安杰，劉濤，范華波，魏波，何梅朋，袁斌

（1.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司油氣工藝研究院，陜西 西安 710021；2.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第六采油廠，陜西 西安 710200）

鄂爾多斯盆地致密油滑溜水壓裂液的研究與應(yīng)用

安杰1，劉濤2，范華波1，魏波2，何梅朋2，袁斌2

（1.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司油氣工藝研究院，陜西 西安 710021；2.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第六采油廠，陜西 西安 710200）

北美頁(yè)巖氣等非常規(guī)油氣資源得到了效益開發(fā)，主要的增產(chǎn)手段是滑溜水體積壓裂。國(guó)內(nèi)致密油儲(chǔ)層改造使用的滑溜水壓裂液研究與應(yīng)用較少，國(guó)外產(chǎn)品價(jià)格昂貴且技術(shù)封鎖。鄂爾多斯盆地致密油資源量大，開發(fā)前景廣闊，其儲(chǔ)層條件更復(fù)雜，具有低孔、低滲、低壓特點(diǎn)，使用常規(guī)壓裂液改造施工壓力高，儲(chǔ)層傷害大，改造效果不理想。該盆地黃土塬地貌水資源匱乏，體積壓裂備水困難，且大量的返排液增加了環(huán)保壓力。根據(jù)致密油地質(zhì)特征和工藝需求，合成了梳狀分子結(jié)構(gòu)減阻劑DR64，配套優(yōu)選出高效助排劑和黏土穩(wěn)定劑，形成了一種適合盆地致密油開發(fā)的低成本可回收滑溜水壓裂液體系。大量的室內(nèi)和礦場(chǎng)試驗(yàn)表明，該體系減阻率達(dá)到64.1%，有效地減小了高泵壓的風(fēng)險(xiǎn)，具有低傷害、攜砂性能穩(wěn)定、低成本可回收重復(fù)利用的特點(diǎn)，表現(xiàn)出良好的工藝適應(yīng)性，為國(guó)內(nèi)非常規(guī)油氣資源的開發(fā)提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

致密油；體積壓裂；滑溜水壓裂液；性能評(píng)價(jià)；降阻率；低成本；可回收

0　引言

美國(guó)是世界上頁(yè)巖氣商業(yè)性開發(fā)最成功的國(guó)家，頁(yè)巖氣產(chǎn)量增長(zhǎng)迅速，從1999年的112×108m3到2013年的2 650×108m3，14 a凈增了23倍以上［1］。以北美頁(yè)巖氣為代表的非常規(guī)油氣資源迅速增長(zhǎng)，不僅改變了美國(guó)能源格局，而且在全球范圍內(nèi)掀起了一場(chǎng)致密油氣資源開發(fā)熱潮［2-3］。致密油氣儲(chǔ)層具有低孔、低滲特點(diǎn)，常規(guī)改造技術(shù)難以有效動(dòng)用，國(guó)外主要利用滑溜水壓裂液對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行大規(guī)模的體積改造［3-4］。滑溜水壓裂液是目前北美頁(yè)巖氣開發(fā)作業(yè)中應(yīng)用最多的壓裂液［5］，主要由水、減阻劑、助排劑和黏土穩(wěn)定劑等組成，造縫能力強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)成本低，但也存在濾失比較大、攜砂能力差的缺點(diǎn)［6］。

在中國(guó)，致密油氣資源的開采受到越來(lái)越高的重視，是下步增儲(chǔ)上產(chǎn)的主力接替。鄂爾多斯盆地致密油資源量規(guī)模大，分布范圍廣，具有廣闊的開發(fā)前景［7］。與國(guó)外致密油相比，受陸相沉積環(huán)境的影響，該盆地致密油儲(chǔ)集層致密、物性差、豐度低［8］，相對(duì)高孔、高滲帶不發(fā)育，儲(chǔ)集層主體帶平均孔隙度和氣測(cè)滲透率均遠(yuǎn)小于國(guó)外致密儲(chǔ)層［9］。致密儲(chǔ)層體積壓裂往往帶來(lái)較高的施工壓力，消耗了更多的水馬力，而且增加了施工風(fēng)險(xiǎn)。盆地儲(chǔ)層喉道細(xì)小，孔喉結(jié)構(gòu)復(fù)雜，儲(chǔ)層壓力低，排驅(qū)壓力高，外來(lái)流體易滯留儲(chǔ)層影響儲(chǔ)層滲流能力，這些對(duì)壓裂液低傷害、易返排性能的要求更高。與北美不同，鄂爾多斯盆地獨(dú)特的黃土塬地貌條件，地表水資源匱乏，大規(guī)模體積壓裂單井往往“千方砂、萬(wàn)方液”，壓裂備水困難導(dǎo)致壓裂效率較低，同時(shí)大量的返排液增加了環(huán)保壓力，急需具有良好的可回收再利用性能的壓裂液［10］。

1　減阻劑降阻機(jī)理

減阻劑的降阻機(jī)理非常復(fù)雜［11］，在湍流流態(tài)下，由于流體流動(dòng)過(guò)程中的徑向擾動(dòng)會(huì)產(chǎn)生漩渦，漩渦與管壁之間的動(dòng)量傳遞，以及大漩渦向小漩渦的轉(zhuǎn)化均伴隨著能量耗散，大量的能量被消耗于渦流及其他隨機(jī)運(yùn)動(dòng)之中，宏觀表現(xiàn)為摩阻壓降損失。減阻劑降阻原理是：1）在流體中注入少量的減阻劑，可以在紊流狀態(tài)下降低流動(dòng)阻力。減阻劑靠本身的黏彈性使分子長(zhǎng)鏈順流向自然拉伸，改變流體微元的作用力大小和方向，使一部分徑向力轉(zhuǎn)變?yōu)轫樍飨虻妮S向力，抑制漩渦的產(chǎn)生及大漩渦向小漩渦的轉(zhuǎn)化，從而減少無(wú)用功的消耗，宏觀上起到減少摩阻損失的作用。2）黏彈性與漩渦相互作用。湍流漩渦的一部分動(dòng)能被聚合物分子吸收，以彈性能的形式儲(chǔ)存起來(lái)，使漩渦消耗的能量減少，從而達(dá)到降低摩阻損失的目的［12］。

2　滑溜水壓裂液體系配方

2.1減阻劑的研制

開展分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以具有多支鏈結(jié)構(gòu)的聚合物分子作為本體，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)接枝多種功能性單體，合成了具有梳狀分子結(jié)構(gòu)的減阻劑DR64，實(shí)現(xiàn)了高效減阻和耐鹽的目標(biāo)。其側(cè)鏈上的疏水官能團(tuán)與高分子主鏈的親水基團(tuán)會(huì)產(chǎn)生分子間斥力，從而使高分子主鏈更易舒展，增強(qiáng)減阻性能。其磺酸基團(tuán)能增強(qiáng)聚合物抗陽(yáng)離子沉淀的能力，使高分子聚合物抗鹽性能提高。

2.2高效助排劑的優(yōu)選

毛細(xì)管力的作用使流體流動(dòng)阻力增加，導(dǎo)致壓裂后壓裂液返排困難。如果地層壓力不能克服毛細(xì)管力，壓裂液濾液和殘?jiān)皆诹芽p表面，造成儲(chǔ)層孔隙堵塞和壓裂液無(wú)法返排，就會(huì)致使?jié)B透率降低，傷害儲(chǔ)層。為了減少壓裂液在地層的停留時(shí)間，須使用助排劑，降低壓裂流體的表面張力。以降低油水相間界面張力、增大與巖心表面接觸角兩方面為目標(biāo)，選取不同助排劑進(jìn)行對(duì)比（見表1），優(yōu)選出具有較佳界面張力與接觸角平衡值的新型助排劑ZPJ-6。與常規(guī)產(chǎn)品相比，新型助排劑具有較低的界面張力和較高的接觸角，毛細(xì)管阻力相對(duì)減小。

2.3黏土穩(wěn)定劑的優(yōu)選

壓裂液以小分子水溶性濾液進(jìn)入孔隙，水溶性介質(zhì)使儲(chǔ)集層黏土礦物膨脹、分散和運(yùn)移，容易堵塞油層。如果不采取黏土穩(wěn)定措施，將導(dǎo)致儲(chǔ)集層滲透率不可逆轉(zhuǎn)的下降。通過(guò)優(yōu)選對(duì)比（見表2），優(yōu)選的黏土穩(wěn)定劑NTW-1，與常規(guī)穩(wěn)定劑相比，防膨率好，分子粒徑小，易在黏土礦物表層形成保護(hù)膜，減少了黏土顆粒晶層間斥力，能有效抑制黏土膨脹。

3　體系性能評(píng)價(jià)測(cè)試

3.1摩阻測(cè)試評(píng)價(jià)

為了更好地評(píng)價(jià)液體在管路流動(dòng)時(shí)的摩阻特性，更好地反映工程實(shí)際情況，選取安XX井對(duì)3種類型的壓裂液進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)摩阻測(cè)試評(píng)價(jià)。安XX井未射孔，下入2 000 m φ73 mm油管，用2000型壓裂車正循環(huán)洗井，分別對(duì)0.08%胍膠、國(guó)外減阻水壓裂液FP12和DR64壓裂液體系在2.0～3.5 m3/min排量下進(jìn)行管路摩阻測(cè)試?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明，DR64減阻率達(dá)到64.1%，達(dá)到國(guó)外同類產(chǎn)品水平，明顯優(yōu)于常規(guī)胍膠滑溜水壓裂液，很好地滿足了壓裂液降摩阻特性，可有效降低壓裂施工泵注壓力。

3.2壓裂液的傷害評(píng)價(jià)

3.2.1壓裂液對(duì)基質(zhì)滲透率的傷害

基質(zhì)的滲透率損害，將會(huì)影響壓裂改造施工效果。為評(píng)價(jià)DR64滑溜水壓裂液對(duì)巖心基質(zhì)的傷害，選擇胍膠壓裂液進(jìn)行人造巖心驅(qū)替對(duì)比實(shí)驗(yàn)，測(cè)試巖心基質(zhì)傷害率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見表3）表明：DR64滑溜水壓裂液巖心傷害率僅為15.2%，比普通胍膠壓裂液體系的巖心傷害率降低了很多。

3.2.2壓裂液對(duì)裂縫導(dǎo)流能力的傷害

裂縫導(dǎo)流能力是影響油井產(chǎn)量的主要因素之一。由于濾失，在支撐劑充填裂縫中液體被濃縮了許多倍，被濃縮的交聯(lián)聚合物如果在施工后沒(méi)有降解，那么將嚴(yán)重地減損支撐充填層的滲透率，因此，測(cè)定壓裂液對(duì)支撐劑裂縫長(zhǎng)期導(dǎo)流能力的影響將十分重要。實(shí)驗(yàn)選用20～40目陶粒支撐劑，10 kg/m2鋪砂濃度，分別加入250 mL 2%的KCl溶液、DR64滑溜水壓裂液，以及超低濃度胍膠壓裂液，不考慮嵌入情況，采用FCES-100型導(dǎo)流儀測(cè)試支撐劑的導(dǎo)流能力，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示?？梢钥吹剑谙嗤拈]合壓力下，使用DR64滑溜水壓裂液形成的裂縫導(dǎo)流能力接近于KCl溶液，遠(yuǎn)高于超低濃度胍膠壓裂液。

實(shí)驗(yàn)利用掃描電鏡，觀察不同壓裂液體系對(duì)支撐劑填充層的堵塞情況，結(jié)果如圖2、圖3所示。在15 kV加速電壓下放大70倍，可以清楚地看到，DR64滑溜水壓裂液對(duì)支撐裂縫堵塞傷害程度明顯小于胍膠壓裂液，有利于壓裂后的長(zhǎng)期穩(wěn)產(chǎn)。

3.3破膠性能評(píng)價(jià)

該體系在60℃APS過(guò)硫酸銨作用下，DR64分子氧化降解，相對(duì)分子質(zhì)量逐漸降低，1 h后可順利、徹底破膠。透射電鏡顯示（見圖4），降解后的DR64分子粒徑中值僅79 nm，遠(yuǎn)小于常規(guī)壓裂液體系的56 μm，破膠液清澈。通過(guò)破膠測(cè)試評(píng)價(jià)，DR64壓裂液體系破膠徹底，常規(guī)離心法無(wú)法測(cè)出殘?jiān)恐?，大幅降低了黏性傷害和殘膠對(duì)裂縫導(dǎo)流能力的影響。

3.4攜砂性能測(cè)試

大型可視平行板縫內(nèi)攜砂模擬實(shí)驗(yàn)表明［13］，DR64滑溜水體系具有一定的支撐劑攜帶能力，在0.25%的體系下壓裂砂濃度可達(dá)到300 kg/m3以上，可將支撐劑攜帶至裂縫的遠(yuǎn)端，同時(shí)鋪置相對(duì)均勻。

4　低成本回收、重復(fù)利用

DR64壓裂液能夠耐受較高礦化度，其返排液通過(guò)沉砂裝置簡(jiǎn)單除砂過(guò)濾處理即可重復(fù)利用，流程簡(jiǎn)單易操作?；厥找号c清水配制的壓裂液現(xiàn)場(chǎng)靜置懸砂試驗(yàn)表明，回收液重復(fù)利用具有較好的攜砂性能。DR64滑溜水壓裂液體系較國(guó)外主流滑溜水壓裂液綜合成本降低41%，是常規(guī)胍膠體系綜合成本的一半，其低成本優(yōu)勢(shì)顯著。

5　現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

該壓裂液體系在鄂爾多斯盆地致密油安X和合X區(qū)塊開展先導(dǎo)試驗(yàn)應(yīng)用31井次，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4，成功率100%，均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，DR64滑溜水壓裂液摩阻明顯偏低，較常規(guī)胍膠壓裂液施工壓力降低3～7 MPa，減阻效果較好，降低了施工高泵壓的影響，施工砂濃度可以達(dá)到300 kg/m3以上，完全滿足施工要求。

通過(guò)應(yīng)用DR64滑溜水壓裂液，單井日產(chǎn)油量較常規(guī)胍膠壓裂液平均提高1.7 t，增油效果明顯?；厥绽梅蹬乓?.5×104m3，節(jié)約了水資源，有效地減輕了環(huán)保壓力。

6　結(jié)論

1）開展分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以具有多支鏈結(jié)構(gòu)的聚合物分子作為本體，通過(guò)反應(yīng)接枝多種功能性單體，合成了具有梳狀分子結(jié)構(gòu)的減阻劑DR64，實(shí)現(xiàn)了高效減阻和低傷害的目標(biāo)。

2）通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，研發(fā)出低傷害、低摩阻、低成本、攜砂性能穩(wěn)定、可重復(fù)利用的滑溜水壓裂液體，適合鄂爾多斯盆地致密油大排量體積壓裂的要求。

3）DR64滑溜水壓裂液，價(jià)格不到常規(guī)胍膠液體的一半，較國(guó)外價(jià)格降低41%。其返排液通過(guò)沉砂裝置簡(jiǎn)單除砂、過(guò)濾處理即可重復(fù)利用，流程簡(jiǎn)單易操作，減少了廢液對(duì)環(huán)境的污染，節(jié)約了開發(fā)成本。

4）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用降阻效果好、攜砂能力強(qiáng)，完全滿足施工要求，取得了顯著的增產(chǎn)效果。

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（編輯王淑玉）

Research and application of slippery water fracturing fluid for tight oil in Ordos Basin

AN Jie1，LIU Tao2，F(xiàn)AN Huabo1，WEI Bo2，HE Meipeng2，YUAN Bin2
（1.Research Institute of Oil and Gas Technology，Changqing Oilfield Company，PetroChina，Xi′an 710021，China；2.No.6 Oil Production Plant，Changqing Oilfield Company，PetroChina，Xi′an 710200，China）

Owing to the slippery water volume-fracturing stimulation，unconventional oil and gas resources such as shale gas have been effectively developed in North America.Few research and application have been carried out by slippery water for tight oil reservoir stimulation in China.Products with similar functions from abroad are costly and their techniques are closed to others.The huge amount of tight oil resources within the Ordos Basin creates a broad development prospect，however，low porosity and low permeability as well as low pressure make the reservoir condition more complicated.Conventional fracturing fluid can be used to improve reservoir quality，but it′ll lead to high pressure in renovation construction and great damage to tight oil reservoir，resulting in non-ideal effects.Furthermore，it is difficult to prepare enough water for volume-fracturing process because of barren water resource due to loess plateau landform.Also，vast flow-back fluid further boosts pressure to environmental protection.Based on geological characteristics and process requirements of tight oil，this paper introduces a low-cost and recyclable slippery fracturing fluid system suitable for the tight oil development in Ordos Basin，which is the synthesizing drag reducer DR64 with comb-like molecular structure.Efficient anti-swelling agents and clay stabilizers are optimized.A large number of indoor and field tests show that the drag reduction rate produced by this system reaches 64.1%，effectively lowering the risk of high pump pressure with lowdamage，stable sand-carrying，low-cost，recyclable and reusable characteristics.This system proves to be a well adaptive technology，offering a valuable experience for domestic development of unconventional oil and gas resources.

tight oil；volume-fracturing；slippery water fracturing fluid；performance evaluation；resistance-reducing rate；low-cost；recyclable

TE328

A

10.6056/dkyqt201604029

2016-01-20；改回日期：2016-04-25。

安杰，男，1986年生，碩士，從事油氣田增產(chǎn)增注技術(shù)研究與應(yīng)用工作。E-mail：jivan520@163.com。

引用格式：安杰，劉濤，范華波，等.鄂爾多斯盆地致密油滑溜水壓裂液的研究與應(yīng)用［J］.斷塊油氣田，2016，23（4）：541-544.

AN Jie，LIU Tao，F(xiàn)AN Huabo，et al.Research and application of slippery water fracturing fluid for tight oil in Ordos Basin［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2016，23（4）：541-544.