周仲建，于世虎，張曉虎

(1西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院 2中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程公司井下作業(yè)公司)

頁(yè)巖氣是新興的清潔化能源，其開(kāi)發(fā)利用對(duì)于緩解能源危機(jī)、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)和推動(dòng)高質(zhì)量發(fā)展都具有重大意義[1]。頁(yè)巖氣的開(kāi)采方式主要是體積壓裂，以大排量、大液量的低黏液體疏通天然裂縫，形成相互交織的空間裂縫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)三維改造，最大程度地提高儲(chǔ)層滲透率[2-3]?；锼蚱漯ざ鹊透菀撰@得較大的改造體積[3]，同時(shí)具有摩阻低、殘?jiān)?、傷害小、現(xiàn)配現(xiàn)用等優(yōu)點(diǎn)[4]，成為目前頁(yè)巖氣儲(chǔ)層改造的主要壓裂液。雖然低黏液體有利于增加改造體積，但支撐裂縫的導(dǎo)流能力同樣顯著影響壓后產(chǎn)能，盲目追求改造體積而忽視波及區(qū)內(nèi)的改造強(qiáng)度，并不能獲得最優(yōu)的產(chǎn)能[5]。同時(shí)，滑溜水存在明顯的不足[5-10]：黏度低，攜砂能力較差、濾失量大、液體效率低；為防止砂堵，以“大排量+低砂比”施工，鋪砂深度有限，導(dǎo)流能力較低；以增加注入液量的方式提高總加砂量，浪費(fèi)清水資源，大量返排液造成環(huán)境污染。雖然線性膠黏度較高，攜砂能力較強(qiáng)，但摩阻高，且成本高，難以大規(guī)模應(yīng)用。目前，單獨(dú)使用線性或膠滑溜水都不利于頁(yè)巖氣的高效清潔化開(kāi)采。開(kāi)發(fā)出具有較低摩阻和一定黏度的壓裂液，具有較好的攜砂能力和較高的液體效率，在適當(dāng)減少液量的前提下獲得較大改造體積并提高裂縫的有效支撐體積，是未來(lái)頁(yè)巖氣壓裂液發(fā)展的主要方向[4-7]。

在公司現(xiàn)有的反相乳液降阻劑和疏水締合聚合物的基礎(chǔ)上，通過(guò)協(xié)同增效研究和配方優(yōu)化形成復(fù)合增效壓裂液，具有滑溜水低摩阻和膠液黏彈性的雙重優(yōu)點(diǎn)，降低施工壓力的同時(shí)提高攜砂能力，保證裂縫得到有效填充，提高改造效率。該壓裂液黏度較高(2～20 mPa·s)，有效降低支撐劑沉降速率，延長(zhǎng)支撐劑運(yùn)移距離[11]，滿足高砂比和大粒徑支撐劑的鋪砂要求，提高填充效果和改造強(qiáng)度；黏度可控可調(diào)，針對(duì)天然裂縫較發(fā)育、脆性較高地層采用黏度較低的壓裂液，針對(duì)黏土含量高、塑性強(qiáng)的儲(chǔ)層采用較高黏度的壓裂液[12]，滿足復(fù)雜儲(chǔ)層的改造需求，適用范圍廣；摩阻低，攜砂能力強(qiáng)，改造效果好，用液量少，現(xiàn)場(chǎng)易調(diào)控，滿足頁(yè)巖氣清潔化生產(chǎn)的需求。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用取得較好成效，摩阻較低，施工壓力平穩(wěn)，加砂順利，加砂強(qiáng)度高于滑溜水，壓后產(chǎn)量穩(wěn)定。

一、實(shí)驗(yàn)部分

1.主要試劑和儀器

公司自產(chǎn)乳液降阻劑SD2-12、低傷害聚合物稠化劑SD2-13、復(fù)合增效劑SD1-17；JA2003型電子天平，JJ-1型電動(dòng)攪拌器，ZNN-D6型六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，毛細(xì)管黏度計(jì)(?0.8 mm)，A601型全自動(dòng)表/界面張力儀，壓裂液摩阻測(cè)試儀。

2.復(fù)合物壓裂液的制備

按照0.3%SD2-13+0.2%SD1-17的比例配制聚合物線性膠，表觀黏度為24.6 mPa·s；按照0.1%SD2-12比例配制滑溜水，運(yùn)動(dòng)黏度為1.92 mm2/s。然后將配制好的線性膠和滑溜水按照體積比1 ∶9～9 ∶1的比例混合分別配制8組復(fù)合壓裂液，黏度如表1所示。

表1 不同配比的復(fù)合壓裂液表觀黏度

由表1可知，復(fù)合壓裂液的黏度為2～22 mPa·s，介于滑溜水和線性膠之間，且隨線性膠的比例增加而增大，當(dāng)兩者體積比為1 ∶1時(shí)，壓裂液的表觀黏度在15 mPa·s左右，當(dāng)兩者體積比達(dá)到8 ∶2時(shí)，壓裂液的表觀黏度超過(guò)20 mPa·s。由此可見(jiàn)，加入一定比例的線性膠能夠有效提高滑溜水的黏度，彌補(bǔ)滑溜水黏度低的缺陷。

二、復(fù)合壓裂液性能研究

當(dāng)線性膠與滑溜水體積比低于2 ∶8或高于8 ∶2時(shí)，復(fù)合壓裂液的性能與滑溜水和線性膠接近，研究的意義不大，因此，選取選擇②、④、⑤、⑥、⑧五組為代表研究復(fù)合壓裂液的協(xié)同效果與性能。

1. 降阻性能

降阻性能是評(píng)價(jià)頁(yè)巖氣用壓裂液的關(guān)鍵指標(biāo)，頁(yè)巖氣儲(chǔ)層改造施工的排量一般在10 m3/min以上，為降低施工壓力，要求壓裂液具有良好的降阻性能。采用壓裂液摩阻測(cè)試儀分別測(cè)量②、④、⑤、⑥、⑧五組復(fù)合壓裂液、清水、滑溜水和線性膠的摩阻，然后按照式(1)計(jì)算降阻率[13]，結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同比例的復(fù)合壓裂液與滑溜水、線性膠的降阻性能

(1)

式中：η— 降阻率；

Δp清水—清水通過(guò)測(cè)試管路時(shí)的壓差；MPa;

Δp—壓裂液通過(guò)測(cè)試管路時(shí)的壓差，MPa。

由圖1可知,復(fù)合壓裂液的降阻率在63%～73%之間，摩阻明顯優(yōu)于線性膠，隨著滑溜水比例的增大，降阻性能不斷提高并接近滑溜水。當(dāng)滑溜水體積百分比大于60%時(shí)，降阻率超過(guò)70%，這是因?yàn)殡S著線性膠比例的降低，疏水締合聚合物分子濃度低于臨界締合濃度，長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)的降阻劑分子占主導(dǎo)地位，充分發(fā)揮吸收徑向流能量轉(zhuǎn)化為軸向流能量的作用，流體能量損失減小[14]，表現(xiàn)為降阻率性能的大幅提升。由此可見(jiàn)，加入一定比例滑溜水能夠有效降低線性膠的摩阻，有利于降低施工壓力。

2. 流變性能

流變性能是評(píng)價(jià)壓裂液的重要指標(biāo)之一，用流變儀分別對(duì)②、④、⑤、⑧號(hào)壓裂液進(jìn)行剪切，研究四組壓裂液在不同剪切速率下的黏度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同比例的復(fù)合壓裂液剪切性能

由圖2可知，在低速剪切下(<400 s-1)，具有較高的黏度，有利于支撐劑輸送到更遠(yuǎn)的裂縫。在高速剪切下(>400 s-1)，黏度趨于平穩(wěn)，這說(shuō)明復(fù)合壓裂液具有良好的耐剪切性能。高速剪切后的穩(wěn)定黏度隨線性膠的比例增大而增加，說(shuō)明線性膠能提高滑溜水的耐剪切性能，使壓裂液在高速剪切下保持較高黏度。

3. 靜態(tài)攜砂實(shí)驗(yàn)

將頁(yè)巖氣常用支撐劑(100目粉砂和40/70陶粒)分別與②、④、⑤、⑧號(hào)復(fù)合壓裂液、滑溜水、線性膠配制不同濃度的混砂液，研究幾種壓裂液的攜砂性能。

表2 不同比例的復(fù)合壓裂液對(duì)粉砂和陶粒的攜砂性能

由表2 可知，滑溜水對(duì)100目粉砂和40/70陶粒的沉降時(shí)間最短，均小于30 s，線性膠對(duì)兩種支撐劑的沉降時(shí)間最長(zhǎng)，復(fù)合壓裂液對(duì)兩種支撐劑的沉降時(shí)間介于滑溜水和線性膠之間。隨著復(fù)合壓裂液的黏度增大，支撐劑的沉降時(shí)間明顯延長(zhǎng)，說(shuō)明黏度增大有利于降低支撐劑的沉降時(shí)間，提高壓裂液的攜砂性能。因此，線性膠對(duì)于提高滑溜水?dāng)y砂性能起到積極作用。

4. 靜態(tài)濾失性能

靜態(tài)濾失實(shí)驗(yàn)是測(cè)定不含支撐劑的壓裂液在一定溫度和壓力下通過(guò)濾紙的濾失性，以評(píng)價(jià)壓裂液在地層溫度和壓力下的濾失情況，以此判斷能否滿足壓裂施工要求。參考SY/T 5107-2005《水基壓裂液性能評(píng)價(jià)方法》[15]中的操作方法分別評(píng)價(jià)②、④、⑤、⑧號(hào)復(fù)合壓裂液、滑溜水、線性膠靜態(tài)濾失性能，結(jié)果如表3所示。

表3 不同比例的復(fù)合壓裂液靜態(tài)濾失性能

由表3 可知，復(fù)合壓裂液的初始濾失量、濾失系數(shù)、濾失速率均小于滑溜水，說(shuō)明其靜態(tài)濾失性能優(yōu)于滑溜水。隨著線性膠比例的不斷增大，復(fù)合壓裂液的靜態(tài)濾失參數(shù)不斷減小，因此，可以通過(guò)增加線性膠比例來(lái)降低復(fù)合壓裂液的濾失量，降低施工風(fēng)險(xiǎn)。

5. 破膠性能

復(fù)合壓裂液采用常用的過(guò)硫酸鹽破膠劑體系，通過(guò)優(yōu)化破膠劑加量，破膠時(shí)間30～720 min可調(diào)，現(xiàn)場(chǎng)可根據(jù)地層溫度、施工時(shí)長(zhǎng)等工藝參數(shù)調(diào)整，同時(shí)降低施工風(fēng)險(xiǎn)。破膠液清澈透明，殘?jiān)枯^少，黏度低于2 mPa·s，破膠液性能如表4所示。

表4 復(fù)合壓裂液破膠性能

由表4可知，復(fù)合壓裂液破膠后的黏度較低(<1.5 mPa·s)，破膠徹底；破膠液表面張力小于28 mN/m，界面張力小于2 mN/m，平均殘?jiān)繛?0 mg/L，破膠性能均滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。殘?jiān)拷橛诨锼途€性膠之間，隨著線性膠比例的增大，殘?jiān)棵黠@增大，因此，可以通過(guò)優(yōu)化線性膠的比例來(lái)降低壓裂液對(duì)儲(chǔ)層的傷害。

通過(guò)對(duì)復(fù)合壓裂液的降阻性能、流變性能、攜砂性能、靜態(tài)濾失性能和破膠性能等方面的評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)：滑溜水和線性膠在適當(dāng)?shù)谋壤戮哂幸欢ǖ膮f(xié)同增效作用，通過(guò)配方優(yōu)化可以獲得表觀黏度較高、降阻性能好、攜砂能力強(qiáng)、濾失量小、殘?jiān)^低的復(fù)合壓裂液。該壓裂液保留了滑溜水和線性膠的雙重優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了兩者的不足，同時(shí)可以調(diào)整配方強(qiáng)化某些性能以滿足各種施工需求和應(yīng)對(duì)復(fù)雜情況。

三、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

復(fù)合壓裂液在威遠(yuǎn)頁(yè)巖氣區(qū)塊現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用10多井次，施工排量12～14 m3/min，施工壓力60～77 MPa，平均降阻率在72.5%，液體摩阻較低，最高砂濃度180 kg/m3，平均加砂強(qiáng)度1.7 t/m，攜砂能力強(qiáng)，加砂強(qiáng)度高于常規(guī)滑溜水，施工成功率100%，壓后穩(wěn)產(chǎn)能力較好，取得了良好的應(yīng)用效果。

例如在W-204H50平臺(tái)XX井同一施工段和相鄰施工段分別采用常規(guī)滑溜水和復(fù)合壓裂液施工，對(duì)比兩種液體的施工情況，施工參數(shù)如表5所示。

表5 復(fù)合壓裂液與常規(guī)滑溜水施工參數(shù)對(duì)比

由表5可知，復(fù)合壓裂液的降阻率與滑溜水接近，表明其具有類似于滑溜水的優(yōu)良降阻性能；復(fù)合壓裂液的用液強(qiáng)度低于常規(guī)滑溜水，加砂強(qiáng)度高于滑溜水，說(shuō)明其具有比滑溜水更好的攜砂能力和鋪砂效果，在一定程度下減小用液量，緩解環(huán)保壓力，同時(shí)降低施工成本。

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用可知,將滑溜水和線性膠有機(jī)結(jié)合產(chǎn)生了良好的協(xié)同效果，獲得的復(fù)合壓裂液很好地解決了“低黏—大改造體積”與“高黏—高攜砂能力”之間的矛盾，保證大改造體積和高填充率，大幅提高改造效果。另外，該壓裂液配制簡(jiǎn)單，操作方便，成本較低，是一種性價(jià)比很高的頁(yè)巖氣用壓裂液。

四、結(jié)論

(1)采用線性膠與滑溜水復(fù)配獲得復(fù)合增效壓裂液，黏度在2～22 mPa·s，降阻率在63%～73%，該壓裂液同時(shí)具有較高黏度和低摩阻的雙重優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)保障了 “大改造體積”和“高填充率”的需求，大幅提高改造效果。該壓裂液能滿足脆性和塑性等復(fù)雜頁(yè)巖儲(chǔ)層的施工需求，適用范圍較廣。

(2)對(duì)復(fù)合壓裂液進(jìn)行了降阻性能、流變性能、攜砂性能、靜態(tài)濾失性能等方面的實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)該壓裂液黏度較高、降阻性能好、攜砂能力強(qiáng)、濾失量小、殘?jiān)^低，兼顧了滑溜水和線性膠的優(yōu)點(diǎn)又彌補(bǔ)了兩者的不足，同時(shí)可以調(diào)整配方強(qiáng)化某些性能以滿足各種施工需求和應(yīng)對(duì)復(fù)雜情況。

(3)復(fù)合壓裂液在W-204H50等平臺(tái)成功應(yīng)用10多井次，應(yīng)用試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該壓裂液具有較低的摩阻，較好的攜砂能力，同井鄰段對(duì)比表明在用液強(qiáng)度略低的情況下，其加砂強(qiáng)度明顯高于常規(guī)滑溜水。

(4)復(fù)合壓裂液現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用方便，操作簡(jiǎn)單，有利于節(jié)約清水資源，減小環(huán)境污染，綜合成本較低，是一種性價(jià)比很高的頁(yè)巖氣用壓裂液。