一體化自交聯(lián)乳液型壓裂液體系的應(yīng)用

邊天宏，張偉杰，何冬愛

延長油田股份有限公司志丹采油廠（陜西 志丹 717500）

1 組成及性能測定

1.1 組成及基本性能

一體化自交聯(lián)乳液型壓裂液APFR-6是一種乳白色液體，丙烯酰胺單體、改性單體、油溶性溶劑、水、乳化劑等為主要原料，是由壓裂用增稠劑、助排劑、破膠劑（過硫酸銨）等化學(xué)品按照一定比例配制而成，密度為0.9～1.1 g/cm3，pH值為5.0～8.0。其水溶解時間≤1 min，溶液黏度≥50 mPa·s，靜態(tài)懸砂時間≥30 min，120 ℃時剪切90 min的黏度≥30 mPa·s，破膠液黏度≤5 mPa·s。

1.2 黏度測定

1）基液黏度：基液黏度代表稠化劑的增稠能力與溶解速度。一體化自交聯(lián)乳液型壓裂液基液黏度可采用六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)現(xiàn)場測定[1]，并根據(jù)排量、砂比、壓力的變化，隨時調(diào)整乳液用量及黏度。

2）滑溜水黏度：由于基液黏度較小，APFR-6試劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.05%～0.20%即可，無需添加破膠劑。現(xiàn)場實(shí)測滑溜水的黏度在15.2～22.5 mPa·s。

3）壓裂液黏度：APFR-6 試劑的使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.4%～1.1%，壓裂液現(xiàn)場實(shí)測黏度為35.4～95.6 mPa·s。

1.3 壓裂液的剪切穩(wěn)定性

1）壓裂液樣品的制備。將清水+0.5%APFR-6試劑+0.2助排劑按比例加入混調(diào)器中，并不斷攪拌，以免產(chǎn)生“魚眼”。樣品的配比以滿足壓裂施工需要為依據(jù)，待液體起黏后，繼續(xù)攪拌10 min，待用。

2）試驗(yàn)方法。取配制好的壓裂液60 mL，用RT-20高溫流變儀測其抗剪切性能。從室溫開始升溫，剪切速率170 s-1，剪切時間90 min。試驗(yàn)開始后，儀器自動記錄剪切速率、表觀黏度、溫度等參數(shù)。

3）測試結(jié)果與分析。取適量配制好的凍膠，用RT-20 高溫流變儀進(jìn)行剪切性能試驗(yàn)，并將剪切速率、溫度、黏度等詳細(xì)數(shù)據(jù)顯示在同一坐標(biāo)系中，測試結(jié)果如圖1所示。

圖1 體系抗剪切試驗(yàn)

從圖1可以看出，試驗(yàn)溫度120 ℃，剪切速率設(shè)定為170 s-1，剪切時間90 min。前30 min，由于壓裂液凍膠為假塑性液體，剪切黏度迅速下降；后60 min，剪切黏度保持較高值，基本在50 mPa·s 以上，說明該壓裂液體系的抗剪切性能良好。

2 一體化自交聯(lián)乳液型壓裂液的作用機(jī)理

1）水化機(jī)理：將一體化自交聯(lián)乳液型壓裂液APFR-6加入水中后，快速水化（10～30 s），壓裂液體系中的多元締合聚合物與水分子作用，在稀溶液中高分子鏈間通過范德華力、氫鍵、離子鍵等多種弱分子間力形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使溶液具有優(yōu)異的流變性能。

2）交聯(lián)機(jī)理：該壓裂液體系是在VES 壓裂液體系的基礎(chǔ)上，改變支鏈結(jié)構(gòu)，通過水化與水分子作用，僅靠多元締合聚合物的分子間特殊作用力（可逆交聯(lián)）即可形成強(qiáng)大的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，無需添加交聯(lián)劑，形成具有一定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的膠液，同時保持了優(yōu)良的減阻與攜砂性能[2]。

3）破膠/沉降機(jī)理：因交聯(lián)作用為物理交聯(lián)，屬可逆交聯(lián)，在破膠劑的作用下，交聯(lián)結(jié)構(gòu)很容易解開，聚合物開始降解，實(shí)現(xiàn)破膠過程。故APFR-6體系壓裂液易于破膠水化，無殘?jiān)?，對儲層傷害小。在破膠前期，物理交聯(lián)的解開，溶液中的分子間結(jié)構(gòu)減弱，黏度開始下降，支撐劑緩慢下沉；破膠后期，高分子斷裂為小分子，聚合物降解，黏度明顯降低，支撐劑完全沉降，達(dá)到最終破膠[3]。

3 現(xiàn)場作業(yè)

3.1 現(xiàn)場壓裂液配比

結(jié)合該產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)室及前期施工作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，得出水平井大排量體積壓裂施工現(xiàn)場配比，見表1、表2。

表1 一體化自交聯(lián)乳液型壓裂液（滑溜水）現(xiàn)場配比

表2 一體化自交聯(lián)乳液型壓裂液（攜砂液）現(xiàn)場配比

3.2 應(yīng)用效果

一體化自交聯(lián)乳液型壓裂液APFR-6采用的是混砂車現(xiàn)場實(shí)時配制方式，一劑多用，即配即用、不用即停，無剩余液體浪費(fèi)，可滿足現(xiàn)場不同條件下的施工要求，無論是配置滑溜水還是攜砂液，所用材料種類少（2 種）且配方相同，僅僅是材料使用量的區(qū)別。1.2%～1.5%乳液可以在10～20 s基本溶解，因此實(shí)現(xiàn)了真正的在線連續(xù)配液，無需提前配液，更不用建配液站。同時亦可滿足場地小、規(guī)模大的體積壓裂需求。

2019—2021年分別在延長油氣勘探公司、延長油田各采油廠、斯倫貝謝（蟠龍區(qū)塊）及俄羅斯試驗(yàn)井進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用，與同類產(chǎn)品相比，該壓裂液具有以下特點(diǎn)：

1）施工材料組分少。通過與延長油氣勘探公司已應(yīng)用的同類產(chǎn)品對比分析，在線連續(xù)配液的施工中，僅APFR-6的使用組分少（僅1種），其他清潔壓裂液施工材料多為3 種及以上，較APFR-6 添加組分多，而且增稠劑使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)大（1.5%以上）。另外，材料使用越多，對地層傷害越大。

2）懸砂性能強(qiáng)。從2019年開始，本產(chǎn)品在延長油氣勘探采氣廠現(xiàn)場施工作業(yè)累計(jì)21井次（采氣一廠15井次、采氣三廠4井次、采氣四廠2井次），整個施工過程順利，施工壓力穩(wěn)定、攜砂性能好、砂比高、全程無砂堵、砂卡等情況。其中，延518-4 井原采用小分子可循環(huán)壓裂液（在線配液）進(jìn)行施工。該井開采層位為長6，設(shè)計(jì)壓裂4層。由于現(xiàn)場施工環(huán)境溫度較低（-10 ℃至-25 ℃），導(dǎo)致小分子壓裂液的起黏速度過慢，抗剪切能力較低、懸砂性能極差，施工第一層時最高砂比只能達(dá)到20%，勉強(qiáng)施工完；施工第二層，在砂比提到15%、加砂5 m3時出現(xiàn)了砂堵，經(jīng)反洗后繼續(xù)施工，仍然砂堵，最后被迫停止施工。后改用一體化自交聯(lián)乳液型壓裂液APFR-6 進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，先是對第二段進(jìn)行了重新壓裂，設(shè)計(jì)排量2.5 m3/min，砂比25%～30%。按設(shè)計(jì)要求的施工參數(shù)，順利完成了本段的施工任務(wù)；次日，又施工了剩余2段，整個3段的施工壓力穩(wěn)定，加砂過程順利，最高砂比可達(dá)32%。

2020 年在延長油田各采油廠推廣應(yīng)用一體化自交聯(lián)乳液型壓裂液APFR-6產(chǎn)品，共施工水平井3口，常規(guī)定向井15 口。其中下寺灣采油廠柳平25井采用滑溜水+攜砂液進(jìn)行施工，現(xiàn)場攜砂液采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%～0.5%，最高砂比達(dá)35%，該液攜砂能力強(qiáng)、攜砂持續(xù)時間較長，且工作壓力平穩(wěn)。在常規(guī)井壓裂施工中，現(xiàn)場采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%～1.0%，最高砂比可達(dá)45%，足以證明APFR-6體系攜砂性能強(qiáng)。

3）對配液水質(zhì)要求較低。APFR-6一體化自交聯(lián)乳液型壓裂液材料對現(xiàn)場的配液水質(zhì)要求較低，礦化度小于1%的水基本能夠滿足施工要求。2020年采氣一廠（試242-2 井）、采氣三廠（延866-4 井）均采用胍膠液進(jìn)行壓裂，但由于水質(zhì)、氣溫等原因，導(dǎo)致胍膠液出現(xiàn)壞液現(xiàn)象，現(xiàn)場基液交聯(lián)性很差，施工過程出現(xiàn)多次砂堵。后選用APFR-6進(jìn)行配伍性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果滿足施工設(shè)計(jì)的要求。進(jìn)而改用一體化自交聯(lián)乳液型壓裂液進(jìn)行該井后段的現(xiàn)場施工，全程嚴(yán)格執(zhí)行設(shè)計(jì)的泵注程序，平均砂比及最高砂比均滿足設(shè)計(jì)要求，順利完成了該井的壓裂施工，后期液體破膠黏度2～3 mPa·s。

4）降摩阻性能優(yōu)良。對比測試胍膠壓裂液與APFR-6乳化壓裂液在流經(jīng)多功能流動回路儀管路時的摩擦阻力（其中胍膠壓裂液稠化劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.45%），結(jié)果如圖2所示。

圖2 攜砂液降阻率測試

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，APFR-6 壓裂液比胍膠壓裂液的降阻效果更好，降阻率在40%左右[5]。通過甘肅長慶H41-5水平井現(xiàn)場的沖砂作業(yè)，驗(yàn)證了該材料的降摩阻性能。H41-5 井采用反沖砂作業(yè)，現(xiàn)場施工壓力19.0 MPa左右，采用該體系配置的低黏度沖砂液進(jìn)行同排量沖砂，現(xiàn)場泵壓降至12.5 MPa 左右，降阻作用顯著。

2020年延長油田南泥灣采油廠評124平1井的施工設(shè)計(jì)為大排量（12 m3/min）的體積壓裂，水基滑溜水壓裂液體系，全井壓裂6段，前3段采用類似活性水進(jìn)行施工，施工壓力約26 MPa，最高砂比10%。后3 段采用0.15%APFR-6 壓裂液進(jìn)行施工，最高砂比達(dá)15%，施工壓力穩(wěn)定在20 MPa左右。通過兩者對比發(fā)現(xiàn)，后3 段在排量不變的情況下砂比提升了5%，壓力下降了6 MPa，減阻效果顯著。同時，該井投產(chǎn)作業(yè)后，產(chǎn)量較高，目前產(chǎn)液28 m3，產(chǎn)油7 t，較同井場其他井，增產(chǎn)效果顯著。

5）耐溫性能優(yōu)良。目前使用的在線連續(xù)配液產(chǎn)品，環(huán)境溫度降低后材料的溶解起黏速度降幅較大，懸砂性能變差。以某在線清潔壓裂液為例，2019年12月在子長采油廠施工的某井，現(xiàn)場使用該清潔壓裂液，由于現(xiàn)場環(huán)境溫度過低（-18℃），使該清潔液的膠聯(lián)性變差，施工過程中曾出現(xiàn)多次砂堵，最終造成砂埋管柱的井下事故[6]。而APFR-6一體化自交聯(lián)乳液型壓裂液，由于溶解、起黏速度快，耐溫性能優(yōu)良，即使在環(huán)境溫度很低（-25℃）的情況下，仍可現(xiàn)場施工[7-8]。

2020 年12 月8 日，APFR-6 體系壓裂液在下寺灣采油廠橋平18水平井的現(xiàn)場施工，現(xiàn)場環(huán)境溫度約-20 ℃，水溫0 ℃（上部結(jié)冰10 cm），在該溫度下，現(xiàn)場滑溜水采用0.1%質(zhì)量分?jǐn)?shù)，攜砂液采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3%，施工現(xiàn)場最高砂比25%，壓力平穩(wěn)。2020年10月，APFR-6體系壓裂液在采氣三廠丹39-4井進(jìn)行現(xiàn)場壓裂，射孔段為4 200～4 205 m，儲層溫度極高，溫度達(dá)到121.8 ℃，在該溫度下，APFR-6體系壓裂液現(xiàn)場施工壓力平穩(wěn)，最高砂比為25%，完全滿足高溫井的現(xiàn)場施工[9-10]。表明APFR-6 體系耐溫性能良好，完全滿足低溫和高溫環(huán)境下的現(xiàn)場施工。

6）產(chǎn)品性價比高。由于APFR-6乳液體系壓裂液現(xiàn)場施工組分少，使用濃度低，無需現(xiàn)場配液，不產(chǎn)生配液成本的同時縮短了施工周期，產(chǎn)品性價比較高。通過與下寺灣采油廠、南泥灣采油廠水平井壓裂液價格對比后發(fā)現(xiàn)，APFR-6 乳液體系壓裂液成本下降10%以上。

4 結(jié)論

1）APFR-6一體化自交聯(lián)乳液型壓裂液所用化學(xué)品種類少，通常2～3種即能滿足施工要求。

2）常溫和高溫下懸砂性均十分優(yōu)異，最高砂比達(dá)35%。

3）低濃度時配制的滑溜水的降阻率可達(dá)60%～80%以上；高質(zhì)量分?jǐn)?shù)時自交聯(lián)攜砂液比胍膠體系減阻30%。

4）可耐高溫至160 ℃，剪切恢復(fù)迅速，恢復(fù)率高?，F(xiàn)場溫度低至-25℃、儲層溫度高至121.8 ℃仍可正常施工。

5）可逆交聯(lián)，低黏度（20～50 mPa·s）仍可攜砂。

6）易破膠且破膠徹底，破膠液黏度≤2 mPa·s，無殘?jiān)?/p>