(xiàn)出的減阻效果越好,即減阻率越高。減阻劑主要通過減弱流體的湍流程度來起到減阻作用。在固定管徑下,排量越大,則流體的湍流程度越大,JHFR改變湍流程度的效果就越明顯,其減阻效果越好;反之如果排量小則流體湍流程度不明顯,甚至是處于層流的情況下,JHFR的減阻效果不明顯。
圖1 減阻劑JHFR在不同排量和加量下的減阻率
多功能添加劑JHFD在0.2%的加量下即可滿足相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。因此,構(gòu)筑的JHFR 滑溜水體系的配方為:0.1%JHFR+0.2%JHFD。兩種滑溜水壓裂液的性能如表3 所示。由表3 可見,與清水(去離子水)相比,JHFR 滑溜水壓裂液和現(xiàn)場(chǎng)滑溜水壓裂液均能大幅降低油水界面張力,同時(shí)具有良好的減阻效果;在溶解時(shí)間、降低表面張力以及防膨率方面,JHFR 滑溜水壓裂液的性能優(yōu)于現(xiàn)場(chǎng)滑溜水壓裂液。另外,在室溫和儲(chǔ)層溫度下,現(xiàn)場(chǎng)滑溜水壓裂液與瑪湖1井區(qū)的地層水和返排水會(huì)產(chǎn)生少量懸浮的小顆粒不溶物,JHFR 滑溜水壓裂液具有更好的配伍性。
表3 兩種壓裂液性能評(píng)價(jià)結(jié)果
在大規(guī)模水力壓裂過程中,大量的外來液體進(jìn)入儲(chǔ)層后會(huì)造成黏土吸水膨脹、顆粒分散運(yùn)移,壓裂液殘?jiān)蚺c地層不配伍生成的不溶物等造成孔喉道堵塞,導(dǎo)致儲(chǔ)層滲透率下降,對(duì)儲(chǔ)層造成無法修復(fù)的傷害[11-14]。研究分析了目標(biāo)區(qū)塊的壓裂水源、儲(chǔ)層巖石的黏土礦物含量、巖粉的水化膨脹特性,并通過巖心滲透率恢復(fù)值評(píng)價(jià)了JHFR 滑溜水對(duì)瑪湖致密油藏儲(chǔ)層的傷害情況。
2.3.1 配液水質(zhì)和蒙脫石含量
瑪湖1 井區(qū)4 種壓裂配液水的礦化度均較低,其中返排水的礦化度最低,僅為800 mg/L,地層水的礦化度最高,約為11.9 g/L。
蒙脫石含量可以表征黏土礦物的水化膨脹程度。實(shí)驗(yàn)測(cè)得1#~6#黏土樣品的蒙脫石含量分別為48.83%、27.64%、7.37%、8.75%、2.53%、2.75%。兩種膨潤土的蒙脫石含量遠(yuǎn)高于天然巖粉;4 種天然巖粉中的蒙脫石含量均小于9%,3#和4#天然巖粉的蒙脫石含量明顯高于5#和6#,即上烏爾禾組P3W砂礫巖的水敏性強(qiáng)于百口泉組T1b砂礫巖。
2.3.2 黏土膨脹情況
黏土樣品在不同水質(zhì)中的膨脹體積如表4 所示,黏土樣品在不同水質(zhì)配制的JHFR 滑溜水壓裂液中的膨脹體積如表5所示。由表4可見,6種黏土樣品在不同水質(zhì)中的膨脹體積與其蒙脫石含量呈正相關(guān);兩種膨潤土在去離子水中的膨脹體積分別為8.5 mL和4.4 mL,遠(yuǎn)高于天然巖粉;4種天然巖粉的膨脹體積均小于1 mL,水化膨脹程度很低。2 種膨潤土的膨脹體積與水樣的礦化度之間呈負(fù)相關(guān),即水樣的礦化度越高,則膨潤土的膨脹體積越小,但4種天然巖粉的膨脹體積與水樣礦化度之間無明顯關(guān)系。這是由于在礦化度較高的水樣中,一價(jià)、二價(jià)陽離子含量較高,陽離子與膨潤土表面的陽離子交換多,穩(wěn)定了黏土晶體結(jié)構(gòu),因而其防膨效果越顯著。
表4 黏土在不同水質(zhì)中的膨脹體積
由表5可見,用去離子水和油田水樣配制的JHFR 滑溜水的黏土膨脹體積都很小。兩種膨潤土在去離子水配制的滑溜水中的膨脹體積分別為2.6 mL和2.2 mL,在其他水樣配制的滑溜水中,膨潤土的膨脹體積與配制滑溜水的礦化度之間仍然呈負(fù)相關(guān)。
表5 黏土在不同水質(zhì)配制的滑溜水中的膨脹體積
在滑溜水體系中,通常會(huì)加入一定量的黏土穩(wěn)定劑來降低儲(chǔ)層中黏土水化膨脹的程度。黏土穩(wěn)定劑的加量則根據(jù)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)結(jié)果確定。對(duì)于黏土礦物含量不同的儲(chǔ)層,其使用黏土穩(wěn)定劑的加量有所不同;對(duì)于礦化度不同的壓裂水源,其使用黏土穩(wěn)定劑的加量亦有所不同。儲(chǔ)層黏土的膨脹程度除了與自身礦物含量有關(guān)之外,水質(zhì)的礦化度也影響?zhàn)ね恋呐蛎洺潭取?duì)同一種黏土而言,水質(zhì)的礦化度越高,則黏土的膨脹越不明顯。因此,在不易膨脹的目標(biāo)儲(chǔ)層中,應(yīng)使用具有一定礦化度的現(xiàn)場(chǎng)水源,即使不添加黏土穩(wěn)定劑也能達(dá)到技術(shù)要求。滑溜水體系中黏土穩(wěn)定劑的加量應(yīng)根據(jù)目標(biāo)區(qū)塊的儲(chǔ)層特性來確定。
2.3.3 對(duì)儲(chǔ)層的傷害評(píng)價(jià)
由表6 可見,JHFR 滑溜水壓裂液對(duì)瑪湖1 井區(qū)天然巖心的滲透率損害率為17.80%和18.34%,低于石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6376—2008《壓裂液通用技術(shù)條件》中對(duì)水基壓裂液(30%)的要求。JHFR滑溜水壓裂液對(duì)瑪湖1 井區(qū)儲(chǔ)層的傷害率較低,適用于該井區(qū)的水力壓裂施工。
表6 滑溜水對(duì)天然巖心的滲透率損害率
JHFR 滑溜水體系性能優(yōu)良,滿足瑪湖致密油藏的壓裂施工。該體系對(duì)儲(chǔ)層滲透率的傷害小,減阻率可達(dá)到75%以上,能有效降低表面張力和油水界面張力,防膨性能優(yōu)良。減阻劑JHFR 在較短時(shí)間(15 s)內(nèi)完全溶解,可實(shí)現(xiàn)油田現(xiàn)場(chǎng)的免配直混工藝。
與鈉膨潤土相比,瑪湖1 井區(qū)百口泉組和上烏爾禾組的砂礫巖巖粉的蒙脫石含量(<10%)低,水化膨脹性弱,砂礫巖巖粉的膨脹體積(<1 mL)小。水化膨脹程度與蒙脫石含量之間呈正相關(guān),與水樣的礦化度之間呈負(fù)相關(guān)。
黏土穩(wěn)定劑應(yīng)結(jié)合目標(biāo)區(qū)塊儲(chǔ)層的巖樣分析進(jìn)行應(yīng)用。目標(biāo)區(qū)塊的壓裂水源有一定的礦化度,具有良好的防膨效果,且目標(biāo)區(qū)塊的儲(chǔ)層巖石水化膨脹性弱。綜合性能、成本和環(huán)境考慮,建議瑪湖1井區(qū)百口泉組水力壓裂時(shí)少加或不添加黏土穩(wěn)定劑。