致密砂巖油藏三種壓裂液體系優化及性能評價

收稿日期： 2023-07-10

作者簡介： 歐陽雯（1999-），女，陜西西安人，研究方向：油氣田開發。

摘""""" 要：針對長慶油田致密砂巖油藏壓力低、地層能量不足、物性差、油井壓后產量低、穩產時間短以及遞減較快的問題，在充分研究目標區域油藏特征的基礎上，結合流變性實驗，初步提出3種壓裂液體系，分別對3種壓裂液體系進行破膠性能測試和殘渣含量測試從而確定壓裂液體系配方，最后通過室內試驗對壓裂液配方進行性能評價。根據室內實驗結果，結合現場使用要求最終確定了3種壓裂液體系配方，該體系具有耐溫耐剪切性能良好、破膠快、殘渣少、濾失性能良好等特點。以上研究成果較好指導了現場實踐，對長慶油田致密砂巖油藏壓裂改造有很好的指導意義。

關" 鍵" 詞：致密砂巖油藏； 壓裂液體系； 性能評價

中圖分類號：TE357.12"""" 文獻標識碼： A"""" 文章編號： 1004-0935（2024）02-0272-06

環西勘探新區位于鄂爾多斯盆地西南、環縣以西偏北部，2019年以來，長慶油田在環西新區發現多層系高產石油富集區，其中長8儲層是主力油藏之一。儲層砂巖碎屑粒度細，砂巖儲層致密，孔喉連通性差，儲層改造傷害大、返排率低。

壓裂是非常規油氣開發增產改造過程中的核心技術之一，壓裂液對儲層適用性的高低決定了壓裂效果[1]。壓裂施工的整體思路要求包括把油氣井井筒附近的地層壓開、支撐，形成導流通道；壓裂液盡量減少濾失到地層，徹底破膠并且返排出來，減輕地層污染，達到最優的壓裂效果[2-3]。

壓裂液體系發展可以分為這幾個階段：油基壓裂液、水基壓裂液、泡沫壓裂液、乳化壓裂液、滑溜水壓裂液。在20世紀的50～60年代油基壓裂液被廣泛地應用，由于其具有較多安全隱患，加之瓜爾膠稠化劑的發現，油基壓裂液逐漸被其他壓裂液所取代[4]。壓裂液性能的主要指標要求包括：少濾失，強懸砂能力，低摩阻，穩定性良好，配伍性好，易返排，低殘渣，便于配制，價格便宜[5]。因此，在開采難度逐漸加大的情況下，壓裂液的各項性能指標都要滿足越來越復雜的地層，要加大對壓裂液各種添加的研究與篩選。

胍膠和其改性衍生物作為傳統壓裂液增稠劑占據了水基壓裂液增稠劑市場90%左右的份額，依然是壓裂液體系的主流產品。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[6]。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）[7]。

滑溜水壓裂液是一種在清水中加入一定量的減阻劑、黏土穩定劑、表面活性劑等多種添加劑的新型壓裂液，又被叫作減阻水壓裂液[8]。滑溜水壓裂液具有以下優點：易形成長裂縫提升導流能力；地層損害低、返排速度快；延伸地層天然裂縫進而形成裂縫網；支撐劑用量少、施工成本低廉[9]。

本文針對致密砂巖油藏壓裂開發提出了3種壓裂液體系，通過對水基壓裂液和滑溜水壓裂液進行流變參數實驗得到對應的耐溫耐剪切性能數據，初步篩選出不同壓裂液體系的3種配方。根據《SY/T 5107—2016》水基壓裂液性能評價方法，對不同配方進行破膠性能測試和殘渣含量測試確定不同體系最優的壓裂液體系配方，為環西勘探新區長8油藏儲層改造提供基礎數據。最后，對壓裂液配方進行流變參數以及濾失系數的計算。

1" 壓裂液體系初步優選

1.1" 交聯胍膠壓裂液體系

結合目前長慶油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。

實驗使用羥丙基胍膠壓裂液體系：CJ2-6羥丙基胍尓膠+0.1%CJSJ-3殺菌劑+0.5%CF-5D油井助排劑+0.55%COP-3油井黏土穩定劑+0.3%TJ-1調節劑+JL-13交聯劑（交聯比100∶0.3～0.5）。固定交聯比，改變CJ2-6羥丙基胍尓膠質量濃度為

2.5 kg/m3、3.0 kg/m3、3.5 kg/m3，組合出9種胍膠壓裂液體系進行流變參數實驗，初步優選出壓裂液配方為：（1）胍膠質量濃度為3.0 kg/m3，交聯比為100∶0.5；（2）胍膠質量濃度為3.0 kg/m3，交聯比為100∶0.4；（3）胍膠質量濃度為3.5 kg/m3，交聯比為100∶0.3。

1.2" EM30S滑溜水壓裂液體系

實驗使用EM30S高黏滑溜水體系：EM30S減阻劑+0.3%TOS-1油井黏土穩定劑+0.3%AS25結構穩定劑。控制其他成分一定，改變EM30S減阻劑的質量濃度（2.0 kg/m3、2.5 kg/m3、3.0 kg/m3），共3種壓裂液體系進行流變參數實驗。

實驗結果表明EM30S減阻劑的濃度越大，黏度越大，隨著溫度的增加，黏度下降，當溫度達到85 ℃，黏度下降緩慢基本保持不變；隨著剪切時間的不斷增加，每個濃度的黏度幅度很小，說明任何濃度的EM30S減阻劑耐剪切性能較好。根據實驗結果將這3種濃度EM30S減阻劑的壓裂液體系作為初步優選的結果。

1.3" 線性膠壓裂液體系

線性膠壓裂液屬于水基壓裂液中的一種。膠液的類型通常選用水溶性線性高分子聚合物增稠劑添加交聯劑等輔劑組成線性膠壓裂液[10]。

實驗使用線性膠體系：CJ2-6羥丙基胍尓膠+0.1% CJSJ-3殺菌劑+0.5%CF-5D油井助排劑+0.55% COP-3油井黏土穩定劑+0.3% TJ-1調節劑。控制其他成分一定，改變CJ2-6羥丙基胍尓膠的質量濃度（2.5 kg/m3、3.0 kg/m3、3.5 kg/m3），共3種壓裂液體系進行實驗。

實驗結果表明CJ2-6羥丙基胍尓膠的濃度越大，黏度越大，但隨剪切時間的不斷增加，每個濃度的黏度保持不變，說明任何濃度的CJ2-6羥丙基胍尓膠耐剪切性能很好。隨著溫度的增加，黏度下降，當溫度達到80 ℃，黏度下降緩慢。根據實驗結果將這3種濃度的線性膠壓裂液體系作為初步優選的結果。

2" 破膠性能測試

2.1" 交聯胍膠壓裂液體系

分別配制胍膠質量濃度為3.0 kg/m3，交聯比為100∶0.4（記為A）；胍膠質量濃度為3.0 kg/m3，交聯比為100∶0.5（記為B）；胍膠質量濃度為

3.5 kg/m3，交聯比為100∶0.3（記為C）。其他添加劑為0.1%CJSJ-3殺菌劑+0.5%CF-5D油井助排劑+0.55%COP-3油井黏土穩定劑+0.3%TJ-1調節劑+0.03%過硫酸銨。將三種壓裂液裝入密閉容器內，放入恒溫器中加熱恒溫，恒溫溫度為儲層溫度（80 ℃），使壓裂液在恒溫溫度下進行破膠。數據如表1所示。

以上測試結果表明，經過時間90 min后，不同濃度的交聯胍膠壓裂液都已完成破膠，黏度分別為4.3 mPa·s、2.5 mPa·s、3.5 mPa·s。

2.2" 滑溜水壓裂液體系

分別配制EM30S減阻劑的質量濃度為2.0 kg/m3（記為D）、2.5 kg/m3（記為E）、3.0 kg/m3（記為F），其他添加劑為0.3%TOS-1油井黏土穩定劑+0.3%AS25結構穩定劑+0.03%過硫酸銨，將三種壓裂液放入恒溫器中加熱恒溫，恒溫溫度為儲層溫度（80 ℃），使壓裂液在恒溫溫度下進行破膠。

以上測試結果表明，經過90 min后，不同濃度滑溜水壓裂液都已完成破膠，EM30S減阻劑的濃度越大，破膠后黏度稍大一點，黏度分別為2.5 mPa·s、3.6 mPa·s、5.4 mPa·s。

2.3" 線性膠壓裂液體系

分別配制胍膠質量濃度為2.5 kg/m3（記為G），胍膠質量濃度為3.0 kg/m3（記為M），胍膠質量濃度為3.5 kg/m3（記為N）。其他添加劑為0.1%CJSJ-3殺菌劑+0.5%CF-5D油井助排劑+0.55%COP-3油井黏土穩定劑+0.3%TJ-1調節劑+0.03%過硫酸銨。測得數據如表3所示：

以上測試結果表明，經過60 min后，不同濃度的線性膠壓裂液都已完成破膠，黏度分別為1.3 mPa·s、2.1 mPa·s、2.3 mPa·s。

3" 殘渣含量測試

3.1" 實驗步驟

量取定量體積V0的壓裂液，V0取50 mL離心管的滿容50 mL，裝入密閉容器中加熱恒溫破膠，恒溫溫度為儲層溫度，室溫用毛細管黏度計測定破膠液黏度低于5 mPa·s。把徹底破膠的破膠液全部倒入已烘干恒量的離心管中，將離心管放人離心機內[11]，在3 000 r/min的轉速下離心30 min，然后慢慢傾倒出上層清液，加蒸餾水至50 mL， 用玻璃棒攪拌洗滌殘渣樣品，再放人離心機中離心20 min，傾倒上層清液，將離心管放入恒溫電熱干燥箱中烘烤，在溫度為105 ℃條件下烘干至恒量，其值為M3。

3.2" 試驗結果

1）交聯胍膠壓裂液測試結果如表4所示。

胍膠濃度越大，殘渣含量越多，由以上分析，胍膠質量分數0.3%，交聯比為100∶0.5，黏度滿足要求，并且殘渣質量濃度小于標準中600 mg/L，所以優選該濃度配方。

2）滑溜水壓裂液測試結果如表5所示。

滑溜水體系中，EM30S濃度改變，殘渣含量變化不大，根據耐剪切耐溫以及流變曲線測試，EM30S濃度為0.25%，黏度適中，滿足要求，所以優選EM30S質量分數為0.25%。

3）線性膠壓裂液測試結果如表6所示。

胍膠濃度越大，殘渣含量越多。線性膠質量分數為0.25%時，黏度較小，攜砂能力較弱，質量分數為0.35%時，殘渣含量較高，所以優選胍膠質量分數為0.3%。

3.3" 壓裂液最終體系

根據以上數據分析最終確定：

交聯胍膠壓裂液體系配方為：0.3%CJ2-6羥丙基胍尓膠+0.1%CJSJ-3殺菌劑+0.5%CF-5D油井助排劑+0.55%COP-3油井黏土穩定劑+0.3%TJ-1調節劑+100：0.5JL-13交聯劑。

滑溜水體系配方為：0.25%EM30S減阻劑+0.3%TOS-1油井黏土穩定劑+0.3%AS25結構穩定劑。

線性膠體系配方為：0.30%CJ2-6羥丙基胍尓膠+0.1%CJSJ-3殺菌劑+0.5%CF-5D油井助排劑+0.55%COP-3油井黏土穩定劑+0.3%TJ-1調節劑。

4" 流變參數計算

根據優選后的三種壓裂液進行流變參數計算。

交聯胍膠壓裂液和EM30S壓裂液均屬于非牛頓流體中的假塑性流體，流變參數稠度系數K和流動行為指數n按假塑性冪律流體公式計算[12]：

τ=K·Dn。"""""""""""" （1）

根據試驗得出的剪切應力和剪切速率值，對上式兩邊取對數得式：

lgτ=lgK+nlgD。""""""""" （2）

在雙對數坐標上作出lgτ和lgD的曲線，斜率為n，截距對數為K。下圖為優選的交聯胍膠壓裂液流變曲線與EM30S壓裂液流變曲線。

由上圖可得交聯胍膠壓裂液lgτ與lgD關系曲線，通過線性擬合可得交聯胍膠壓裂液的斜率n值為0.467 1，截距等于取對數之后的K，稠度系數為8.375 3。以上所得壓裂液K、n數據表明，壓裂液具有很好的流變性。

由上圖可得滑溜水壓裂液lgτ與lgD關系曲線，通過線性擬合可得滑溜水壓裂液的斜率n值為0.339 3，截距等于取對數之后的K，稠度系數K為3.146 3。

在線性膠體系中，通過不同的胍膠濃度和不同溫度下改變剪切速率，計算出的剪切應力與剪切速率的比值為一個常數，即剪切應力與剪切速率成正比關系。

5" 壓裂液濾失性能評價

5.1" 實驗方法

因為線性膠和滑溜水在石油天然氣行業標準設定中的實驗累計濾失量過大，因此提出改進實驗，將過濾介質由壓裂液專用濾紙改為更符合實際條件的巖心，將巖心放入巖心夾持器，利用平流泵施加水壓使壓裂液能夠穩定通過巖心，測得實際累計濾失量。實驗采用最終的壓裂液配方，共三塊巖心，巖心分別記為1號巖心，2號巖心，3號巖心。其中巖心橫截面積均為497.18 mm2，1號巖心厚度為6.21 mm，2號巖心厚度為6.21 mm，3號巖心厚度為6.13 mm，由于是計算濾失系數，所以厚度不同不影響實驗結果。

5.2" 實驗結果

1）EM30S高黏滑溜水體系濾失性能評價，此次實驗中使用的是1號巖心，實驗壓差為9 MPa。

2）線性膠體系濾失性能評價，此次實驗中使用的是2號巖心，實驗壓差為10 MPa。

3）胍膠壓裂液濾失性能評價，此次實驗中使用的是3號巖心，實驗壓差為30 MPa。

5.3" 濾失系數計算

5.3.1" EM30S高黏滑溜水體系壓裂液

根據曲線可知EM30S高黏滑溜水體系壓裂液的流量為Q=0.000 8 cm3/s，由曲線圖可知EM30S高黏滑溜水體系壓裂液累計濾失量擬合呈線性直線，根據石油天然氣標準SYT 5107—2016水基壓裂液性能評價方法可知，EM30S高黏滑溜水體系壓裂液的濾失是受黏度控制的，根據公式：

。"""""""""" （3）

式中：K—液體的滲透率，μm2；

A—過濾介質表面暴露于液體的橫截面積， cm2；

—通過過濾介質的壓差，MPa；

Q—流量，cm3/s；

L—過濾介質的長度，cm；

μ—濾液在試驗溫度下的黏度，mPa·s。

EM30S高黏滑溜水體系壓裂液在80 ℃下 為25 mPa·s，計算得K1為2.77×10-4 。由于液體的黏滯性，根據計算得到濾液的黏度，使用以下公式可以確定濾失控制系數C，重新整理后為公式為：

Cv=0.707。"""""""" （4）

式中：Cv——受黏度控制的濾失系數，m/s1/2；

—過濾介質的有效孔隙度，無因次。

可以求得EM30S質量濃度為2.5 kg/m3壓裂液的Cv為2.86×10-4（m/s1/2）。

5.3.2" 線性膠體系壓裂液

根據曲線可知線性膠壓裂液的流量為Q=

0.000 3 cm3/s， 線性膠體系壓裂液在80 ℃下為

10.8 mPa·s，計算得K2為4.03×10-5 。可以求得線性膠濃度為3.0 kg/m3壓裂液的Cv為2.81×10-4（m/s1/2）。

5.3.3" 交聯胍膠壓裂液的濾失系數計算

根據曲線可知交聯胍膠體系壓裂液的流量為Q=0.000 2 cm3/s，胍膠壓裂液在80℃下 為160 mPa·s，計算得K3=1.31×10-4。可以求得交聯比100∶0.5，胍膠質量濃度為2.5 kg/m3壓裂液的Cv為1.02×10-4 m/s1/2。

將以上計算結果進行匯總得到表10。

6" 結 論

1）交聯胍膠最優壓裂液體系為：0.3%CJ2-6羥丙基胍尓膠+0.1%CJSJ-3殺菌劑+0.5%CF-5D油井助排劑+0.55%COP-3油井黏土穩定劑+0.3%TJ-1調節劑+100∶0.5JL-13交聯劑。

2）滑溜水最優壓裂液體系為：0.25%EM30S減阻劑+0.3%TOS-1油井黏土穩定劑+0.3%AS25結構穩定劑。

3）線性膠最優壓裂液體系為：0.30%CJ2-6羥丙基胍尓膠+0.1%CJSJ-3殺菌劑+0.5%CF-5D油井助排劑+0.55%COP-3油井黏土穩定劑+0.3%TJ-1調節劑。

4）針對目標儲層，篩選出3種不同的壓裂液最優體系。實驗結果表明，這3種壓裂液耐溫耐剪切性能優良，濾失性明顯優于常規壓裂液體系，在1～1.5 h內可實現完全破膠，殘渣少，滿足目標油氣藏壓裂技術需求。

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Optimization and Performance Evaluation of Three Fracturing

Fluid Systems for Tight Sandstone Reservoirs

OUYANG Wen ，MO Lanxiu， LI Ziyan

（Xi'an Shiyou University， Xi'an Shaanxi 710065， China）

Abstract：" In view of the problems of low pressure， insufficient formation energy， poor physical properties， low production after oil well fracturing， short stable production time and rapid decline in tight sandstone reservoirs in Changqing oilfield， on the basis of fully studying the reservoir characteristics of the target area， combined with rheological experiments， three fracturing fluid systems were initially proposed. The gel breaking performance test and residue content test of the three fracturing fluid systems were carried out to determine the fracturing fluid system formula. Finally， the performance evaluation of the fracturing fluid formula was carried out through laboratory tests. According to the results of laboratory experiments， combined with the requirements of field use， three kinds of fracturing fluid system formulations were finally determined. The system has the characteristics of good temperature and shear resistance， fast gel breaking， less residue and good filtration performance. The above research results better guide the field practice， and have a good guiding significance for the fracturing transformation of tight sandstone reservoirs in Changqing oilfield.

Key words： Tight sandstone reservoir; Fracturing fluid system; Performance evaluation