環(huán)保低傷害滑溜水壓裂液體系研究及應(yīng)用

余維初 周東魁 張 穎 王永東 樊平天 銀 偉

(1. 長(zhǎng)江大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院， 湖北 荊州 434000；2. 延長(zhǎng)油田股份有限公司南泥灣采油廠， 陜西 延安 716000；3. 延長(zhǎng)油田股份有限公司， 陜西 延安 716000；4. 中原石油工程有限公司井下作業(yè)公司， 河南 濮陽(yáng) 457000 )

延長(zhǎng)油田主力開(kāi)發(fā)區(qū)塊位于鄂爾多斯盆地陜北斜坡東部，勘探、開(kāi)發(fā)生產(chǎn)實(shí)踐表明，延長(zhǎng)組低滲油藏蘊(yùn)含豐富的油氣資源，具有較大的勘探開(kāi)發(fā)潛力。區(qū)域延長(zhǎng)組油藏以河流、三角洲、湖泊沉積為主，巖石類型主要為陸源碎屑巖(砂巖、粉砂巖、泥巖等)，并普遍夾有薄層凝灰?guī)r[1-5]。N199-2井位于全區(qū)東部，構(gòu)造處于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡，主要為灰白色塊狀中-細(xì)粒長(zhǎng)石砂巖厚層與灰綠、深灰色-黑色砂質(zhì)泥巖和粉砂巖的不等厚互層。區(qū)域天然裂縫發(fā)育，以高角度、張性構(gòu)造裂縫為主。由于鉆井方向沿最小主應(yīng)力方向，所以水力壓裂會(huì)形成垂直于井筒方向的裂縫，有利于增大裂縫與儲(chǔ)層的接觸面積，達(dá)到體積壓裂的效果。

水力壓裂中壓裂液的作用至關(guān)重要，壓裂液與儲(chǔ)層流體及巖石不配伍，會(huì)造成嚴(yán)重的儲(chǔ)層傷害[6]。資料顯示，壓裂液侵入是造成低孔低滲油層儲(chǔ)層傷害和后續(xù)產(chǎn)能低的重要因素，因此優(yōu)選一種低傷害的壓裂液對(duì)改善壓裂投產(chǎn)效果意義重大。針對(duì)目標(biāo)區(qū)域油藏特征，研發(fā)了一種礦場(chǎng)適用的低傷害、環(huán)保、高效減阻滑溜水壓裂液體系，在油田現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后效果良好。

1 壓裂液體系研究

1.1 減阻劑研究

減阻劑是組成滑溜水壓裂液的核心助劑。此次研究的減阻劑為JHFR-2減阻劑，由丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸及含氟功能單體等按一定比例混合，分散相采用含有降低分子摩擦系數(shù)基團(tuán)的復(fù)合溶劑，在水中以過(guò)硫酸銨為引發(fā)劑通過(guò)自由基引發(fā)分散聚合。JHFR-2減阻劑溶液中，由于其黏彈性在湍流旋渦中發(fā)生相互作用，湍流旋渦的一部分動(dòng)能被聚合物分子吸收，以彈性能形式儲(chǔ)存起來(lái)，使溶液在管道或地層裂縫中流動(dòng)時(shí)進(jìn)行有序的排列，從而顯著降低了壓裂液的流動(dòng)摩阻。

1.1.1 減阻劑溶解性能研究

大多數(shù)高分子聚合物減阻劑加入水中時(shí)，需要一定的時(shí)間溶解后，才能發(fā)揮其減阻作用，減阻劑的溶解性越好，則減阻效果越好。另外，減阻劑的溶解性與其對(duì)儲(chǔ)層的傷害有直接關(guān)系，若減阻劑的溶解性太差，則將面臨不溶物堵塞巖石孔喉和人工裂縫的風(fēng)險(xiǎn)，因此要求減阻劑具有很好的溶解性才能更好地滿足儲(chǔ)層增產(chǎn)改造的需求。

自來(lái)水中加入0.1%的JHFR-2減阻劑，室溫下攪拌5 min后靜置，觀察減阻劑的溶解情況，如圖1所示。同時(shí)利用JHJZ-I高溫高壓動(dòng)態(tài)減阻評(píng)價(jià)系統(tǒng)[7]，通過(guò)減阻劑在循環(huán)管道(內(nèi)徑10 mm)中發(fā)揮減阻效果的時(shí)間來(lái)評(píng)價(jià)其溶解速度，測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

圖1 0.1%JHFR-2減阻劑在水中的溶解情況

圖2 0.1%JHFR-2減阻率隨時(shí)間的變化規(guī)律

從圖1可知，0.1% JHFR-2減阻劑溶液呈無(wú)色透明狀態(tài)，說(shuō)明其溶解性好。從圖2可知，減阻劑具有速溶能力，無(wú)需事先配液，可直接泵入混砂車實(shí)現(xiàn)在線自動(dòng)化添加，這對(duì)目標(biāo)區(qū)塊壓裂施工、井場(chǎng)操作具有重要意義。

1.1.2 減阻劑減阻性能研究

實(shí)驗(yàn)測(cè)試JHFR-2減阻劑在不同排量下其濃度與減阻率的關(guān)系，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，一定濃度下，隨著排量的增加，減阻率呈上升趨勢(shì)。一定排量下，隨著減阻劑濃度的增加，減阻率先增大后減小，在減阻劑濃度為0.1%左右時(shí)減阻率達(dá)到最大。減阻率在減阻劑濃度達(dá)到0.5 %時(shí)減阻效果較差，該濃度下，排量為40 L/min時(shí)，減阻率為75.3%，排量為10 L/min時(shí)，減阻率為50.7%。這主要是因?yàn)楦邼舛认聣毫岩吼ざ容^大，導(dǎo)致減阻效果明顯變差，在低排量下尤其明顯。因此，在壓裂施工中應(yīng)選擇合適的壓裂液濃度和排量，才能使其發(fā)揮最佳的減阻效果。

圖3 JHFR-2減阻劑在不同排量下其濃度與減阻率的關(guān)系

1.1.3 抗鹽性能評(píng)價(jià)

抗鹽性能是滑溜水壓裂液的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)，抗鹽性能好的滑溜水壓裂液采用地層水、海水及壓裂返排水配液，其減阻性能都不受影響，并且使用各種水質(zhì)配液都能滿足施工要求，實(shí)現(xiàn)壓裂返排液的重復(fù)利用[8-9]。在25 ℃、排量為30 L/min條件下，實(shí)驗(yàn)測(cè)定滑溜水壓裂液在清水、5%NaCl、3%CaCl2溶液中的減阻率，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 減阻率測(cè)試結(jié)果

由表1可知，滑溜水壓裂液在不同的水質(zhì)中減阻率都能達(dá)到70%以上?；锼畨毫岩旱臏p阻性能幾乎不受返排液和鹽水的影響，因此施工過(guò)程中的壓裂返排液及油藏生產(chǎn)水，可循環(huán)用于后續(xù)的壓裂施工中，既節(jié)約了大量的水資源，又降低了水處理的成本。

1.1.4 生物毒性評(píng)價(jià)

滑溜水壓裂液在進(jìn)入地層后，即使經(jīng)過(guò)返排也有大量的壓裂液會(huì)滯留在地層，因此，選擇無(wú)生物毒性的滑溜水壓裂液對(duì)環(huán)境保護(hù)有著重要的意義[10]。室內(nèi)采用DXY-3生物毒性測(cè)試儀，參考標(biāo)準(zhǔn)SY/T6788-2010《水溶性油田化學(xué)劑環(huán)境保護(hù)技術(shù)評(píng)價(jià)方法》，評(píng)價(jià)0.1%JHFR-2滑溜水壓裂液的生物毒性，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 生物毒性測(cè)試

標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，發(fā)光細(xì)菌的EC50>20 000 mg/L時(shí)為無(wú)毒，從表2可知，0.1%JHFR-2減阻劑無(wú)生物毒性。

1.1.5 儲(chǔ)層傷害評(píng)價(jià)

壓裂所造成的儲(chǔ)層傷害一直是低滲透油田開(kāi)發(fā)中首要解決的問(wèn)題。在實(shí)施壓裂增產(chǎn)的過(guò)程中，應(yīng)盡量減少壓裂液對(duì)儲(chǔ)層造成的傷害。其中，選擇合適的壓裂液體系，特別是減阻劑的選用，是減少壓裂液對(duì)儲(chǔ)層傷害、提高單井產(chǎn)量的關(guān)鍵技術(shù)之一[11]。

殘?jiān)恳部梢苑磻?yīng)入井流體對(duì)儲(chǔ)層的傷害程度，按照能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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》對(duì)減阻劑溶液進(jìn)行殘?jiān)康臏y(cè)試，發(fā)現(xiàn)0.1%JHFR-2溶液殘?jiān)繛榱恪?/p>

通過(guò)巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試JHFR-2減阻劑對(duì)巖心滲透率的影響。實(shí)驗(yàn)巖樣為人造巖心，通過(guò)巖心滲透率的變化來(lái)評(píng)價(jià)巖心傷害的程度。減阻劑對(duì)巖心滲透率的傷害程度見(jiàn)表3?？梢钥闯?，JHFR-2減阻劑造成的巖心滲透率傷害程度不到10%，表明在壓裂施工時(shí)JHFR-2減阻劑對(duì)儲(chǔ)層傷害小，有利于保護(hù)環(huán)境，提高儲(chǔ)層改造效果。

表3 減阻劑對(duì)巖心滲透率的傷害程度

1.2 多功能添加劑研制

通過(guò)將不同的助劑進(jìn)行復(fù)配，得到一種具有黏土穩(wěn)定和助排功能的多功能添加劑，評(píng)價(jià)多功能添加劑的表面張力和防膨效果，最后篩選出合適的多功能添加劑。參考國(guó)家能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/14003.1《頁(yè)巖氣壓裂液第一部分：滑溜水性能指標(biāo)及評(píng)價(jià)方法》及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》，對(duì)其表面張力、防膨性能進(jìn)行測(cè)試。多功能添加劑的評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 多功能添加劑評(píng)價(jià)結(jié)果

JHFD-1能有效抑制黏土膨脹，但是表面張力偏高，JHFD-3能有效降低表面張力，但是黏土膨脹體積偏大。對(duì)比3種多功能添加劑可發(fā)現(xiàn)，相同濃度下，JHFD-2的性能最佳，并且在濃度為0.2%時(shí)就能達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。因此，確定了以0.2%JHFD-2為輔劑，壓裂液配方為(0.1%JHFR-2)+(0.2%JHFD-2)。其性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 表面張力、防膨性能評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，壓裂液滿足表面張力≤28 mN/m、黏土膨脹體積≤3.0 mL方為合格，從表5可知，滑溜水壓裂液(0.1%JHFR-2)+(0.2%JHFD-2)完全滿足要求，能顯著降低表面張力、抑制黏土膨脹。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

針對(duì)長(zhǎng)6儲(chǔ)層致密、天然裂縫發(fā)育的特點(diǎn)，借鑒國(guó)外非常規(guī)油氣藏開(kāi)發(fā)的成功經(jīng)驗(yàn)，采用大液量、大排量、低砂比分段壓裂，溝通天然裂縫，形成復(fù)雜網(wǎng)狀縫網(wǎng)，使油層改造體積(SRV)大幅度提高。同時(shí)利用大排量在形成復(fù)雜縫網(wǎng)過(guò)程中支撐劑同步在裂縫中有效鋪置和支撐，從而在保證施工安全的前提下，有效形成油流通道。在射孔方式上，根據(jù)生產(chǎn)層位的地理位置及構(gòu)造特征，結(jié)合各項(xiàng)參數(shù)，選擇水平井多簇射孔(球籠式)+速鉆橋塞分段壓裂，提高施工效率。壓裂施工結(jié)束后，放噴并迅速鉆塞、清除井筒殘留物，以降低對(duì)儲(chǔ)層的傷害。

2.1 施工參數(shù)

采用環(huán)保低傷害滑溜水壓裂液體系對(duì)N199—2井共施工8段，第一、二段注入滑溜水壓裂液1 325 m3，40/70目支撐劑(石英或陶粒)15 m3，30/50目支撐劑32 m3，20/40目支撐劑20 m3；第三到第六段注入滑溜水壓裂液1 100 m3，40/70目支撐劑(石英或陶粒)13.5 m3，30/50目支撐劑32.5 m3，20/40目支撐劑12 m3；第七、八段注入滑溜水壓裂液880 m3，40/70目支撐劑(石英或陶粒)13 m3，30/50目支撐劑20 m3，20/40目支撐劑12 m3?？傆?jì)注入滑溜水壓裂液8 810 m3，40/70目支撐劑110 m3，30/50目支撐劑234 m3，20/40目支撐劑112 m3。其中JHFR-2納米減阻劑總用量為8.8 m3；JHFD-2 多功能添加劑總用量為18 m3，滑溜水總量達(dá)8 800 m3，前置液超過(guò)總液體量的30%，滑溜水體系運(yùn)動(dòng)黏度小于2 mm2/s，先造縫，后采用小階梯、段塞填砂方式施工。前置液中加細(xì)粒40/70目陶粒段塞，攜砂液用30/50目石英砂支撐劑，尾部追加20/40目石英砂。加砂方式一是采用小階梯，二是采用段塞式。小階梯加砂先用低砂比，逐漸增加砂比，目的同加大前置液一樣，使造縫的壓裂液含砂量少一點(diǎn)，以減少阻力和沉降。段塞式加砂實(shí)際是更進(jìn)一步降低砂比，注入一個(gè)段塞后，用滑溜水將砂段塞向地層裂縫深部推進(jìn)。

現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)發(fā)現(xiàn)，在采用大排量低砂比橋塞分段壓裂施工技術(shù)時(shí)，減阻率可達(dá)70%。第五段壓裂施工曲線及壓裂參數(shù)統(tǒng)計(jì)分別如圖4和表6所示。

圖4 N199-2井第五段壓裂施工曲線

表6 N199-2井壓裂參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

由此可知，采用環(huán)保低傷害滑溜水壓裂液可滿足低滲透長(zhǎng)6儲(chǔ)層現(xiàn)場(chǎng)壓裂要求，且其減阻性能優(yōu)良，施工壓力穩(wěn)定，表現(xiàn)出良好的適應(yīng)性。

壓裂同時(shí)進(jìn)行井中壓裂微地震檢測(cè)，監(jiān)測(cè)7段193個(gè)事件點(diǎn)。從監(jiān)測(cè)結(jié)果整體來(lái)看，壓裂裂縫東西兩翼基本相等，裂縫網(wǎng)絡(luò)內(nèi)微地震事件密度較大，儲(chǔ)層改造較為充分。第五段微地震事件密度體及儲(chǔ)層改造體積SRV如圖5所示，裂縫解釋結(jié)果見(jiàn)表7。

圖5 第五段微地震事件密度體及儲(chǔ)層改造體積(SRV251.775×104 m3)

表7 N199-2井裂縫參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

第五段壓裂裂縫東西兩翼基本相等，縫長(zhǎng)、縫寬、縫高及儲(chǔ)層改造體積均達(dá)到一定規(guī)模，改造較為充分，為本井實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)奠定了工程基礎(chǔ)。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

使用環(huán)保低傷害滑溜水壓裂液進(jìn)行壓裂施工的N199-2井與同一地質(zhì)條件下的鄰井N199-1、3、4井產(chǎn)量對(duì)比情況見(jiàn)表8。

表8 4口井壓裂效果對(duì)比

由表8可知，使用環(huán)保低傷害滑溜水壓裂液的N199-2井壓裂后6個(gè)月的累計(jì)產(chǎn)油量是鄰井6個(gè)月、甚至12個(gè)月累計(jì)產(chǎn)油量的近2倍，壓裂增產(chǎn)效果顯著，表明本次壓裂達(dá)到了對(duì)儲(chǔ)層增產(chǎn)改造的目的，具有良好的應(yīng)用前景。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1) 室內(nèi)研究表明，(0.1%JHFR-2)+(0.2%JHFD-2)滑溜水壓裂液體系可在30 s內(nèi)速溶，滿足現(xiàn)場(chǎng)即配即注的施工要求，具有減阻性能優(yōu)良、儲(chǔ)層傷害低、抗鹽性能優(yōu)良、無(wú)生物毒性等特性，有利于保護(hù)環(huán)境、保護(hù)儲(chǔ)層，還可緩解開(kāi)發(fā)過(guò)程中的水資源短缺問(wèn)題。

(2) 通過(guò)在南泥灣油田N199-2井現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，環(huán)保低傷害滑溜水壓裂液體系加量少、溶解速度快且無(wú)殘?jiān)?，減阻效果明顯，減阻率達(dá)到70%以上，滿足大液量、大排量、低砂比多簇射孔橋塞分段壓裂施工技術(shù)要求，不僅可以有效形成壓裂縫網(wǎng)，降低對(duì)長(zhǎng)6儲(chǔ)層的傷害，同時(shí)也有效降低了作業(yè)成本。

(3) N199-2井是首次在該區(qū)域延長(zhǎng)組長(zhǎng)6儲(chǔ)層開(kāi)展的大排量、大液量、環(huán)保低傷害滑溜水體系壓裂試驗(yàn)，儲(chǔ)層改造體積(SRV)較常規(guī)技術(shù)大幅度提高，縫長(zhǎng)、縫寬、縫高及改造體積均達(dá)到一定規(guī)模，第五段SRV達(dá)到251.775×104m3，儲(chǔ)層改造體積與施工液量成正比關(guān)系，通過(guò)后續(xù)產(chǎn)能可以看出壓裂后6個(gè)月的累計(jì)產(chǎn)油量是鄰井累計(jì)產(chǎn)油量的近2倍，壓裂增產(chǎn)效果顯著。