一種水凝膠覆膜自懸浮支撐劑的性能評價與應用

吳 俊

（中國石油吉林油田分公司油氣工程研究院 吉林松原 138000）

壓裂是油氣藏改造的主要技術，壓裂過程中需采用一種黏彈性液體作為陶粒或石英砂的攜砂液，國內壓裂攜砂液65%以上采用胍膠壓裂液，成本占整個壓裂成本的40%以上；且胍膠攜砂液存在較多的水不溶物殘渣，對地層滲透率產生不可恢復的傷害降低裂縫導流能力。本文通過水凝膠涂膜常規陶粒或石英砂，制備了一種新型自懸浮支撐劑體系；該支撐劑利用水凝膠涂層的溶脹、潤滑、增黏作用，實現在清水中的自懸浮。對自懸浮支撐劑的懸浮性、抗剪切性、溶脹、破膠性能及導流能力評價，并進行了礦場試驗。結果表明，自懸浮支撐劑體系在壓裂施工中的降本增效效果顯著,具有良好的應用前景。

1 新型自懸浮支撐劑自懸浮機理

在常規壓裂用的陶粒或石英砂支撐劑表面覆蓋干燥的水凝膠涂層，該材料遇水后快速溶脹，在支撐劑周圍形成穩固的水化膨脹層，水化膨脹層降低了支撐劑在水中的密度；同時水化膜伸展于水溶液中，增加了水的粘度。通過降低密度和增加粘度雙重作用，使常規支撐劑粒在清水中長時間懸浮。

2 自懸浮支撐劑性能評價實驗

2.1 自懸浮支撐劑溶脹后的密度評價

自懸浮支撐劑表面的懸浮材料吸水后會溶脹，支撐劑的體積會相應增大，密度減小，以此來實現懸浮。將一定量自懸浮支撐劑加入到清水中，充分溶脹后，在200目的濾網上將溶液中的游離水濾掉，稱量剩余自懸浮支撐劑溶脹后的質量，在量筒中測量其溶脹后的體積，計算其密度，結果見下圖1。

圖1 自懸浮支撐劑溶脹后的密度

圖1可以看出，不同砂比的自懸浮支撐劑溶脹后其密度均在1.0左右，能在水中懸浮。

2.2 自懸浮支撐劑自懸浮時間評價

自懸浮支撐劑表面的懸浮性材料吸水膨脹達到懸浮狀態需要一定時間，下面簡稱懸浮時間。懸浮時間受水質、溫度的影響較大。

2.2.1 清水、污水對自懸浮時間的影響

將不同砂比的自懸浮支撐劑加入到水中，放到恒溫水浴鍋中以60r/min速度攪拌，當自懸浮支撐劑膨脹體積不在增加時，認為達到了自懸浮狀態，記錄懸浮時間，實驗結果見下圖2。

圖2 自懸浮支撐劑的懸浮時間

圖2 可以看出，隨著砂比的增加，懸浮時間逐步縮短。在清水條件下，砂比為5%懸浮時間為58s,砂比15%懸浮時間為47s，砂比30%懸浮時間為18s。污水能顯著延長懸浮時間；以砂比30%為例，清水條件下的懸浮時間18s，污水條件下為35s。認為清水有助于懸浮材料的快速溶脹。

2.2.2 溫度對自懸浮支撐劑的懸浮時間影響

將不同砂比的自懸浮支撐劑加入到清水中，分別置于30℃和60℃條件下的恒溫水浴鍋內，以60r/min速度攪拌，當自懸浮支撐劑膨脹體積不再增加時，認為達到了自懸浮狀態，記錄懸浮時間，實驗結果見下圖3。

圖3 溫度對懸浮時間的影響

從圖3可以看出：在砂比為10%時，在30℃清水中的懸浮時間55s，隨著砂比提高，懸浮形成時間不斷縮短；隨著溫度升高，懸浮形成時間也在不斷縮短，這是因為隨著溫度升高，支撐劑表面的懸浮材料溶脹速度越快。

2.3 抗剪切性評價

將不同砂比的自懸浮支撐劑置于60℃的清水中，以250r/min速度攪拌，觀察剪切過程中溶液整體的狀態，實驗結果表明：在250r/min剪切速率下，剪切40min后，自懸浮支撐劑基本處于穩定狀態，穩定性較好；隨著攪拌時間的延長出現輕微的脫砂現象，穩定時間為 60min。總體來看，自懸浮支撐劑的動態懸浮性能較好。

2.4 破膠性能評價

自懸浮支撐劑的破膠性能體現在破膠后破膠液的粘度和破膠后支撐劑的導流能力。

2.4.1 破膠液的粘度評價

將不同砂比的自懸浮支撐劑置于60℃的清水中，以60r/min速度攪拌至充分溶脹后，加入0.05%過硫酸銨，靜止8h后測破膠液的粘度，實驗結果表明，在60℃下，在砂比30%的自懸浮支撐劑壓裂液中加入0.05%過硫酸銨，8h后其黏度為4mpa.s，破膠較為充分。同時對5個樣品測殘渣含量均為檢出，說明自懸浮支撐劑破膠后無水不溶物殘渣，對儲層污染小。

2.4.2 破膠后支撐劑的導流能力

將30%砂比的自懸浮支撐劑破膠后過濾，取出支撐劑顆粒烘干。采用裂縫導流能力測試儀，測量破膠后烘干的支撐劑顆粒在不同閉合壓力下的導流能力，實驗結果兩種支撐劑的導流能力隨閉合壓力升高而降低，自懸浮支撐劑的導流能力好于常規石英砂。

3 自懸浮支撐劑現場壓裂實施工藝

（1）前置液的配制及注入。按照壓裂施工要求，根據儲層特點準備前置液進行造縫。

（2）自懸浮支撐劑泵注工藝。自懸浮支撐劑泵注工藝與常規支撐劑泵注工藝一樣，在前置液泵注結束后，將裝有自懸浮支撐劑的砂罐與清水罐車連在混砂車上進行混砂注入，初始砂比大于15%。

（3）破膠劑添加方式。應用自懸浮支撐劑壓裂液壓裂時，加砂全過程都要添加破膠劑，添加方式為楔形添加。破膠劑為膠囊破膠劑與過硫酸銨粉劑的組合。

（4）壓裂液返排。壓裂施工完成后，根據地層溫度確定關井時間。關井結束后，需根據井口壓力采用不同直徑的油嘴控制防噴。

4 現場試驗

新型自懸浮支撐劑在XX井清水壓裂中進行了現場應用，該井井深1348m，井底溫度65℃，地層滲透率20mD。壓裂施工時，首先泵注前置液造縫，然后采用清水攜自懸浮支撐劑加砂支撐裂縫，施工排2.5m3/min，主加砂段砂比18%-30%，最高砂比40%，壓裂后返排率35%。該井壓裂后日產油量0.8t（壓前0.1t），取得較好的增產效果。

5 結論

（1）水凝膠涂膜制備的自懸浮支撐劑溶脹后密度與水接近，清水中的懸浮時間小于1min，長期懸浮性較好；破膠后溶液粘度較低、無殘渣，同時破膠后的支撐劑導流能力基本不變。

（2）自懸浮支撐劑能實現清水中的自懸浮，現場試驗效果較好，較大低降低了壓裂施工的成本。

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