納米變黏滑溜水黏彈攜砂機(jī)理與滲吸性能

劉漢斌，柏浩，唐梅榮，呂寶強(qiáng)，韓創(chuàng)輝，王文中，周福建，姚二冬

（1.長(zhǎng)慶油田分公司油氣工藝研究院,西安 710021；2.中國(guó)石油大學(xué)(北京)非常規(guī)油氣科學(xué)技術(shù)研究院,北京 102249；3.長(zhǎng)慶化工集團(tuán)有限公司,西安 710021）

0 引言

非常規(guī)油氣資源備受國(guó)內(nèi)外重視，頁(yè)巖油氣已成為目前油氣田開采的重中之重，其儲(chǔ)層具有低孔、超低滲的特點(diǎn)，勘探開發(fā)難度大[1–3]。目前頁(yè)巖油氣開發(fā)主要采用滑溜水壓裂液體系進(jìn)行體積改造，可以獲得比較理想的產(chǎn)量[4–5]。

但是，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過(guò)程中，也逐步暴露出一些問(wèn)題，主要是由于滑溜水黏度低造成攜砂性能差[6–7]，不能提高液體的結(jié)構(gòu)黏度，因此需要從其分子結(jié)構(gòu)及流體流變性進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，提高液體的攜帶能力，適當(dāng)提高砂比，從而更有利于網(wǎng)絡(luò)裂縫的形成與支撐；另外，為了提高攜砂能力，前置液通常選用滑溜水造復(fù)雜縫，后期用凍膠或高黏液造主裂縫[8–9]，造成兩種工作液不配伍、現(xiàn)場(chǎng)施工不便捷、工藝復(fù)雜，操作難度大，壓裂效率低等問(wèn)題。

針對(duì)以上問(wèn)題，長(zhǎng)慶油田新使用了一種CNI納米變黏滑溜水體系，該體系具有減阻效果好的同時(shí)，還具有很強(qiáng)的攜砂能力，在壓裂施工時(shí)可實(shí)現(xiàn)在線混配，只需不斷加入減阻劑（不需其他添加劑）即可簡(jiǎn)單配制成，而原有的粉末狀EM30S減阻劑需要提前分別配制不同濃度的滑溜水才能進(jìn)行壓裂[10]。如圖1是珠X井的納米變黏滑溜水現(xiàn)場(chǎng)施工曲線，壓裂液施工排量為10.0 m3/min，注入滑溜水壓裂液總體積為813.2 m3，地層破裂壓力為28.4 MPa，停泵壓力為13.6 MPa；壓裂施工階段壓力一直保持較低水平、無(wú)明顯波動(dòng)，第三段壓裂施工曲線顯示，加砂砂比可達(dá)40 %，納米變黏滑溜水?dāng)y砂性能穩(wěn)定。壓后試產(chǎn)結(jié)果表明，珠X井單井日產(chǎn)油量達(dá)11.31 t/d，證明該體系具有良好的增產(chǎn)效果。

圖1 珠X井納米變黏滑溜水現(xiàn)場(chǎng)施工曲線

通過(guò)將納米變黏滑溜水體系與現(xiàn)場(chǎng)用EM30S體系進(jìn)行對(duì)比，探究了CNI體系納米變黏滑溜水的攜砂性能，并對(duì)其在儲(chǔ)層條件下的滲吸置換性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)壓裂試驗(yàn)結(jié)果，證明新型納米變黏滑溜水體系可大大降低壓裂施工難度并具有良好的增產(chǎn)性能。

1 實(shí)驗(yàn)藥劑與儀器

實(shí)驗(yàn)選取現(xiàn)場(chǎng)使用的乳液型納米變黏滑溜水與粉末型EM30S滑溜水：納米變黏滑溜水由納米乳液CNI-A與乳液狀變黏減阻劑CNI-B組成，其中，納米乳液CNI-A由表面活性劑和納米油核組成，可通過(guò)疏水締合作用與物理交聯(lián)變黏減阻劑CNI-B形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)從而實(shí)現(xiàn)增黏效果。EM30S滑溜水主要使用了乳液型表面活性劑AS25和粉末狀減阻劑EM30S。減阻劑由聚丙烯酰胺或聚丙酰胺共聚物組成。為了屏蔽核磁共振測(cè)試時(shí)水的氫信號(hào)，自發(fā)滲吸實(shí)驗(yàn)所用的納米變黏滑溜水使用重水（D2O）進(jìn)行配制。

實(shí)驗(yàn)儀器：可視化裂縫模型（通過(guò)環(huán)氧樹脂對(duì)取自長(zhǎng)慶現(xiàn)場(chǎng)的巖心露頭壓裂后形成的裂縫面進(jìn)行倒模復(fù)制而成、具有相同粗糙度的透明裂縫模板）HAKKE流變儀；TEM電鏡等。

2 實(shí)驗(yàn)方法

分別測(cè)試了現(xiàn)場(chǎng)使用濃度的CNI體系納米變黏滑溜水（0.10% CNI-A+（0.10%～0.60%）CNI-B）和相近黏度下的EM30S滑溜水的動(dòng)態(tài)攜砂性能并進(jìn)行對(duì)比。此外，為了探究黏彈性與攜砂性能的關(guān)系，采用流變儀與電鏡進(jìn)行分子結(jié)構(gòu)揭示，并額外進(jìn)行了滲吸提高采收率能力測(cè)試。

2.1 動(dòng)態(tài)攜砂實(shí)驗(yàn)

使用自制的攜砂裝置進(jìn)行可視化粗糙裂縫模型攜砂實(shí)驗(yàn)。如圖2所示，攜砂裝置主要包括：①攪拌系統(tǒng)；②注入系統(tǒng)；③可視化裂縫模型；④流量計(jì)。攪拌系統(tǒng)主要包括攪拌罐和攪拌泵，將清水注入罐中，加入一定濃度的減阻劑，設(shè)置好泵速后進(jìn)行攪拌，配制成對(duì)應(yīng)滑溜水。注入系統(tǒng)主要包括輸送泵和高壓軟管，通過(guò)設(shè)置好注入排量，打開罐子底部的閥，滑溜水會(huì)以一定的流量通過(guò)軟管，從可視化裂縫模型前部上端進(jìn)入并逐漸充滿裂縫模型，充滿后關(guān)閉閥門停止注入，此時(shí)滑溜水主要起前置液的作用。之后將不同砂比的40～70目石英砂加入罐中并充分?jǐn)嚢瑁蜷_閥門將攜砂液注入模型后，觀察其動(dòng)態(tài)攜砂情況，此處滑溜水起攜砂液的作用，充滿模型后，攜砂液會(huì)從連接裂縫模型末端上部的軟管經(jīng)過(guò)流量計(jì)回流到攪拌泵中，可調(diào)節(jié)流量，形成一個(gè)循環(huán)，之后觀察模型中不同滑溜水溶液的砂堤形成情況，記錄其砂堤平衡高度并進(jìn)行對(duì)比。

圖2 可視化裂縫模型動(dòng)態(tài)攜砂裝置

2.2 黏彈特性測(cè)試

用HAAKE流變儀測(cè)試2種減阻劑滑溜水在相近表觀黏度條件下液體的黏彈性，主要方法為：在設(shè)定頻率為1 Hz下對(duì)2種滑溜水分別進(jìn)行應(yīng)力掃描，從而確定滑溜水的線性黏彈區(qū)，然后設(shè)定一定應(yīng)力在10～0.01 Hz下對(duì)2種滑溜水進(jìn)行頻率掃描，從而得到2種滑溜水的頻率掃描曲線[11–12]；通過(guò)2種滑溜水的靜態(tài)攜砂沉降時(shí)間/動(dòng)態(tài)攜砂砂堤平衡高度和彈性模量的綜合比較，直觀地反映了滑溜水的攜砂性能與黏彈模量的關(guān)系。

2.3 微觀結(jié)構(gòu)

聚合物微觀結(jié)構(gòu)決定其攜砂性能，因此需要對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)充研究，探究滑溜水的分子結(jié)構(gòu)與兩大特性間的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)主要使用了JEM 2100 LaB6透射電子顯微鏡（TEM）。因滑溜水黏度過(guò)高時(shí)，聚合物容易膠結(jié)，短時(shí)間內(nèi)成團(tuán)，不方便觀察；因此選用低濃度的滑溜水，多次點(diǎn)滴在膜片上，等風(fēng)干后進(jìn)行電鏡掃描。

2.4 滲吸驅(qū)油核磁監(jiān)測(cè)

參考以往文獻(xiàn)[13–14]，使用壓力容器、ISCO恒流恒壓泵和電加熱套等，在模擬儲(chǔ)層條件（70 ℃、16 MPa）進(jìn)行帶壓滲吸實(shí)驗(yàn)，并使用低場(chǎng)核磁裝置進(jìn)行核磁T2譜在線監(jiān)測(cè)，對(duì)納米變黏滑溜水的滲吸驅(qū)油性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 動(dòng)態(tài)攜砂測(cè)試

為了更真實(shí)地模擬粗糙長(zhǎng)裂縫（長(zhǎng)×寬×高：100 cm×0.4 cm×30 cm）中的攜砂狀況，實(shí)驗(yàn)選取不同的3種參數(shù)（砂比、排量、黏度）進(jìn)行可視化裂縫模型動(dòng)態(tài)攜砂對(duì)比實(shí)驗(yàn)，其中砂比選擇20%、30%、40 %，排量為10、15、20 L/min，黏度為10、24、60 mPa·s，所以3種參數(shù)均可按低、中、高3種情況劃分；模型注入方向從左往右，另外使用砂堤平衡高度量化攜砂能力來(lái)進(jìn)行對(duì)比；砂堤平衡高度是指砂子在攜砂液中具有一定的沉降速度，當(dāng)砂子隨攜砂液在裂縫中向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，逐漸沉積在裂縫底面上，使砂面逐步升高形成砂堤，砂面上的液流速度隨砂堤升高而增大，當(dāng)其大到砂子的沉降速度與流體卷起砂子的速度相平衡時(shí)，砂堤高度不再增加，此時(shí)砂堤的高度稱縫內(nèi)砂堤平衡高度。

如圖3所示，左右兩欄分別是相近黏度的CNI與EM30S體系滑溜水的攜砂情況對(duì)比：圖3(d)、(f)是高砂比、高排量及高黏度的攜砂情況圖，CNI體系納米變黏滑溜水將砂子攜帶至裂縫后端，前中部分基本無(wú)砂子沉降，砂子逐漸在裂縫后端積聚，呈現(xiàn)一個(gè)斜坡，砂堤平衡高度很低，為8 cm，而EM30S體系砂堤基本保持水平，證明其無(wú)法攜帶起40 %砂比的砂子。

圖3 不同砂比/排量/黏度的2種滑溜水?dāng)y砂情況對(duì)比

圖3 (a)、(b)是降低砂比后的攜砂情況圖，發(fā)現(xiàn)此時(shí)兩種整體砂堤高度都低于高砂比的情況，EM30S也存在斜坡砂堤，證明其可以攜帶20 %砂比的砂子，但CNI體系攜砂更穩(wěn)定，砂堤平衡高度更低，為7 cm，攜砂效果優(yōu)于EM30S體系。

另外，將排量降低后攜砂情況如圖3 (c)、(d)所示，CNI體系滑溜水將砂子逐漸往裂縫中后端攜帶，砂堤前端呈橢圓狀、整體為“波浪形”，因?yàn)樯氨仍黾忧遗帕拷档停陨暗唐胶飧叨仍黾又?6 cm，而EM30S體系中的砂子很快發(fā)生卡堵。

圖3 (e)、(f)是降低黏度（濃度）后的攜砂情況圖，CNI體系中砂堤前端仍呈橢圓狀，因?yàn)榕帕吭黾由暗逃兴档停芽p中后端呈現(xiàn)斜坡狀，而EM30S體系中存在較小傾斜角度的斜坡，其只具有較低的攜砂能力。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，不同參數(shù)條件下相近黏度的CNI體系滑溜水動(dòng)態(tài)攜砂性遠(yuǎn)優(yōu)于EM30S體系，可攜帶40%以上砂比的砂子，而EM30S僅可攜帶20%～30%。

上述僅通過(guò)對(duì)比EM30S體系攜砂現(xiàn)象，展現(xiàn)了CNI體系納米變黏滑溜水的動(dòng)態(tài)攜砂性能優(yōu)異，CNI體系滑溜水的砂堤平衡高度遠(yuǎn)低于EM30S體系，但是，并沒(méi)有直觀地展示出3種參數(shù)對(duì)其攜砂效果的影響，所以將上述3種參數(shù)下的砂堤平衡高度進(jìn)行歸一化處理進(jìn)行比較，即砂堤平衡高度除以裂縫模型高度，得到如圖4的結(jié)果。

圖4 CNI體系3種參數(shù)下砂堤平衡高度對(duì)比（歸一化處理）

3種變參數(shù)攜砂實(shí)驗(yàn)中，砂比增加，砂堤平衡高度逐漸增加，即使是高砂比（40%），CNI體系仍具有很好的攜帶效果，而EM30S體系中砂比超過(guò)30 %以后，平衡高度驟增；同一砂比、相近黏度的兩種體系，都具有排量越高，平衡高度越低的現(xiàn)象，排量這一因素對(duì)攜砂運(yùn)移具有很大影響；另外，隨著體系黏度（濃度）的增加，平衡高度也逐漸降低，可見(jiàn)黏度也是影響因素之一[15]。

為了研究3種參數(shù)各自低、中、高3種情況下的影響大小，進(jìn)行了相應(yīng)的占比分析，及不同情況下3種參數(shù)的砂堤平衡高度占比與總和的比值，3種比值總和應(yīng)為100 %，結(jié)果如圖5所示。發(fā)現(xiàn)隨著不同參數(shù)從低到高時(shí)（如低砂比到高砂比、低排量到高排量、如低黏度到高黏度，幾種情況單獨(dú)或者一起發(fā)生），排量對(duì)砂堤高度的影響占比變化不大，而黏度的影響逐漸降低，砂比的影響占比卻逐漸增高。說(shuō)明在動(dòng)態(tài)攜砂中，隨著砂比和排量的增加，液體可能存在著除黏度以外的彈性攜砂機(jī)制[16]，因此后續(xù)將對(duì)液體的黏彈性進(jìn)行表征。

圖5 不同情況下3種參數(shù)各自的影響比值

3.2 黏彈特性測(cè)試

以上展示了兩種滑溜水的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)攜砂情況，顯示液體的黏度與液體的攜砂性能無(wú)線性關(guān)系，因此需要測(cè)試滑溜水的黏彈模量，重點(diǎn)關(guān)注彈性對(duì)攜砂能力的貢獻(xiàn)。

利用流變儀，在室溫下以1 Hz的恒定頻率，對(duì)2類不同濃度（與上述表觀黏度測(cè)試相同）、但黏度對(duì)應(yīng)相近的滑溜水分別進(jìn)行應(yīng)力掃描，均取線性黏彈區(qū)的平均值，即0.10 Pa；之后在選取的掃頻應(yīng)力下，在10～0.01 Hz下對(duì)兩類滑溜水進(jìn)行頻率掃描，從而得到滑溜水的頻率掃描曲線。圖6所示，在不同的滑溜水中，彈性模量G’和黏性模量G”之間有一個(gè)交點(diǎn)值，納米變黏滑溜水具有更低的交點(diǎn)值，顯示出更強(qiáng)的攜砂能力。

以圖6 (b)為例，CNI體系滑溜水中，在應(yīng)力為0.10 Pa下黏性模量G”開始時(shí)大于彈性模量G′，說(shuō)明此時(shí)溶液在該濃度下黏性大于彈性，當(dāng)頻率大于交點(diǎn)值0.0741 Hz后黏性模量G′′小于彈性模量G′，說(shuō)明此時(shí)溶液在該濃度下彈性占主導(dǎo)；與EM30S滑溜水相比，納米變黏滑溜水彈性模量G′較大，彈性區(qū)域范圍廣，并且大于其黏性模量G′′，說(shuō)明彈性越好的液體，砂子沉降時(shí)間越長(zhǎng)，攜砂性能好[11]。

圖6 兩種滑溜水黏彈模量對(duì)比

由表1可知，隨著黏彈模量交點(diǎn)的降低、彈性模量G’(1 Hz對(duì)應(yīng)) 的增加，納米變黏滑溜水的沉降時(shí)間增加，直觀地反映了攜砂性能與它的彈性模量成正相關(guān)，同時(shí)砂堤平衡高度逐漸降低，表現(xiàn)出高彈性，是一種優(yōu)良的彈性攜砂的滑溜水壓裂用減阻劑。

表1 兩種滑溜水的模量和沉降時(shí)間、平衡高度比較（1 Hz對(duì)應(yīng)，20 L/min排量、40%砂比）

3.3 微觀結(jié)構(gòu)

為了進(jìn)一步確定納米變黏滑溜水改善攜砂性能的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，結(jié)合其分子結(jié)構(gòu)，使用JEM 2100 LaB6透射電子顯微鏡對(duì)納米變黏滑溜水的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。圖7 (a)、(b)分別示出低濃度下變黏滑溜水加與加納米乳液前后的TEM圖像。電鏡結(jié)果顯示，不加納米乳液的變黏滑溜水中減阻劑除了存在相互纏繞外的網(wǎng)狀聚合物[17]，還存在泡狀結(jié)構(gòu)，這是由于聚合物分子量高容易產(chǎn)生無(wú)規(guī)線團(tuán)，掃描電鏡時(shí)抽真空，受壓后呈現(xiàn)泡狀（如圖7 (a)）；加入納米乳液后，其與變黏滑溜水產(chǎn)生物理交聯(lián)締合作用，圖7 (b)就是聚合物締合后相互重疊的現(xiàn)象，黑色的點(diǎn)就是產(chǎn)生物理交聯(lián)締合的地方，形成多重復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)狀和泡狀結(jié)構(gòu)，更加穩(wěn)定，達(dá)到增黏效果，同時(shí)黏彈性增強(qiáng)，相應(yīng)的攜砂性能也會(huì)增強(qiáng)，與分子設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)相符。

圖7 加與不加納米乳液的變黏滑溜水電鏡圖

3.4 滲吸性能評(píng)價(jià)

大量的研究[13–14]顯示，滲吸作用可以實(shí)現(xiàn)將頁(yè)巖納米孔隙中的原油置換出來(lái)，從而提高原油產(chǎn)量。因此，本研究基于文獻(xiàn)方法，選取2塊取自長(zhǎng)慶井下2000 m深度處的巖心進(jìn)行帶壓滲吸驅(qū)油實(shí)驗(yàn)嘗試。巖心參數(shù)如表2，在地層溫度及壓力下老化飽和原油14 d后將其浸泡在裝有0.10%納米變黏滑溜水破膠液的中間容器中，保持中間容器內(nèi)溫度為70 ℃，壓力為16 MPa。

表2 巖心物性參數(shù)

按一定時(shí)間間隔將巖心從壓力容器中取出，進(jìn)行核磁共振T2掃描，兩塊巖心采收率結(jié)果類似（如圖8），與以往表面活性劑能夠有效動(dòng)用大孔隙的現(xiàn)象[13–14]不同，將橫向弛豫時(shí)間T2與孔隙半徑按照表3進(jìn)行轉(zhuǎn)換后發(fā)現(xiàn)，CNI體系納米變黏滑溜水破膠液具有針對(duì)微孔和介孔中原油動(dòng)用程度高的特點(diǎn)，但其對(duì)宏孔中的原油動(dòng)用程度較低;另外將核磁曲線面積與初始的比值轉(zhuǎn)化為原油采收率后（如圖9），發(fā)現(xiàn)CNI體系具有很好的滲吸效果，最終采收率可達(dá)36%，同時(shí)對(duì)不同孔隙類型的采收率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其大小分別為36.0，45.7和8.3%（如圖10），這表明不同孔隙類型中原油動(dòng)用程度為：介孔>微孔>宏孔。

圖8 長(zhǎng)慶巖心T2測(cè)試曲線

圖9 巖心采收率隨時(shí)間變化圖

圖10 不同孔隙類型采收率對(duì)比

表3 核磁掃描橫向弛豫時(shí)間與孔隙半徑轉(zhuǎn)換

結(jié)合以往研究調(diào)研[18–19]表明，壓裂液滲吸驅(qū)油效果受到潤(rùn)濕性與界面張力的影響，初步認(rèn)為該小孔滲吸驅(qū)油動(dòng)力主要來(lái)源于含2種影響因素的毛細(xì)管力[20]；該現(xiàn)象可能是納米變黏滑溜水增產(chǎn)的一個(gè)重要機(jī)理，需要后續(xù)進(jìn)行進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

1.CNI納米變黏滑溜水體系可通過(guò)增加濃度，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)次變黏攜砂效果，且隨著砂比的增加，攜砂能力反而得到增強(qiáng)。

2.結(jié)合黏彈性模量與掃描電鏡微觀結(jié)構(gòu)表征，揭示了納米變黏滑溜水具有納米締合、高彈性攜砂的特殊機(jī)制。

3.CNI納米變黏滑溜水體系破膠液還可通過(guò)滲吸置換作用動(dòng)用頁(yè)巖納米孔隙中的原油，進(jìn)一步提升壓裂后的增產(chǎn)效果，最終采收率可達(dá)36%。

4.與相近黏度的現(xiàn)場(chǎng)用EM30S滑溜水相比，長(zhǎng)慶新使用的CNI體系納米變黏滑溜水具備低濃度、高攜砂特性，可在線混配；現(xiàn)場(chǎng)壓裂試驗(yàn)結(jié)果表明，CNI納米變黏滑溜水體系壓裂施工攜砂性能優(yōu)異，試油試采效果良好，值得進(jìn)一步推廣，也為未來(lái)新型滑溜水體系的設(shè)計(jì)提供新的理念與思路。