低質(zhì)量分?jǐn)?shù)胍膠壓裂液體系研究及應(yīng)用

欒 飛 武玉東 梁 潔 熊 欣 邢爭(zhēng)強(qiáng)

(中石化中原石油工程有限公司井下特種作業(yè)公司，濮陽457164)

低質(zhì)量分?jǐn)?shù)胍膠壓裂液體系研究及應(yīng)用

欒 飛 武玉東 梁 潔 熊 欣 邢爭(zhēng)強(qiáng)

(中石化中原石油工程有限公司井下特種作業(yè)公司，濮陽457164)

通過減少胍膠比例和添加劑種類的方法，形成了適應(yīng)90～130 ℃的低質(zhì)量分?jǐn)?shù)胍膠壓裂液體系，胍膠的用量整體降低了10%，添加劑的種類也減少了兩種。對(duì)該壓裂液體系的抗高溫、抗剪切、攜砂性能和破膠性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，還對(duì)其現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)情況進(jìn)行了分析。

胍膠 壓裂液 體系

胍膠作為油氣井水力壓裂技術(shù)中最常用的的增稠劑，其使用比例的多少?zèng)Q定了壓裂液的攜砂性能，從而關(guān)系到壓裂施工的成敗。我國(guó)胍膠原材料基本依靠進(jìn)口，2012年，由于原材料企業(yè)減產(chǎn)以及市場(chǎng)供應(yīng)環(huán)節(jié)出現(xiàn)的一些問題，導(dǎo)致原材料價(jià)格成倍增加，壓裂施工成本也跟著大幅度上漲。對(duì)于以壓裂酸化為主要業(yè)務(wù)的企業(yè)，成本的增加勢(shì)必導(dǎo)致利潤(rùn)的減少，因此有必要開展中高溫低質(zhì)量分?jǐn)?shù)胍膠壓裂液體系的研究，通過降低胍膠使用比例，減少添加劑的種類和使用量的方法降低壓裂液的成本，從而達(dá)到提高壓裂施工效益的目的。

1 低質(zhì)量分?jǐn)?shù)胍膠壓裂液體系的研究與評(píng)價(jià)

1.1 胍膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)優(yōu)選及高溫性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)

對(duì)不同胍膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)的基液的黏度進(jìn)行評(píng)價(jià)。稠化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，基液黏度也越高，交聯(lián)時(shí)間也越短，胍膠形成有效交聯(lián)有一個(gè)質(zhì)量分?jǐn)?shù)低限。壓裂液中的胍膠要經(jīng)受高速流動(dòng)剪切降解和地層溫度的熱降解，實(shí)際使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)要高于低限值[1]。以羥丙基胍膠(HPG)作為增稠劑，在不加破膠劑的情況下，依據(jù)SYT 6376—2008《壓裂液通用技術(shù)條件》的要求,并結(jié)合耐高溫耐剪切黏度不低于200 mPa·s的現(xiàn)場(chǎng)施工要求，優(yōu)化配方后的壓裂液的高溫抗剪切曲線及剪切速率(GP)見圖1，壓裂液組成見表1。

從圖1可以看出：在降低了壓裂液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的條件下剪切90 min后壓裂液的黏度還是維持在250 mPa·s左右，可以滿足施工需要。

圖1 低質(zhì)量分?jǐn)?shù)胍膠壓裂液流變曲線

表1 低質(zhì)量分?jǐn)?shù)壓裂液配方和常規(guī)壓裂液比較

續(xù)表1

注：YL-JL-4和YL-JL-1為延緩交聯(lián)劑，YL-WD為穩(wěn)定劑，SJ-1為殺菌劑，JS-PR為破乳劑，SH-ZP為助排劑。

從表1的對(duì)比可以看出：低質(zhì)量分?jǐn)?shù)胍膠壓裂液中的胍膠在90～100，100～110，110～130 ℃這3個(gè)溫度區(qū)間降低了約0.05個(gè)百分點(diǎn)的使用比例，同時(shí)也對(duì)pH 調(diào)節(jié)劑的用量和交聯(lián)劑的種類和用量進(jìn)行了調(diào)整，通過流變實(shí)驗(yàn)表明這些變化是可行的。

1.2 交聯(lián)劑的選擇及pH的確定

壓裂液在使用過程中沿儲(chǔ)罐、混砂車、高低壓管匯、壓裂管柱，經(jīng)炮眼或縫口進(jìn)入裂縫。不同階段的壓裂液對(duì)黏度要求不同，從儲(chǔ)罐到炮眼或縫口，黏度要盡可能低，以減少流動(dòng)摩擦阻力，節(jié)省泵注壓裂液的車組功率；進(jìn)入裂縫后則要求具有適當(dāng)?shù)酿ざ纫钥刂埔后w的濾失量，具有適當(dāng)?shù)膹椥砸岳跀y砂。緩交聯(lián)技術(shù)可滿足這一要求，所以選擇YL-JL-4和YL-JL-1這兩種延緩交聯(lián)劑。

延緩交聯(lián)劑釋放出的硼量(即硼酸根質(zhì)量濃度)是時(shí)間和溫度的函數(shù)，壓裂液泵入井筒后經(jīng)歷的溫度和時(shí)間上升，硼的釋放量持續(xù)上升。而溫度升高時(shí)壓裂液pH降低，會(huì)部分抵消釋放出的硼量[2]。除此之外，為補(bǔ)償溫度對(duì)pH的影響，將壓裂液pH提高到11以上，可維持有效硼量的基本平衡。

1.3 復(fù)合增效劑的研制

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)多種表面活性劑進(jìn)行性能分析，篩選出性能最好的幾種。通過大量實(shí)驗(yàn)，依據(jù)Q/SH 1025 0785—2011《壓裂用原油破乳劑技術(shù)條件》，Q/SH 1025 08602—2012《壓裂酸化用助排劑》和Q/SH 1025 0784—2011《壓裂用殺菌劑技術(shù)條件》這3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，確定了FC-3B、D50、JX-1等表面活性劑的用量，然后進(jìn)行復(fù)配。形成了一種同時(shí)具備殺菌，破乳和助排作用的多功能混合表面活性劑—復(fù)合增效劑，實(shí)現(xiàn)一劑多效，簡(jiǎn)化了配液流程，減少了工作量。結(jié)合SY/T 6376—2008《壓裂液通用技術(shù)條件》的要求確定復(fù)合增效劑的使用比例為0.3%，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)解決化工料配伍性的問題，其配方為28.4%FC-3B+ 19.5%D50+ 24.6%JX-1+ 27.5%水。

采用RT20高溫流變儀, 溫度設(shè)定為120 ℃， 剪切速率為170 s-1，剪切時(shí)間為90 min,對(duì)加入復(fù)合增效劑的壓裂液進(jìn)行抗高溫高剪切能力檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見圖2。從圖2可以看出：該壓裂液配伍性良好，對(duì)壓裂性能沒有影響。同時(shí)復(fù)合增效劑的使用解決了為避免添加劑配伍性而增大胍膠比例的問題，滿足壓裂要求。

圖2 加入復(fù)合增效劑后的壓裂液高溫流變曲線

1.4 破膠性能

此液體體系采用分段追加破膠劑技術(shù)[3]:必須根據(jù)實(shí)際的施工時(shí)間、排量和現(xiàn)場(chǎng)情況變化決定施工中破膠劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù); 在前置液部分應(yīng)盡量避免過快、過多加入破膠劑,使用膠囊破膠劑代替過硫酸銨(APS); 在前置液中破膠劑使用最大質(zhì)量分?jǐn)?shù)原則上不要超過0.01%; 在加砂過程中的最后3～4段加入APS , 并保證破膠劑追加速度平穩(wěn), 根據(jù)先慢后快、先少后多的原則加入; 加砂的最后階段( 1～2 min) 應(yīng)迅速提高加入破膠劑的速度, 增加破膠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù); 替置液中應(yīng)繼續(xù)加入高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的破膠劑并在最后追加雙氧水。

破膠后壓裂液黏度不大于5 mPa·s,表面張力不大于24 mN/m,界面張力不大于2 mN/m。

1.5 攜砂性能

通過室內(nèi)測(cè)試孔徑為425～850 μm的石英砂和陶粒在壓裂液中的沉降高度來評(píng)價(jià)體系的攜砂性能，結(jié)果見圖3。

圖3 低質(zhì)量分?jǐn)?shù)胍膠壓裂液的攜砂性能

從圖3可以看出：孔徑為425～850 μm的陶粒和石英砂的沉降速度在200 s/mm以上，完全滿足壓裂施工要求。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

每一口應(yīng)用井在壓前進(jìn)行高溫流變實(shí)驗(yàn)，確認(rèn)黏度滿足施工要求。現(xiàn)場(chǎng)取樣檢測(cè)分析，確認(rèn)液體的基液黏度，pH均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，現(xiàn)場(chǎng)交聯(lián)試驗(yàn)結(jié)果良好，延緩交聯(lián)時(shí)間達(dá)到設(shè)計(jì)要求，認(rèn)定該壓裂液達(dá)到室內(nèi)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)，符合工藝要求。

此項(xiàng)目在260口井中進(jìn)行應(yīng)用，成功率達(dá)到96%以上，最高使用地層溫度達(dá)到130.5 ℃，最高加砂量達(dá)到42 m3，最大配液量達(dá)到615 m3。以3口處在不同溫度階段的井為實(shí)例分析，結(jié)果見表2、3和圖4從圖4和表2、3中可以看出：施工期間排量和加砂量按設(shè)計(jì)進(jìn)行，液體的配方正確有效，液體的抗高溫高剪切能力優(yōu)良。這3口井壓裂效果明顯，壓后都有不同程度的增產(chǎn)。液體返排率達(dá)到80%以上，返排液的黏度不大于5 mPa·s。與先前的壓裂液體系配方配制的壓裂液相比，這3口井壓裂液成本減少了5萬元，可以看出其節(jié)約成本的成效是顯著的。

表2 施工情況

表3 壓裂液配方

圖4 高溫流變曲線

壓裂施工過程中的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明：各種添加劑使用情況良好，其壓力、排量數(shù)據(jù)顯示壓裂液性能良好。從壓裂液返排情況看，壓裂液破膠情況良好，返排順利，破膠液黏度達(dá)到工藝要求。

3 結(jié)論

(1)通過實(shí)驗(yàn)形成了適合90～130 ℃的胍膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.40%～0.50%的低質(zhì)量分?jǐn)?shù)胍膠壓裂體系，其胍膠使用量比原設(shè)計(jì)降低了10%。該技術(shù)的研究和應(yīng)用帶動(dòng)了中國(guó)石化集團(tuán)公司中原石油勘探局壓裂液中胍膠粉劑用量的整體下調(diào)，降低了壓裂液成本，減少壓裂液中水不溶物含量，減輕了對(duì)裂縫導(dǎo)流能力的傷害;通過復(fù)合增效劑的研制，減少添加劑的種類和數(shù)量，從而減少了添加劑配伍性對(duì)壓裂液的影響;簡(jiǎn)化了配液流程，提高了配液效率，節(jié)省了勞動(dòng)力。低質(zhì)量分?jǐn)?shù)胍膠壓裂體系全年應(yīng)用于260口井，配液總量超過60 000 m3，共計(jì)節(jié)約成本超過400萬元。

(2)該低質(zhì)量分?jǐn)?shù)壓裂液體系具有良好的耐溫耐剪切性能，攜砂性能強(qiáng)，破膠徹底，殘?jiān)可佟⑵颇z液表/界面張力低(表面張力不低于24 mN/m,界面張力不低于2 mN/m),與地層水配伍性好，對(duì)儲(chǔ)層的損害小。滿足儲(chǔ)層的施工要求，施工成功率達(dá)到96%以上，返排率達(dá)到了80%以上。

(3)在降低胍膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)的方式上，下一步應(yīng)該進(jìn)行纖維輔助加砂，氮?dú)饣蚨趸及樽⒃瞿芗由暗绕渌椒ǖ难芯浚M(jìn)一步降低胍膠的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，進(jìn)而使得壓裂液成本降到更低。

[1] M.J.埃克諾米德斯，K．G．諾爾蒂．油藏增產(chǎn)措施 [M]．3版．張保平,蔣閱，劉立云，等，譯．北京：石油工業(yè)出版社,2002．

[2] 劉洪升，郎學(xué)軍，張紅，等．高溫延緩型有機(jī)硼013-200交聯(lián)壓裂液的性能與應(yīng)用[J]．油田化學(xué)，2003，20(2)：125-128．

[3] 郎學(xué)軍．水力壓裂工藝中的分段破膠技術(shù)[J]．石油鉆采工藝，2003，25(4)：64-66．

技術(shù)瓶頸難解倒逼升級(jí)換代

煤制乙二醇的明天究竟會(huì)怎樣?在多種多樣質(zhì)疑聲中，盡快突破技術(shù)瓶頸是業(yè)界達(dá)成的唯一共識(shí)。

丹化化工科技股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱丹化科技)與中國(guó)科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所聯(lián)合開發(fā)的煤制乙二醇技術(shù)是我國(guó)較早展開產(chǎn)業(yè)化實(shí)施的自主技術(shù)。該技術(shù)首先在丹化科技控股子公司內(nèi)蒙古通遼金煤化工有限公司(以下簡(jiǎn)稱通遼金煤)200 kt/a煤制乙二醇項(xiàng)目中得到應(yīng)用，并成為國(guó)家發(fā)展與改革委員會(huì)認(rèn)定的全國(guó)首個(gè)煤制乙二醇國(guó)家級(jí)示范工程。不過，通遼金煤裝置從2009年12月打通全流程并產(chǎn)出合格產(chǎn)品至今并未達(dá)產(chǎn)，國(guó)家發(fā)展與改革委員會(huì)也因此一直沒有對(duì)此項(xiàng)目予以驗(yàn)收。

除了不能達(dá)產(chǎn)以外，業(yè)內(nèi)有關(guān)專家還披露，目前，國(guó)內(nèi)已投產(chǎn)煤制乙二醇產(chǎn)品更為尷尬的是質(zhì)量不過關(guān)。我國(guó)乙二醇產(chǎn)品主要用于生產(chǎn)聚酯、防凍液、不飽和樹脂以及黏合劑、油漆溶劑、耐寒潤(rùn)滑油、表面活性劑和聚酯多元醇等，其中聚酯占據(jù)我國(guó)乙二醇消費(fèi)的90%以上。目前煤制乙二醇產(chǎn)品雜質(zhì)含量及產(chǎn)品紫外透光率等指標(biāo)還不能完全達(dá)到聚酯級(jí)的要求，只能與乙烯法乙二醇低比例摻混使用。若不能滿足下游聚酯市場(chǎng)的要求，煤制乙二醇幾乎完全沒有市場(chǎng)前景可言，其與乙烯法競(jìng)爭(zhēng)的成本優(yōu)勢(shì)也毫無意義。

就煤制乙二醇技術(shù)不完全成熟和產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目推廣等問題，華東理工大學(xué)教授房鼎業(yè)、西北大學(xué)化工學(xué)院院長(zhǎng)馬曉迅等專家指出：其一是催化劑問題，國(guó)內(nèi)多家科研院所已開發(fā)出的催化劑，存在著使用壽命短、貴金屬組分含量高以及反應(yīng)過程中熱點(diǎn)控制難等亟待解決的問題;其二是最終產(chǎn)品能否達(dá)到聚酯級(jí)還有待驗(yàn)證;其三是尚無準(zhǔn)確的技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)和環(huán)境評(píng)估，競(jìng)爭(zhēng)力到底有多大也需審慎檢驗(yàn)。所以未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展仍需要進(jìn)一步研究和試驗(yàn)，不宜大規(guī)模全力推進(jìn)，重點(diǎn)是搞好項(xiàng)目示范。

難解的技術(shù)瓶頸正在一步一步倒逼煤制乙二醇的創(chuàng)新升級(jí)。中國(guó)科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所有關(guān)人士表示，在中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、國(guó)家重大科學(xué)問題導(dǎo)向項(xiàng)目和國(guó)家“973”計(jì)劃支持下，該所已經(jīng)開發(fā)出了包含新型高效低成本催化劑、技術(shù)及全新工藝技術(shù)流程等在內(nèi)的一整套具有完整知識(shí)產(chǎn)權(quán)的二代煤制乙二醇技術(shù)。相較于一代技術(shù)，二代煤制乙二醇技術(shù)進(jìn)一步優(yōu)化了工藝流程，實(shí)現(xiàn)了催化劑貴金屬負(fù)載量的降低和有毒金屬的替代，催化劑性能和壽命有了較大提升，成本大幅度降低，技術(shù)的環(huán)保性也大為提高。

(中國(guó)石化有機(jī)原料科技情報(bào)中心站供稿)

Study and Application of Low Mass Fraction Guar Gum Fracturing Fluid System

Luan Fei，Wu Yudong，Liang Jie，Xiong Xin，Xing Zhengqiang

(SINOPECZhongyuanPetroleumEngineeringCo.,Ltd.UndergroundSpecialOperationsCompany,Puyang457164)

The low mass fraction guar gum fracturing fluid system adapting to the temperature of 90～130 ℃ was prepared through reducing proportion of guar gum by 10% and 2 varieties of additives. The temperature resistance, shear resistance, proppant carrying capacity and gel breaking performance of the fracturing fluid system were assessed, and the situation of field application was analyzed.

guar gum, fracturing fluid, system

2015-01-10。

欒飛 ，男，1986年出生，2009年畢業(yè)于西南民族大學(xué)化學(xué)工程與工藝專業(yè)，工程師，長(zhǎng)期從事壓裂酸化工藝的研究與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工作。

1674-1099 (2015)02-0021-04

TE357.1+2

A