王所良，陳迎花，許偉星

(中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院 低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安710018)

隨著陸上油田開發(fā)由常規(guī)儲(chǔ)層轉(zhuǎn)向低滲、超低滲、頁巖油氣等非常規(guī)資源，并且在新理論、新技術(shù)不斷驅(qū)動(dòng)下，已取得了顯著的開發(fā)效果。海上油氣田中低滲透儲(chǔ)層的開發(fā)逐漸引起了人們的重視，并且在國外諸多油田實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)開發(fā)，因此針對(duì)國內(nèi)海上油田低滲透儲(chǔ)層的水力壓裂增產(chǎn)技術(shù)具有良好的開發(fā)前景。海上油田的開發(fā)由于受到平臺(tái)條件、作業(yè)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)性開發(fā)的限制，加之目前大規(guī)模壓裂、體積壓裂等新工藝技術(shù)在陸上油田的成功應(yīng)用，對(duì)海上壓裂作業(yè)流程、工藝以及壓裂液體系提出了更高的要求[1]。

針對(duì)海上低滲透油藏壓裂技術(shù)發(fā)展的需求，直接采用海水配液的高溫海水基壓裂液體系可以有效提高施工效率且經(jīng)濟(jì)效益明顯，已成為目前研究的技術(shù)熱點(diǎn)與難點(diǎn)。由于海水具有礦化度高且二價(jià)離子含量高的特點(diǎn)，會(huì)影響稠化劑的溶脹、稠化劑與交聯(lián)劑交聯(lián)以及壓裂液體系的耐溫性能。針對(duì)高礦化度難題，Harris等[2]在North Sea海水中加入NaOH使Ca2+、Mg2+完全沉淀后，繼續(xù)添加pH值調(diào)節(jié)劑，調(diào)整壓裂液的pH值以滿足壓裂施工的需要，當(dāng)施工結(jié)束后，破膠液與低pH值的地層水混合，當(dāng)液體的pH值降低至9.3時(shí)，溶液中的沉淀又會(huì)溶解[3]。Le等[4]通過向海水中加入絡(luò)合劑，屏蔽水中的高價(jià)金屬離子，以四硼酸鈉為交聯(lián)劑交聯(lián)形成海水壓裂液，在107℃顯示出良好的耐溫耐剪切性能。針對(duì)稠化劑溶脹難題，宋愛莉等[5]研究了植物膠、微聚物、黏彈性表面活性劑及超支化分子在海水中的溶脹性能及殘?jiān)浚C合評(píng)價(jià)了4種常用稠化劑在海水中性能的優(yōu)劣[6]。Paul等[7]研發(fā)了液體胍膠，以有機(jī)鈦交聯(lián)劑交聯(lián)形成海水壓裂液。目前暫未見海水基壓裂液技術(shù)在國內(nèi)海上油田的應(yīng)用，國外的胍膠、VES(viscoelastic surfactant黏彈性表面活性劑)等海水基壓裂液體系均已得到應(yīng)用[8, 9]。

筆者針對(duì)我國某海域海水及植物膠稠化劑壓裂液體系特點(diǎn)，研究開發(fā)適用于海水基壓裂液的添加劑，并建立耐高溫的海水基壓裂液體系。室內(nèi)詳細(xì)研究了高礦化度對(duì)壓裂液性能的影響及技術(shù)對(duì)策，最終建立了海水基壓裂液配方。該壓裂液可以解決海上油田壓裂施工中對(duì)淡水資源的依賴，尤其適用于平臺(tái)大規(guī)模壓裂作業(yè)的需求，具有極高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)設(shè)備與材料

1)試驗(yàn)設(shè)備 BROKEFIELD PVS流變儀；ZNN型六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)；101-2型電熱鼓風(fēng)干燥箱；CHANDLER恒速攪拌器；PL303電子天平；TG20-WS臺(tái)式高速離心機(jī)等。

2)試驗(yàn)材料 植物膠稠化劑、調(diào)節(jié)劑、黏土穩(wěn)定劑、降水鎖處理劑、起泡劑、助排劑、絡(luò)合劑、有機(jī)硼鋯復(fù)合交聯(lián)劑，均為工業(yè)品，川慶鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院提供；過硫酸銨APS，工業(yè)品，陜西寶化化工有限公司提供。

1.2 試驗(yàn)方法

1)基液黏度測(cè)定方法 準(zhǔn)確量取一定體積的海水，在3000r/min高速攪拌下，按配比緩慢加入植物膠稠化劑，3min后停止攪拌，每隔一定時(shí)間采用六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)定基液黏度，直至黏度基本穩(wěn)定。

2)海水基壓裂液基液配制方法 準(zhǔn)確量取一定體積的海水，首先在低速攪拌條件下按比例添加絡(luò)合劑 ，然后在3000r/min高速攪拌下，按配比緩慢加入植物膠稠化劑，5min后停止攪拌，將基液放置在30℃水浴中恒溫4h，依次按比例添加調(diào)節(jié)劑、黏土穩(wěn)定劑、降水鎖處理劑、助排劑、起泡劑并攪拌均勻。

3)壓裂液性能評(píng)價(jià)方法 壓裂液性能評(píng)價(jià)方法參照SY/T 5107—2005《水基壓裂液性能評(píng)價(jià)方法》進(jìn)行。

4)海水離子分析 采用離子色譜法分析海水中各種離子類型及含量，試驗(yàn)配液水均為室內(nèi)配制的模擬海水。

表1 海水離子分析

表2 絡(luò)合劑評(píng)價(jià)結(jié)果

2 結(jié)果與討論

2.1 海水離子分析

室內(nèi)對(duì)我國某海域海水進(jìn)行離子分析，測(cè)試結(jié)果如表1所示。該海水水樣礦化度為35027.98mg/L，pH=7.97，與室內(nèi)淡水相比，海水中Ca2+、Mg2+質(zhì)量濃度高，影響稠化劑在海水中的溶脹。此外，常規(guī)堿性胍膠壓裂液添加劑遇海水時(shí)容易生成Ca(OH)2、Mg(OH)2沉淀，因此需要添加絡(luò)合劑，消除高礦化度離子對(duì)壓裂液體系性能的影響。

2.2 絡(luò)合劑評(píng)價(jià)

絡(luò)合劑的作用是在海水中發(fā)生電離后與海水中的Ca2+、Mg2+等形成可以溶于水的鰲合物，避免離子與水中的OH-發(fā)生反應(yīng)生成沉淀，起到助溶阻垢的作用[10]。向海水中添加一定量的絡(luò)合劑，用調(diào)節(jié)劑調(diào)節(jié)海水的pH值，觀察海水中是否有沉淀生產(chǎn)，對(duì)絡(luò)合劑及調(diào)節(jié)劑用量進(jìn)行優(yōu)選，結(jié)果如表2所示。

圖1 稠化劑在海水中的溶脹性能

由于該壓裂液體系屬于堿性交聯(lián)體系，在較高的pH值條件下，該壓裂液體系交聯(lián)時(shí)間延遲，且具有更高的耐溫性能[11]。因此綜合考慮，優(yōu)選4號(hào)配方為絡(luò)合劑與調(diào)節(jié)劑的最佳用量。

2.3 稠化劑溶脹性能

按照基液黏度測(cè)定方法，評(píng)價(jià)了0.6%的植物膠稠化劑在添加絡(luò)合劑的海水中的黏度與溶脹時(shí)間的關(guān)系，并與空白海水進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖1所示。

在海水中提前添加絡(luò)合劑后，植物膠稠化劑在海水中的溶脹速率明顯提高，且穩(wěn)定后的基液黏度更高。絡(luò)合劑可以有效屏蔽海水中的Ca2+、Mg2+對(duì)稠化劑溶脹性的影響，提高基液性能[12]。

2.4 壓裂液體系性能評(píng)價(jià)

室內(nèi)建立耐高溫海水基壓裂液體系基液配方：0.6%植物膠稠化劑+1.0%絡(luò)合劑 +1.0%調(diào)節(jié)劑+0.5%黏土穩(wěn)定劑+1.0%降水鎖處理劑+1.0%起泡劑+0.1%殺菌劑+0.5%助排劑，并按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)該壓裂液體系的性能進(jìn)行詳細(xì)評(píng)價(jià)。

2.4.1耐溫耐剪切性能

圖2 海水基壓裂液130℃耐溫耐剪切性能

圖3 海水基壓裂液耐溫耐剪切性能

按配方配制壓裂液基液，按100∶0.6的體積比與有機(jī)硼鋯復(fù)合交聯(lián)劑混合，攪拌1min后即可形成可完全挑掛凍膠，采用流變儀評(píng)價(jià)壓裂液的耐溫耐剪切性能，結(jié)果如圖2所示。該海水基壓裂液初始黏度為600mPa·s左右，溫度升高黏度逐漸降低，溫度穩(wěn)定后，壓裂液黏度降低速率減慢，連續(xù)剪切60min后，壓裂液黏度大于100mPa·s，在130℃條件下表現(xiàn)出良好的耐溫耐剪切性能。

由于海上平臺(tái)作業(yè)空間有限，實(shí)現(xiàn)海水基壓裂液的連續(xù)混配，可以有效節(jié)約作業(yè)空間，提高措施規(guī)模，增大儲(chǔ)層改造規(guī)模，更好地改善儲(chǔ)層開發(fā)效果。室內(nèi)將配制壓裂液的時(shí)間控制在5min以內(nèi)，模擬現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)混配施工流程，評(píng)價(jià)了該壓裂液的耐溫耐剪切性能，與基液充分溶脹后的壓裂液進(jìn)行對(duì)比。

對(duì)比圖2與圖3的結(jié)果可知，未經(jīng)過充分溶脹的壓裂液在133℃連續(xù)剪切90min后，黏度大于80mPa·s，與圖2所評(píng)價(jià)的壓裂液相比，壓裂液體系耐溫耐剪切性能相當(dāng)。證明該海水基壓裂液在連續(xù)混配過程中，其耐溫耐剪切性能可以滿足現(xiàn)場(chǎng)施工的要求。

2.4.2靜態(tài)濾失性能

室內(nèi)按照標(biāo)準(zhǔn)，使用GGS71-A高溫高壓濾失儀評(píng)價(jià)了海水基壓裂液體系在的靜態(tài)濾失性能。在120℃條件下，靜態(tài)濾失系數(shù)為1.27×10-4m/min1/2；在130℃條件下，靜態(tài)濾失系數(shù)為1.49×10-4m/min1/2。該壓裂液體系的濾失性能較小，滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.4.3壓裂液破膠性能

按配方配制壓裂液，在95℃水浴中靜置破膠，每隔一段時(shí)間取出少量，冷卻至30℃后用毛細(xì)管黏度計(jì)測(cè)定黏度，不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的過硫酸銨APS在不同時(shí)間下對(duì)應(yīng)的破膠液黏度如表3所示。

表3 破膠液黏度與時(shí)間的關(guān)系

由破膠性能評(píng)價(jià)結(jié)果可知，與傳統(tǒng)的壓裂液相比，該高溫海水基壓裂液體系所需的破膠劑用量高，破膠時(shí)間長(zhǎng)。在95℃條件下，最終壓裂液可徹底破膠，破膠液黏度低于10mPa·s。在30℃件下，測(cè)定破膠液的表面張力為24.6mN/m，壓裂液破膠后，黏度降低、表面張力小，有利于克服水鎖及賈敏效應(yīng)對(duì)破膠液返排過程中的不利影響，提高破膠液的返排效率，提高改造效果。

表4 壓裂液體系殘?jiān)|(zhì)量濃度

2.4.4殘?jiān)繙y(cè)定

室內(nèi)按配方比例分別采用自來水及海水配制壓裂液，測(cè)定壓裂液殘?jiān)|(zhì)量濃度，評(píng)價(jià)結(jié)果如表4所示。

2.4.5巖心傷害性能測(cè)定

室內(nèi)用高溫高壓巖心流動(dòng)試驗(yàn)儀評(píng)價(jià)了在130℃條件下，海水壓裂液破膠液對(duì)巖心滲透率的靜態(tài)損害率，測(cè)試流體為氮?dú)?。其試?yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 破膠液對(duì)巖心滲透率的損害

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，該壓裂液體系的巖心傷害率小，巖心滲透率的平均損害率為22.38%。試驗(yàn)中，壓裂液體系雖經(jīng)過高溫破膠，但是其中仍含有部分水不溶物以及小的分子鏈，因此該海水基壓裂液破膠液對(duì)巖心滲透率的損害，主要是為破膠液中的微小膠體粒子對(duì)孔隙的堵塞造成的[13]。

3 結(jié)論

1)優(yōu)選出絡(luò)合劑，兼顧螯合性能及壓裂液的耐溫抗剪切性能，建立了適用于海上平臺(tái)壓裂的耐高溫海水基壓裂液配方。

2)植物膠稠化劑在添加絡(luò)合劑的海水中溶解速率快，壓裂液體系配伍性好，在130℃、170s-1連續(xù)剪切60min，黏度大于80mPa·s，靜態(tài)濾失系數(shù)為1.49×10-4m/min1/2，殘?jiān)|(zhì)量濃度為490.0mg/L，破膠液表面張力24.6mN/m，巖心滲透率的平均損害率為22.38%，各項(xiàng)性能均優(yōu)于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

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