頁巖氣用復合增效壓裂液的研究與應用

周仲建，于世虎，張曉虎

(1西南石油大學石油與天然氣工程學院 2中國石油集團川慶鉆探工程公司井下作業公司)

頁巖氣是新興的清潔化能源，其開發利用對于緩解能源危機、優化能源結構和推動高質量發展都具有重大意義[1]。頁巖氣的開采方式主要是體積壓裂，以大排量、大液量的低黏液體疏通天然裂縫，形成相互交織的空間裂縫網絡系統，實現三維改造，最大程度地提高儲層滲透率[2-3]。滑溜水因其黏度低更容易獲得較大的改造體積[3]，同時具有摩阻低、殘渣少、傷害小、現配現用等優點[4]，成為目前頁巖氣儲層改造的主要壓裂液。雖然低黏液體有利于增加改造體積，但支撐裂縫的導流能力同樣顯著影響壓后產能，盲目追求改造體積而忽視波及區內的改造強度，并不能獲得最優的產能[5]。同時，滑溜水存在明顯的不足[5-10]：黏度低，攜砂能力較差、濾失量大、液體效率低；為防止砂堵，以“大排量+低砂比”施工，鋪砂深度有限，導流能力較低；以增加注入液量的方式提高總加砂量，浪費清水資源，大量返排液造成環境污染。雖然線性膠黏度較高，攜砂能力較強，但摩阻高，且成本高，難以大規模應用。目前，單獨使用線性或膠滑溜水都不利于頁巖氣的高效清潔化開采。開發出具有較低摩阻和一定黏度的壓裂液，具有較好的攜砂能力和較高的液體效率，在適當減少液量的前提下獲得較大改造體積并提高裂縫的有效支撐體積，是未來頁巖氣壓裂液發展的主要方向[4-7]。

在公司現有的反相乳液降阻劑和疏水締合聚合物的基礎上，通過協同增效研究和配方優化形成復合增效壓裂液，具有滑溜水低摩阻和膠液黏彈性的雙重優點，降低施工壓力的同時提高攜砂能力，保證裂縫得到有效填充，提高改造效率。該壓裂液黏度較高(2～20 mPa·s)，有效降低支撐劑沉降速率，延長支撐劑運移距離[11]，滿足高砂比和大粒徑支撐劑的鋪砂要求，提高填充效果和改造強度；黏度可控可調，針對天然裂縫較發育、脆性較高地層采用黏度較低的壓裂液，針對黏土含量高、塑性強的儲層采用較高黏度的壓裂液[12]，滿足復雜儲層的改造需求，適用范圍廣；摩阻低，攜砂能力強，改造效果好，用液量少，現場易調控，滿足頁巖氣清潔化生產的需求。現場應用取得較好成效，摩阻較低，施工壓力平穩，加砂順利，加砂強度高于滑溜水，壓后產量穩定。

一、實驗部分

1.主要試劑和儀器

公司自產乳液降阻劑SD2-12、低傷害聚合物稠化劑SD2-13、復合增效劑SD1-17；JA2003型電子天平，JJ-1型電動攪拌器，ZNN-D6型六速旋轉黏度計，毛細管黏度計(?0.8 mm)，A601型全自動表/界面張力儀，壓裂液摩阻測試儀。

2.復合物壓裂液的制備

按照0.3%SD2-13+0.2%SD1-17的比例配制聚合物線性膠，表觀黏度為24.6 mPa·s；按照0.1%SD2-12比例配制滑溜水，運動黏度為1.92 mm2/s。然后將配制好的線性膠和滑溜水按照體積比1 ∶9～9 ∶1的比例混合分別配制8組復合壓裂液，黏度如表1所示。

表1 不同配比的復合壓裂液表觀黏度

由表1可知，復合壓裂液的黏度為2～22 mPa·s，介于滑溜水和線性膠之間，且隨線性膠的比例增加而增大，當兩者體積比為1 ∶1時，壓裂液的表觀黏度在15 mPa·s左右，當兩者體積比達到8 ∶2時，壓裂液的表觀黏度超過20 mPa·s。由此可見，加入一定比例的線性膠能夠有效提高滑溜水的黏度，彌補滑溜水黏度低的缺陷。

二、復合壓裂液性能研究

當線性膠與滑溜水體積比低于2 ∶8或高于8 ∶2時，復合壓裂液的性能與滑溜水和線性膠接近，研究的意義不大，因此，選取選擇②、④、⑤、⑥、⑧五組為代表研究復合壓裂液的協同效果與性能。

1. 降阻性能

降阻性能是評價頁巖氣用壓裂液的關鍵指標，頁巖氣儲層改造施工的排量一般在10 m3/min以上，為降低施工壓力，要求壓裂液具有良好的降阻性能。采用壓裂液摩阻測試儀分別測量②、④、⑤、⑥、⑧五組復合壓裂液、清水、滑溜水和線性膠的摩阻，然后按照式(1)計算降阻率[13]，結果如圖1所示。

圖1 不同比例的復合壓裂液與滑溜水、線性膠的降阻性能

(1)

式中：η— 降阻率；

Δp清水—清水通過測試管路時的壓差；MPa;

Δp—壓裂液通過測試管路時的壓差，MPa。

由圖1可知,復合壓裂液的降阻率在63%～73%之間，摩阻明顯優于線性膠，隨著滑溜水比例的增大，降阻性能不斷提高并接近滑溜水。當滑溜水體積百分比大于60%時，降阻率超過70%，這是因為隨著線性膠比例的降低，疏水締合聚合物分子濃度低于臨界締合濃度，長鏈結構的降阻劑分子占主導地位，充分發揮吸收徑向流能量轉化為軸向流能量的作用，流體能量損失減小[14]，表現為降阻率性能的大幅提升。由此可見，加入一定比例滑溜水能夠有效降低線性膠的摩阻，有利于降低施工壓力。

2. 流變性能

流變性能是評價壓裂液的重要指標之一，用流變儀分別對②、④、⑤、⑧號壓裂液進行剪切，研究四組壓裂液在不同剪切速率下的黏度，實驗結果如圖2所示。

圖2 不同比例的復合壓裂液剪切性能

由圖2可知，在低速剪切下(<400 s-1)，具有較高的黏度，有利于支撐劑輸送到更遠的裂縫。在高速剪切下(>400 s-1)，黏度趨于平穩，這說明復合壓裂液具有良好的耐剪切性能。高速剪切后的穩定黏度隨線性膠的比例增大而增加，說明線性膠能提高滑溜水的耐剪切性能，使壓裂液在高速剪切下保持較高黏度。

3. 靜態攜砂實驗

將頁巖氣常用支撐劑(100目粉砂和40/70陶粒)分別與②、④、⑤、⑧號復合壓裂液、滑溜水、線性膠配制不同濃度的混砂液，研究幾種壓裂液的攜砂性能。

表2 不同比例的復合壓裂液對粉砂和陶粒的攜砂性能

由表2 可知，滑溜水對100目粉砂和40/70陶粒的沉降時間最短，均小于30 s，線性膠對兩種支撐劑的沉降時間最長，復合壓裂液對兩種支撐劑的沉降時間介于滑溜水和線性膠之間。隨著復合壓裂液的黏度增大，支撐劑的沉降時間明顯延長，說明黏度增大有利于降低支撐劑的沉降時間，提高壓裂液的攜砂性能。因此，線性膠對于提高滑溜水攜砂性能起到積極作用。

4. 靜態濾失性能

靜態濾失實驗是測定不含支撐劑的壓裂液在一定溫度和壓力下通過濾紙的濾失性，以評價壓裂液在地層溫度和壓力下的濾失情況，以此判斷能否滿足壓裂施工要求。參考SY/T 5107-2005《水基壓裂液性能評價方法》[15]中的操作方法分別評價②、④、⑤、⑧號復合壓裂液、滑溜水、線性膠靜態濾失性能，結果如表3所示。

表3 不同比例的復合壓裂液靜態濾失性能

由表3 可知，復合壓裂液的初始濾失量、濾失系數、濾失速率均小于滑溜水，說明其靜態濾失性能優于滑溜水。隨著線性膠比例的不斷增大，復合壓裂液的靜態濾失參數不斷減小，因此，可以通過增加線性膠比例來降低復合壓裂液的濾失量，降低施工風險。

5. 破膠性能

復合壓裂液采用常用的過硫酸鹽破膠劑體系，通過優化破膠劑加量，破膠時間30～720 min可調，現場可根據地層溫度、施工時長等工藝參數調整，同時降低施工風險。破膠液清澈透明，殘渣量較少，黏度低于2 mPa·s，破膠液性能如表4所示。

表4 復合壓裂液破膠性能

由表4可知，復合壓裂液破膠后的黏度較低(<1.5 mPa·s)，破膠徹底；破膠液表面張力小于28 mN/m，界面張力小于2 mN/m，平均殘渣含量為20 mg/L，破膠性能均滿足行業標準要求。殘渣含量介于滑溜水和線性膠之間，隨著線性膠比例的增大，殘渣含量明顯增大，因此，可以通過優化線性膠的比例來降低壓裂液對儲層的傷害。

通過對復合壓裂液的降阻性能、流變性能、攜砂性能、靜態濾失性能和破膠性能等方面的評價發現：滑溜水和線性膠在適當的比例下具有一定的協同增效作用，通過配方優化可以獲得表觀黏度較高、降阻性能好、攜砂能力強、濾失量小、殘渣較低的復合壓裂液。該壓裂液保留了滑溜水和線性膠的雙重優點，彌補了兩者的不足，同時可以調整配方強化某些性能以滿足各種施工需求和應對復雜情況。

三、現場應用情況

復合壓裂液在威遠頁巖氣區塊現場應用10多井次，施工排量12～14 m3/min，施工壓力60～77 MPa，平均降阻率在72.5%，液體摩阻較低，最高砂濃度180 kg/m3，平均加砂強度1.7 t/m，攜砂能力強，加砂強度高于常規滑溜水，施工成功率100%，壓后穩產能力較好，取得了良好的應用效果。

例如在W-204H50平臺XX井同一施工段和相鄰施工段分別采用常規滑溜水和復合壓裂液施工，對比兩種液體的施工情況，施工參數如表5所示。

表5 復合壓裂液與常規滑溜水施工參數對比

由表5可知，復合壓裂液的降阻率與滑溜水接近，表明其具有類似于滑溜水的優良降阻性能；復合壓裂液的用液強度低于常規滑溜水，加砂強度高于滑溜水，說明其具有比滑溜水更好的攜砂能力和鋪砂效果，在一定程度下減小用液量，緩解環保壓力，同時降低施工成本。

現場應用可知,將滑溜水和線性膠有機結合產生了良好的協同效果，獲得的復合壓裂液很好地解決了“低黏—大改造體積”與“高黏—高攜砂能力”之間的矛盾，保證大改造體積和高填充率，大幅提高改造效果。另外，該壓裂液配制簡單，操作方便，成本較低，是一種性價比很高的頁巖氣用壓裂液。

四、結論

(1)采用線性膠與滑溜水復配獲得復合增效壓裂液，黏度在2～22 mPa·s，降阻率在63%～73%，該壓裂液同時具有較高黏度和低摩阻的雙重優點，同時保障了 “大改造體積”和“高填充率”的需求，大幅提高改造效果。該壓裂液能滿足脆性和塑性等復雜頁巖儲層的施工需求，適用范圍較廣。

(2)對復合壓裂液進行了降阻性能、流變性能、攜砂性能、靜態濾失性能等方面的實驗評價，發現該壓裂液黏度較高、降阻性能好、攜砂能力強、濾失量小、殘渣較低，兼顧了滑溜水和線性膠的優點又彌補了兩者的不足，同時可以調整配方強化某些性能以滿足各種施工需求和應對復雜情況。

(3)復合壓裂液在W-204H50等平臺成功應用10多井次，應用試驗發現該壓裂液具有較低的摩阻，較好的攜砂能力，同井鄰段對比表明在用液強度略低的情況下，其加砂強度明顯高于常規滑溜水。

(4)復合壓裂液現場應用方便，操作簡單，有利于節約清水資源，減小環境污染，綜合成本較低，是一種性價比很高的頁巖氣用壓裂液。