梁天博 ，蘇航 ，昝晶鴿 ，柏浩 ，趙龍昊 ，姚二冬 ，周福建

1 中國石油大學(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249 2 中國石油大學(北京)教育部重點實驗室，北京 102249

0 引言

頁巖氣、致密油等非常規(guī)油氣資源有效開發(fā)對于保障國家的能源安全起著舉足輕重的作用[1-2]。由于儲層物性差，非常規(guī)油氣儲層需要依靠大規(guī)模壓裂改造以形成復雜裂縫網(wǎng)絡，增大與基質的接觸面積，從而實現(xiàn)經(jīng)濟開發(fā)的目的[3-5]?，F(xiàn)場經(jīng)驗表明，增加壓裂液和支撐劑用量能夠增加裂縫改造規(guī)模，提高致密儲層采收率[6-9]。相比于傳統(tǒng)的胍膠壓裂液體系，滑溜水壓裂液可以減少70%～80%的液體管柱流動摩阻，大幅度提高壓裂液的注入排量，在提高液體攜砂能力的同時，又有助于復雜人工裂縫網(wǎng)絡的形成；同時，滑溜水壓裂液的固相殘留物更少，成本低廉且在現(xiàn)場易于快速混配，因此其目前已成為非常規(guī)儲層改造過程中使用最為廣泛的壓裂液體系之一[10-12]。但由于滑溜水黏度較低(約1～7 mPa·s)，攜砂性能較差，因此現(xiàn)場壓裂過程中需要配合交聯(lián)胍膠壓裂液進行混合壓裂作業(yè)，即在線混配滑溜水攜少量細沙作為前段，預先水化罐裝線性膠或交聯(lián)膠攜粗砂作為后段；該工藝現(xiàn)場工序與所需設備較多，施工成本較高，更無法滿足未來“無人壓裂”或“智能壓裂”的作業(yè)需求[13-16]。

為了克服常規(guī)滑溜水體系的上述缺點，一種新型的變黏滑溜水體系應運而生。該體系通過濃度的變化，即可實現(xiàn)低黏和高黏的轉換，在簡化施工工藝與降阻劑用量的同時，能夠有效降低管路摩阻損失，增加支撐劑攜帶效率與壓裂液液體效率[17-20]。同時，地層條件下，變黏滑溜水容易破膠并且沒有任何固體殘渣，與滑溜水體系具備相同的低傷害屬性[21-22]。據(jù)北美壓裂現(xiàn)場統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示[23]，早在2016 年北美地區(qū)就已經(jīng)開始現(xiàn)場逐漸使用變黏滑溜水代替線性膠和交聯(lián)膠，并且比例逐年上升；截至2019 年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，在北美地區(qū)所有的壓裂液中變黏滑溜水體系的占比已經(jīng)達到35%～45%，與常規(guī)滑溜水體系的占比持平，且有進一步增加的勢頭。國內外對變黏滑溜水的黏度變化特征、降阻性能以及靜態(tài)攜砂性能都進行了一定的研究[12，17-33]；Motiee等[27]對變黏滑溜水黏彈性能、降阻性質，以及支撐劑在其內的沉降速率等進行了較為系統(tǒng)的研究，Wang等與Ba Geri等[12，32-33]從室內實驗角度建立了一套室內實驗評價方法。然而，這些研究中尚缺乏變黏滑溜水在粗糙裂縫內的攜砂能力表征，以及室內尺度實驗與現(xiàn)場施工案例的系統(tǒng)表征與分析。

本文首先利用室內實驗，對變黏滑溜水體系的基本物性進行了表征，并建立了其不同濃度與不同剪切速率下的黏度與降阻率，為現(xiàn)場在線連續(xù)混配提供數(shù)據(jù)基礎。之后，將該液體體系應用于吉木薩爾頁巖油藏水力壓裂現(xiàn)場，綜合室內表征與現(xiàn)場施工效果，對變黏滑溜水體系在非常規(guī)儲層改造中的應用前景進行了分析，力求為國內非常規(guī)儲層改造提供一種新的壓裂液體系思路選擇和參考。

1 實驗材料與方法

1.1 變黏滑溜水

變黏滑溜水壓裂液體系是一種疏水締合聚合物體系，即含有疏水基團的聚合物。這些疏水基團在水相中聚集(類似油在水中聚成滴)，形成物理可逆交聯(lián)體系，0.1wt%以上濃度，即可形成高黏度，是一種理想的低傷害滑溜水體系。該實驗中變黏滑溜水體系中添加的降阻劑為FR-Z900。其主要成分為陰離子聚丙烯酰胺，通過陰離子共聚單體、醇、油、丙烯酰胺及乳化劑體系以疏水締合的方式進行可逆物理交聯(lián)制備，分子量約為。

1.2 實驗方法

1.2.1黏度測試

黏度是評價壓裂液體系性能優(yōu)劣的重要參數(shù)。選配質量分數(shù)為0.1wt%、0.2wt%、0.4wt%、0.6wt%和0.8wt%的變黏滑溜水和常規(guī)滑溜水溶液，分別使用ZNN-D6B型電動六速黏度計對不同剪切速率下的變黏滑溜水和常規(guī)滑溜水溶液進行黏度測試。

1.2.2黏彈性能測試

黏性模量與彈性模量是衡量壓裂液體系攜砂能力的重要指標之一。為評價FR-Z900 變黏滑溜水體系的黏彈性特征，選用MASS-Ⅲ型高溫流變儀進行變黏滑溜水的黏彈性模量測試，待測變黏滑溜水質量濃度為0.6wt%。將配備好的0.6wt%變黏滑溜水進行應力掃描，利用應力掃描拐點附近線性區(qū)域的應力值對流體進行剪切頻率掃描，以獲得不同剪切頻率下變黏滑溜水的黏彈性模量。

1.2.3降阻率測試如圖1 所示，利用自行搭載的室內環(huán)路摩阻測試裝置進行室內降阻率測試，該裝置主要由泵送系統(tǒng)(A)、管道測試系統(tǒng)(B)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(C) 3 部分構成。整個環(huán)路摩阻管道有6 mm、8 mm、10 mm的3根內徑不同的不銹鋼直管可供選擇。裝置回路的末端安裝有一個長10 cm，直徑為2 cm的有機可視化玻璃管，可用于觀測液體循環(huán)前的流態(tài)。

圖1 環(huán)路摩阻測試實驗裝置示意圖Fig. 1 Setup of friction loop test for slickwater

分別制備降阻劑原液的質量濃度為0.1 wt%、0.2wt%、0.4wt%、0.6wt%和0.8wt%的變黏滑溜水溶液以分析濃度對于降阻率的影響。選用2.5 m長，內徑為8 mm的直管進行實驗，測壓點各據(jù)兩端0.25 m，即間距為2 m。先測量不同排量下清水的流動壓降(每個流速點都要待至壓力穩(wěn)定再進行記錄)，然后測量某一濃度變黏滑溜水在不同排量下的壓降，清洗管路后變換其他濃度的變黏滑溜水重復實驗。

本研究中室內降阻性能評價實驗參照國家標準《NB/T14003.1-2015 滑溜水性能指標及評價方法》。

1.2.4室內懸砂實驗

將吉木薩爾頁巖露頭加工成300 mm見方的巖塊，然后對該巖塊分別進行壓裂、3D掃描與打印、倒模等一系列的加工過程，制作成300 mm高，900 mm長，縫寬為2 mm的粗糙裂縫模型(如圖2 所示)，以方便觀察并對比支撐劑在不同類型滑溜水中的運移與沉降規(guī)律，支撐劑運移鋪置可視化裝置如圖3 所示。配置常規(guī)的滑溜水溶液以及質量濃度為0.6 wt%的FR-Z900變黏滑溜水溶液作為懸砂性能測試的攜砂液。支撐劑選用砂濃度為100 kg/m3的30/50 目的石英砂。測試泵速設置為0.02 m3/min(對應的縫內流速約為0.6 m/s)。

圖2 3D打印粗糙裂縫模型Fig. 2 Rough fracture model duplicated from the fractured outcrop sample by 3D printing

圖3 支撐劑運移鋪置可視化裝置Fig. 3 Visible slot-flow model with 3D-printed rough fracture faces

2 室內實驗結果與討論

2.1 黏度性能評價

不同變黏滑溜水降阻劑母液加量下所測得的黏度曲線如圖4 所示。從圖中顯示的規(guī)律來看，隨著降阻劑濃度的增加，變黏滑溜水的溶液黏度在相同剪切速率下逐漸增加，濃度從0.4wt%升至0.6wt%時，黏度明顯增加。在高剪切狀態(tài)下(超過1000 s-1)，0.6wt%及以上濃度仍然可以保持50 mPa·s以上黏度。因此，在攜砂段或暫堵段，增加變黏滑溜水濃度至0.6wt%能夠快速實現(xiàn)壓裂液黏度增加(增黏10 倍以上)，以便支撐劑的縫內運移或暫堵劑的炮眼或縫內封堵[34-35]。而在0.1wt%濃度下變黏滑溜水與常規(guī)滑溜水區(qū)別較小，在前置液階段，可以使用0.1wt%變黏滑溜水以控制施工成本。由于該體系高濃度下顯著增黏的特性，通過控制降阻劑濃度，可實現(xiàn)大范圍連續(xù)變黏的效果，因此將該新結構滑溜水稱為變黏滑溜水。

圖4 不同濃度變黏滑溜水體系黏度測試結果(左)，高、低濃度變黏滑溜水與常規(guī)滑溜水黏度對比(右)Fig. 4 Viscosity of the viscous slickwater at diff erent concentrations (left)， viscosity comparison between the viscous slickwater and the conventional slickwater at low and high concentrations.

2.2 黏彈性能評價

通過動態(tài)頻率掃描實驗，圖示了0.6wt%濃度變黏滑溜水黏性模量值、彈性模量值隨頻率變化的關系圖，如圖5 所示。隨著頻率的逐漸增加，黏性模量和彈性模量均會隨頻率增加。處于低頻區(qū)時，形變發(fā)生較為緩慢，分子鏈大多能量較低，而且能量多在黏性緩慢流動中發(fā)生損耗，導致彈性模量較低的情況出現(xiàn)。隨著頻率增大，分子鏈沒有足夠時間滑動損耗，使得具有網(wǎng)格結構的變黏滑溜水體系彈性模量增強。變黏滑溜水體系黏性主導區(qū)與彈性主導區(qū)的分界點，也即彈性模量G′與黏性模量G″交點小于1 Hz，說明該體系展現(xiàn)出良好的黏彈性能，可滿足井筒與縫內彈性攜砂需求。

圖5 0.6 wt%變黏滑溜水黏彈模量曲線Fig. 5 Change of viscoelastic modulus of 0.6 wt% viscous slickwater at diff erent shearing frequencies

2.3 降阻率性能評價

為了方便與現(xiàn)場施工進行對照，將室內實驗排量根據(jù)下式轉換為流速。

式中：v—流速，m/s；

Q—室內環(huán)路摩阻測試裝置排量，kg/h；

ρ—變黏滑溜水密度，隨濃度變化極小，式中取1020 kg/m3；

S—摩阻測試直管截面積，mm2。

繪制不同濃度下的變黏滑溜水降阻率與流速的關系曲線如圖6 所示。

圖6 不同濃度變黏滑溜水降阻率測試曲線Fig. 6 Friction reduction rates of the viscous slickwater at diff erent concentrations

由圖6 可知，在濃度一定時，流速即泵注排量越大，變黏滑溜水的降阻率越高，隨著流速的進一步增加，降阻率曲線逐漸趨于平緩，直至達到一個“平臺”。通過對比不同濃度的變黏水滑溜水降阻率曲線可以看出，流速即排量較低的條件下，較高濃度的變黏滑溜水的降阻效果較差，在0.6wt%及以上濃度變黏滑溜水黏黏度在剪切速率170 s-1時黏黏度超過100 mPa·s，主要由于低流速下黏性主導，能量多在黏性緩慢流動中損耗，所以降阻率變現(xiàn)不佳(如圖6 中0.6wt%變黏滑溜水在流速為1.316 m/s的條件下對應的降阻率為-152.78%)。隨著流速的增加，高濃度的變黏滑溜水的降阻率隨濃度的增加會出現(xiàn)陡增，且在流速大于8 m/s時，較高濃度的變黏滑溜水體系降阻性能表現(xiàn)優(yōu)異，0.1 wt%的變黏滑溜水體系降阻率最高可達77.46%，降阻效果良好?，F(xiàn)場壓裂施工過程中，井筒內液體流速大于15～22 m/s(10～14 m3/min)，不同濃度的變黏滑溜水均能夠大排量水力壓裂對降阻率的需求。從井筒進入人工裂縫后，縫內流速逐漸降低，高黏度下變黏滑溜水的黏性特征逐漸顯現(xiàn)，能夠攜帶支撐劑進入裂縫更深處，且能夠預防壓裂時的砂堵風險。

2.4 室內懸砂實驗

將制作好的粗糙裂縫模型放置在可視化支撐劑運移模擬裝置中開始測試，其主要的實驗過程包括：(1)泵入不攜砂的滑溜水溶液充滿至整個裂縫模型。(2)然后將砂液泵入裂縫模型，分別觀察常規(guī)滑溜水體系和0.6wt%的變黏滑溜水體系攜砂時對石英砂的懸浮和遷移情況，實驗結果如圖7 所示。

圖7 常規(guī)滑溜水(a)與變黏滑溜水(b)攜砂性能對比圖Fig. 7 Comparison of sand-carrying performance between the conventional slickwater (a) and the viscous slickwater (b)

對于常規(guī)的滑溜水體系，由于重力作用，大部分石英砂沉入底部，裂縫模型中有明顯的砂堤形成且砂粒輸送距離較短(圖7a所示)，而對于變黏滑溜水體系(如圖7b所示)，沒有明顯的砂堤形成且砂粒較為均勻的填充至整個裂縫中，說明其懸砂性能遠遠優(yōu)于常規(guī)滑溜水體系。變黏滑溜水的黏性模量和彈性模量均顯著高于常規(guī)滑溜水，攜砂性能優(yōu)越。

3 吉木薩爾試驗井變黏滑溜水礦場施工效果

根據(jù)室內降阻率及懸砂性能測試的結果，相比于常規(guī)的滑溜水體系，變黏滑溜水體系在降阻效果及攜砂性能等方面表現(xiàn)都更為優(yōu)秀。為了探究該變黏滑溜水體系在現(xiàn)場的應用效果，選取新疆吉木薩爾區(qū)塊的三口臨近生產(chǎn)井進行對比試驗。

3.1 壓裂試驗井參數(shù)對比

選取吉木薩爾凹陷二疊系盆地蘆草溝組的A、B、C三口臨近的生產(chǎn)井的水平段進行分段多簇壓裂改造。一方面這些目標井所處儲層物性較差，自然產(chǎn)能低，壓裂改造后可大幅提高產(chǎn)能；另一方面這些水平井難以使用機械分隔，經(jīng)過壓裂改造后的產(chǎn)量提升可直接反映利用暫堵劑進行分段多簇壓裂改造的效果。其中B、C兩口井為試驗井，壓裂液體系選擇變黏滑溜水壓裂液；而A井作為參照井，選用常規(guī)凍膠壓裂液+滑溜水進行施工作業(yè)，三口目標井的主體加砂支撐劑均為30～50 目石英砂。三口井的壓裂施工參數(shù)如表1 所示，壓裂液體系如表2 所示(壓裂液配方中濃度均為質量濃度)。

表1 三口井施工壓裂參數(shù)表Table 1 Fracturing operation parameters of three chosen wells

表2 三口井壓裂液體系配方Table 2 Fracturing fluid formula for three chosen wells

3.2 壓裂施工曲線分析

因壓裂改造段數(shù)較多，特從三口井中各選取一段較為典型的壓裂改造段A-13#段、B-12#段以及C-10#段進行壓裂施工曲線分析，以上三段均采用兩次加砂，段內暫堵，加砂規(guī)模為單次80 m3。其中，A-13#段的單次加砂壓裂改造具體步驟如下：①用滑溜水泵送橋塞；②滑溜水泵送暫堵劑；③注入凍膠+滑溜水前置液；④注入凍膠攜砂液；⑤注入凍膠+滑溜水頂替液。B-12#段及C-10#段單次加砂程序與A-13#段的加砂程序相比，二者前置液及攜砂液有所差別，前置液由凍膠+滑溜水體系替換為低黏黏度變黏滑溜水，攜砂液由凍膠被替換為高黏變黏滑溜水?，F(xiàn)場壓裂施工曲線分別如圖8、9、10 所示。圖8、9中“低黏液添”代表在線混配至0.1wt%濃度，“高黏液添”代表在線混配至0.6wt%濃度(即液添除以排量)。

以A-13#段為例，結合現(xiàn)場的壓裂施工曲線進行分析可知(如圖8 所示)，低排量下加入暫堵劑后，通過小幅度提高施工排量，以便暫堵劑快速到達縫端形成封堵；隨后減小排量以防封堵過量導致地層超壓，后該段排量穩(wěn)定在2.2 m3/min，且壓力響應效果良好(升壓幅度約為25 MPa)，這一變化趨勢表明暫堵劑成功封堵了前段壓裂改造所形成的裂縫，使得后續(xù)的壓裂液得以壓開未有裂縫形成的區(qū)域[36]，利用相同的分析方法，圖9 中B-12#段以及圖10 中C-10#段可得出相同的結論，即采用變黏滑溜水體系施工的改造井段，均顯示出壓裂施工作業(yè)中暫堵效果良好，可以滿足攜砂性能要求。

圖9 B-12#壓裂施工曲線Fig. 9 Fracturing operation curves of stage#12 in Well-B

圖10 C-10#壓裂施工曲線Fig. 10 Fracturing operation curves of stage#10 in Well-C

同時，在3 口目標井的加砂規(guī)模及液砂比相近的情況下(如表1 所示)，變黏滑溜水僅僅通過濃度變化，即可實現(xiàn)低黏度與高黏度的切換，為未來無人壓裂(人工智能輔助壓裂)提供了重要的物質基礎。采用變黏滑溜水壓裂施工的兩口試驗井B、C最大攜砂濃度可達250 kg/m3，使得支撐劑輸送和裂縫支撐更為有效，最終可以取得與常規(guī)凍膠體系壓裂改造的A井同樣良好的暫堵壓裂改造效果。

3.3 實施效果分析

根據(jù)3 口井的壓裂施工圖及摩阻計算公式，分別統(tǒng)計3 口井各段的摩阻，然后計算各壓裂段的降阻率情況，計算所得各段暫堵前后降阻率情況分別如圖11、圖12 所示。

圖11 暫堵前降阻率曲線Fig. 11 Calculated fraction reduction rates before temporary plugging

圖12 暫堵后降阻率曲線Fig. 12 Calculated fraction reduction rates after temporary plugging

從統(tǒng)計的3 口目標井各壓裂改造段暫堵前后降阻率情況來看，暫堵前3 口井的平均降阻效果均顯示良好，相差不大，均在73%左右，且使用變黏滑溜水體系的試驗井C要略好于使用常規(guī)壓裂液體系的壓裂改造井A井；而在加入暫堵劑后，相比于暫堵前的降阻效果，A井的降阻效果有所下降，而B、C井的平均降阻率均要由于優(yōu)于暫堵前的降阻率，甚至C井各改造段的平均降阻率高達81%。

再結合現(xiàn)場排量及壓裂液黏度等數(shù)據(jù)計算可知，A井現(xiàn)場施工的滑溜水流速約為8 m/s，而B、C井現(xiàn)場排量的流速約在10 m/s左右，將對應流速下對應的現(xiàn)場降阻率統(tǒng)計結果與室內降阻率實驗結果(圖6)對比可知，二者吻合較好。綜上所述，變黏滑溜水體系的降阻性能要優(yōu)于常規(guī)的壓裂液體系。

壓裂改造施工后，統(tǒng)計3 口目標井80 d內的日產(chǎn)油量及累產(chǎn)油量情況如圖13 所示。根據(jù)圖13 中顯示的結果，無論是日產(chǎn)油還是累產(chǎn)油情況，使用變黏滑溜水壓裂的B、C井的施工效果都要遠遠優(yōu)于常規(guī)凍膠+滑溜水壓裂改造的A井，其壓裂施工后80 天內的累產(chǎn)油量分別為A井的2.5 倍和4 倍，增產(chǎn)效果顯著。

圖13 試驗井壓裂后80 日產(chǎn)油量及累產(chǎn)油量統(tǒng)計圖Fig. 13 Production histories of three wells in 80 days

綜合現(xiàn)場施工的結果，相比于常規(guī)壓裂液體系，變黏滑溜水壓裂液體系可以通過濃度變換兼顧降阻和攜砂性能需求，一方面可以大幅度降低管柱施工摩阻，提高縫內流速，以便造復雜裂縫，壓裂改造后油井可以獲得比常規(guī)壓裂改造井更高的產(chǎn)能；另一方面后期通過增加濃度的方式即可實現(xiàn)增黏，進而增加砂比，可減少液體用量，且采用在線混配的方式，極大地節(jié)約了施工場地，避免了凍膠的水化，減少了儲存設備的使用，若按每方液節(jié)省15 元計算，幾萬方液節(jié)省配液費可達幾十萬元，成本降低顯著，應用前景十分廣闊。

目前國內對于變黏滑溜水體系的研究較少，本文也只做了一些比較初步的研究，后續(xù)若進行更為深入的研究，筆者認為可從以下2 個方面進行考慮：一方面有待研究全程高濃度變黏滑溜水加砂的改造效果；另一方面可以深入研究濃度連續(xù)變化以優(yōu)化壓裂各個時期(如起裂、延伸、支撐等)砂比，在考慮裂縫改造體積的同時兼顧保證支撐導流能力，以期獲得更為理想的施工改造效果。

4 結論

變黏滑溜水具有較好的降阻性能和攜砂性能，在非常規(guī)油氣儲層壓裂改造中應用前景廣闊，通過研究本文可得以下認識：

(1)在模擬井筒內流動的高剪切速率下，0.6wt%及以上濃度的變黏滑溜水能夠保持50 mPa·s以上黏度；同時，該液體的彈性模量G′與黏性模量G″的交點小于1 Hz，展示出的黏彈性能也有助于降低支撐劑的縫內沉降速率，能夠在簡化壓裂施工工藝之余，提高支撐劑在人工裂縫網(wǎng)絡內的展布。

(2)雖然增加變黏滑溜水濃度以提高其黏度的同時，會降低其降阻性能，但管路摩阻實驗顯示，0.1wt%～0.8wt%的濃度下降阻率均超過60%，且最高超過75%，能夠滿足壓裂現(xiàn)場大排量施工的要求。

(3)現(xiàn)場應用結果顯示，0.1wt%濃度的變黏滑溜水與常規(guī)滑溜水降租性能相近，而其0.6wt%濃度可兼顧降阻和攜砂性能需求，能夠替換交聯(lián)胍膠進行水力壓裂攜砂段和暫堵段的現(xiàn)場施工作業(yè)。

(4)現(xiàn)場試驗井的生產(chǎn)數(shù)據(jù)表明，使用變黏滑溜水有利于支撐劑運移至裂縫遠端，增大人工裂縫網(wǎng)絡的支撐效率。變黏滑溜水試驗井的平均產(chǎn)量約為傳統(tǒng)壓裂施工井的4 倍左右。通過控制變黏滑溜水濃度，可以實現(xiàn)大范圍黏度變化，在減少施工工序的同時，增加壓裂井產(chǎn)量。