耐高溫一體化乳液型壓裂液研究與應(yīng)用

楊戰(zhàn)偉,浦仕杰,閆國鋒,高 瑩,宋汝霖,宋陽榮

(1.中國石油勘探開發(fā)研究院,北京 100083;2.中國石油青海油田分公司采油一廠,青海茫崖 816499)

非常規(guī)油氣資源的勘探開發(fā)促進(jìn)了滑溜水體積壓裂技術(shù)的發(fā)展[1-3],適應(yīng)了不同儲層需求的滑溜水體系,乳液型滑溜水稠化劑為液態(tài)稠化劑配制壓裂液,現(xiàn)場操作簡單,經(jīng)濟(jì)性好,應(yīng)用范圍越來越廣[4-5]。該體系最大的缺點(diǎn)是對支撐劑的靜態(tài)攜砂能力差,耐高溫能力弱,對于深層高溫井,施工排量低,常規(guī)滑溜水體系攜砂能力弱;進(jìn)而導(dǎo)致裂縫難以得到有效支撐,裂縫導(dǎo)流能力下降,嚴(yán)重影響了有效裂縫長度及改造體積。隨著井深的增加,地層壓力越來越高,加砂更加困難,壓裂效果明顯變差[6-9]。

在現(xiàn)有乳液型滑溜水壓裂液稠化劑基礎(chǔ)上,以丙烯酰胺單體為主,引入抗高溫功能團(tuán),合成一種新型一體化壓裂液乳液型稠化劑。該稠化劑性能穩(wěn)定,長時間存放不易分層板結(jié);與水混合后可快速起黏,具有自交聯(lián)性能,有延遲達(dá)到最高黏度的性能,避免快速增加至較高黏度,造成泵注困難。該體系破膠徹底,傷害低。針對試驗(yàn)井儲層具體需求,通過優(yōu)化配方及用量,開展了現(xiàn)場試驗(yàn),證實(shí)該新型一體化乳液型壓裂液體系具有較好的應(yīng)用前景。

1 乳液稠化劑配方優(yōu)化

1.1 實(shí)驗(yàn)評價儀器和藥品

可調(diào)速的高速攪拌器(六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì),青島海通達(dá)專用儀器有限公司);高溫高壓流變儀(RS6000,德國哈克公司)。5 mL規(guī)格塑料注射器,電子天平,乳液稠化劑BY120,交聯(lián)劑JX180。配液用水為自來水、純凈水。

1.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和方法

配制乳液稠化劑水溶液,用六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)在室溫下測量乳液稠化劑的黏度。用高溫高壓流變儀測量不同剪切速率下乳液稠化劑水溶液的黏度。用高溫高壓流變儀測量不同溫度下基礎(chǔ)配方的黏度,評價乳液稠化劑水溶液和交聯(lián)劑之間的響應(yīng)關(guān)系,優(yōu)選乳液稠化劑壓裂液的基礎(chǔ)配方。實(shí)驗(yàn)方法采用SY/T6376-2008和SY/T5107-2016標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

1.3.1 不同濃度乳液稠化劑的黏度

向高速攪拌器中加入一定量的自來水,啟動攪拌,調(diào)整旋渦狀態(tài),使空氣不進(jìn)入水中。用注射器吸取乳液稠化劑加入到攪拌器中,攪拌1 min。停止攪拌后取樣,用六速黏度計(jì)測量100 r/min下3 min時的黏度,測量結(jié)果見圖1。

圖1 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)乳液稠化劑的黏度

從圖1可已看出,乳液稠化劑使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%時,在170 s-1下的黏度就達(dá)到了20 mPa·s;在0.45%時,為45 mPa·s;0.8%時,為100 mPa·s。黏度及質(zhì)量分?jǐn)?shù)關(guān)系與原來的瓜爾膠稠化劑接近。與瓜爾膠稠化劑不同的是,該乳液稠化劑在相同表觀黏度下具有優(yōu)異的懸砂性能。支撐劑在0.3%乳液稠化劑中的靜態(tài)沉降性能類似于0.25%瓜爾膠交聯(lián)凍膠的靜態(tài)沉降性能。瓜爾膠稠化劑未形成凍膠,使用時質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)0.6%,支撐劑在其中沉降速度也較快。

1.3.2 不同剪切速率下乳液稠化劑的黏度

如前配制好乳液稠化劑溶液后,用高溫高壓流變儀的變剪切模式取樣,測量室溫(27 ℃)下不同剪切速率下乳液稠化劑溶液的黏度,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 不同剪切速率下黏度

從圖2可已看出,在低剪切區(qū)域,乳液稠化劑溶液具有極高的黏度。濃度越高,低剪切速率下的黏度越大。質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.6%和0.8%時,用外延推測法估計(jì)零剪切黏度在幾十毫帕秒甚至超過100 Pa·s。由于測量儀器模式的局限性,低濃度下乳液稠化劑溶液的黏度難以測量,呈現(xiàn)出不合理數(shù)值,在作圖時忽略了這些不合理數(shù)值。

質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過0.4%時,外延推測法估計(jì)零剪切黏度大于1 mPa·s;質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.2%時,低剪切區(qū)域黏度小于100 mPa·s。

圖2還顯示,剪切速率越大,乳液稠化劑溶液黏度越小,且在高剪切區(qū)域呈現(xiàn)出趨于某一穩(wěn)定數(shù)值,該性能有助于在高排量下使用低濃度下乳液稠化劑加砂壓裂。頁巖氣和致密油水平井壓裂中,大于12 m3/min高排量下乳液稠化劑使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%～0.4%較常見[10-12],壓裂液能夠高濃度攜砂,且施工安全。在高剪切動態(tài)條件下,水本身具有高彈性,再協(xié)同以乳液稠化劑高剪切下仍具有一定的黏度,賦予這種壓裂液優(yōu)異的懸砂性能,其中內(nèi)在機(jī)理需進(jìn)一步研究揭示。

1.3.4 乳液稠化劑壓裂液配方優(yōu)化

依據(jù)壓裂液技術(shù)的規(guī)范,乳液稠化劑壓裂液的配方中應(yīng)該包括乳液稠化劑、黏土防膨劑、助排劑、破乳劑、防垢劑、交聯(lián)劑、轉(zhuǎn)向劑、破膠劑。在以高排量(通常排量大于12 m3/min)泵注壓裂液為特征的頁巖氣和致密油開發(fā)實(shí)踐中,經(jīng)過對地層巖心滲吸機(jī)理研究以及對低成本開發(fā)的要求,乳液稠化劑壓裂液配方可簡化為只使用乳液降阻劑、破膠劑。在只能低排量(小于10 m3/min)泵注的深層/超深儲層壓裂施工中,溫度為100～160 ℃的儲層,乳液壓裂液配方乳液用量優(yōu)化為0.7%～1.7%。因此,在以乳液稠化劑壓裂液配方優(yōu)化過程中,壓裂液配方只包括配液用水、乳液稠化劑。在實(shí)際應(yīng)用過程中,可根據(jù)地層和施工需要選擇添加其他配伍性的添加劑。

2 乳液免配壓裂液性能評價

2.1 耐高溫耐剪切流變性能

利用哈克公司的RS6000高溫高壓流變儀評價該體系壓裂液耐溫耐剪切性,實(shí)驗(yàn)溫度為100～140 ℃,剪切速率為170 s-1,時間為1～3 h,結(jié)果見表1。

其中，在企業(yè)內(nèi)部精細(xì)化管理工作當(dāng)中需要設(shè)置專門的審計(jì)人員，對企業(yè)相關(guān)的財(cái)務(wù)業(yè)務(wù)進(jìn)行審計(jì)。但是大部分企業(yè)都沒有設(shè)置專門的審計(jì)部門，財(cái)務(wù)審計(jì)工作都是由企業(yè)原有的財(cái)務(wù)部門工作人員來完成的，但是企業(yè)財(cái)務(wù)管理人員并不是專業(yè)的審計(jì)人員，審計(jì)工作實(shí)施的專業(yè)性、規(guī)范性較差，而且財(cái)務(wù)人員沒有掌握高效的審計(jì)方法和理念，審計(jì)工作完成的效率也受到了影響，企業(yè)內(nèi)部審計(jì)工作的實(shí)際效果沒有真正的發(fā)揮出來。

表1 乳液型免配壓裂液剪切實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表1可見,耐高溫乳液型壓裂液7個配方中,在120 min的高溫剪切過程,黏度都能大于50 mPa·s,能夠滿足壓裂液評價指標(biāo)要求,說明7個配方可在100 ℃以上儲層開展應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)乳液型壓裂液攜砂壓裂的目的。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出,乳液較低用量時,耐高溫能力較差,0.7%用量時,100 ℃剪切120 min后黏度65 mPa·s左右,增加用量至1%左右,130 ℃剪切120 min后黏度大于100 mPa·s,證實(shí)增加乳液用量后,耐溫耐剪切能力明顯增加。130～160 ℃超高溫以后,保持較高的耐溫耐剪切能力對乳液量要求增加較明顯。160 ℃條件下,乳液用量增加至1.7%時,剪切120 min后黏度200 mPa·s以上,能夠滿足超高溫儲層加砂壓裂過程前置液造縫及攜砂的要求。乳液型免配一體化壓裂液1.7%用量下,160 ℃、170 s-1條件下耐溫耐剪切流變曲線如圖3。

圖3 高濃度乳液型免配壓裂液剪切流變曲線

分析表1不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)乳液的使用量條件下流變測試數(shù)據(jù),不同溫度儲層加砂壓裂對應(yīng)所需乳液用量不同,防膨劑等添加劑對其性能影響不大。160 ℃以上儲層改造,需添加乳液用量1.6%以上,因此對超高溫儲層最終優(yōu)化配方為1.6%乳液+0.8%防膨劑+破膠劑。影響起黏速度關(guān)鍵因素為乳液稠化劑中所含的固體聚合物稠化劑顆粒大小及其水解速度,本研究通過優(yōu)化顆粒粒徑大小,采用100～200目不同比例的組合粒徑的聚合物固體顆粒,同時添加聚合物水解調(diào)節(jié)劑,解決了聚合物顆?？焖偃芙鈱?dǎo)致乳液增黏速度過快,地面泵注困難的難題,達(dá)到交聯(lián)凍膠壓裂液延遲交聯(lián)的效果,可確保現(xiàn)場應(yīng)用的地面泵注操作。

2.2 破膠性能

1.7%用量時,在不同條件下的破膠水化性能見表2。160 ℃時萬分之四加量4 h破膠。160 ℃以上儲層優(yōu)化破膠劑用量為0.04%～0.06%,破膠后殘?jiān)鼮?72 mg/L,與常規(guī)壓裂液相比,殘?jiān)枯^低。

表2 乳液型壓裂液破膠實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.3 高溫懸砂性能

為測試該乳液型壓裂液高溫條件下攜砂能力,開發(fā)了專門用于100 ℃以上溫度條件下壓裂液懸砂能力測試玻璃容器,該容器為高純SiO2玻璃材料,采用螺栓緊鎖密封,放置于加熱爐內(nèi),可測試200 ℃以內(nèi)壓裂液懸砂能力,性能顯著高于目前常用的最高測試90 ℃左右的壓裂液懸砂測試。容器中配制壓裂液500 mL,破膠劑用量為0.05%,加入30/50目陶粒,砂濃度為350 kg/m3,放入已加熱至140～160 ℃的電加熱爐中。

在1.7%乳液稠化劑含量條件下,加熱至160 ℃,60 min時基本無沉砂,120 min后,支撐劑沉降高度5 cm左右,表明該類型壓裂液在高溫條件下靜態(tài)懸砂性能良好,可滿足高溫儲層加砂壓裂需求。加熱180 min后,支撐劑全部沉降至容器底部,說明該乳液型免配高黏壓裂液破膠較徹底,既能保證加砂階段攜砂穩(wěn)定性,又能在停泵后迅速破膠,有利于快速返排,降低儲層污染。

2.4 濾失性能

不同的流體具有不同的降濾失機(jī)制,常規(guī)的水基壓裂液主要以黏彈性流體形成濾餅降低壓裂液濾失性能,以造壁濾失系數(shù)表示。綜合濾失系數(shù)是壓裂設(shè)計(jì)中的重要參數(shù),也是評價壓裂液性能的重要指標(biāo)。濾失系數(shù)越低,壓裂液的效率越高,易形成長而寬的裂縫,能提高支撐裂縫的導(dǎo)流能力,容易返排,減少濾液對儲層的損害。使用美國Baroid公司高溫高壓靜態(tài)濾失儀,在壓差為3.5 MPa的條件下,測定了該乳液型壓裂液體系的靜態(tài)濾失性能。不同溫度下的壓裂液濾失性能如表3所示,可以看出壓裂液濾失系數(shù)較小,這與該壓裂液在高溫下具有良好的流變性能一致。

表3 乳液型壓裂液濾失性能

2.5 配伍性及傷害評價

改造目標(biāo)儲層地層水配伍性及壓裂液本身的傷害性對改造效果影響較大,優(yōu)選西部某油田4個區(qū)塊的配液水及地層水,評價加重壓裂液的配伍性。由于超深儲層巖心較致密,測試液體傷害難度較大,選用了人造巖心測試其傷害性能。選取的四個典型區(qū)塊地層水及配液水與該壓裂液體系均不發(fā)生沉淀現(xiàn)象,證實(shí)該體系與目標(biāo)區(qū)塊儲層配伍性較好。傷害評價結(jié)果證明,該體系壓裂液與普通羥丙基瓜爾膠壓裂液傷害率相似,巖心傷害率20%～24%,由于無額外沉淀物質(zhì)生成,不會增加壓裂液傷害。

綜上所述,參照水基壓裂液評價標(biāo)準(zhǔn)對研發(fā)及優(yōu)化形成的一體化乳液型壓裂液體系開展評價,乳液用量1.5%～1.7%時,耐溫可達(dá)160 ℃以上,170 s-1剪切流變測試2 h后,表觀黏度大于150 mPa·s;140～160 ℃的溫度4 h后破膠,殘?jiān)^低,巖心傷害率也較低;靜態(tài)懸砂性能良好;160 ℃高溫下2 h后支撐劑才發(fā)生較為明顯的沉降,可顯著降低超深高溫儲層改造砂堵風(fēng)險(xiǎn),液體體系濾失較小,有利于前置液階段造縫,保障了加砂壓裂順利施工。

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

為了驗(yàn)證新型耐高溫一體化乳液型壓裂液現(xiàn)場操作可行性及加砂壓裂可靠性,在南方公司某深層油井L23-1井開展現(xiàn)場試驗(yàn)。該井位于福山凹陷白蓮構(gòu)造低臺階蓮23x井?dāng)鄩K,目的層段未為流二下亞段Ⅱ油組,改造段埋深4 506 m,厚度15.8 m/兩層,兩層間隔21 m,平均孔隙度6.1%,平均滲透率1.68 ×10-3μm2,綜合解釋為差油氣層,總體物性偏差,屬低孔低滲油層,需進(jìn)行較大規(guī)模加砂壓裂才能獲得效益產(chǎn)能。本區(qū)塊地層溫度梯度高達(dá)3.4 ℃/100 m,改造目的層溫度153 ℃,對液體耐溫性要求高,加砂壓裂風(fēng)險(xiǎn)較高,優(yōu)化乳液型壓裂液配方為1.6%乳液+0.8%防膨劑+0.4‰破膠劑,兩層段設(shè)計(jì)加砂量共計(jì)52 m3,單層加砂26 m3,兩層采用不同的液體,對比新液體性能及摩阻。實(shí)際施工曲線見圖4。

圖4 乳液型免配壓裂液試驗(yàn)井施工曲線

該井第一段主要采用乳液型一體化壓裂液,前置液階段乳液用量為0.3%～0.6%,施工排量達(dá)到10.5 m3/min,泵注低黏壓裂液有利于形成復(fù)雜縫及泵注部分段塞降低近井筒摩阻,高砂比階段乳液用量逐步提高至1.6%,壓裂液黏度顯著提高,利于攜帶高砂比支撐劑,在近井筒形成高導(dǎo)流支撐縫,主壓裂施工壓力為32～35 MPa。下入橋塞后,第二段加砂壓裂采用滑溜水加0.45%羥丙基瓜爾膠+交聯(lián)劑凍膠壓裂液加砂,前置液階段滑溜水加入段塞后,滑溜水?dāng)y砂能力較差,壓裂波動較明顯,主加砂階段采用凍膠攜砂后施工壓力較為平穩(wěn),排量為9.5 m3/min左右,施工壓力39～42 MPa。第一段采用乳液型壓裂液,施工過程較為順利,交聯(lián)泵直接泵注乳液至混砂車攪拌罐,與供液車輸送的配液水直接混合,高濃度乳液在攪拌罐內(nèi)攪拌泵送均正常實(shí)施,證實(shí)該種類壓裂液現(xiàn)場操作較為簡便。對比兩個層段施工排量及井口壓力特征,第二層段采用滑溜水及羥丙基瓜爾膠凍膠壓裂液施工,井口壓力提高了7 MPa左右,證實(shí)乳液型壓裂液摩阻較低,計(jì)算得出乳液型壓裂液摩阻相比類似性能的羥丙基瓜爾膠壓裂液低10%左右。

L23-1井改造后3個月平均日產(chǎn)油14.6 t,與區(qū)塊內(nèi)油井平均產(chǎn)量相比提高15%左右。綜合現(xiàn)場應(yīng)用及對比分析,乳液型壓裂液可根據(jù)儲層溫度情況,調(diào)整使用濃度,滿足加砂壓裂需求,現(xiàn)場操作較為簡便,節(jié)省配液步驟,降低儲層改造費(fèi)用5%左右。耐高溫?cái)y砂能力強(qiáng),比相同性能羥丙基瓜爾膠壓裂液摩阻低10%左右。有利于深井高排量施工,降低加砂壓裂施工風(fēng)險(xiǎn)。試驗(yàn)井壓裂后增產(chǎn)效果較好,證實(shí)該液體體系儲層傷害較低。應(yīng)用過程實(shí)時調(diào)整壓裂液黏度,有利于形成復(fù)雜縫,提高了有效改造體積。

4 結(jié)論與建議

1)研發(fā)形成的新型乳液型一體化壓裂液,通過優(yōu)化懸浮顆粒粒徑大小、添加水溶速率調(diào)節(jié)劑及添加耐溫穩(wěn)定劑,使用的質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高至1.5%以上,起黏速度可控,高溫懸砂能力強(qiáng),滿足160 ℃以上高溫儲層改造需求。

2)現(xiàn)場試驗(yàn)證實(shí),該乳液型壓裂液應(yīng)用操作簡易,節(jié)省配液步驟降低儲層改造總成本5%左右,對比相同性能羥丙基瓜爾膠壓裂液,摩阻降低10%左右,有利于深井提高施工排量,體系綜合傷害低,應(yīng)用增產(chǎn)效果較好。

3)室內(nèi)研究及現(xiàn)場試驗(yàn)均證實(shí),該乳液型一體化壓裂液在深層高溫儲層改造中具有較好的應(yīng)用前景,是羥丙基瓜爾膠凍膠壓裂液的替代技術(shù),且在應(yīng)用過程可實(shí)時調(diào)控其黏度,根據(jù)儲層實(shí)際情況調(diào)整應(yīng)用濃度,實(shí)現(xiàn)充分改造儲層與降本增效雙目標(biāo)。