李 栓，丁小惠，陳 麗，馮林明

(捷貝通石油技術(shù)集團(tuán)股份有限公司，四川 成都 610500)

川渝深層頁(yè)巖氣主要位于瀘州、渝西、威遠(yuǎn)南部及長(zhǎng)寧兩翼，儲(chǔ)層厚度更大、品質(zhì)更優(yōu)、壓力系數(shù)更高，但構(gòu)造更復(fù)雜、溫度和地應(yīng)力更高、水平應(yīng)力差更大，因而在壓裂施工中存在施工壓力高、加砂困難等難題，制約了深層頁(yè)巖氣的經(jīng)濟(jì)有效開(kāi)發(fā)[1-5]。目前通過(guò)引入功能性基團(tuán)優(yōu)化分子結(jié)構(gòu)得到的聚合物可用于配制頁(yè)巖氣壓裂液體系，滑溜水用量一般為0.02%～0.2%，高黏線性膠用量一般為0.2%～0.3%，交聯(lián)液基液用量一般為0.35%～1%，采用交替注入低黏滑溜水、高黏壓裂液實(shí)現(xiàn)大規(guī)模體積壓裂，使裂縫的復(fù)雜程度最大化，實(shí)現(xiàn)深層頁(yè)巖氣壓裂改造[6-17]。但是目前頁(yè)巖氣開(kāi)采用壓裂液配方需加入助排劑、防膨劑等添加劑，配液工藝復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)壓裂液攜砂、減阻一體化。

本文報(bào)道的自交聯(lián)變黏壓裂液由一種聚合物乳液配制而成，一劑多效，通過(guò)調(diào)整聚合物用量就能實(shí)現(xiàn)低黏滑溜水、高黏壓裂液自由切換，配液流程簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)壓裂液高攜砂、高減阻。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 主要儀器

Haake Mars 40型高溫高壓旋轉(zhuǎn)流變儀，賽默飛世爾科技；HAMZ-IV型管路摩阻儀，海安石油科研儀器有限公司；ZNN-D6B型電動(dòng)六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，青島百瑞達(dá)石油機(jī)械制造有限公司；JYW-200C全自動(dòng)表、界面張力儀，承德鼎盛試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)設(shè)備有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 自交聯(lián)聚合物乳液的制備

自交聯(lián)聚合物乳液由內(nèi)相溶液和外相溶液在引發(fā)劑作用下制得。外相溶液包括聚酯、丙二醇醚酯類綠色溶劑和交聯(lián)劑；內(nèi)相溶液包括2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、有機(jī)胺和水。其中各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：聚酯10%～15%、綠色溶劑10%～20%、交聯(lián)劑1%～2%、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸10%～20%、有機(jī)胺4%～8%、引發(fā)劑0.01%～0.05%，余量為水。

制備步驟如下：1)將聚酯、綠色溶劑和交聯(lián)劑按比例混合并攪拌均勻，得到外相溶液；2)將水、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸和有機(jī)胺按比例混合并攪拌均勻，得到內(nèi)相溶液；3)將外相溶液倒入反應(yīng)器中，將反應(yīng)器置于30～40 ℃恒溫水浴中，開(kāi)啟攪拌器，然后將內(nèi)相溶液緩慢加入外相溶液中，混合均勻，通氮?dú)飧咚贁嚢璩酰瑪嚢?0～40 min后，將引發(fā)劑滴入反應(yīng)容器中，密封反應(yīng)容器，升溫至80 ℃恒溫反應(yīng)4～5 h后獲得到均勻乳狀液，即為自交聯(lián)聚合物乳液。

1.2.2 自交聯(lián)變黏壓裂液的制備

按配方比例量取清水或返排液倒入燒杯中，調(diào)整攪拌器轉(zhuǎn)速至燒杯中形成明顯的旋渦，將量取好的自交聯(lián)聚合物乳液加入配液水中，攪拌均勻得到自交聯(lián)壓裂液。按此方法配制不同濃度壓裂液，得到不同黏度的自交聯(lián)變黏壓裂液。加量越高，黏度越大，現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)調(diào)整加量即可實(shí)現(xiàn)低黏滑溜水、高黏壓裂液的自由切換。

1.2.3 滑溜水性能評(píng)價(jià)方法

參照NB/T 14003.1—2015《頁(yè)巖氣 壓裂液 第1部分：滑溜水性能指標(biāo)及評(píng)價(jià)方法》、NB/T 14003.3—2017《頁(yè)巖氣 壓裂液 第3部分：連續(xù)混配壓裂液性能指標(biāo)及評(píng)價(jià)方法》評(píng)價(jià)自交聯(lián)滑溜水性能。

2 自交聯(lián)變黏壓裂液的性能評(píng)價(jià)

2.1 溶解性能

室溫條件下，0.5%自交聯(lián)變黏壓裂液表觀黏度與攪拌時(shí)間的關(guān)系見(jiàn)圖1。由圖1可知，自交聯(lián)乳液減阻劑加入水中5 s起黏，20 s達(dá)到50%以上有效黏度，攪拌至50 s時(shí)黏度達(dá)到57 mPa·s并趨于穩(wěn)定。說(shuō)明該聚合物乳液具有良好的溶解性和增黏性能，配制的壓裂液起黏快、溶解好，可以實(shí)現(xiàn)壓裂液體系的連續(xù)混配。

圖1 自交聯(lián)變黏壓裂液的表觀黏度與時(shí)間的關(guān)系

2.2 黏彈性

室溫條件下，自交聯(lián)變黏壓裂液的儲(chǔ)能模量(G′)、耗能模量(G″)見(jiàn)圖2。

由圖2可見(jiàn)，隨著液體濃度的提高，自交聯(lián)壓裂液儲(chǔ)能模量始終大于耗能模量，且增幅更大，表明壓裂液的彈性始終大于黏性，液體以彈性為主，證明該壓裂液的低黏高彈特性明顯。這是由于自交聯(lián)壓裂液是一種結(jié)構(gòu)流體，分子結(jié)構(gòu)上引入的疏水基團(tuán)，可產(chǎn)生疏水締合作用。隨著濃度的增大，疏水單體形成分子間締合作用，締合作用增加，從而使壓裂液流體力學(xué)體積增大，動(dòng)力學(xué)模量增加。同時(shí)引入的線型聚酯與共聚物分子相互穿插，形成了相互物理交聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步賦予壓裂液良好的黏彈性能。

圖2 自交聯(lián)變黏壓裂液的黏彈性能

2.3 耐溫耐剪切性能

圖3為0.8%自交聯(lián)壓裂液的耐溫耐剪切曲線。由圖3可見(jiàn)，90 ℃條件剪切120 min黏度始終保持在50 mPa·s以上，說(shuō)明高黏壓裂液的黏度隨剪切時(shí)間和溫度影響小，剪切穩(wěn)定性能好。這是由于在聚合物分子結(jié)構(gòu)上引入的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸單體空間位阻大，表現(xiàn)出良好的耐溫性能。

圖3 0.8%自交聯(lián)高黏壓裂液的耐溫耐剪切曲線

2.4 減阻性能

采用流動(dòng)回路摩阻測(cè)試裝置測(cè)試0.05%自交聯(lián)低黏滑溜水、0.5%自交聯(lián)高黏壓裂液在清水和返排水中的減阻性能，結(jié)果見(jiàn)圖4。其中返排水取自四川長(zhǎng)寧某平臺(tái)，返排水總礦化度41 050 μg/g(其中鈣、鎂等高價(jià)離子含量為1 200 μg/g，其余為一價(jià)離子)。

由圖4可見(jiàn)，0.05%的自交聯(lián)低黏滑溜水在清水中減阻率達(dá)78.2%，在返排水中減阻率達(dá)75.6%；0.5%自交聯(lián)高黏壓裂液在清水中減阻率達(dá)73.8%，在返排水中減阻率達(dá)71.4%，減阻性能優(yōu)異。這是由于該聚合物分子鏈上帶有多種活性功能基團(tuán)，可通過(guò)分子聚集形成高次膠束結(jié)構(gòu)，利用湍流渦的相互作用改變湍流結(jié)構(gòu)，進(jìn)而減少液體在管路中流動(dòng)時(shí)的能量損耗，最終表現(xiàn)為湍流減阻。

圖4 自交聯(lián)變黏壓裂液在清水和返排水中的減阻率

2.5 攜砂性能

表1為陶粒在不同類型壓裂液中的沉降速率。由表1可知，陶粒在自交聯(lián)變黏壓裂液中的沉降速度僅為0.056 cm/min，該壓裂液體系的懸砂性好于其他壓裂液，陶粒在量筒中均勻懸浮，沉降緩慢。這主要是由于自交聯(lián)變黏壓裂液通過(guò)分子締合及陰陽(yáng)離子對(duì)效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)分子間的物理交聯(lián)，形成大量的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其有效黏度由結(jié)構(gòu)黏度和非結(jié)構(gòu)黏度共同組成，是一種以“彈性”為主的結(jié)構(gòu)流體，懸砂性能好，最終表現(xiàn)出高攜砂能力。

表1 壓裂液的靜態(tài)沉降速度對(duì)比

2.6 自交聯(lián)變黏壓裂液的綜合性能

室溫條件下，自交聯(lián)變黏壓裂液的性能見(jiàn)表2。其中，0.05%自交聯(lián)低黏滑溜水按NB/T 14003.1—2005測(cè)試，0.5%自交聯(lián)高黏壓裂液按NB/T 14003.0—2017測(cè)試。

表2 自交聯(lián)變黏壓裂液性能

從表2可見(jiàn)，采用自交聯(lián)乳液減阻劑配制的0.05%、0.5%自交聯(lián)變黏壓裂液具有很好的性能，各項(xiàng)指標(biāo)都滿足壓裂液行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)混配，具有較好的應(yīng)用前景。

3 自交聯(lián)變黏壓裂液現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

長(zhǎng)寧區(qū)塊某平臺(tái)構(gòu)造位置為長(zhǎng)寧背斜構(gòu)造中奧頂構(gòu)造南翼，該平臺(tái)H-1、H-2、H-3井完鉆井深分別為4 435、4 500、4 570 m，完鉆層位龍馬溪組，采用φ139.7 mm+145.6 mm套管完井，采用105 MPa井口注入，施工限壓95 MPa。該平臺(tái)為100%返排液施工，礦化度高達(dá)40 mg/g以上，采取自交聯(lián)變黏滑溜水和普通滑溜水進(jìn)行施工，其中H-1井采用自交聯(lián)變黏滑溜水施工，H-2井采用常規(guī)抗鹽減阻劑施工，對(duì)比自交聯(lián)變黏滑溜水與常規(guī)滑溜水的施工性能。

表3為H-1井的施工情況，采用的是自交聯(lián)變黏滑溜水施工。由表3可見(jiàn)，H-1井平均降阻率達(dá)到79.63%，平均加砂強(qiáng)度達(dá)到了3.2 t/m，液體降阻及攜砂性能良好，有效保證了施工的順利實(shí)施。表4為H-2井的施工情況，采用的是常規(guī)抗鹽減阻劑配制的滑溜水。由表4可見(jiàn)，H-2井平均降阻率達(dá)到73.57%，平均加砂強(qiáng)度為2.8 t/m。從H-1井、H-2井的施工效果看出，H-1井采用自交聯(lián)變黏滑溜水的降阻效果和加砂情況明顯好于H-2井。為了排除不同井物性的影響，進(jìn)一步對(duì)比自交聯(lián)變黏滑溜水的施工優(yōu)勢(shì)，在H-3井的第18段、第19段進(jìn)行了相同物性條件、相鄰兩端井的施工效果對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖5和圖6。

表3 H-1井采用自交聯(lián)變黏滑溜水的施工結(jié)果

H-3井的第18段為常規(guī)抗鹽減阻劑配制的普通滑溜水，施工中減阻劑加量0.16%，黏度1.6 mPa·s，受高礦化度的影響，提高減阻劑加量滑溜水黏度仍偏低，由圖5可見(jiàn)，施工波動(dòng)明顯，高砂濃度時(shí)壓力升高趨勢(shì)明顯。

H-3井的第19段采用的是自交聯(lián)變黏滑溜水施工，施工中加量0.1%，黏度2.3 mPa·s，受礦化度影響小，提高乳液加量滑溜水黏度還能進(jìn)一步增加。圖6施工曲線表明施工平穩(wěn)，相同排量下施工壓力明顯低于普通滑溜水，高砂濃度時(shí)壓力穩(wěn)定，表明自交聯(lián)變黏滑溜水在高礦化度施工用水情況下，其抗鹽、減阻、攜砂性能都優(yōu)于普通滑溜水。

圖5 H-3井第18段采用普通滑溜水的施工曲線

圖6 H-3井第19段采用自交聯(lián)變黏滑溜水的施工曲線

4 結(jié) 論

自交聯(lián)變黏壓裂液中的聚合物分子含有多種活性功能基團(tuán)可實(shí)現(xiàn)湍流減阻，分子締合及陰陽(yáng)離子對(duì)效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)分子間交聯(lián)，使得壓裂液具有良好的彈性攜砂能力。自交聯(lián)變黏壓裂液在減阻、攜砂、助排、抗鹽方面性能優(yōu)異；自交聯(lián)變黏壓裂液體系簡(jiǎn)單，一劑多效，低黏滑溜水與高黏壓裂液可自由轉(zhuǎn)換，提高了壓裂施工效率。在深層頁(yè)巖氣的應(yīng)用效果明顯，有效解決了返排液的配液?jiǎn)栴}，在深層頁(yè)巖氣開(kāi)采中具有很好的應(yīng)用前景。