大牛地氣田強交聯壓裂液體系研究與應用

李 雷，江學慶，薛林青

（中國石化華北油氣分公司石油工程技術研究院，河南鄭州 450006）

隨著國際油價的持續低迷，致密低滲油氣藏的開發步入瓶頸期，效益開發難度較大。目前采用常規羥丙基胍膠壓裂液粉比為0.45%～0.42%，液體成本較高，且進入地層后胍膠會在裂縫和縫壁殘留大量殘渣，造成一定的儲層傷害，影響儲層壓裂效果。目前，長慶使用的壓裂液體系為0.31%～0.33%胍膠濃度的壓裂液體系，交聯比100:（0.3～0.6），在耐溫90 ℃、170 s-1條件下剪切60 min 后，壓裂液的黏度大于140 mPa·s，殘渣含量282～336 mg/L。該壓裂液體系在蘇里格氣田取得良好的改造效果[1]，平均無阻流量比鄰井提高38.6%。因此，在保證壓裂液性能的前提下如何有效降低胍膠用量，降低液體綜合成本，減少液體和殘渣對裂縫及儲層的傷害，實現致密低滲氣田的經濟有效開發。

1 胍膠壓裂液性能

工區使用壓裂液體系為羥丙基胍膠壓裂液體系，其基液為0.45%HPG（一級）＋1%KCl+0.1%甲醛+1%起泡劑+0.2%助排劑+0.2%Na2CO3，交聯液為BCL-61 或CX-306 體系，交聯比100：0.3；破膠劑為膠囊破膠劑和過硫酸銨；液氮伴注比例為6%～9%。

為了評價壓裂液體系對工區儲層的影響，開展了相關室內實驗研究，評價結果（見表1）。其結果符合SY/T 5107 水基壓裂液性能評價體系標準[2-4]。

表1 工區壓裂液性能評價

經激光粒度分析儀測定，壓裂液破膠后殘渣粒度大小分布在0.49～125 μm，77%主要分布在31～88 μm，均值67.01 μm。

2 強交聯交聯劑優選及現場應用

胍膠是一種提取于胍膠豆的天然半乳甘露聚糖，胍膠相對分子質量200 萬，胍膠原粉溶解速度慢，水不溶物含量高。后期經過改性后的改性胍膠有羥丙基胍膠（HPG）、羧甲基胍膠（CMG）和羧甲基羥丙基胍膠（CMHPG），結合目前大牛地氣田現場胍膠的使用情況，選用羥丙基胍膠開展強交聯壓裂液體系研究。

2.1 強交聯劑優選

交聯劑是通過交聯離子將植物膠分子鏈上的活性基團以化學鍵連結起來，形成具有黏彈性的三維網狀凍膠。羥丙基胍膠大分子中含有大量順式鄰位羥基，與硼發生絡合反應，形成相對分子質量更大的化合物，實現壓裂液的交聯增稠。有機硼交聯劑對羥丙基胍膠稠化劑進行交聯，通過有機硼配體來實現延緩交聯時間、提高交聯強度（抗溫抗剪切）、降低稠化劑羥丙基胍膠用量的作用[5-7]。

采用正交實驗方法對表2 中五種交聯劑的耐溫耐剪切性能進行檢測，優選出5 號強交聯劑。

表2 交聯劑耐溫耐剪切室內評價實驗結果

5 號強交聯劑具有一定的屏蔽作用，使羥丙基胍膠交聯的時間可以調控；并且，使用有機配體改性的有機硼交聯劑，交聯后可以形成相對比較穩定的橋連化學鍵，使最終交聯而成的凍膠的耐溫、耐剪切性能得到一定的提升（見表3）。

表3 5 號強交聯劑技術指標

2.2 強交聯壓裂液體系優化

通過對比不同胍膠濃度下基液黏度確定了壓裂液配方：

基液：0.30%HPG+1%KCl+0.2%ZITHE-34+0.5%YFP-1+0.2%Na2CO3+0.1%FHS18。

交聯劑：5 號強交聯劑，交聯比100:（0.4～0.5）；破膠劑：生物酶破膠劑+過硫酸銨。

0.3 %濃度的羥丙基胍膠與SITAR-11 交聯后可形成三維網狀凍膠，凍膠的宏觀效果（見圖1 A）。由圖可見，交聯形成的凍膠吐舌效果好。并且由于凍膠內部分子相互交疊形成較為致密的三維交叉網狀結構，具有優良的攜砂能力，凍膠的攜砂效果（見圖1B）（攜砂測試所用的是20/40 目陶粒，40%砂比）。

圖1 交聯凍膠（A）及攜砂狀態（B）

5 號強交聯劑交聯形成的凍膠的掃描電鏡照片（見圖2）。由圖2 可見，放大2 000 倍時，在視野中看到一簇簇不規則的聚集體；當放大到10 000 倍時，可以在照片中清晰的看到交聯結構，表明凍膠內部羥丙基胍膠分子發生了交聯，相互交疊形成較為致密的三維交叉網狀結構。并且，由圖2 可見，交聯后的聚集體大小平均在1.5～1.8 μm。

圖2 交聯后掃描電鏡觀察（2 000×，10 000×）

一般壓裂液凍膠具有優良的黏彈性和強度，但在剪切力作用下由于凍膠的部分網狀結構被破壞，使凍膠的黏度降低。然而，由于有機硼交聯劑結構中存在大量結構穩定的硼原子與多元醇形成的配位鍵，因此具有良好的抗剪切能力，在90 ℃、170 s-1的剪切速率下剪切2 h，凍膠黏度始終大于140 mPa·s，交聯比分別為100：0.4 和100：0.5（見圖3）。

圖3 0.30% HPG 在90 ℃條件下的流變曲線，交聯比（A）100：0.4 和（B）100：0.5

綜上所述，5 號強交聯劑滿足《SY/T 6376-2008 壓裂液通用技術條件》和《SY/T 5107-2005 水基壓裂液性能評價方法》中的要求，交聯形成的凍膠具有較常規壓裂液體系更優良的黏彈性以及較高的強度，耐溫耐剪切能力強，攜砂和輸砂能力好，適于在中高溫、低滲致密儲層中進行應用（見表4）。

通過對比強交聯體系與常規壓裂液體系的成本，強交聯體系費用比常規壓裂液節約10%以上，在降低成本的同時又減小殘渣對儲層的傷害。目前強交聯壓裂液體系在大牛地山1 和盒1 段進行試驗，壓后平均無阻流量分別為7.74×104m3/d 和10.84×104m3/d，比工區盒1 段和山1 段水平井無阻流量高48%和54%，具有較好的推廣應用前景。

3 結論及建議

（1）強交聯體系壓裂液體系優化的方向之一，通過優選交聯劑，降低胍膠濃度，減少壓裂液的殘渣和濾液對儲層的傷害，達到降本增效的目的。

（2）優化出的強交聯體系配方：基液0.30%HPG+0.5%KCl+0.2%ZITHE-34+0.2%Na2CO3+0.1%FHS18，交聯劑：超強交聯劑SITAR-11，交聯比100:（0.4～0.5）；在90 ℃、170 s-1的剪切速率下剪切2 h，凍膠黏度大于140 mPa·s，具有攜砂強、摩阻低、傷害小的特點，在DPS-220 和DPS-119 井進行現場應用，取得了良好的應用效果。

（3）優化出的強交聯體系在現場施工過程中存在破膠速度過快，濾失偏大，造成高砂比階段加砂困難，建議繼續加強交聯劑的優化，降低壓裂液濾失。