新型可回收壓裂液體系研究與應(yīng)用

楊 發(fā) ，許 飛 ，馬 震

（1.中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院，陜西西安 710018；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710018；3.中國石油長慶油田分公司工程技術(shù)管理部，陜西西安 710018；4.中國石油長慶油田分公司第一采氣廠，陜西西安 710018）

目前，壓裂改造已經(jīng)成為低滲透油氣田開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)，并且隨著開發(fā)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，水平井分段壓裂和體積壓裂逐漸成為壓裂改造的主體技術(shù)，單井壓裂施工的配液量達(dá)到數(shù)千方甚至上萬方，從而對(duì)施工的生產(chǎn)組織、廢液處理以及提速降耗都提出了巨大挑戰(zhàn)。與此同時(shí)，隨著油氣生產(chǎn)環(huán)保要求的不斷提高和油氣價(jià)格的下滑，“低成本、低傷害、可回收、無殘留”已逐步成為壓裂液技術(shù)發(fā)展的新趨勢(shì)[1-3]。

新型可回收壓裂液體系采用新型表面活性劑為稠化劑[4-7]，無需提前配液，遇水可快速稠化形成壓裂液，壓裂液遇油或經(jīng)地層水稀釋后破膠，破膠液經(jīng)過簡單物理處理后，再次加入稠化劑即可再次稠化實(shí)現(xiàn)破膠液的回收利用，其技術(shù)特點(diǎn)特別適合水平井及叢式井提速提效、節(jié)能環(huán)保和大規(guī)模工廠化作業(yè)需求。

1 壓裂液體系綜合性能研究

1.1 壓裂液體系建立

可回收壓裂液體系GY-1以新型表面活性劑為稠化劑，無需添加交聯(lián)劑、破膠劑和其他添加劑，遇水可快速聚集形成蠕蟲狀膠束形成壓裂液，并且自身具有較好的黏土防膨及返排性能，在地層遇油或經(jīng)地層水稀釋即可破膠[8-11]。

室溫25℃，水溫17℃下，測(cè)試了稠化劑遇水后不同時(shí)間下的黏度，結(jié)果（見表1）。

表1 不同稠化時(shí)間下壓裂液GY-1的黏度

從表1可以看出，稠化劑遇水40 s即可達(dá)到攜砂要求，1 min黏度穩(wěn)定，說明開發(fā)的新型可回收壓裂液完全可以滿足現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)混配的施工需求。

1.2 壓裂液體系性能綜合研究

依據(jù)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T5107-2005《水基壓裂液性能評(píng)價(jià)方法》對(duì)新型可回收壓裂液體系GY-1進(jìn)行了系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)。

1.2.1 耐溫耐剪切性能 室內(nèi)使用RS6000流變儀，在100℃、170 s-1條件下考察了壓裂液體系在回收前后的耐溫耐剪切性能（見圖1）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，壓裂液體系在100℃下黏度保持在30 mPa·s以上，能夠滿足100℃以內(nèi)儲(chǔ)層加砂壓裂改造的需求。

1.2.2 黏彈性能測(cè)試 使用RS6000流變儀椎板系統(tǒng)考察了壓裂液的黏彈性能（見圖2），實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，壓裂液體系的儲(chǔ)能模量G'大于5.5 Pa，耗能模量G''大于0.385 Pa，體系黏彈性能良好。

圖1 耐溫耐剪切性能測(cè)試結(jié)果（左邊清水體系，右邊破膠液體系）

圖2 黏彈性能測(cè)試結(jié)果

1.2.3 破膠性能 室內(nèi)考察了100℃下，可回收壓裂液體系的破膠性能（見表2）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，通過添加不同加量的煤油，可以實(shí)現(xiàn)壓裂液體系在不同時(shí)間內(nèi)的破膠。同等條件下，破膠液配制壓裂液比清水配制更容易破膠。

表2 破膠性能測(cè)試結(jié)果

1.2.4 黏土防膨性能 可回收壓裂液體系本身含有離子穩(wěn)定基團(tuán)，可以有效防止黏土內(nèi) Ca2+、Mg2+、K+、Na+等離子的運(yùn)移，體系在回收前后的黏土防膨率均達(dá)到80%以上，說明壓裂液體系具有良好的黏土防膨性能，可以有效預(yù)防改造后儲(chǔ)層的黏土膨脹和運(yùn)移（見表3）。

表3 黏土防膨性能測(cè)試結(jié)果

1.2.5 助排性能 采用德國KRUSS公司K100型表界面張力儀評(píng)價(jià)了壓裂液體系破膠液在不同溫度下的表面張力和界面張力（見表4）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該壓裂液具有較低的表面張力和界面張力，從而有利于壓裂返排液的快速返排，降低對(duì)儲(chǔ)層的傷害。

表4 助排性能測(cè)試結(jié)果

1.2.6 殘?jiān)繙y(cè)定 分別對(duì)壓裂液體系在回收前后的壓裂液殘?jiān)M(jìn)行了測(cè)定（見表5），清水配制壓裂液殘?jiān)科骄鶠?.64 mg/L，回收后破膠液配制壓裂液殘?jiān)科骄鶠?.17 mg/L，均遠(yuǎn)低于常用胍膠壓裂液體系的殘?jiān)?00 mg/L～560 mg/L）。

表5 殘?jiān)繙y(cè)定

1.2.7 濾失性能 使用GGS71-A型高溫高壓濾失儀考察了壓裂液回收前后在不同溫度下的靜態(tài)濾失性能（見表6），實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，可回收壓裂液體系的濾失系數(shù)低于1.0×10-3m/min1/2，具有較好的靜態(tài)濾失性能。

表6 靜態(tài)濾失性能測(cè)試結(jié)果（10－3m/min1/2）

1.2.8 巖心基質(zhì)滲透率損害率 使用高溫高壓巖心流動(dòng)儀考察了壓裂液體系回收前后的巖心基質(zhì)滲透率損害率（見表7），實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，壓裂液回收前后對(duì)巖心基質(zhì)滲透率損害率較低，僅為10.23%。

表7 巖心基質(zhì)滲透率損害率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2.1 可回收循環(huán)利用工藝

新型可回收壓裂液體系以液態(tài)形式存在，且黏度較低，便于泵送，壓裂液體系與清水混合后40 s內(nèi)即可達(dá)到攜砂要求。基于這一特性，可以采用直接混配工藝進(jìn)行施工。此外，壓裂液體系不會(huì)因放置久而腐敗，無需添加殺菌劑，對(duì)水質(zhì)要求低，任何地表水（包括高礦化度水）、地層水、返排液都可直接用于可壓裂施工。在壓裂返排液中加入1%～6%的壓裂液體系即可重新稠化攜砂，回收液可重復(fù)利用多次，達(dá)到了循環(huán)利用的技術(shù)要求，具體工藝流程（見圖3）。

圖3 GY-1在水平井的可回收循環(huán)利用工藝流程圖

2.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用與效果分析

2012-2017年，新型可回收壓裂液體系GY-1在CQ-1、CQ-2、CQ-3和CQ-4等區(qū)塊共計(jì)完成水平井200口井（1 781層），最大井深3 995 m，水平段最長1 280 m，最高排量8.0 m3/min，單層最大加砂量87.7 m3，最高砂濃度720 kg/m3（砂比44.2%），施工成功率100%。

2.2.1 工程作業(yè)效果分析

（1）摩阻特性分析：選取鉆具結(jié)構(gòu)、施工排量、井深相同，施工液體不同的鄰井進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示（見表8），可回收稠化水清潔壓裂液比胍膠壓裂液的施工壓力與摩阻降低了22.9%。

低摩阻特點(diǎn)進(jìn)一步拓寬了該技術(shù)的應(yīng)用空間：①降低施工壓力，降低主壓車的功率消耗，降低柴油消耗、增長壓裂管柱使用壽命，降低安全風(fēng)險(xiǎn)；②實(shí)現(xiàn)小尺寸套管或連續(xù)油管壓裂的施工；③滿足深井頁巖氣、致密油氣藏的大排量壓裂要求；④實(shí)現(xiàn)最大程度的液氮伴注，提高改造效果。

（2）提速提效：在壓裂過程中，每個(gè)水平段壓裂結(jié)束后，放噴返排液只經(jīng)過放噴池或除砂罐簡單的靜置處理（沉砂、除油），即可用于下個(gè)井段的壓裂施工（見圖4）。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，GY-1在水平井壓裂平均單井施工周期11.7 d，由于在備水、配液、返排液處理方面的提速優(yōu)勢(shì)，對(duì)比鄰近區(qū)域同期施工的胍膠壓裂井，壓裂周期縮短28.2%（縮短4.6 d），提速提效效果明顯。

2.2.2 增產(chǎn)效果分析 選取近兩年CQ-3、CQ-4兩個(gè)區(qū)塊施工井與鄰井（共計(jì)122口井）效果進(jìn)行比對(duì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果（見表9，表10）。結(jié)果顯示，CQ-3和CQ-4區(qū)塊投產(chǎn)后第三個(gè)月平均單井日產(chǎn)油分別達(dá)到8.3 t和6.4 t，投產(chǎn)效果優(yōu)于鄰井。

表8 新型可回收壓裂液體系與胍膠壓裂液施工摩阻對(duì)比

圖4 GY-1在水平井水力噴射壓裂施工流程圖

表9 CQ-3區(qū)塊投產(chǎn)效果統(tǒng)計(jì)

表10 CQ-4區(qū)塊投產(chǎn)效果統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)論

（1）室內(nèi)研究表明，開發(fā)的新型可回收壓裂液體系GY-1具有“無殘?jiān)⒌蛡Α⒌湍ψ琛⒁灼颇z、直接混配、可回收利用”的特點(diǎn)，可以滿足油氣井壓裂改造的需求。

（2）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果表明，與鄰井相比，新型可回收壓裂液體系整體上取得了更好的壓裂改造效果。同時(shí)，可大量節(jié)約淡水資源、縮短壓裂作業(yè)周期、降低作業(yè)能耗，具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

（3）新型可回收壓裂液體系的特點(diǎn)特別適合于水平井及叢式井提速提效、節(jié)能環(huán)保和大規(guī)模工廠化作業(yè)需求，符合今后油氣田大規(guī)模開發(fā)“安全、環(huán)保、高效”的發(fā)展理念，具備了全面推廣應(yīng)用條件，尤其是在陜甘寧蒙等干旱缺水區(qū)域具有廣闊的應(yīng)用前景。