可變黏多功能壓裂液體系及應用

李 嘉，李德旗，孫亞東，李 然，張祥楓

(1中國石油川慶鉆探工程有限公司井下作業公司 2中國石油浙江油田公司)

研究表明，應力越低，外力破壞復雜程度越高，應力越高，外力作用下破壞復雜程度越低，因此，對于中深層頁巖氣井，尤其是水平兩向應力差異大、天然裂縫和水平層理發育的儲層，采用高低黏度壓裂液交替注入，壓后形成以主縫、分支縫及天然裂縫構成的多尺度裂縫并有效支撐是提高產量的關鍵[1-6]。常規滑溜水加砂壓裂，通常米加砂量約1.5 t，深層儲層施工壓力高、加砂困難，天然裂縫發育的儲層易因加砂困難而造成砂堵，同時，常規壓裂液須提前配液，時效低、費用高，不利于大規模體積壓裂施工[7-9]。對此研發了一種一劑多能降阻劑，無需提前配液，通過調整降阻劑濃度實現滑溜水、線性膠、交聯液在線自由轉換，較常規降阻劑具備更好的降阻性，攜砂性，并在中深層頁巖氣井中得到了推廣應用。

一、可變黏多功能壓裂液

1.一劑多能降阻劑

引入分子片段設計理念，即引入剛性耐鹽側基，研發了一種一劑多能降阻劑，有效屏蔽鈣鎂離子對聚合物鏈解纏繞的作用[10-11]，聚合物鏈段在高礦化度水條件下更加舒展，同時，引入超分子結構側基進一步增加水動力學體積，使其無論是在淡水還是含鹽量30 000 mg/L 內的鹽水溶液中，均具有良好的水溶性及增稠性。

改變一劑多能降阻劑的濃度，即可實現滑溜水、線性膠、交聯液不同壓裂液體系間的自由轉換，從而形成可變黏多功能壓裂液，其黏度如表1所示。

表1 不同濃度下一劑多能降阻劑的液體黏度

當一劑多能降阻劑濃度小于0.10%時，壓裂液的黏度低于4.65 mPa·s，此時液體為低黏滑溜水；濃度0.12%～0.2%時，壓裂液的黏度5.16～12 mPa·s，此時液體為中黏-高黏滑溜水；濃度0.25%～0.30%時，壓裂液的黏度18～21 mPa·s，此時液體為線性膠；當一劑多能降阻劑濃度增加到0.35%，基液黏度大于27.5 mPa·s，加入一定濃度的交聯劑即可交聯成凍膠。

2.滑溜水性能評價

2.1 降阻性能

使用MZ-II型摩阻儀評價0.1%的一劑多能降阻劑和常規乳液降阻劑滑溜水的降阻性能，測試結果如圖1。實驗數據表明，可變黏多功能壓裂液滑溜水降阻率超過80%，剪切10 min降阻率保持率大于95%，常規稠化劑降阻率初期約73%，但剪切2 min后，降阻率呈顯著下降趨勢，剪切10 min后降阻率下降到47%左右。

圖1 不同稠化劑在相同濃度下滑溜水降阻性能對比圖

2.2 攜砂性能

采用可視化平板裝置，對比相同條件(黏度3 mPa·s，10%砂比的30/50目陶粒，排量0.8 m3/h)下可變黏多功能壓裂液滑溜水與常規滑溜水的攜砂能力，實驗結果見圖2～圖3。常規壓裂液在井筒附近堆積高，可變黏多功能壓裂液滑溜水達到平衡，比常規壓裂液沉砂高度低40%,表明可變黏多功能壓裂液懸砂性能優于常規壓裂液。

圖2 常規滑溜水形成的支撐劑剖面(3 mPa·s)

圖3 一劑多能滑溜水形成的支撐劑剖面(3 mPa·s)

2.3 巖心損害率

按照石油行業標準SY/T 5107—2016《水基壓裂液性能評價方法》，對比測試可變黏多功能壓裂液滑溜水和常規滑溜水體系對頁巖填砂管的損害情況。質量濃度為0.1%的可變黏多功能壓裂液滑溜水對巖心的損害率約為8.86%，僅為常規乳液滑溜水(18.78%)的47.2%(見表2)。

表2 不同滑溜水對巖心損害測試結果

3.交聯液及破膠性能評價

使用HAAKE MARS4型流變儀測試可變黏多功能壓裂液交聯液(1%一劑多能降阻劑+0.3%交聯劑)在剪切速率170 s-1、160℃，剪切120 min下的流變性能。測試初期隨著溫度升高，剪切時間增加，交聯液的表觀黏度逐漸降低，剪切120 min后，壓裂液的表觀黏度大于80 mPa·s，見圖4，表明可變黏多功能壓裂液具有較強的耐溫耐剪切性能，在超高溫下壓裂液具備良好的攜砂性能。

圖4 交聯液流變曲線

該交聯液體系配方中加入破膠劑后破膠徹底，95℃下，2 h破膠液黏度小于3 mPa·s，殘渣含量低，見表3。

表3 交聯液破膠測試結果

二、在中深層頁巖氣井的應用

1.現場應用模式

按照滑溜水、線性膠或交聯液配方，將一劑多能降阻劑和其他添加劑直接泵入混砂車攪拌池，降阻劑在攪拌池中21 s即可起黏，45 s溶脹率可達到95%，滿足現配現用施工要求，如需將液體調整為凍膠，根據黏度要求調整一劑多能降阻劑濃度至0.35%或以上，并加入一定量的交聯劑即可。極大程度簡化了現場配制流程，施工中可在不同壓裂液體系自由切換，避免了施工過程中的流程倒換，提高了作業時效性。

2.現場應用

X-1井位于四川盆地川南低褶帶得勝向斜區，是以龍馬溪組為主要目的層的一口深層頁巖氣水平井，垂深約4 070 m，水平段長2 030 m，裂縫相對發育，水平主應力差約13 MPa，平均脆性指數48.6%，較難形成縫網壓裂。設計主體采用可變黏多功能壓裂液滑溜水體系，以形成主縫+分支縫的復雜裂縫為目標，采用“大排量、多簇、高強度加砂(單段米加砂量3.0～5.0 t)”壓裂工藝，支撐劑為70/140目粉砂+70/140目粉陶+40/70目陶粒，粉砂用于支撐微細裂縫、降低濾失，粉陶、陶粒分別用于分支縫和主縫的支撐、提高導流能力，以實現主縫、支縫和天然微細裂縫的有效支撐。

該井主要采用小于3 mPa·s的低黏變黏滑溜水，施工排量16 m3/min，泵壓76～84 MPa，各段降阻率均超過81.5%，40/70陶粒最高砂濃度260 kg/m3，最高米加砂強度5.56 t(圖5)，遠高于常規深層頁巖氣井1.5 t/m的加砂強度，該井加砂強度和最高砂濃度均創下了深層頁巖氣井滑溜水加砂的最高紀錄，同時，節省配液成本約170萬元。

圖5 X-1井第28段加砂壓裂施工曲線

三、結論

(1)可變黏多功能壓裂液通過調整一劑多能降阻劑濃度，實現不同黏度滑溜水、線性膠和交聯液在線自由轉換的功能，節省場地、液罐和配液費用，降阻性、攜砂性好、損害低，滿足各種加砂工藝及施工調整的要求，適用于大規模體積壓裂施工。

(2)現場應用表明相同加量下的可變黏多功能壓裂液滑溜水較常規滑溜水降阻性好，攜砂能力強、加砂強度高、增產效果顯著。