一體化自交聯乳液型壓裂液體系的應用

邊天宏，張偉杰，何冬愛

延長油田股份有限公司志丹采油廠（陜西 志丹 717500）

1 組成及性能測定

1.1 組成及基本性能

一體化自交聯乳液型壓裂液APFR-6是一種乳白色液體，丙烯酰胺單體、改性單體、油溶性溶劑、水、乳化劑等為主要原料，是由壓裂用增稠劑、助排劑、破膠劑（過硫酸銨）等化學品按照一定比例配制而成，密度為0.9～1.1 g/cm3，pH值為5.0～8.0。其水溶解時間≤1 min，溶液黏度≥50 mPa·s，靜態懸砂時間≥30 min，120 ℃時剪切90 min的黏度≥30 mPa·s，破膠液黏度≤5 mPa·s。

1.2 黏度測定

1）基液黏度：基液黏度代表稠化劑的增稠能力與溶解速度。一體化自交聯乳液型壓裂液基液黏度可采用六速旋轉黏度計現場測定[1]，并根據排量、砂比、壓力的變化，隨時調整乳液用量及黏度。

2）滑溜水黏度：由于基液黏度較小，APFR-6試劑的質量分數在0.05%～0.20%即可，無需添加破膠劑。現場實測滑溜水的黏度在15.2～22.5 mPa·s。

3）壓裂液黏度：APFR-6 試劑的使用質量分數在0.4%～1.1%，壓裂液現場實測黏度為35.4～95.6 mPa·s。

1.3 壓裂液的剪切穩定性

1）壓裂液樣品的制備。將清水+0.5%APFR-6試劑+0.2助排劑按比例加入混調器中，并不斷攪拌，以免產生“魚眼”。樣品的配比以滿足壓裂施工需要為依據，待液體起黏后，繼續攪拌10 min，待用。

2）試驗方法。取配制好的壓裂液60 mL，用RT-20高溫流變儀測其抗剪切性能。從室溫開始升溫，剪切速率170 s-1，剪切時間90 min。試驗開始后，儀器自動記錄剪切速率、表觀黏度、溫度等參數。

3）測試結果與分析。取適量配制好的凍膠，用RT-20 高溫流變儀進行剪切性能試驗，并將剪切速率、溫度、黏度等詳細數據顯示在同一坐標系中，測試結果如圖1所示。

圖1 體系抗剪切試驗

從圖1可以看出，試驗溫度120 ℃，剪切速率設定為170 s-1，剪切時間90 min。前30 min，由于壓裂液凍膠為假塑性液體，剪切黏度迅速下降；后60 min，剪切黏度保持較高值，基本在50 mPa·s 以上，說明該壓裂液體系的抗剪切性能良好。

2 一體化自交聯乳液型壓裂液的作用機理

1）水化機理：將一體化自交聯乳液型壓裂液APFR-6加入水中后，快速水化（10～30 s），壓裂液體系中的多元締合聚合物與水分子作用，在稀溶液中高分子鏈間通過范德華力、氫鍵、離子鍵等多種弱分子間力形成空間網狀結構，使溶液具有優異的流變性能。

2）交聯機理：該壓裂液體系是在VES 壓裂液體系的基礎上，改變支鏈結構，通過水化與水分子作用，僅靠多元締合聚合物的分子間特殊作用力（可逆交聯）即可形成強大的空間網狀結構，無需添加交聯劑，形成具有一定結構強度的膠液，同時保持了優良的減阻與攜砂性能[2]。

3）破膠/沉降機理：因交聯作用為物理交聯，屬可逆交聯，在破膠劑的作用下，交聯結構很容易解開，聚合物開始降解，實現破膠過程。故APFR-6體系壓裂液易于破膠水化，無殘渣，對儲層傷害小。在破膠前期，物理交聯的解開，溶液中的分子間結構減弱，黏度開始下降，支撐劑緩慢下沉；破膠后期，高分子斷裂為小分子，聚合物降解，黏度明顯降低，支撐劑完全沉降，達到最終破膠[3]。

3 現場作業

3.1 現場壓裂液配比

結合該產品實驗室及前期施工作業經驗，得出水平井大排量體積壓裂施工現場配比，見表1、表2。

表1 一體化自交聯乳液型壓裂液（滑溜水）現場配比

表2 一體化自交聯乳液型壓裂液（攜砂液）現場配比

3.2 應用效果

一體化自交聯乳液型壓裂液APFR-6采用的是混砂車現場實時配制方式，一劑多用，即配即用、不用即停，無剩余液體浪費，可滿足現場不同條件下的施工要求，無論是配置滑溜水還是攜砂液，所用材料種類少（2 種）且配方相同，僅僅是材料使用量的區別。1.2%～1.5%乳液可以在10～20 s基本溶解，因此實現了真正的在線連續配液，無需提前配液，更不用建配液站。同時亦可滿足場地小、規模大的體積壓裂需求。

2019—2021年分別在延長油氣勘探公司、延長油田各采油廠、斯倫貝謝（蟠龍區塊）及俄羅斯試驗井進行了現場應用，與同類產品相比，該壓裂液具有以下特點：

1）施工材料組分少。通過與延長油氣勘探公司已應用的同類產品對比分析，在線連續配液的施工中，僅APFR-6的使用組分少（僅1種），其他清潔壓裂液施工材料多為3 種及以上，較APFR-6 添加組分多，而且增稠劑使用質量分數大（1.5%以上）。另外，材料使用越多，對地層傷害越大。

2）懸砂性能強。從2019年開始，本產品在延長油氣勘探采氣廠現場施工作業累計21井次（采氣一廠15井次、采氣三廠4井次、采氣四廠2井次），整個施工過程順利，施工壓力穩定、攜砂性能好、砂比高、全程無砂堵、砂卡等情況。其中，延518-4 井原采用小分子可循環壓裂液（在線配液）進行施工。該井開采層位為長6，設計壓裂4層。由于現場施工環境溫度較低（-10 ℃至-25 ℃），導致小分子壓裂液的起黏速度過慢，抗剪切能力較低、懸砂性能極差，施工第一層時最高砂比只能達到20%，勉強施工完；施工第二層，在砂比提到15%、加砂5 m3時出現了砂堵，經反洗后繼續施工，仍然砂堵，最后被迫停止施工。后改用一體化自交聯乳液型壓裂液APFR-6 進行現場試驗，先是對第二段進行了重新壓裂，設計排量2.5 m3/min，砂比25%～30%。按設計要求的施工參數，順利完成了本段的施工任務；次日，又施工了剩余2段，整個3段的施工壓力穩定，加砂過程順利，最高砂比可達32%。

2020 年在延長油田各采油廠推廣應用一體化自交聯乳液型壓裂液APFR-6產品，共施工水平井3口，常規定向井15 口。其中下寺灣采油廠柳平25井采用滑溜水+攜砂液進行施工，現場攜砂液采用質量分數為0.4%～0.5%，最高砂比達35%，該液攜砂能力強、攜砂持續時間較長，且工作壓力平穩。在常規井壓裂施工中，現場采用質量分數為0.8%～1.0%，最高砂比可達45%，足以證明APFR-6體系攜砂性能強。

3）對配液水質要求較低。APFR-6一體化自交聯乳液型壓裂液材料對現場的配液水質要求較低，礦化度小于1%的水基本能夠滿足施工要求。2020年采氣一廠（試242-2 井）、采氣三廠（延866-4 井）均采用胍膠液進行壓裂，但由于水質、氣溫等原因，導致胍膠液出現壞液現象，現場基液交聯性很差，施工過程出現多次砂堵。后選用APFR-6進行配伍性實驗，實驗結果滿足施工設計的要求。進而改用一體化自交聯乳液型壓裂液進行該井后段的現場施工，全程嚴格執行設計的泵注程序，平均砂比及最高砂比均滿足設計要求，順利完成了該井的壓裂施工，后期液體破膠黏度2～3 mPa·s。

4）降摩阻性能優良。對比測試胍膠壓裂液與APFR-6乳化壓裂液在流經多功能流動回路儀管路時的摩擦阻力（其中胍膠壓裂液稠化劑的質量分數為0.45%），結果如圖2所示。

圖2 攜砂液降阻率測試

實驗結果表明，APFR-6 壓裂液比胍膠壓裂液的降阻效果更好，降阻率在40%左右[5]。通過甘肅長慶H41-5水平井現場的沖砂作業，驗證了該材料的降摩阻性能。H41-5 井采用反沖砂作業，現場施工壓力19.0 MPa左右，采用該體系配置的低黏度沖砂液進行同排量沖砂，現場泵壓降至12.5 MPa 左右，降阻作用顯著。

2020年延長油田南泥灣采油廠評124平1井的施工設計為大排量（12 m3/min）的體積壓裂，水基滑溜水壓裂液體系，全井壓裂6段，前3段采用類似活性水進行施工，施工壓力約26 MPa，最高砂比10%。后3 段采用0.15%APFR-6 壓裂液進行施工，最高砂比達15%，施工壓力穩定在20 MPa左右。通過兩者對比發現，后3 段在排量不變的情況下砂比提升了5%，壓力下降了6 MPa，減阻效果顯著。同時，該井投產作業后，產量較高，目前產液28 m3，產油7 t，較同井場其他井，增產效果顯著。

5）耐溫性能優良。目前使用的在線連續配液產品，環境溫度降低后材料的溶解起黏速度降幅較大，懸砂性能變差。以某在線清潔壓裂液為例，2019年12月在子長采油廠施工的某井，現場使用該清潔壓裂液，由于現場環境溫度過低（-18℃），使該清潔液的膠聯性變差，施工過程中曾出現多次砂堵，最終造成砂埋管柱的井下事故[6]。而APFR-6一體化自交聯乳液型壓裂液，由于溶解、起黏速度快，耐溫性能優良，即使在環境溫度很低（-25℃）的情況下，仍可現場施工[7-8]。

2020 年12 月8 日，APFR-6 體系壓裂液在下寺灣采油廠橋平18水平井的現場施工，現場環境溫度約-20 ℃，水溫0 ℃（上部結冰10 cm），在該溫度下，現場滑溜水采用0.1%質量分數，攜砂液采用質量分數0.3%，施工現場最高砂比25%，壓力平穩。2020年10月，APFR-6體系壓裂液在采氣三廠丹39-4井進行現場壓裂，射孔段為4 200～4 205 m，儲層溫度極高，溫度達到121.8 ℃，在該溫度下，APFR-6體系壓裂液現場施工壓力平穩，最高砂比為25%，完全滿足高溫井的現場施工[9-10]。表明APFR-6 體系耐溫性能良好，完全滿足低溫和高溫環境下的現場施工。

6）產品性價比高。由于APFR-6乳液體系壓裂液現場施工組分少，使用濃度低，無需現場配液，不產生配液成本的同時縮短了施工周期，產品性價比較高。通過與下寺灣采油廠、南泥灣采油廠水平井壓裂液價格對比后發現，APFR-6 乳液體系壓裂液成本下降10%以上。

4 結論

1）APFR-6一體化自交聯乳液型壓裂液所用化學品種類少，通常2～3種即能滿足施工要求。

2）常溫和高溫下懸砂性均十分優異，最高砂比達35%。

3）低濃度時配制的滑溜水的降阻率可達60%～80%以上；高質量分數時自交聯攜砂液比胍膠體系減阻30%。

4）可耐高溫至160 ℃，剪切恢復迅速，恢復率高。現場溫度低至-25℃、儲層溫度高至121.8 ℃仍可正常施工。

5）可逆交聯，低黏度（20～50 mPa·s）仍可攜砂。

6）易破膠且破膠徹底，破膠液黏度≤2 mPa·s，無殘渣。