低傷害滑溜水壓裂液在長寧區(qū)塊的應用

陳 挺，鄒清騰，柴 劍，王志強，馮向濤

1.中國石油渤海鉆探工程技術研究院，天津 300280；2.中國石油浙江油田分公司鉆采工程研究院，浙江杭州 310023；3.中國石油渤海鉆探井下技術服務分公司，天津 300280）

頁巖儲層具有低豐度、低滲透、低孔隙度的特點，必須采用水平井+體積壓裂的方式施工[1-2]，才可獲得有效改造體積以進行工業(yè)化生產[3-4]。頁巖氣儲層分布穩(wěn)定、橫向分布均勻，能夠滿足“井工廠”作業(yè)批量化布井的要求[5]，在涪陵、昭通、威遠、長寧等地，水平井工廠化體積壓裂技術被廣泛應用。體積壓裂用液量大，單個平臺壓裂液用量達到數十立萬方[6]，且返排率較低，在整個生產周期內只有10%～60%的液體能夠返排出地面[7-8]。為達到降低摩阻、快速返排、防止黏土膨脹的目的，壓裂液中需要添加多種化學藥劑[9]，未返排出地面的壓裂液會污染地層水[10-12]，對當地環(huán)境保護構成威脅。本文采用易降解的生物柴油替代常規(guī)白油[13]，環(huán)己烷作為油相，采用反向乳液聚合法制備了一種對儲層傷害較低的滑溜水降阻劑，并根據長寧區(qū)塊的儲層物性篩選了合適的液體防膨劑和助排劑，形成一套低傷害滑溜水體系。

1 滑溜水體系實驗

1.1 實驗試劑與儀器

實驗試劑：分析純丙烯酰胺（AM）、 2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS）、偶氮二異丁腈、Span-80、Tween-80，實驗室自制十八烷基二甲基烯丙基氯化銨、生物柴油（工業(yè)級）。

實驗儀器：YP2001 型電子天平、HDM-5000D型數顯調溫攪拌電熱套、DV2TLV 型旋轉黏度計、JYW-200C 全自動表面張力儀、氮氣保護裝置。

1.2 滑溜水體系制備

將乳化劑Span80 和Tween80 按一定比例加入帶有攪拌裝置的三口燒瓶中，并通入氮氣保護，在室溫下以500 r/min 的速率攪拌 10 min，得到均勻的油相體系。將水溶性的單體丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸和十八烷基二甲基烯丙基氯化銨按一定比例充分溶解于水中。在 45 ℃條件下將水相逐滴加入油相中，以偶氮二異丁腈作為引發(fā)劑。通入氮氣保護，恒溫反應4～5 h 后獲得白色乳狀液降阻劑BH-JZ。

為了簡化滑溜水在線混配施工工序，減少液添泵的使用，根據長寧區(qū)塊儲層物性，復配了多功能滑溜水助劑，同時具備防止黏土膨脹和快速返排性能。多功能助劑包括小分子陽離子防膨劑和氟碳表面活性劑，二者均為水溶液，可以任意比例混合，室內實驗分別評價了防膨性和表面張力。壓裂施工現場用水為長寧區(qū)塊地表水與其他井場返排液混合得到的混合水，礦化度為3 500～6 500 mg/L，室內實驗用水為清水（自來水）和混合水。

2 滑溜水體系性能評價

2.1 降阻劑增黏性能

分別采用清水和混合水配制不同降阻劑質量分數的滑溜水，體系黏度和起黏時間如圖1 所示。從圖 1 可以看出，降阻劑質量分數為 0.10%時，清水和混合水體系的黏度分別為 2.75 mPa·s 和 2.43 mPa·s，體系黏度隨著降阻劑質量分數的增大而增大。降阻劑在兩種水中溶解迅速，起黏時間28～59 s，隨著降阻劑質量分數的增大而減小，顯示出良好的分散性。通過對比可知，降阻劑 BH-JZ 在不同礦化度的水中均具備良好的分散性且起黏時間短，能夠滿足現場施工要求。

圖1 降阻劑對黏度和起黏時間的影響

2.2 降阻率

采用混合水配制添加 BH-JZ 降阻劑的滑溜水溶液，使用多功能動態(tài)減阻評價裝置考察流速、降阻劑質量分數對降阻率的影響，結果如圖2 所示。由圖中可知，降阻率隨著降阻劑質量分數的增大而增大。這是由于溶解后的降阻劑大分子鏈充分伸展，隨著濃度的增加，大分子鏈間存在相互纏繞的現象，減少了在高排量下產生湍流現象所消耗的能量，從而降低施工摩阻。當質量分數為 0.05%時，降阻率為66.4%；當質量分數為0.10%時，降阻率為73.2%，進一步增大降阻劑質量分數，降阻率增加幅度不大。這是由于溶液中聚合物的摩爾數達到一定值后，部分聚合物之間或單個聚合物分子呈現出自身纏繞成線團結構的趨勢，吸收與釋放能量的能力減弱，故降阻劑的質量分數選擇 0.10%較為合適?？紤]施工成本，降阻劑質量分數選擇0.10%即可滿足施工要求。

圖2 降阻劑質量分數對降阻率的影響

2.3 防膨性能

采用長寧區(qū)塊地表水與返排液組成的混合水配制滑溜水，進入儲層后與地層不配伍，易導致黏土礦物膨脹、分散和運移。由于工廠化壓裂段數多，單井整體壓裂完成后才會采取放噴措施，故壓裂液在地層中滯留時間較長，如果不采取有效防膨措施將導致儲層滲透率降低，影響壓裂效果。長寧區(qū)塊黏土含量為20%～35%，以伊利石為主，存在部分伊蒙混層[8]。為滿足連續(xù)混配要求，不采用固體氯化鉀和配伍性較差的高分子陽離子類黏土穩(wěn)定劑，而選用小分子陽離子黏土穩(wěn)定劑。

采用離心法測定防膨率。將0.50 g 膨潤土與10 mL含有不同質量分數防膨劑的混合液置于20 mL離心管中，充分搖勻后靜置2 h，在轉速1 500 r/min 條件下離心分離15 min，讀出膨潤土膨脹后的體積V1。分別用10 mL 清水和10 mL 煤油替代含有防膨劑的混合液，重復上述步驟，測定膨潤土在清水和煤油中的膨脹體積 V2和 V0。防膨率由公式（V2-V1）/（V2-V0）×100%計算得到。計算可知，當防膨劑質量分數為 1.00%時，具有較好的防膨效果。增大防膨劑濃度，防膨效果變化不大?？紤]施工成本，防膨劑質量分數選擇1.00%。

2.4 助排性能

在致密油氣藏中，壓裂施工過程中壓裂液沿裂縫壁面進入儲層孔隙、喉道，地層流體由原來的氣體單相流變?yōu)闅庖簝上嗔?，如果氣層壓力不能克服升高的毛細管力，就會造成壓裂液返排困難，出現嚴重的水鎖效應。壓裂液在地層中滯留時間越長，則水鎖效應越嚴重，需要加入合適的表面活性劑降低表面張力，促進液體返排。氟碳表面活性劑用量少，表面活性極高，化學穩(wěn)定性好，近年來在石油行業(yè)應用比較廣泛。當助排劑質量分數為0.10%時，表面張力小于30.00 mN/m，能夠滿足行業(yè)標準要求，隨著助排劑質量分數增大，表面張力進一步減小?？紤]到地層吸附，返排液中助排劑質量分數會大幅度降低；為了保證較好地返排性能，質量分數選擇0.50%。

將降阻劑、防膨劑和助排劑按照質量分數分別為0.10%、1.00%和0.50%加入混合水中，得到低傷害滑溜水體系BH-SW，放置24 h 無絮凝、沉淀現象發(fā)生，表觀黏度3.27 mPa·s，表面張力23.18 mN/m，與單獨測試助劑所的數據基本一致，說明體系配伍性良好。

2.5 巖心傷害率

使用長寧區(qū)塊頁巖巖心（4 232～4 126 m）評價了不同壓裂液體系的巖心傷害率。實驗時，首先用去離子水驅替巖心得到滲透率k1，然后用BH-SW體系和常規(guī)滑溜水體系分別驅替巖心，得到滲透率k2，傷害率計算方法為（k1-k2）/ k1，每種壓裂液體系驅替兩次，計算傷害率的平均值。實驗結果如表1 所示，低傷害滑溜水體系的巖心傷害率小于常規(guī)滑溜水體系，對地層的污染較低。

表1 不同壓裂液體系巖心傷害率

3 BH-SW 滑溜水體系現場應用

長寧區(qū)塊NH8 平臺共6 口水平井，首先對下半支4 井、5 井、6 井進行拉鏈式壓裂施工，上半支2井下入12 級Maxiwave 井下檢波器，級間距20 m，檢波器深度為2 730～2 950 m，用于監(jiān)測施工井的裂縫展布情況。

BH-SW 滑溜水體系在 NH8-5 井進行了全程應用，施工時使用液添泵將降阻劑與助劑按1∶1 比例吸入混砂罐中?，F場取樣測試，加入BH-SW 滑溜水體系的壓裂液40 s 內起黏，黏度2.56 mPa·s，能夠滿足現場施工要求。以第12 段施工曲線為例，如圖3 所示，第12 段施工排量12.6 m3/min，一般施工泵壓為77～85 MPa，地層破裂壓力81 MPa；主壓裂前擠注15.5 m3鹽酸降低地層破裂壓力，注入滑溜水1 963.30 m3，線性膠30.2 m3，加砂總量80.21 t，其中 70/140 目石英砂 42.26 t，40/70 目陶粒 37.95 t，最高砂濃度160 kg/m3，平均砂濃度97.81 kg/m3。本井壓裂共注入滑溜水54 445.24 m3，70/140 目石英砂826.15 t，40/70 目陶粒 2 201.34 t。通過施工曲線可知，環(huán)保型滑溜水體系性能穩(wěn)定，施工過程壓力平穩(wěn)，降阻劑與多功能助劑可以很好地適應混合水礦化度較高和雜質含量大的條件，有利于返排液回收利用。微地震監(jiān)測結果顯示，4 井波及地質體積6 375.6×104m3，5 井波及地質體積 4 839.7×104m3，6 井波及地質體積3 420.7×104m3。通過對比可知，采用BHSW 滑溜水體系壓裂的5 井的裂縫展布范圍大、改造效果好，優(yōu)于采用常規(guī)滑溜水壓裂的6 井。

圖3 NH8-5 井第12 段施工曲線

3 口井施工結束后悶井5 d 開井，用3～12 mm油嘴放噴返排，NH8-5 井井口壓力由34.60MPa 下降到5.68 MPa，累計排液22 444 m3，返排率41.220%；累計產氣4 058×104m3，輸氣壓力4.6 0MPa。NH8-4井返排率29.020%，累計產氣5 727×104m3；NH8-6 井返排率39.016%，累計產氣4 085×104m3（圖4）。該區(qū)塊水平井采用常規(guī)壓裂液壓后返排率為25.000%～40.000%，采用低傷害滑溜水體系的5 井返排率進一步提高。未返排出地層的生物柴油可降解性高，地層污染程度低。試氣結果表明，3 口井經過壓裂改造后達到地質設計預期，具備工業(yè)化天然氣生產能力。

圖4 產氣量與井口壓力對比

4 結論

（1）低傷害滑溜水降阻劑，當質量分數為0.10%時，降阻率達到73.2%。選擇小分子陽離子防膨劑和氟碳類助排劑，與降阻劑配伍性能良好，能夠使用長寧區(qū)塊地表水與返排液組成的混合水配制滑溜水。

（2）由低傷害降阻劑配制的滑溜水壓裂液體系在長寧區(qū)塊NH8 平臺進行現場試驗，在線混配施工時溶解速度快，施工壓力平穩(wěn)，100%完成設計加砂量。現場試驗表明，該滑溜水體系能夠達到常規(guī)滑溜水體系性能，可減輕地層污染及環(huán)保壓力。