自締合壓裂液優選及應用

于洋，郭粉娟，李立，楊超，邱偉，欒飛，王雪婷

（中國石化中原石油工程有限公司井下特種作業公司，河南 濮陽 457164）

0 引言

隨著非常規油氣藏大規模的勘探開發，由于其獨特的儲層特性，使得大型壓裂成為對其進行高效開發的關鍵技術。傳統的壓裂配液與施工作業模式存在諸多不足：1）施工周期長，配液強度大；2）配制的壓裂液經過長時間儲存容易產生基液降解、黏度降低，甚至變質腐敗等問題；3）大規模壓裂中，液量大，罐群數量多，場地占用面積大；4）一般情況下，罐底余液占原來壓裂液體積的5%～7%，施工結束后必須對這些液體進行處理，不僅會造成浪費，而且環保成本極大［1］。

資料顯示［2］，自締合壓裂液具有低殘渣、易返排、對地層傷害小的特點，而且配制簡單，成本低廉，特別適用于低滲透油氣藏儲層改造。

1 自締合壓裂液配方的形成

1.1 稠化劑的優選

自締合聚合物的合成方法有2種，即水溶性單體與疏水性單體共聚法和水溶性聚合物化學改性法。自締合聚合物獨特的締合網絡結構決定了自締合壓裂液具有較好的增黏作用、優良的抗鹽性，以及良好的耐溫耐剪切能力［3］。而且此類聚合物用作稠化劑最大的特點在于［2］：當稠化劑低加量（聚合物質量分數低于臨界膠束質量分數）時，聚合物主要是分子內聚合，水溶液黏度低，可作為壓裂施工前期頂替液；當增加稠化劑加量（聚合物質量分數高于臨界膠束質量分數）時，聚合物主要為分子間締合，流體力學體積急劇升高，相應地，壓裂液黏度也會增大，可用于壓裂施工中的加砂壓裂。

本次研究收集了來自不同生產廠家的5種自締合稠化劑樣品，對其溶脹時間、抗鹽性、耐溫性等性能進行了評價實驗，以選擇性能優良的稠化劑產品。

1.1.1 溶脹時間及表觀黏度

溶脹時間的快慢，決定了是否能即配即用，溶脹時間越快，越有利于現場連續混配施工。室內評價了A，B，C，D，E等5種自締合稠化劑的溶脹時間及表觀黏度。實驗方法：首先量取500 mL自來水，加入Waring混調器中，調整轉速至1 700 r/min；然后加入10 mL自締合稠化劑并開始計時，記錄漩渦閉合時間，即溶脹時間；繼續調整溫度至30℃，恒溫放置4 h，用六速旋轉黏度計測其表觀黏度（見表1）。

表1 稠化劑溶脹時間及表觀黏度

綜合比較溶脹時間和表觀黏度，最終優選出溶脹時間較短、表觀黏度較高的稠化劑A和D進行下一步測試優選。

1.1.2 抗鹽性能

儲層壓裂改造中，尤其是大規模壓裂，壓裂液的配制往往需要大量的水資源，為了緩解淡水資源的匱乏，壓裂液的抗鹽性顯得尤為重要。優良的抗鹽稠化劑，可以放寬配液水的使用限制，根據井場位置，就地取水，降低配液施工成本。室內分別用清水和質量分數6%，8%，10%的CaCl2水溶液，配制質量分數2%的稠化劑，并測其表觀黏度，結果如表2所示。由表可見，在不同質量分數的鹽溶液中，稠化劑A和D均具有較高的黏度，抗鹽性能較好。

表2 稠化劑抗鹽性能

1.1.3 耐溫耐剪切性能

由于自締合聚合物自身結構的特殊性，當其受到機械破壞時，溶液黏度會下降，但當此外力消失時，其分子間的物理交聯將會重新建立，表現在宏觀性能上，即黏度恢復［2］；所以，相比普通的稠化劑，自締合稠化劑具有更高的耐剪切優勢。而良好的耐溫性能，可減緩聚合物壓裂液在高溫下的降解，適用于較高溫儲層的壓裂需求。

參考標準Q/SH 0616—2014《聚合物壓裂液性能測定方法》，用RS6000高溫高壓流變儀測稠化劑A和D的耐溫耐剪切性能。稠化劑質量分數為2%，在溫度110℃、剪切速率170 s-1的條件下連續剪切60 min后流變曲線如圖1所示。

圖1 自締合稠化劑流變曲線

由圖1可知：稠化劑D的保留黏度為46.3 mPa·s，而稠化劑A的保留黏度為78.4 mPa·s，說明稠化劑A的耐溫耐剪切性能明顯優于D，可以滿足壓裂施工攜砂需求。最終選擇A作為自締合壓裂液的稠化劑。

1.2 黏土穩定劑的優選

在各種井筒作業中，頁巖穩定是一個重要問題，該問題經常是由頁巖膨脹造成的。尤其是在具有水敏性的頁巖和黏土地層中，巖石吸收壓裂液中的液體后膨脹，可能導致井筒崩塌，而發生此效應的主要原因就是黏土的水化作用［4-5］。所以，壓裂液中加入合適的黏土穩定劑，可以有效緩解地層中的礦物膨脹。

本次實驗選取了KCl黏土穩定劑（1#）、小陽離子型黏土穩定劑（2#）、高溫黏土穩定劑（3#）等3種黏土穩定劑進行防膨性能評價。首先在室溫（25℃）下測試3種黏土穩定劑的防膨率，然后為保證黏土穩定劑適用于110℃的高溫環境，將3種樣品放入老化罐中，于110℃恒溫保存3 d，測試其高溫防膨率，結果見表3。由表3可知，2#黏土穩定劑在室溫和高溫下均具有較高的防膨率，防膨效果最好。

表3 不同黏土穩定劑的室溫、高溫防膨率

1.3 助排劑的優選

在低滲透油氣儲層中，由于存在毛細管壓力，液體滯留在非常小的孔隙中，液體通過毛細管孔喉時，需要變形，從而導致了流體阻力的增加，產生水鎖［6］。降低毛細管壓力也就降低了返排壓裂液所需的油層壓力，從而提高返排率［7-8］。助排劑的加入，可降低表面張力或油水界面張力，增大接觸角，利于壓裂液壓后返排［9-10］。常用的助排劑有陽離子型（如季銨鹽、季膦鹽）、陰離子型（如二（2-乙基己酯）磺基琥珀酸鈉）、溴化陰離子型（如9-溴硬酯酸）。

實驗選取4個助排劑樣品，按質量分數0.3%配成水溶液，分別測試其在室溫（25℃）下及高溫老化后（150℃密閉空間恒溫72 h）的表面、界面張力，結果見表4。

表4 室溫及高溫下助排劑的表面、界面張力 mN·m-1

參照標準Q/SHCG 69—2013《壓裂酸化用助排劑技術要求》，室溫下表面張力不大于30 mN/m、界面張力不大于3 mN/m，老化后表面張力不大于32 mN/m、界面張力不大于5 mN/m時，才能滿足技術要求。由表4可見，4種助排劑在室溫下的表面、界面張力均滿足技術要求，而高溫老化后僅有1#和3#助排劑滿足標準要求。因此，優選助排劑1#和3#。

將1#和3#助排劑與體系中的其他添加劑進行配伍性實驗。按照2%自締合稠化劑+0.5%黏土穩定劑+0.5%助排劑的比例加入到清水中，觀察實驗結果。實驗結果顯示，加入1#助排劑得到的溶液是無色透明的，加入3#助排劑得到的溶液變得渾濁。3#助排劑在室溫及高溫老化后的表面、界面張力均滿足標準要求，但是3#助排劑與其他添加劑存在不配伍的現象，可能導致壓裂液耐溫性能變差或者加大對儲層的傷害。因此，助排劑最終選用1#助排劑。

1.4 配方的確定

根據以上實驗結果，該自締合稠化劑壓裂液的配方為：2%自締合稠化劑A+0.5%黏土穩定劑2#+0.5%助排劑1#。

2 自締合壓裂液性能評價

2.1 耐溫耐剪切性能

壓裂液在進入地層的過程中，將受到壓裂管柱、射孔孔眼等的剪切作用，壓裂液黏度因此而降低；同時，壓裂液進入地層的過程中，隨著溫度不斷上升，黏度也會隨之改變［11-12］。壓裂液只有具有較高的黏度，才能很好地攜砂；因此，壓裂液的耐溫耐剪切性能是評判壓裂液性能好壞的指標之一［13-14］。

室內采用RS6000流變儀對該體系進行高溫流變性能評價，在溫度110℃、剪切速率170 s-1條件下，連續剪切60 min，其高溫流變曲線如圖2所示。

圖2 自締合壓裂液高溫流變曲線

由圖2可見，該體系在110℃，170 s-1條件下連續剪切60 min，黏度依舊大于70 mPa·s，滿足壓裂液黏度不低于50 mPa·s的要求。

2.2 破膠性能

壓裂液把支撐劑攜帶到已經形成的裂縫中，支撐劑可增大油井的裂縫支撐程度。破膠劑的加入可以在一定程度上對聚合物進行降解，使其變成小分子物，從而降低液體黏度，以便裂縫成為高滲透的通道，油和氣通過此路徑進入井中［15-16］。

室內選用過硫酸銨（APS）作為破膠劑進行破膠實驗，優化加量及破膠時間。將1%的稠化劑壓裂液分成5份，每份200 mL。分別加入質量分數為0.01%，0.03%，0.05%，0.07%，0.10%的過硫酸銨，放入70℃水浴中，并開始計時， 測量 0.5，1.0，1.5，2.0，3.0，4.0，5.0 h 時的黏度，結果如表5所示。

表5 自締合壓裂液破膠性能

由表5可見，壓裂施工中，為了防止壓裂液破膠太快造成砂堵，同時破膠液又能順利返排，最終確定破膠劑最優質量分數為0.03%。

2.3 殘渣測試

壓裂液殘渣即破膠水化液中殘存的水不溶物，其主要來源是稠化劑、壓裂液未破膠物質，及黏土穩定劑等添加劑中的水不溶物。殘渣會堵塞巖石孔隙和裂縫，影響裂縫支撐帶的導流能力和油氣層的滲透率［17-19］。破膠液殘渣越少，對油氣層造成的損害越小。

室內按照配方2%稠化劑+0.5%黏土穩定劑+0.5%助排劑+0.03%過硫酸銨配制壓裂液，參照標準SY/T 5107—2016《水基壓裂液性能評價方法》對破膠液殘渣進行測試，破膠液狀態如圖3所示。圖中左側為自締合體系破膠液，右側為常規HPG壓裂液體系破膠液，自締合體系的殘渣顯然比常規HPG體系的更少。通過計算，自締合體系破膠液的殘渣質量濃度僅為69 mg/L，遠低于常規HPG體系的322 mg/L。可見，該體系破膠后的殘渣質量濃度極低，對地層的傷害也很小。

圖3 2種破膠液示例

2.4 靜態懸砂實驗

壓裂液懸砂性能是決定壓裂成功與否的關鍵因素，壓裂液攜帶支撐劑在地層裂縫中水平移動時，顆粒會發生沉降，沉降速度可衡量壓裂液的懸砂性能［20-22］。沉降速度過快，容易造成砂堵導致施工失敗；沉降速度慢，則利于將支撐劑攜帶到更遠的地層，形成長縫。

室內按照支撐劑和配液用水體積比30∶100配制自締合壓裂液，倒入500 mL量筒中，觀察支撐劑的沉降。4 h之后，自締合壓裂液懸砂效果依舊良好，可滿足現場施工需求。

3 現場應用

2020年6月，該自締合稠化劑壓裂液在衛22-1A井和衛22-1B井進行現場應用。2口井井溫均為110℃，最高施工排量為5.6 m3，最高砂比為35%，累計用液650 m3，成功率100%，壓后效果良好。施工曲線如圖4、圖5所示，可以看出，自締合壓裂液具有良好的耐溫耐剪切性能及優良的攜砂效果。另外，自締合稠化劑呈液態，采用可控制泵速的齒輪泵即可滿足在線混配，降低了對作業場地面積的要求。

圖4 衛22-1A井施工曲線

圖5 衛22-1B井施工曲線

4 結論

1）該稠化劑具有溶脹速度快、分散均勻的優點，可滿足在線連續混配的施工要求，解決了目前壓裂配液勞動強度大、配液速度慢、施工準備周期長等問題。

2）自締合稠化劑具有良好的耐鹽性，可大量節約水資源，降低壓裂施工成本。

3）自締合壓裂液體系具有耐溫耐剪切、破膠徹底、低殘渣、高攜砂等特點，滿足了高溫井的需求，可保證施工順利進行。