低濃度羥丙基胍膠壓裂液在蘇里格氣田的應用

楊冠科 王 成

中國石油集團長城鉆探工程公司 ，遼寧 盤錦 124010

0 前言

蘇里格氣田屬于典型的低壓、低滲透率、低豐度氣田，開發此類油氣田最有效的方法即為水力壓裂，而壓裂液性能則直接關系到壓裂施工的成功與否。雖然壓裂液的耐溫耐剪切性是影響壓裂施工的關鍵指標，但壓裂液破膠液的殘渣含量過高，也會堵塞油氣滲流通道導致地層傷害增加[1-2]，產量下降。降低壓裂液稠化劑濃度是降低壓裂液殘渣或殘膠含量、提高裂縫導流能力、降低壓裂液成本的重要途徑[3]，但降低壓裂液稠化劑濃度會影響壓裂液的交聯強度和耐溫耐剪切性能，增大壓裂施工的風險。

目前蘇里格氣田壓裂氣井深度大多超過3 000 m，地層溫度均在100℃以上，蘇里格氣田氣藏的前期評價及相關實驗結果表明，蘇里格氣田儲層主體表現為弱-中偏弱水敏，水基壓裂液不會對氣井產能造成較大影響。目前使用的壓裂液稠化劑多為羥丙基胍膠，濃度約0.55%，壓裂液稠化劑濃度偏高，破膠后的殘渣量多，嚴重堵塞油氣滲流通道，影響人工裂縫的導流能力。

近年來應用效果較好的清潔壓裂液可在一定程度上達到壓裂施工要求，但大多數清潔壓裂液體系存在難耐100℃以上的高溫、在氣井壓裂應用時不易破膠及使用成本高等問題[4-6]。在其他類型壓裂液無明顯性能和經濟優勢的情況下，不改變施工工藝，只降低胍膠等主、助劑在壓裂液體系中的濃度，采用優化后的胍膠類壓裂液體系則是最穩妥的選擇，在降低成本的同時還能降低壓裂液破膠液殘渣對地層的傷害。因此開發出了一種低濃度羥丙基胍膠壓裂液體系，并成功應用到蘇里格氣田。

1 低濃度羥丙基胍膠壓裂液體系實驗

首先，選擇合適的胍膠壓裂液體系。常用的胍膠體系有羥丙基胍膠、羧甲基胍膠以及羥丙基羧甲基胍膠，其中羧甲基胍膠性能不穩定，施工工藝不成熟；而羥丙基羧甲基胍膠的施工成本較高。因此，兼具經濟性和安全性的首選是在其它添加劑濃度不變的情況下，減少羥丙基胍膠稠化劑的用量。通過一系列實驗，發現0.35%～0.5%濃度的羥丙基胍膠可獲得理想的交聯和挑掛效果。

另外，應提升交聯性能。從提高交聯性能角度看，羥丙基胍膠稠化劑濃度越低，溶液中聚合物提供的順式臨位羥基交聯基團也越少，空間間距越大。為使這些有限的交聯基團有效交聯，需要增加交聯劑交聯離子的體積半徑，保持適度的pH值環境，以形成穩固的網狀結構。

經優化得到的有機硼鋯交聯劑可增大絡合離子的體積半徑，能與低濃度胍膠分子上的羥基基團發生交聯作用，形成高強度的化學鍵。實驗表明，100 ℃時，pH值為9.2～9.6的環境下，交聯比在100∶2～100∶3之間，通過交聯促進劑的作用，可以提高交聯劑的絡合點，提高稠化劑的交聯能力，能夠在較低稠化劑濃度下形成穩定的交聯網狀結構。

通過降低稠化劑濃度和提高交聯性能，并優化其他助劑配方，最終形成了如下適用于蘇里格氣田的壓裂液配方：0.35%～0.5%羥丙基胍膠+1% KCl+0.3%助排劑+0.05%～1%殺菌劑+0.5%起泡劑+0.5%防膨劑+0.1%溫度穩定劑+0.01%～0.02%膠囊破膠劑+0.01%～0.02%過硫酸銨。pH值調整到9.2～9.6時，交聯比控制在100∶2～100∶3之間。根據直井和水平井井況的不同，可在上述配方的框架內微調各組分含量。

1.1 壓裂液耐溫耐剪切性與流變性能

蘇里格氣田目前壓裂改造的儲層溫度多為100 ℃左右，但由于壓裂過程中常伴液氮助排，液氮的降溫作用及壓裂液導熱性能差導致壓裂液在裂縫內的溫度難達到100 ℃以上，因此實驗溫度設定為100 ℃即可。實驗方法為：溫度達到100 ℃后，開始以170 s-1速率剪切壓裂液90 min，剪切過程全程恒溫在100 ℃。該壓裂液表觀黏度與剪切時間的關系曲線見圖1。

圖1 低濃度羥丙基胍膠壓裂液流變曲線

由圖1可知，以170 s-1剪切速率分別剪切胍膠濃度為0.45%和0.4%的壓裂液90 min后，壓裂液表觀黏度為68.37 mPa·s 和56.05 mPa·s。滿足SY/T 6376-2008《壓裂液通用技術條件》中對壓裂液耐溫耐剪切性能的要求（≥50 mPa·s）。

1.2 破膠性能與殘渣含量

不同濃度的羥丙基胍膠壓裂液體系在100℃時，加入0.02%濃度的過硫酸銨破膠，1 h后其破膠液黏度平均值為3 mPa·s，破膠液表面張力均值為26 mN/m，滿足SY/T 6376-2008《壓裂液通用技術條件》中對水基壓裂液破膠性能的要求(破膠液表觀黏度≤5.0 mPa·s，破膠液表面張力≤28.0 mPa·s)。其中，濃度為0.4%的羥丙基胍膠壓裂液破膠液殘渣含量為290 mg/L，僅為常規濃度羥丙基胍膠壓裂液殘渣含量的2/3，能降低對地層的二次傷害。

1.3 壓裂液懸砂性能

1.3.1 束縛水蒸氣法檢驗壓裂液黏彈性

實驗原理：當水或黏度低的溶液溫度達到100℃時，水會轉化為水蒸氣逸出；反之，如果溶液的黏度較高，黏彈性較好，水蒸氣便會被束縛到液體中，無法逸出并在液體內部膨脹，液體體積逐漸增大。因此液體在加熱后體積增加越大，此液體的黏彈性就越佳。

分別以基液∶交聯劑（體積比）為100∶2、100∶2.5和100∶3配制壓裂液，性能檢測數據見表1。

表1 不同交聯比的壓裂液束縛水蒸氣實驗

由表1可知，低濃度羥丙基胍膠壓裂液體系的壓裂液在100 ℃水浴2 h后，與初始體積相比，液體體積最大增幅為17%，證明其具有較好黏彈性。

此外，根據實驗觀察，基液∶交聯劑=100∶2.5的體系壓裂液在水浴2 h后流體的挑掛性較其它二者更佳，黏彈性較高，懸砂性能更好，可在壓裂現場優先采用此交聯比進行施工。

1.3.2 靜置懸砂法檢驗壓裂液懸砂性能

按體系配方分別配成羥丙基胍膠濃度為0.4%、0.45%、0.5%的壓裂液基液，溶脹4 h后，分別檢測3杯壓裂液基液的pH值、表觀黏度、交聯時間。并在交聯后分別對其進行懸砂效果實驗，實驗砂比設定為25% 。實驗結果見表2。

表2 不同濃度的壓裂液懸砂實驗

實驗過程中，采用100 r/min轉速分別對0.4%、0.45%、0.5%濃度的羥丙基胍膠壓裂液攪拌剪切30 min后，凍膠狀態遭破壞，呈分散小塊狀，但仍能有效攜砂，無砂降。表2數據表明，該壓裂液體系具有較好的懸砂性能，能滿足蘇里格氣田壓裂施工的要求。

2 現場應用

2.1 施工情況

將低濃度羥丙基胍膠壓裂液配方及工藝設計應用于蘇里格氣田蘇E、蘇F區塊4口井（蘇E-20、蘇E-21、蘇E-22和蘇F-75H），其中3口為直井，1口為水平井（蘇F-75H）。共使用壓裂液6 047 m3，順利攜帶632 m3支撐劑入井，具體井號及主要施工參數見表3。

表3 低濃度羥丙基胍膠壓裂井主要施工參數

低濃度羥丙基胍膠壓裂液實驗井的壓裂施工過程均達到了設計要求，無停泵、砂堵等現象出現，返排效果好，施工成功率100%，表明該壓裂液體系具有良好的耐溫耐剪切性、造縫能力以及攜砂能力。

2.2 投產情況

2.2.1 直井產量對比

用低濃度羥丙基胍膠壓裂液的直井和常規濃度羥丙基胍膠壓裂液進行壓裂施工的鄰直井（蘇E-66和蘇E-26均為同區塊同時期壓裂規模相近的相鄰直井），壓裂后單井日均增產效果對比見圖2，產氣量按壓裂后的前30個有效生產日（完整生產24 h）的產量計算。由圖2可見，使用低濃度羥丙基胍膠壓裂液壓裂的直井，產量普遍高于對比井。并經計算可知，其單井日均產氣1.756 8×104m3，與采用常規壓裂工藝的鄰井產氣量1.409 8×104m3相比，增產25%，增產效果明顯。

圖2 直井產氣量對比圖

此外，采用低濃度羥丙基胍膠壓裂液體系施工的直井平均每米儲層壓裂后初期每MPa壓降產氣量均大于對比井，見圖3，說明該低濃度羥丙基胍膠壓裂液體系在降低儲層傷害、提高改造效果方面具有優勢。圖2～3中，藍色為使用低濃度羥丙基胍膠壓裂液的直井，黃色為使用常規濃度羥丙基胍膠壓裂液的鄰直井。

圖3 平均每米儲層壓裂后初期壓降產氣量

2.2.2 水平井產量對比

由表4可知，應用低濃度羥丙基胍膠壓裂液的水平井，與其他用常規濃度羥丙基胍膠壓裂液施工的相鄰水平井（蘇F-76H、蘇F-74H）對比，在用液量相當，胍膠用量減少的情況下，單井日均產氣量幾乎持平。證明低濃度羥丙基胍膠壓裂液應用在水平井壓裂中兼具經濟性和實用性。

表4 低濃度羥丙基胍膠壓裂液與常規濃度羥丙基胍膠壓裂液水平井壓裂數據對比

截至2013年5月1日，采用低濃度羥丙基胍膠壓裂液進行壓裂改造的蘇E-21、蘇E-20、蘇E-22和蘇F-75H井投產已近半年，累計產氣2 053×104m3，產量穩定，未出現明顯遞減趨勢。

綜上所述，使用低濃度羥丙基胍膠壓裂液進行壓裂施工安全可靠，能有效實現儲層改造，增產效果良好。

3 效益分析

采用該低濃度羥丙基胍膠壓裂液體系進行施工，以每口直井用壓裂液500 m3計算（其中胍膠以10萬元/t估算），濃度由原來的0.55%降低到0.4%，而配方中其他添加劑的使用成本幾乎不變，單井僅液體材料可節約成本75 000元；以每口水平井用壓裂液4 000 m3計算，濃度由原來的0.6%降低到0.5%，配方中其他添加劑的使用成本也無明顯增加，單井液體材料可節約成本40萬元。

按蘇里格氣田某項目部所轄區塊年均壓裂直井70口，水平井30口計算，每年可節約成本1 725萬元。

4 結論

a）該低濃度羥丙基胍膠壓裂液體系的耐溫耐剪切性能、破膠液殘渣含量滿足SY/T 6376-2008《壓裂液通用技術條件》以及蘇里格氣田100～120℃儲層的壓裂施工要求。其壓裂液破膠液中殘渣含量僅為常規濃度羥丙基胍膠壓裂液的2/3，對地層的二次傷害低，懸砂性能佳。

b）該低濃度羥丙基胍膠壓裂液體系中增稠劑用量可根據井型的不同，比蘇里格氣田目前常用的羥丙基胍膠類壓裂液減少15%～30%。在用液量相當，胍膠用量減少、施工成本降低的情況下，直井單井日均產氣量平均增加25%，水平井單井日均產氣量與鄰井幾乎持平。建議在蘇里格氣田的壓裂施工中，有針對性地應用此項技術。

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