頁巖儲層增產改造工作液的研究與應用

陸　麗，陳　英　，徐婷婷，張曉虎

（川慶鉆探工程公司井下作業公司四川川慶井下科技有限公司，四川廣漢610051）

頁巖儲層增產改造工作液的研究與應用

陸麗，陳英，徐婷婷，張曉虎

（川慶鉆探工程公司井下作業公司四川川慶井下科技有限公司，四川廣漢610051）

陸麗等.頁巖儲層增產改造工作液的研究與應用[J].鉆井液與完井液，2016，33（2）：111-116.

頁巖儲層具有脆性高、天然裂縫或層理發育、低孔特征和極低的基質滲透率等特點，四川盆地頁巖儲層壓裂改造主要采用滑溜水或“滑溜水+線性膠”的“大液量+大排量”體積壓裂模式。針對頁巖儲層特點，結合改造工藝要求，形成了低摩阻、低傷害、高防膨率的SD常規滑溜水體系及SD頁巖氣井壓裂用線性膠體系。同時為了提高頁巖氣開發過程中對水資源的使用效率，減少環境傷害，研發出一套高效抗鹽滑溜水體系，實現了對返排液高效回收利用。現場應用表明，SD常規滑溜水及線性膠體系性能穩定，現場配制方便快捷，降阻效果明顯，完全滿足頁巖氣體積改造的要求；SD高效抗鹽滑溜水體系實現了高礦化度下返排液的重復利用，滿足了頁巖氣經濟、環境保護的開發要求。

頁巖氣井；滑溜水壓裂液；抗鹽性能；返排液；線性瓜膠

頁巖儲層具有脆性高、天然裂縫或層理發育、低孔特征和極低的基質滲透率，因此水力壓裂改造是頁巖氣開發的必要手段[1]。在增產改造過程中主要采用低黏滑溜水壓裂液，利用其摩阻低、濾失高、易擴散的性能，達到形成復雜裂縫網絡的目的。四川盆地頁巖氣的儲層改造經過近幾年的探索，逐漸形成了以滑溜水或“滑溜水+線性膠”的頁巖儲層增產改造工作液組合[2]。由于“大液量+大排量”的體積壓裂改造理念要求，頁巖儲層中的增產改造工作液主要體現出3個特點：首先是用量大，以目前四川頁巖氣井平均單段2 000 m3液量計算，單口井的耗水量在3×104m3以上，工廠化作業平臺則超過10×104m3，耗水量大，因此對工作液的經濟性、環境保護等提出了較高的要求；其次，大排量施工條件下對工作液降阻性能有較高的要求，根據北美頁巖氣開發經驗，一般要求液體的降阻率穩定在65%以上，才能有效地保證體積改造[3]；再者，由于大液量注入帶來的返排液，其總溶解固體、氯根、金屬離子的含量高，處理難度大、費用昂貴，因此壓后返排液處理也是頁巖氣高效開發的瓶頸之一[4]。根據上述特點以及四川盆地長寧、威遠、昭通地區頁巖氣井增產改造作業的具體工藝要求，在大量室內與現場實驗基礎之上，研發出了3種適用于不同改造模式的頁巖氣增產工作液體系： SD常規滑溜水體系、SD抗鹽滑溜水體系、SD頁巖氣井壓裂用線性膠體系。

1　SD常規滑溜水體系

四川頁巖儲層中石英質量分數為41%～55%，黏土質量分數為15%～40%。結合儲層這一特性，為了滿足頁巖氣井體積壓裂 “大液量+大排量”的施工工藝要求，室內研制出一種性能優良的聚丙烯酰胺類降阻劑SD2-12，篩選出一種具有防膨、助排性能的復合增效劑SD2-20，通過大量配伍實驗，形成了一套SD常規滑溜水體系，配方為：（0.08%～0.2%）降阻劑SD2-12+（0.1%～0.3%）復合增效劑SD2-20。

1.1溶解分散性

SD常規滑溜水體系采用聚丙烯酰胺類降阻劑SD2-12，其溶于水中形成線型疏水締合結構的低黏液體，可降低液體在管道中的摩擦阻力。SD2-12的分散溶解性直接影響了體系運動黏度，通過肉眼觀察降阻劑在清水中的分散性，用玻璃棒攪拌感受液體的黏度，液體開始呈絲滴狀的時間即為起黏時間，采用毛細管運動黏度計測定不同時間降阻劑的運動黏度，結果見表1。

表1　SD常規滑溜水溶解分散性實驗

由表1可知，滑溜水中SD2-12的分散性能好，無沉淀、無絮凝；降阻劑的溶解分散快，20～40 s開始起黏，2 min后，運動黏度達到穩定黏度的80%以上；5 min后，運動黏度趨于穩定，滿足頁巖氣大規模連續作業。在現場應用中，降阻劑、復合增效劑均可以直接通過混砂車液添泵泵入，配液程序簡單，縮短了施工周期，降低了人工勞動強度。

1.2降阻性能

使用降阻性能測定裝置分別測試了清水、0.1%降阻劑滑溜水、0.15%降阻劑滑溜水在不同排量下的進出口壓差，結果見圖1。從圖1可知，隨著降阻劑加量的增加，進出口壓差有所減小，即降阻性能有所提高，同時說明該滑溜水體系具有良好降摩阻性能，降阻率在70%以上。

圖1　不同流體在各流量下的進出口壓差圖

1.3防膨及助排性能

研究表明，四川盆地頁巖儲層水敏特征中等偏強，而且水鎖特征非常嚴重[5-6]。針對儲層特征，通過室內實驗，篩選出一種復合增效劑SD2-20，使得滑溜水具有良好的防膨性能和較低的表面張力，從而有效地抑制頁巖及基質黏土膨脹，降低液體的表面張力，保證施工結束后殘液快速返排，減少水鎖傷害。采用離心法測定了滑溜水的防膨性，BZY-1全自動表面張力儀測定了表面張力，結果見表2。由表2可知，體系中加入復合增效劑能有效地提高黏土防膨率、降低表面張力。

表2　SD常規滑溜水的防膨及助排性能

2　SD抗鹽滑溜水體系

四川W、C區塊的頁巖氣井返排液礦化度一般在3 000～30 000 mg/L之間。隨著返排時間的延長，礦化度也不斷增加。為了達到頁巖氣井返排液重復使用的目的，亟需研發一套抗鹽滑溜水體系[7]。室內研究發現，返排液中高礦化度物質阻礙了降阻劑作用，從而影響了滑溜水性能。通過開展大量的摸索研究，研發出一種適應于四川頁巖氣壓裂返排液重復利用的抗鹽降阻劑SD2-12B，形成一套抗鹽滑溜水體系，配方為：0.1%～0.3%抗鹽降阻劑SD2-12B+（0.1%～0.5%）SD2-20。評價了抗鹽滑溜水體系的主要性能，并考察了其在不同礦化度下的運動黏度、降阻等性能。

2.1主要性能

采用評價常規滑溜水體系的方法，使用現場返排液配制，評價了抗鹽滑溜水體系的主要性能，結果見表3。由表3可知，SD抗鹽滑溜水體系具有較好的運動黏度、較低表面張力、優良的防膨性能，滿足現場施工要求。

表3　SD抗鹽滑溜水體系主要性能參數

2.2抗鹽性能

實驗室測定了在不同礦化度下，降阻劑加量均為0.15%時，常規滑溜水、抗鹽滑溜水的2 min運動黏度和降阻率的變化，結果見圖2和圖3。

圖2　不同礦化度下滑溜水黏度變化

由圖2可知，隨著礦化度的提高，滑溜水黏度逐漸降低；高礦化度下，抗鹽滑溜水黏度明顯大于常規滑溜水，當礦化度達50 000 mg/L時，抗鹽滑溜水黏度為2 mm2/s。由圖3可以看出，隨著礦化度的提高，滑溜水的降阻率逐漸降低；高礦化度下，抗鹽滑溜水降阻率明顯優于常規滑溜水，當礦化度達50 000 mg/L時，抗鹽滑溜水降阻率為70%。

圖3　不同礦化度下滑溜水降阻率變化

綜上所述，針對高礦化度的頁巖氣井返排液，抗鹽滑溜水體系性能可達到施工工藝要求，降阻性能仍達到70%以上。在現場應用中，當水質礦化度小于5 000 mg/L時，考慮采用常規滑溜水體系；當水質礦化度大于5 000 mg/L時，采用抗鹽滑溜水體系。

3　SD頁巖氣井壓裂用線性膠體系

對于塑性頁巖，其脆性相對較低，使用單一的滑溜水往往難以形成復雜的裂縫網絡，同時由于滑溜水濾失較大，也不利于形成主縫。因此根據北美地區頁巖儲層改造經驗，一般脆性指數低于50即推薦采用混合壓裂的模式，即滑溜水+線性膠。利用線性膠的黏度形成較為明顯的主縫，同時對于支撐劑的攜帶也較為有利，能夠處理部分由于天然裂縫或近井復雜帶來的難題[8-9]。SD頁巖氣用線性膠體系按稠化劑種類可分為瓜膠線性膠體系和低分子聚合物線性膠體系兩類。其中，瓜膠線性膠體系配方為：（0.25%～0.3%）HPG+0.1%殺菌劑（SD2-3）+0.5%助排劑（SD2-9）+0.2%黏土穩定劑（SD1-12），低分子聚合物線性膠體系配方為：（0.2%～0.3%）低分子聚合物（SD2-13）+0.2%黏土穩定劑（SD1-12）。室內主要從體系基本性能、放置穩定性、動態懸砂性能、破膠液性能、巖心傷害等方面對2種線性膠進行了評價。

3.1線性膠體系基本性能

室內對瓜膠線性膠、低分子聚合物線性膠基本性能做了對比實驗，通過調節稠化劑加量，基本性能可相當。

3.2放置穩定性

壓裂液受環境影響極易沉降、分解。在常溫下，通過測定不同水樣配制的線性膠黏度隨時間的變化，從而觀察液體的放置穩定性，結果見圖4。從圖4可看出，瓜膠線性膠受水質影響特別大，河水、返排液配制的線性膠黏度降解迅速；而聚合物線性膠受水質影響小，放置穩定性良好。

圖4　不同水質配制線性膠放置穩定性

3.3動態懸砂性能

目前，瓜膠線性膠是四川盆地頁巖儲層增產改造應用最廣泛的一種線性膠體系，其為線性結構，攪拌狀態下，陶粒極易分散，動態懸砂效果良好。而聚合物線性膠分子鏈結構性強，能形成立體網狀結構。在攪拌狀態下，陶粒呈“S”型進入聚合物線性膠，易聚集在一起，不易快速分散。該現象在現場施工過程中，極易造成混砂車摻合罐堵塞，對壓裂車設備、管線會造成一定的損傷，大大地增加施工風險。因此，動態懸砂性能是制約聚合物線性膠大規模推廣應用的一個重要因素。針對聚合物線性膠這一特性，室內通過大量篩選實驗，優選出一種低分子聚合物稠化劑SD2-13，其形成的水溶液網狀結構柔性增強，從而改善了陶粒的分散性。

室內在一定攪拌速度下，加入等量陶粒，觀察陶粒分散性，實驗情況見圖5。從圖5可知，在攪拌狀態下，陶粒進入聚合物線性膠、瓜膠線性膠，迅速分散。表明，使用低分子聚合物稠化劑SD2-13配制的聚合物線性膠體系對陶粒的動態懸砂性能與瓜膠性膠體系相當，可滿足現場要求。

圖5　攪拌下聚合物和瓜膠線性膠懸砂實驗

3.4線性膠破膠液性能

線性膠體系具有較高黏度，只有徹底破膠才能最大限度地減少對儲層及導流床的傷害。室內對2種體系的破膠液性能進行了評價實驗，結果見表4。由表5可知，瓜膠線性膠破膠液、低分子聚合物線性膠破膠液均具有較低表面張力、較低黏度，可以提高液體的返排能力，降低水鎖傷害；但瓜膠線性膠破膠液殘渣含量明顯高于低分子聚合物線性膠，表明瓜膠線性膠對儲層傷害相對更大。

表4　破膠液基本性能對比

3.5巖心傷害實驗

壓裂液對儲層的基質傷害主要通過巖心滲透率的變化來表征。測定了聚合物線性膠、瓜膠線性膠破膠液對巖心滲透率損害率，結果見表5。

表5　線性膠破膠液巖心滲透率損害測定

從表5可知，2種線性膠體系的損害率均小于20%，滿足行業標準要求。聚合物線性膠體系的巖心滲透率損害率低于瓜膠線性膠體系，對儲層的傷害更小。

4　現場應用

4.1SD常規滑溜水體系

SD常規滑溜水體系在四川盆地頁巖氣平臺井大規模推廣應用，現場使用情況良好，表現出了很好的降阻性能，壓后增產效果顯著。其中，CH2井組測試產量為50.8×104m3/d。 圖6為在CH2井的施工曲線，該井施工排量為12 m3/min，施工泵壓為61 MPa左右，降摩阻率為73%。

圖6　CH2井現場施工曲線圖

4.2SD抗鹽滑溜水體系

SD抗鹽滑溜水體系在四川盆地頁巖氣平臺井累計重復使用返排液約60 000 m3。現場應用情況表明，使用高礦化度返排液配制的SD抗鹽滑溜水體系仍具有表面張力低、防膨率高、降阻性能好等優點，能與施工工藝及儲層特性很好地結合。

CH3井組共計使用返排液7 000 m3，圖7為該井使用全返排液施工曲線，施工排量12 m3/min時，施工泵壓為67～70 MPa，液體降阻率達70%左右。

圖 7　CH3井采用全返排液井段的施工曲線

4.3SD頁巖氣用線性膠液體系

SD頁巖氣用線性膠體系在四川頁巖氣直井、平臺井廣泛應用。圖8為Y1直井主壓裂施工曲線，使用“滑溜水+瓜膠線性膠”模式加砂壓裂，施工排量12 m3/min。施工中，瓜膠線性膠平穩泵壓相比滑溜水增加了5 MPa，可見線性膠也具有較低摩阻。

圖8　Y1直井施工曲線

5　結論

1.根據頁巖氣施工工藝特征，結合頁巖儲層特性，研發出了SD常規滑溜水體系、SD抗鹽滑溜水體系、SD頁巖氣井壓裂用線性膠體系。

2.SD常規滑溜水體系具有配制方便、降摩阻性能和防膨性能良好，具有較低的表面張力等，可滿足頁巖氣藏大規模、低成本壓裂作業。

3.SD抗鹽滑溜水體系主要用于重復使用頁巖返排液，在高礦化度下，其仍具有較好的降摩阻性能，滿足了頁巖氣高效、環境保護開發的要求。

4.SD頁巖氣井線性膠體系滿足了頁巖儲層不同改造工藝的要求，可分為瓜膠線性膠、低分子聚合物線性膠，均具有良好的動態懸砂、低傷害、低摩阻、易返排的特征；但聚合物線性膠對水質要求較低，放置穩定性更好，對儲層傷害更低，在頁巖氣平臺井開發中可推廣應用。

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Study and Application of Stimulation Fluid for Shale Reservoirs

LU Li, CHEN Ying, XU Tingting, ZHANG Xiaohu
(CCDC downhole service company, Guanghan, Sichuan 610051, China)

Reservoir shalesare generally brittle and full of naturalfractures and beddings. They have low porosity and extremely low matrix permeability. Fracturing of shale reservoirs in the Sichuan Basin has been done mainly with slick water or “slick water plus linear gel” at high volume and high flow rate. Based on the nature of the shale reservoirs， an SD conventional slick water fracturing fluid and an SD linear gel for shale gas operation have been developed. The SD slick water fracturing fluid and the SD linear gel are of low friction， low damage to reservoir permeability and high inhibitive capacity. In field applications， the SD slick water fracturing fluid and the SD linear gel demonstrated good salt resistance， stable properties， and reduced flow friction. Both were very easy to prepare and the use of water was highly efficient because the fracturing fluid can be recovered for reuse. With the application of the SD slick water fracturing fluid， high salinity flowback fracturing fluids can be recovered for reuse， satisfying the needs for economic and environmentally friendly development of shale gas.

Shale gas well； Slick water fracturing fluid； Salt resistant performance； Flowback fluid； Linear guar gum

TE357.12

A

1001-5620（2016）02-0111-06

10.3696/j.issn.1001-5620.2016.02.024

陸麗，工程師，1986年生，畢業于西南石油大學應用專業，現在從事壓裂酸化工作液研究工作。電話 18227102271；E-mail：lulinly@foxmail.com。

（2015-10-25；HGF=1601C15；編輯王超）