超低濃度壓裂液技術在海拉爾油田的應用

王賢君，張明慧，肖丹鳳

（中國石油大慶油田有限責任公司采油工程研究院，黑龍江大慶 163453）

超低濃度壓裂液技術在海拉爾油田的應用

王賢君，張明慧，肖丹鳳

（中國石油大慶油田有限責任公司采油工程研究院，黑龍江大慶 163453）

針對海拉爾油田低滲透儲層壓裂增產改造的需要，開發應用了一種新型超低濃度羧甲基瓜爾膠壓裂液，并和羥丙基瓜爾膠壓裂液進行了對比分析。結果表明：其水不溶物含量降低了一個數量級，增稠效率更高，最低使用質量分數僅為0.2%，破膠后殘渣含量降低了70%以上。該技術在海拉爾油田低滲透儲層現場應用164口井437層，施工成功率94.7%，取得了良好的增產效果。

海拉爾油田；羧甲基瓜爾膠；壓裂液；流變性

海拉爾盆地是大慶油田重要的增儲上產地區，該地區儲層類型多、物性條件差、巖性變化復雜［1］。隨著油田的勘探開發，復雜敏感性儲層逐漸增多，常規羥丙基瓜爾膠壓裂液在壓裂施工過程中會在裂縫中和裂縫壁殘留大量殘渣，造成儲層傷害，導致地層滲流能力降低和產能下降，直接影響壓裂效果和井的注采能力［2-4］。大慶油田平均每年壓裂液增稠劑用量約2 000 t，壓裂過程中產生的殘渣超過150 t，降低增稠劑用量將減少進入地層的固相物質含量，可有效降低壓裂液濾液和殘渣對裂縫及儲層的傷害。但降低瓜爾膠濃度又會遇到壓裂液成膠和耐溫、抗剪切不穩定導致凍膠體系黏彈性降低、支撐劑沉降的問題，因此，低濃度、低殘渣、低傷害的壓裂液材料就成了除清潔壓裂液外的首選。超低濃度羧甲基瓜爾膠壓裂液既有聚合物壓裂液的高黏彈性又有清潔壓裂液的低傷害性，低濃度提升了其經濟性，在降本增效、保護油層的大背景下更受油田的歡迎［5-6］。因此，研究優選滿足攜砂要求的低濃度羧甲基瓜爾膠壓裂液體系具有實際意義。

1 羧甲基胍膠壓裂液體系研究

羧甲基瓜爾膠壓裂液主要由增稠劑、交聯劑、破膠劑、p H調節劑及黏土穩定劑等成分組成。用實驗方法優選了低濃度羧甲基瓜爾膠壓裂液的增稠劑，結合增稠劑分子結構特性，在明確交聯機理的基礎上，優選了匹配的乳酸鋯型交聯劑、新型多醚二胺類黏土穩定劑及其他添加劑，形成了滿足60～140℃低滲透儲層壓裂需要的低濃度羧甲基瓜爾膠壓裂液體系。

1.1 增稠劑優選及評價

羧甲基瓜爾膠是通過在堿性條件下向胍膠中引入帶負電荷的陰離子基團——羧甲基來實現的，引入親水基團羧甲基有利于增加其水溶性，增長親水性支鏈，使瓜爾膠主鏈之間更加舒展，改善瓜爾膠網絡結構，增加水溶液黏度，同時，帶負電荷的羧甲基可以直接參與交聯，增加了胍膠的交聯點［7-8］。壓裂液增稠劑的基本性能主要以增稠效率和水不溶物含量來表征，用高速離心分離方法檢測羧甲基瓜爾膠水不溶物含量，并與相同濃度的羥丙基瓜爾膠對比，水不溶物含量降低90.2%，且溶解速度快，易于現場配制，基液不產生魚眼，分散性和溶脹性好。羧甲基瓜爾膠的相對分子質量大于羥丙基瓜爾膠，因此形成整體網絡所需要的濃度更低［9-10］（表1）。

羧甲基瓜爾膠的增稠效率（用常溫下表觀黏度表征）決定其用量，增稠效率越高用量越少，羧甲基瓜爾膠的增稠效率是羥丙基瓜爾膠的1.3～1.9倍，達到相同黏度所需用量比羥丙基瓜爾膠降低近一半，破膠負載更小，表明羧甲基瓜爾膠性能優于羥丙基瓜爾膠（表2）。

1.2 交聯劑的優選及評價

羧甲基瓜爾膠與目前油田常用的有機硼類交聯劑體系在中、低溫條件下存在不成膠、交聯速度慢的缺點，在高溫條件下存在初始剪切黏度偏低以及不耐高溫剪切等缺點，難以保證現場造縫攜砂的要求。由于無機硼或有機硼在和瓜爾膠交聯時都是先形成帶負電荷的硼酸根離子，與帶負電荷的羧甲基相互排斥，羧甲基胍膠高分子很難用硼交聯劑來進行交聯；而鋯或鈦交聯劑體系由于中心離子顯正電性，更容易靠近羧甲基瓜爾膠高分子，通過離子鍵和氫鍵共同作用，增大了鍵能，提高了交聯密度和交聯強度，生成的凍膠耐溫性和耐剪切性好，交聯網絡好，對應體系的攜砂造縫能力強［11-13］。實驗優選了乳酸鋯交聯劑SCL，其與羧甲基瓜爾膠交聯凍膠耐溫抗剪切性能好，增稠劑使用質量分數與羥丙基瓜爾膠相比降低近60%；體系剪切黏度變化小，隨時間剪切穩定性高，低使用濃度下剪切黏度高于羥丙基瓜爾膠壓裂液，能滿足壓裂改造對壓裂液黏度的要求（圖1）。

表1 羧甲基瓜爾膠和羥丙基瓜爾膠基本性能對比

表2 羧甲基瓜爾膠和羥丙基瓜爾膠增稠效率對比

1.3 黏土穩定劑優選及評價

圖1 不同壓裂液體系的黏-時曲線對比

加入常規黏土穩定劑對羧甲基瓜爾膠壓裂液體系性能影響很大，導致不成膠、交聯速度慢、初始剪切黏度偏低以及不耐高溫剪切，直接影響壓裂液性能，難以保證現場造縫攜砂的要求。由于羧甲基瓜爾膠屬于瓜爾膠的陰離子型衍生物，而常規黏土穩定劑大多為陽離子型，屬于強電解質，陽離子屏蔽了羧甲基瓜爾膠上羧基的相互作用，同時也屏蔽了羧基和交聯劑的離子相互作用，使交聯性能和流變性能變差。聚陽離子型黏土穩定劑和羧甲基瓜爾膠通過離子相互作用結合在一起，生成沉淀，也不適合。為此，優選了多醚二胺類黏土穩定劑P216，其離子強度低，分子大小與黏土層與層之間的孔隙相當，進入黏土層間能夠有效的防止黏土的水化膨脹和破碎運移，壓裂液流變性能評價結果表明，黏土穩定劑P216與壓裂液配伍性好，不影響體系的流變性能。

新型黏土穩定劑P216能顯著降低大慶外圍及海拉爾、塔木察格不同低滲透儲層巖屑的破碎率，防破碎效率達80%以上，有效防止黏土顆粒運移和膨脹，能夠達到高含泥儲層的防膨性能要求（表3）。

表3 黏土穩定劑對不同區塊巖屑分散率影響

1.4 其他添加劑的優選

針對不同低滲透儲層及流體物性特點，實驗優選了與羧甲基瓜爾膠壓裂液高效匹配的助排劑、破乳劑、降濾失劑、破膠劑等系列添加劑，完善了羧甲基瓜爾膠壓裂液配方體系。

1.5 體系性能評價

室內評價結果表明，羧甲基瓜爾膠壓裂液具有優良的耐溫抗剪切性能，破膠效果好，破膠液黏度低，表界面張力低，利于返排，與羥丙基瓜爾膠壓裂液比較，殘渣含量降低79.2%，對儲層巖心滲透率傷害率降低32.0%，對陶粒充填裂縫導流能力傷害率降低50.1%，顯著降低對儲層滲透率和裂縫導流能力的傷害，有效提高單井產能，是一種較為環保的低傷害壓裂液（表4、圖2、圖3）。

表4 羧甲基瓜爾膠壓裂液流變及破膠性能

圖2 壓裂液對裂縫導流能力影響

2 現場應用及效果分析

圖3 壓裂液對巖心傷害影響

羧甲基瓜爾膠壓裂液在海拉爾油田共應用164口井437個層，施工成功率94.7%，壓裂初期平均單井產液5.40 m3／d，產油3.05 t／d。在蘇131區塊選取物性相近的應用羧甲基瓜爾膠壓裂液的19口井與應用常規羥丙基瓜爾膠壓裂液的14口井，對比施工情況及壓后產量變化，羧甲基瓜爾膠壓裂液較常規羥丙基瓜爾膠壓裂液增稠劑用量降低56.4%，產油量提高了42.1%（表5）。

表5 海拉爾蘇131區塊開發井施工參數對比

3 結論與認識

（1）優選了羧甲基瓜爾膠增稠劑，與羥丙基瓜爾膠對比，其水不溶物含量降低90.2%，相對分子質量較大，增稠效率提高1.3～1.9倍，相同黏度所需用量降低50%，破膠負載更小，是一種性能更加優越的增稠劑。

（2）優選了新型乳酸鋯交聯劑SCL體系，解決了低濃度羧甲基瓜爾膠壓裂液成膠和耐溫、抗剪切不穩定的難題，優選了新型多醚二胺類黏土穩定劑等壓裂液添加劑，完善了壓裂液配方體系。與羥丙基瓜爾膠壓裂液比較，該壓裂液殘渣含量降低79.2%，對儲層巖心滲透率傷害率降低32.0%，對陶粒充填裂縫導流能力傷害率降低50.1%，是一種較為環保的低傷害壓裂液。

（3）在海拉爾油田共應用164口井437個層，施工成功率94.7%，壓裂初期平均單井產液5.40 m3／d，產油3.05 t／d，與常規羥丙基瓜爾膠壓裂液對比，增稠劑用量降低56.4%，產油量提高了42.1%。

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TE357

A

1673-8217（2012）06-0111-03

2012-04-25

王賢君，高級工程師，1968年生，1989年畢業于大慶石油學院石油地質專業，現從事采油工程技術研究工作。

李金華