安 琦，熊俊杰，趙戰(zhàn)江，王世華

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452）

鄂爾多斯盆地臨興區(qū)塊致密砂巖氣藏孔隙度為3.7 %～15 %，滲透率為0.01×10-3μm2～3×10-3μm2。總體而言，屬于低孔低滲氣藏類型，一般需要實施增產(chǎn)措施才能獲得工業(yè)氣流。壓裂是實現(xiàn)其高效開發(fā)的最主要技術(shù)手段[1]，壓裂液的優(yōu)選成為影響增產(chǎn)效果的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

臨興區(qū)塊致密砂巖氣藏具有儲層埋藏淺、溫度低等特征，儲層埋深900 m～2 000 m，溫度30 ℃～60 ℃，存在壓裂液破膠難度大、壓后返排困難、壓裂液對地層傷害大等問題[2-6]。隨著臨興區(qū)塊致密氣由勘探階段向開發(fā)階段的過渡，壓裂規(guī)模及工藝方式發(fā)生轉(zhuǎn)變，壓裂規(guī)模相應(yīng)的變大，多層連續(xù)施工或水平井分段壓裂成為區(qū)塊開發(fā)的主要方式。因此，壓裂液能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)混配也成為體系優(yōu)選的必要條件。

1 壓裂液體系優(yōu)選

1.1 室內(nèi)評價研究

區(qū)塊在勘探階段共應(yīng)用了體系A(chǔ)、體系B、體系C等三套壓裂液體系，參考SY/T 5107-2005《水基壓裂液性能評價方法》分別對三套壓裂液體系進(jìn)行了室內(nèi)實驗評價，評價結(jié)果（見表1）。

體系A(chǔ)：0.25 %～0.3 %HPG+0.08 %殺菌劑+0.5 %KCl+0.5 %降水鎖處理劑+0.5 %黏土穩(wěn)定劑+0.3 %助排劑+0.08 %純堿+0.02 %低溫激活劑+6 %硼砂交聯(lián)劑+0.05 %破膠劑。

體系B：0.25 %～0.3 %HPG+0.1 %殺菌劑+1 %KCl+0.3 %黏土穩(wěn)定劑+0.5 %助排劑+0.04 %純堿+0.01 %～0.03 %低溫激活劑+0.2 %發(fā)泡劑+0.2 %交聯(lián)劑+0.08 %破膠劑。

體系C：0.3 %胍膠+0.005 %殺菌劑+0.1 %黏土穩(wěn)定劑+0.1 %黏土控制劑+0.1 %助排劑+0.18 %pH 調(diào)節(jié)劑+0.02 %交聯(lián)劑I+0.1 %交聯(lián)劑II+0.04 %低溫破膠催化劑+0.02 %破膠劑+0.003 %生物酶破膠劑。

從表1 可以看出，三種壓裂液體系測試指標(biāo)均能夠滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求的指標(biāo)參數(shù)。

1.2 現(xiàn)場應(yīng)用情況分析

2014-2015 年體系A(chǔ) 在臨興區(qū)塊共完成了14 口共21 層壓裂施工作業(yè)。平均單層用液量221.8 m3，平均加砂量25.8 m3，主要應(yīng)用于直井（探井），壓后氣井效果差異較大。通過現(xiàn)場應(yīng)用情況的總結(jié)分析，體系A(chǔ)主要存在以下三個問題：

（1）壓裂液受儲層溫度低、關(guān)井時間短等因素的影響，返排初期破膠液黏度均較高，破膠不徹底。壓裂液破膠不徹底將對儲層造成不可恢復(fù)的傷害，嚴(yán)重影響壓裂增產(chǎn)效果。

（2）體系A(chǔ) 在低溫儲層中采用無機(jī)硼砂作為交聯(lián)劑，硼砂溶解度較低，20 ℃下在水中的溶解度僅為2.01 g/100g（溫度越低，溶解度越?。?，配制交聯(lián)劑硼砂濃度為0.6 %，因此對于大液量施工，所需要的交聯(lián)劑溶液液量較大，其儲存方式將會給現(xiàn)場施工作業(yè)帶來較大困難。

（3）體系A(chǔ) 較難與連續(xù)混配工藝相結(jié)合。胍膠溶脹時間長，提前配制的作業(yè)方式受施工工期短、液體易腐爛變質(zhì)等的限制無法適用于水平井壓裂。水平井壓裂用液量大，需要配合連續(xù)混配工藝，優(yōu)選與之相適應(yīng)的速溶壓裂液。

2016 年壓裂液體系B 共在臨興區(qū)塊應(yīng)用6 口井，儲層平均溫度為42.2 ℃，單層平均用液量210.6 m3，平均加砂量26.7 m3，該壓裂液體系現(xiàn)場應(yīng)用顯示，存在以下問題：

（1）壓裂液在施工過程中受溫度、施工工藝等的影響較大，壓裂液體系攜砂性能不穩(wěn)定，壓裂施工過程中均出現(xiàn)了壓力波動較大，增大了壓裂施工砂堵的可能性（見圖1）。

表1 壓裂液體系性能評價結(jié)果Tab.1 Result of fracturing fluid system evaluation

圖1 LX-D3 井壓裂施工曲線圖Fig.1 Fracturing construction curve of LX-D3

（2）壓裂液體系中加入了發(fā)泡劑，目的是快速返排，但由于發(fā)泡劑產(chǎn)生大量泡沫，導(dǎo)致伴注液氮的能量都作用在了泡沫上，致使液氮效率降低，從而使壓裂井的返排率降低，且由于發(fā)泡劑發(fā)泡效率高，返排液中的泡沫較多，具有一定黏度的泡沫會導(dǎo)致支撐劑回吐現(xiàn)象出現(xiàn)。

2015-2016 年壓裂液體系C 在臨興區(qū)塊直井應(yīng)用9 口井，平均單層用液量231.5 m3，平均加砂量31.5 m3，該體系采用“氧化破膠劑+低溫催化劑+生物酶破膠劑”復(fù)合破膠方式，實現(xiàn)了壓裂液在低溫條件下的完全破膠。其中5 口直井采用了連續(xù)混配工藝進(jìn)行配液，并達(dá)到了良好的效果，說明該壓裂液體系具備即配即用的功能，為大規(guī)模壓裂的實施打下了良好的基礎(chǔ)。

2 體系C 的優(yōu)化

綜合1 中三套體系的分析，低濃度速溶胍膠壓裂液體系C 可作為區(qū)塊壓裂增產(chǎn)的優(yōu)選體系。然而在現(xiàn)場作業(yè)中仍存在以下問題：

（1）水平井壓裂施工作業(yè)時間長，段數(shù)多，易造成壓裂液濾失大，對地層造成傷害。尤其對于多段水平井壓裂而言，壓裂越早的層段，壓裂液在地層時間越長，越要控制好破膠時間。

（2）壓裂液配方復(fù)雜，施工過程中添加劑數(shù)量較多，且加入精度要求高，對現(xiàn)場設(shè)備和準(zhǔn)備工作提出了更高的要求。因此有必要對該壓裂液體系進(jìn)一步優(yōu)化，以滿足區(qū)塊后續(xù)開發(fā)的需求。

2.1 同步破膠性能優(yōu)化

為了避免壓裂液進(jìn)入地層后破膠過快，造成壓裂液濾失量大，對地層造成傷害。通過優(yōu)化不同壓裂井段的破膠劑加量，實現(xiàn)壓裂液不提前破膠，僅在放噴返排時壓裂液完全破膠，從而降低壓裂液對地層傷害。

在溫度較低時，過硫酸銨分解速度較慢，降低壓裂液的破膠速率[7-9]，溫度對過硫酸銨分解常數(shù)影響數(shù)據(jù)（見表2）。

表2 溫度對分解速率常數(shù)的影響Tab.2 The influence of temperature on decomposition rate constant

由表2 看出，過硫酸銨在70 ℃下半衰期為8.25 h，60 ℃下半衰期為38.5 h。根據(jù)臨興區(qū)塊儲層溫度統(tǒng)計，地層溫度在40 ℃～60 ℃，單一加入過硫酸銨無法實現(xiàn)壓裂液快速破膠，“氧化破膠劑+低溫催化劑+生物酶破膠劑”能夠在實現(xiàn)壓裂液完全破膠的基礎(chǔ)上同時降低殘渣含量，測試不同破膠劑濃度下體系C 的破膠數(shù)據(jù)（見表3）。根據(jù)施工方案確定每層段壓裂液在地層停留時間，通過實驗數(shù)據(jù)確定破膠劑不同階段的加入量，同步破膠技術(shù)的成功實施，降低了入井流體對地層的傷害。

2.2 現(xiàn)場施工優(yōu)化

體系C 添加劑數(shù)量多、加入濃度小、精度要求高，現(xiàn)場施工輔助設(shè)備多，對設(shè)備要求高，從而增加了施工成本。在室內(nèi)進(jìn)行了壓裂液各藥劑間的復(fù)配，并測試了復(fù)配對壓裂液性能的影響。

表3 壓裂液在不同破膠劑加量下的破膠性能實驗Tab.3 Experiments on the fracturing fluid gel breaking under different additive

2.2.1 低溫激活劑與生物酶破膠劑的復(fù)合 按照配方添加劑比例將生物酶破膠劑：低溫催化劑：水=1:13:165混合，將混合液在室溫條件下分別放置2 h、4 h 后，再加入破膠劑，在55 ℃下測試壓裂液的破膠性能（見表4）。

表4 破膠性能測試結(jié)果Tab.4 Test result of fracturing fluid gel breaking

由表4 看出，在室溫下放置4 h 以內(nèi)，壓裂液破膠性能無變化，所以現(xiàn)場可將低溫催化劑和生物酶破膠劑混合以達(dá)到增大排量、減少液添泵數(shù)量的目的。

2.2.2 pH 調(diào)節(jié)劑與基液的復(fù)合 pH 調(diào)節(jié)劑在壓裂液配方中起著重要的作用，同時pH 調(diào)節(jié)劑也將影響稠化劑分子的溶脹從而影響壓裂液基液的最終黏度，pH調(diào)節(jié)劑配伍性實驗旨在研究pH 調(diào)節(jié)劑加入壓裂液基液中后對壓裂液性能的影響。按照配方比例，在壓裂液稠化劑溶脹時間大于6 min 后加入pH 調(diào)節(jié)劑，分別測試壓裂液在不同放置時間后基液黏度的變化（見表5）。

表5 基液性能Tab.5 Base fluid performance

分別取放置24 h、48 h 的壓裂液基液，測試壓裂液交聯(lián)后170 s-1、55 ℃下的抗剪切性能（見圖2）。

pH 調(diào)節(jié)劑與壓裂液基液混合24 h、48 h 后，壓裂液在170 s-1、55 ℃條件下剪切2 h，黏度大于100 mPa·s，說明壓裂液具有良好的抗剪切性能。

通過以上實驗分析知，可根據(jù)壓裂施工用液量優(yōu)化壓裂液配液方式：

（1）進(jìn)行小液量壓裂施工時（＜400 m3），采取傳統(tǒng)配液撬單罐配液方式，單罐循環(huán)至壓裂液基液黏度合格后，在基液中加入pH 調(diào)節(jié)劑攪拌均勻，同時達(dá)到延長壓裂液基液保持期、減少施工液添泵的目的。壓裂施工過程中的低溫催化劑與生物酶破膠劑混合后采用清水稀釋至合理倍數(shù)，采用一臺液添泵添加。

圖2 壓裂液抗剪切性能（a-24 h，b-48 h）Fig.2 Shear resistance of fracturing fluid（a-24 h，b-48 h）

表6 現(xiàn)場應(yīng)用情況匯總表Tab.6 Summary table of field application

（2）進(jìn)行大液量壓裂施工時，采取連續(xù)混配工藝方式配液，配制基液時在設(shè)備出口端實時加入pH 調(diào)節(jié)劑，達(dá)到即配即注的目的[10-12]。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

2015-2017 年采用優(yōu)化后的壓裂液體系C 與連續(xù)混配工藝相結(jié)合，在臨興區(qū)塊共完成15 口致密砂巖氣水平井分段壓裂施工，平均單井用液量2 559.0 m3，平均單井加砂量319.4 m3，施工成功率100 %，配液效率較傳統(tǒng)配液方式提高3 倍，液體使用率達(dá)到94.6 %，總體改造效果為鄰井直井同層位改造效果的5 倍以上，較之前大幅度提高（見表6）。

4 結(jié)論

（1）對臨興區(qū)塊三套壓裂液體系分別進(jìn)行了室內(nèi)實驗評價，室內(nèi)評價結(jié)果顯示體系均滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，壓裂液體系C 各項性能良好：在170 s-1，55 ℃，剪切2 h，黏度大于50 mPa·s；靜態(tài)濾失系數(shù)0.732×10-3；55 ℃下破膠1 h，破膠液黏度在5 mPa·s 以下；表面張力19.66 mN/m；防膨率92.64 %；殘渣含量304 mg/L；平均巖心基質(zhì)滲透率損害率為11.17 %。通過對體系現(xiàn)場應(yīng)用分析，體系C 具有在區(qū)塊大規(guī)模開發(fā)的潛力。

（2）結(jié)合體系C 的現(xiàn)場應(yīng)用特點，對體系C 進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后的壓裂液體系能夠?qū)崿F(xiàn)同步破膠技術(shù)。壓裂液添加劑的復(fù)合能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)混配工藝技術(shù)，并簡化了現(xiàn)場操作流程。

（3）壓裂液體系C 結(jié)合連續(xù)混配工藝技術(shù)實現(xiàn)了大規(guī)模壓裂連續(xù)施工，達(dá)到了即配即注的效果，避免壓裂液的浪費，實現(xiàn)降本增效。

（4）進(jìn)行了壓裂液體系C+連續(xù)混配工藝技術(shù)在現(xiàn)場8 口水平井的應(yīng)用實施，應(yīng)用效果顯示，施工效率提升了3 倍，平均液體使用率為94.6 %。