可變粘壓裂液研究及在深煤層中應(yīng)用

周 彪，趙 健，許田鵬，申金偉，周 福，朱亞軍，豆連營，甘 倫，潘江浩

(中海油田服務(wù)股份有限公司油田生產(chǎn)事業(yè)部，天津 300459)

我國煤層氣資源豐富，近年來煤層氣勘探開發(fā)向深部儲層延伸[1-2]。由于煤層氣儲層具有三低特性即低含氣飽和度、低滲透率以及低壓力，為實現(xiàn)高效開發(fā)常采用壓裂方式進(jìn)行增產(chǎn)改造[3-4]。相較常規(guī)煤層，深煤層儲滲結(jié)構(gòu)與力學(xué)特征更復(fù)雜，普遍具有更低的孔隙度、滲透率、飽和度，且地應(yīng)力更高、儲層分布非均質(zhì)性更強(qiáng)等特點(diǎn)，在壓裂改造時裂縫起裂及擴(kuò)展規(guī)律更復(fù)雜，更易受到傷害，對水力壓裂過程中儲層保護(hù)要求更高[5-6]。常規(guī)煤層常采用活性水進(jìn)行壓裂，但活性水壓裂存在濾失大、摩阻高、攜砂性能差等問題[7]，而深煤層與淺部煤層存在顯著差異，常規(guī)活性水難以適用于深部煤層壓裂改造。針對深煤層開發(fā)，羅平亞院士提出“打碎”煤層提高煤層氣解吸、擴(kuò)散和深流速度的技術(shù)思路[8]。葉建平等[9-11]開展了深煤層水力波及壓裂，通過壓裂過程中井間應(yīng)力干擾，形成了復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)。為適應(yīng)大排量體積壓裂改造，滑溜水等一體化可變粘壓裂液應(yīng)運(yùn)而生[12-14]。筆者基于目前煤層氣開發(fā)用活性水壓裂液存在的問題，研制了一體化可變粘壓裂液體系，簡化配方減少有機(jī)添加劑使用，降低煤層吸附傷害，具有實時可變粘、低摩阻、攜砂性能好等優(yōu)點(diǎn)，配合“前置高粘破巖+大排量低粘液造復(fù)雜縫+多級粉砂段塞”等綜合措施，實現(xiàn)復(fù)雜縫網(wǎng)改造提升壓后產(chǎn)氣量。

1 實 驗

1.1 試劑及儀器

乳液稠化劑，有效含量40%，實驗室自制；復(fù)合增效劑，實驗室自制；過硫酸銨、煤油、乙醇、鈉基膨潤土，國藥集團(tuán)。

吳茵攪拌器，WARING公司；品氏毛細(xì)管粘度計，上海隆拓儀器設(shè)備有限公司；表面張力儀、界面張力儀，德國克呂士公司；離心機(jī)，德國西格瑪公司；壓裂液摩阻測試儀，海安石油科研儀器有限公司；靜態(tài)濾失儀，青島森欣機(jī)電設(shè)備有限公司；壓裂液動態(tài)濾失傷害儀，山東中石大石儀科技有限公司。

1.2 粘濃性能測量

采用吳茵混調(diào)器配制不同濃度的乳液稠化劑溶液，并采用品氏毛細(xì)管粘度計測量體系的運(yùn)動粘度。

1.3 降阻率測量

調(diào)節(jié)排量至設(shè)定流速，選取10 mm管徑、42 L/min的排量，讀取并記錄該排量下的清水的壓差，1 min內(nèi)壓差變化小于1%時，求取1 min內(nèi)壓差的平均值作為清水的摩阻壓差(ΔP1)；

按照相同的程序和條件(選取10 mm管徑、42 L/min的排量)，測試配制的不同濃度的滑溜水體系(乳液稠化劑濃度為0.05%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%)流經(jīng)該管路的摩阻壓差(ΔP2)；降阻率計算公式：DR=(ΔP1-ΔP2)/ΔP1×100%。

1.4 復(fù)合增效劑評價

采用板法測量復(fù)合增效劑溶液的表面張力；采用旋轉(zhuǎn)法測量合增效劑溶液的界面張力，轉(zhuǎn)速設(shè)置為6 000 r/min。采用體積膨脹法測量復(fù)合增效劑溶液的防膨能力。

1.5 體系性能評價

濾失性能、破膠性能和巖心傷害性能參照標(biāo)準(zhǔn)《SY/T 5107-2016水基壓裂性能評價方法》和《SY/T 7627-2021 水基壓裂液技術(shù)要求》執(zhí)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同粘度體系的建立

(1)乳液稠化劑優(yōu)選

選用的乳液稠化劑具有速溶特性，在高速攪拌下20～30 s即可充分溶脹，可滿足現(xiàn)場在混砂車上實時添加。依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行乳液稠化劑優(yōu)選，分別考察增粘性能及降阻性能。結(jié)果如圖1所示。

圖1 乳液稠化劑粘濃曲線和降阻率曲線Fig.1 Viscosity concentration curve and drag reduction curve of lotion thickener

從圖1中可以看出乳液稠化劑隨著濃度增大，運(yùn)動粘度逐步增加。參照最新行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，低粘滑溜水體系乳液稠化劑用量為0.05%～0.2%、中粘滑溜水體系乳液稠化劑用量為0.2%～0.3%、高粘滑溜水體系乳液稠化劑用量為0.3%～0.45%。壓裂施工時通過混砂車上液添的排量調(diào)整，即可實現(xiàn)實時變粘，從而配合工藝實現(xiàn)“主縫+微縫”的控制。隨著乳液稠化劑量的增加，單位體積內(nèi)的稠化劑量逐漸增大，憑借高分子鏈間的作用力減小了管壁至管中心的水剪切速率差，增大了降阻效率。當(dāng)濃度大于0.2%時，隨著乳液稠化劑量的增大，單位體積內(nèi)高分子量逐步飽和，分子間力趨于穩(wěn)定，繼續(xù)增加乳液稠化劑量不會對截面內(nèi)的水剪切速率差產(chǎn)生影響，降阻率變化不大并逐漸保持穩(wěn)定。該稠化劑體系具有較好的降阻性能。

(2)復(fù)合增效劑優(yōu)選

復(fù)合增效劑主要集助排、防膨功能于一體，根據(jù)儲層保護(hù)需要，以表面張力≤28 mN/m、界面張力≤2 mN/m為指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)選。結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同濃度復(fù)合增效劑的表面張力和界面張力曲線Fig.2 Surface tension and interfacial tension curves of composite synergists with different concentrations

圖3 施工曲線Fig.3 Construction curve

由圖2可見，隨著復(fù)合增效劑的濃度增大，溶液表面張力和界面張力均下降，當(dāng)濃度>0.4%后界面張力趨于穩(wěn)定。因此優(yōu)選復(fù)合增效劑使用濃度為0.4%，此時表面張力值為25.1 mN/m、界面張力值為0.09 mN/m。通過降低處理液表面張力和液-巖的界面張力，減少處理液在地層中流動的毛細(xì)管阻力，促使進(jìn)入地層的液體快速返排。

防膨性能是儲層保護(hù)性能的重要參數(shù)，對優(yōu)選出的復(fù)合增效劑進(jìn)行防膨性能評價，測量其防膨率為92.1%。0.4%的復(fù)合增效劑具有較好的防膨性能，復(fù)合增效劑是帶正電離子的液體，可以降低或者消除粘土水敏性，形成防膨體系。在體系中的聚合凝縮作用下，粘土礦物凝結(jié)，防膨劑防止了粘土礦物的分散運(yùn)移。有助于減小壓裂液進(jìn)入煤層后引起的粘土礦物膨脹，降低儲層傷害。

通過優(yōu)選確定了3種粘度滑溜水體系的配方為：低粘滑溜水體系：0.1%乳液稠化劑+0.4%復(fù)合增效劑；中粘滑溜水體系：0.25%乳液稠化劑+0.4%復(fù)合增效劑；高粘滑溜水體系：0.4%乳液稠化劑+0.4%復(fù)合增效劑。

2.2 體系性能評價

(1)濾失性能

壓裂施工中壓裂液控制濾失有助于裂縫擴(kuò)展和延伸，為此測量了低粘-中粘-高粘滑溜水體系的靜態(tài)濾失性能，結(jié)果如表1所示。

表1 不同體系的濾失性能Table 1 Filtration performance of different systems

可見低粘滑溜水較易濾失，施工時建議大排量以減少濾失對造縫的影響。而高粘滑溜水體系具有一定的控制濾失性能，有助于施工中造縫和高效攜砂。

(2)破膠性能

針對中粘和高粘體系，壓后要求在煤層中能及時破膠降粘，以便快速返排降低傷害。實驗選取儲層溫度58 ℃作為破膠實驗溫度，結(jié)果如表2所示。

表2 不同體系破膠性能(58 ℃)Table 2 Gel breaking performance of different systems (58 ℃)

由表2可知，通過調(diào)節(jié)破膠劑的加量，中粘體系和高粘體系均可以實現(xiàn)良好的破膠性能。現(xiàn)場施工可根據(jù)泵注階段實時調(diào)整破膠劑的加量，保證施工平穩(wěn)的同時，確保壓后快速破膠返排，降低壓裂液的滯留傷害和粘度傷害。

(3)巖心傷害性能

壓裂液作為外來流體進(jìn)入儲層，都會對儲層造成一定傷害，室內(nèi)通過巖心傷害實驗測量不同滑溜水體系壓裂液傷害前后的滲透率變化評判體系的儲層保護(hù)性，選取現(xiàn)場煤巖進(jìn)行三個體系評價，實驗結(jié)果如表3所示。

表3 巖心基質(zhì)滲透率傷害數(shù)據(jù)表Table 3 Core matrix permeability damage data table

從表3可以看出，三種粘度滑溜水體系對煤巖的傷害率均比較低，小于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)30%要求。表明具有較好的儲層保護(hù)性能。

2.3 現(xiàn)場應(yīng)用

XX-01井位于鄂爾多斯盆地東北部，南北向的狹窄背斜構(gòu)造，目的層深度2 104～2 109.1 m，GSI值64.8，煤體結(jié)構(gòu)為原生-碎裂煤。氣測全烴平均值17.3%，煤層實測含氣量為18.60 m3/t，地質(zhì)儲量816萬方。該井區(qū)處于背斜局部高部位，周圍斷層較為發(fā)育。煤層含水性弱、滲透性中。經(jīng)過優(yōu)化采用“前置高粘破巖+大排量低粘液造復(fù)雜縫+多級粉砂段塞”等綜合措施，加強(qiáng)近井裂縫處理，前期裂縫處理采用70/140目石英砂段塞式加砂，打磨降濾，中后期采用40/70目和30/50目石英砂連續(xù)加砂。實現(xiàn)主縫、支縫和微縫多級支撐形成“主裂縫”通道，控近擴(kuò)遠(yuǎn)，形成近井簡單、遠(yuǎn)井復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)。

現(xiàn)場施工通過混砂車兩個液添分別添加乳液稠化劑和復(fù)合增效劑，干添添加破膠劑，實現(xiàn)不同濃度體系切換。設(shè)計壓裂液1 800 m3，前置液比例25%，加砂200 m3，實際入井液量 1 850 m3，其中低粘液量∶中粘液量∶高粘液量=1∶6∶3，施工排量13 m3/min，加砂202 m3，平均砂比14%。施工曲線反映整個施工過程排量、壓力平穩(wěn)，攜砂性能良好，施工成功率100%。壓后日產(chǎn)氣10 000 m3/d，表明該體系具有較好的施工穩(wěn)定性和壓后效果，有助于深煤層壓裂開發(fā)。

3 結(jié) 論

(1)通過耐鹽乳液稠化劑和復(fù)合增效劑優(yōu)選評價，建立了低粘、中粘、高粘滑溜水體系。通過調(diào)節(jié)乳液稠化劑濃度，實現(xiàn)一體化可變粘，施工時實施切換，簡化作業(yè)工序，方便施工。

(2)三種體系具有高降阻性，體系粘度增加有助于控制濾失。體系具有破膠可控和低巖心傷害性能。現(xiàn)場應(yīng)用施工平穩(wěn)，壓后獲得較好的產(chǎn)量，具有較好的推廣應(yīng)用前景。