高黏滑溜水在秋林致密砂巖氣壓裂中的應(yīng)用

馮 逢， 張琳羚， 劉 波， 張 浩， 楊 波， 蔣 欣

(1中國(guó)石油西南油氣田分公司致密油氣勘探開發(fā)項(xiàng)目部 2中國(guó)石油西南油氣田分公司勘探開發(fā)研究院 3 成都理工大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室4 成都理工大學(xué)能源學(xué)院)

0 引言

普通滑溜水?dāng)y砂能力弱，導(dǎo)致采用滑溜水進(jìn)行致密砂巖氣壓裂時(shí)耗水量大，大量壓裂液進(jìn)入儲(chǔ)層，可能導(dǎo)致氣相滲透率大幅降低，對(duì)產(chǎn)能帶來嚴(yán)重負(fù)面影響[1- 2]。交聯(lián)膠和線性膠雖然攜砂能力強(qiáng)，但通常滲透率傷害較高。高黏減阻劑(High Viscosity Friction Reducers，簡(jiǎn)稱HVFRs)具有良好的黏彈性[3- 4]，較普通滑溜水具有更高的攜砂能力且比交聯(lián)膠和線性膠具有更低的儲(chǔ)層傷害[5]，因此HVFRs可以用來替代高砂比階段使用的線性或交聯(lián)瓜爾膠[6]。近年在北美的非常規(guī)壓裂中，HVFRs取得了良好的應(yīng)用效果和經(jīng)濟(jì)效益。北美重要的七個(gè)油田(或盆地)(STACK、Anadarko、within the Meramee、Eagle Ford,Fayette County,TX、Haynesville、Osage、Utica)26口井施工情況統(tǒng)計(jì)顯示，HVFRs使用化學(xué)用劑成本下降30%～80%，耗水量減少30%，產(chǎn)量增幅30%～80%[7]。

四川秋林致密砂巖儲(chǔ)層具有低孔、低滲特點(diǎn)，孔隙度主要分布在8%～15%,平均為11.3%；滲透率主要分布在0.01～1 mD，平均0.57 mD。有效的儲(chǔ)層改造才能使之獲得工業(yè)氣流，但壓裂效果很容易因儲(chǔ)層傷害而變差。為了進(jìn)一步增加壓裂液攜砂性能，降低儲(chǔ)層傷害，增加充填裂縫滲透率，本文開展了HVFRs的篩選及應(yīng)用研究。

1 實(shí)驗(yàn)及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及儀器

選擇市場(chǎng)3種乳液型普通滑溜水減阻劑A、B、C及一種乳液型高黏減阻劑HVFRs。巖心滲透率損害實(shí)驗(yàn)采用低滲人造巖心，長(zhǎng)度約50 mm，直徑約25 mm。儀器有：HAAKE MARS III型流變儀、MZ- II型摩阻儀、ZD- 5型臺(tái)式多管式低速離心機(jī)、電動(dòng)攪拌器、電子天平、電熱恒溫水浴。

1.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及方法

測(cè)試不同濃度減阻劑下的黏度、耐鹽性、減阻率及巖心滲透率損害率；實(shí)驗(yàn)方法采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：SY/T 6376—2008《壓裂液通用技術(shù)條件》；SY/T 5107—2016《水基壓裂液性能評(píng)價(jià)方法》。黏度采用HAAKE MARS III型流變儀測(cè)試。巖心滲透率損害實(shí)驗(yàn)使用氣體孔滲聯(lián)測(cè)儀測(cè)定巖心的初始?xì)怏w滲透率K1，然后注入不同類型壓裂液破膠液濾液，注入氮?dú)獬浞址蹬?，再次測(cè)定其滲透率K2，根據(jù)兩次滲透率數(shù)據(jù)得到滲透率損害率。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 增黏性能

如圖1所示，4種減阻劑溶液黏度均隨減阻劑濃度的增加而增加，HVFRs較其它3種減阻劑具有更強(qiáng)增黏能力。相同濃度下，黏度由大到小為:HVFRs>減阻劑A>減阻劑B>減阻劑C；相同黏度下，HVFRs的用量顯著低于其它減阻劑。因此，HVFRs單位用量黏度最高，在保障滑溜水?dāng)y砂性能時(shí)，能有效減少減阻劑的用量，節(jié)約液體成本，降低儲(chǔ)層傷害。

圖1 減阻劑溶液黏度隨濃度變化對(duì)比圖(清水)

進(jìn)一步測(cè)試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)HVFRs濃度超過0.15%時(shí)，其黏度增加速度顯著加快，見圖2。

圖2 HVFRs溶液黏度隨濃度變化圖(清水)

黏濃關(guān)系由每增加0.1%聚合物濃度黏度增加33.4 mPa·s，變?yōu)樵黾?19.5 mPa·s，增黏效率增加2.6倍。這一現(xiàn)象歸因于聚合物之間相互作用力的增強(qiáng)，通常出現(xiàn)在水溶性疏水締合聚合物溶液中，當(dāng)聚合物濃度超過臨界締合濃度后，聚合物鏈之間開始結(jié)成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使得黏度和彈性迅速增加，溶液攜砂能力大幅增強(qiáng)[8]。因此，HVFRs高增黏效率使得可以通過調(diào)整稠化劑用量，來實(shí)現(xiàn)低、中、高黏滑溜水的配制(表1)，達(dá)到甚至超過線性膠的黏度。同時(shí)HVFRs溶解速度快，可實(shí)現(xiàn)全程在線混配，無需線性膠水化設(shè)備及備液罐，能有效節(jié)約成本并減少場(chǎng)地占用。

2.2 減阻性能

摩阻是滑溜水壓裂液最重要的一項(xiàng)參數(shù)，4種減阻劑測(cè)試結(jié)果如圖3所示。結(jié)果表明：0.05%、0.07%和0.10%濃度的HVFRs，較0.10%濃度的其它3種減阻劑的減阻性能好，10 000 s-1剪切速率下，HVFRs減阻率分別為74%、76%和78%。同時(shí)HVFRs表現(xiàn)出良好的耐剪切能力，剪切10 min減阻率僅有輕微降低，而減阻劑A、B、C在剪切2 min后，減阻率開始呈直線下降趨勢(shì)，剪切10 min時(shí)減阻率已下降至50%左右。此外，測(cè)試顯示HVFRs具有更快的水化速度，90 s時(shí)HVFRs減阻率已接近最大，說明其已充分水化，而其它3種減阻劑均在120 s時(shí)減阻率才達(dá)到最大。較快的水化速度有利于減阻劑發(fā)揮減阻效果及提升現(xiàn)場(chǎng)在線混配效率。

圖3 不同稠化劑濃度下滑溜水減阻性能

2.3 耐鹽性能

如圖4所示，0.1%濃度的減阻劑溶液黏度隨礦化度(KCl)的增加而降低。其中，HVFRs抗鹽性最好，隨礦化度增加，HVFRs黏度降低很小。而其它3種減阻劑黏度均出現(xiàn)大幅下降，例如礦化度為20 000 mg/L時(shí)，減阻劑A、B、C黏度下降幅度分別為33.78%、37.16%、52.23%。另外，不同濃度減阻劑黏度測(cè)試結(jié)果顯示(圖5)，相同濃度減阻劑加量下，HVFRs黏度比常規(guī)減阻劑黏度高40%以上。因此，HVFRs具有較好的抗鹽性，使得配液用水礦化度范圍更廣，與低廉防膨劑(KCl)配伍性更強(qiáng)，有利于返排水的利用和成本控制。

2.4 巖心滲透率損害

對(duì)比測(cè)試變黏滑溜水HVFRs和常規(guī)滑溜水體系對(duì)儲(chǔ)層巖心的傷害情況(見表2)。HVFRs對(duì)巖心滲透率損害率約為9.32%，遠(yuǎn)低于常規(guī)滑溜水A和B的14.57%和16.89%。

圖4 0.1%濃度減阻劑溶液黏度與礦化度關(guān)系

圖5 不同濃度減阻劑在20 000 mg/L KCl下的黏度

表2 不同滑溜水對(duì)巖石傷害測(cè)試結(jié)果

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 變黏滑溜水現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用模式

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工排量及滑溜水配方，按照一定比例將稠化劑及其他添加劑直接泵入混砂車攪拌池。稠化劑在攪拌池中20 s即可黏，40 s溶脹率可達(dá)到90%，現(xiàn)配現(xiàn)用完全滿足了現(xiàn)場(chǎng)施工要求。通過改變稠化劑的濃度，實(shí)現(xiàn)低、中、高黏滑溜水在線自由切換。

3.2 典型井對(duì)比分析

3.2.1 地質(zhì)參數(shù)對(duì)比

秋林202- H1、秋林203- H1、秋林10- H1井均為2019年在秋林地區(qū)實(shí)施的壓裂水平井。3口井均分布在秋林區(qū)塊沙2段8號(hào)砂組預(yù)測(cè)的有利儲(chǔ)集帶上。從儲(chǔ)層物性看，平均孔隙度均在11%左右，含水飽和度40%左右。秋林202- H1、秋林203- H1、秋林10- H1井壓裂段長(zhǎng)度分別為1 119 m、1 122 m、891 m；Ⅰ、Ⅱ類儲(chǔ)層之和秋林202- H1(857.6 m)井比秋林203- H1(487.2 m)和秋林10- H1井(258.4 m)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，平均孔隙度11.9%也略高于另2口井的10.5%、10.7%。

3.2.2 壓裂施工概況及對(duì)比

秋林202- H1井采用常規(guī)滑溜水+交聯(lián)膠，秋林203- H1井采用常規(guī)滑溜水+線性膠，秋林10- H1井采用HVFRs滑溜水體系。3口井先后于2019年4、6、10月施工，措施效果具有明顯差異。3口井壓裂效果影響因素較多，施工參數(shù)也不盡相同，但仍有一定可比性，詳細(xì)參數(shù)見表3。

表3 三口井施工參數(shù)統(tǒng)計(jì)對(duì)比表

秋林202- H1井儲(chǔ)層品質(zhì)最好，但施工效果最差，壓后絕對(duì)無阻流量?jī)H7.7×104m3/d，為另外兩井的22%，最終產(chǎn)量不足兩口井的1/4。該井用液量2.4×104m3，約為另外兩井的1.2倍；砂量3 393 t，約為另外兩井的77%。分析認(rèn)為，主要是交聯(lián)膠對(duì)儲(chǔ)層傷害大，裂縫滲透率保留率低，很可能導(dǎo)致儲(chǔ)層傷害后滲透率大幅降低。

秋林202- H1井與秋林10- H1井壓后絕對(duì)無阻流量相當(dāng)，分別為35.6×104m3/d、33.4×104m3/d。加砂量和用液量也相當(dāng)，加砂量均為4 400 t，液量均約為2×104m3。但秋林203- H1井全程加砂為40/70目，其中22%(1 014 t)為陶粒，而秋林10- H1井為粒徑更小的石英砂，采用70/140目(80%)和40/70目(20%)組合，理論上，支撐劑粒徑更大的秋林203- H1井裂縫滲透率更高。同時(shí)，秋林203- H1井Ⅰ、Ⅱ類儲(chǔ)層總厚度也明顯高于秋林10- H1井，達(dá)到了1.9倍。秋林203- H1地質(zhì)條件和支撐劑均顯著優(yōu)于秋林10- H1井，但絕對(duì)無阻流量卻相當(dāng)。推測(cè)秋林10- H1井變黏滑溜水HVFRs體系比起普通滑溜水+線性膠的秋林203- H1有更低的儲(chǔ)層傷害，從而使得前者在壓裂段長(zhǎng)度僅為后者80%、優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層僅為后者53%的情況下，仍然保持了幾乎相同的絕對(duì)無阻流量。

從攜砂能力看，三種體系最高砂濃度分別為480 kg/m3、520 kg/m3、520 kg/m3，采用HVFRs體系后，典型的施工曲線如圖6，整個(gè)施工過程壓力平穩(wěn)，說明高黏滑溜水具有較強(qiáng)的攜砂能力。

3.3 總體應(yīng)用情況

在前期總結(jié)的基礎(chǔ)上，后期秋林地區(qū)沙2段8號(hào)砂組均采用變黏滑溜水HVFRs體系。截止2020年6月，該區(qū)塊已采用HVFRs壓裂5口井，絕對(duì)無阻流量33.4×104～214.1×104m3/d，平均84.5×104m3/d，顯示出良好的改造效果(表4)。目前該技術(shù)已成為四川致密砂巖氣改造獲得突破的關(guān)鍵技術(shù)之一。

圖6 秋林10- H1井典型加砂壓裂曲線圖(第三段)

表4 秋林區(qū)塊水平井壓裂效果統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)論及建議

(1)高黏減阻劑HVFRs可以通過調(diào)整配液濃度自由地改變黏度，實(shí)現(xiàn)一劑多用，其攜砂能力能夠達(dá)到甚至超過線性膠的攜砂能力，基本滿足了細(xì)粒支撐劑(40/70目以下)為主的致密砂巖壓裂的加砂要求。

(2)高黏減阻劑HVFRs迅速水化速度特征滿足全程在線混配要求，可節(jié)約配液成本、場(chǎng)地和時(shí)間，適用于大規(guī)模體積壓裂施工。同時(shí)，高黏滑溜水HVFRs傷害低，秋林地區(qū)單井壓后絕對(duì)無阻流量均在30×104m3/d以上，顯示出良好的增產(chǎn)效果。

(3)目前變黏滑溜水在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用還不普及，應(yīng)繼續(xù)改進(jìn)其黏度可調(diào)范圍，增強(qiáng)攜砂能力，滿足高黏造主縫、低黏擴(kuò)縫、攜帶粗粒支撐劑和連續(xù)高強(qiáng)度加砂的壓裂工藝需求。以期通過“控液提砂” 降低總?cè)刖毫?、增加入井總砂量，最終實(shí)現(xiàn)降低儲(chǔ)層傷害，達(dá)到降本增效的目的。