頁巖儲層新型清潔滑溜水壓裂液體系

張 揚，趙永剛，閆永強，王海兵，楊曉影，王 強

(1中國石油長慶油田分公司第六采油廠 2中國石油冀東油田瑞豐化工公司 3青海油田分公司井下作業公司試油測試大隊 4中國石油集團渤海鉆探井下作業分公司工程地質研究所 5中國石油集團渤海鉆探工程有限公司定向井技術服務分公司)

頁巖氣儲層通常具有特低孔、低滲、喉道半徑小以及自然產能極低的特點，因此，在頁巖氣藏勘探開發過程中往往需要采用水力壓裂等增產措施來提高頁巖氣井的產量[1-3]。常規砂巖儲層壓裂施工的目的主要是在井筒附近形成一定的長裂縫，而頁巖儲層壓裂時需要壓裂液進入到地層天然裂縫中，在形成一定數量主要裂縫的基礎上，通過自身的濾失作用來連通更多的天然裂縫，從而形成大量的高度溝通的裂縫網絡，達到改善儲層滲流面積的作用。所以，頁巖儲層壓裂改造需要采用大液量、大排量的體積壓裂改造方式，而滑溜水壓裂液體系成為首選[4-7]。

常規滑溜水壓裂液體系具有低摩阻、低黏度以及低傷害等優點，近年來，已經在國內外各大油田得到了廣泛的應用[8-13]。而隨著頁巖氣資源的不斷開發，對滑溜水壓裂液的性能提出了更多的要求，常規滑溜水壓裂液體系雖然能夠滿足頁巖儲層壓裂時大排量、大液量的施工要求，但由于其較低的攜砂能力，導致其施工時的加砂含量較低，為了達到施工設計要求的砂量，需要增加滑溜水壓裂液的用量，這就增加了壓裂施工的成本，并造成資源的浪費，而壓裂施工后大量的返排液也容易造成環境污染等問題[14-18]。因此，為解決滑溜水壓裂液體系的攜砂能力差的缺點，筆者以高效低分子減阻劑FJZ-2和新型聚合物乳液增黏劑FZN-1為核心處理劑，研究出一種具有良好攜砂能力的新型清潔滑溜水壓裂液體系。在室內對壓裂液體系的降阻性能、耐溫抗剪切性能、黏彈性能以及攜砂性能進行了評價，并在現場進行了成功應用，具有良好的推廣應用前景。

一、新型清潔滑溜水壓裂液體系研究思路及配方

1.研究思路

為了使滑溜水壓裂液體系保證良好的降摩阻性能，減阻劑的選擇至關重要，通過大量室內優選及合成評價實驗，研制出高效低分子減阻劑FJZ-2，其分子量小于50×104，具有良好的溶解性能和減阻效果，且無殘渣，能有效降低壓裂施工后對裂縫導流能力造成的二次損害。另外，為解決滑溜水壓裂液攜砂性能差的缺點，考慮在體系中加入一種新型聚合物乳液增黏劑FZN-1，通過改變其加量，可控制滑溜水壓裂液體系的黏度和黏彈性能，從而提高壓裂液體系的攜砂性能。最后，為防止頁巖儲層壓裂施工造成的水鎖和水敏損害，還需在滑溜水壓裂液體系中加入一定量的防水鎖表面活性劑和防膨劑。

2.新型清潔滑溜水壓裂液體系配方

通過大量室內優選及評價實驗，最終形成了一種適合頁巖儲層的新型清潔滑溜水壓裂液體系，其具體配方為：0.2%高效減阻劑FJZ-2+0.5%聚合物乳液增黏劑FZN-1+0.25%防水鎖表面活性劑FSSJ-8+1%KCl。

二、新型清潔滑溜水壓裂液體系綜合性能評價

1.降阻性能

室內使用多功能管路摩阻測試儀對新型清潔滑溜水壓裂液體系的降阻性能進行了評價，實驗儀器管徑為8 mm，實驗流量為10～50 L/min，實驗溫度為室溫和80℃，實驗結果見圖1。

圖1 不同流量下壓裂液體系降阻性能測試結果

由圖1可以看出，隨著實驗流量的不斷增加，壓裂液體系的降阻率逐漸升高，在室溫實驗條件下最大降阻率可以達到70%以上，而在80℃下最大降阻率也能達到65%以上。說明新型清潔滑溜水壓裂液體系具有良好的降阻性能，能夠滿足頁巖儲層壓裂施工對高排量以及低摩阻的要求。

2.耐溫抗剪切性能

滑溜水壓裂液體系在高溫高剪切速率條件的黏度對其攜砂性能具有非常重要的影響。因此，室內采用HAAKE RS-6000型旋轉流變儀測定了新型清潔滑溜水壓裂液體系的耐溫抗剪切性能，實驗溫度為80℃，剪切速率為170 s-1，剪切時間為90 min，實驗結果見圖2。

圖2 新型清潔滑溜水壓裂液體系耐溫抗剪切性能

由圖2可以看出，在80℃下高速剪切90 min后，新型清潔滑溜水壓裂液體系的黏度仍可以維持在20 mPa·s以上，說明新型清潔滑溜水壓裂液體系具有良好的耐溫抗剪切性能，可以有效提高頁巖儲層壓裂施工時滑溜水壓裂液的攜砂能力。

3.黏彈性能

黏彈性流體在外力的作用下會同時表現出黏性和彈性兩種力學性質，壓裂液體系的攜砂能力大小不僅與流體的黏度有關，還與流體的彈性結構密切相關。根據以往研究結果[19-20]，通常使用儲能模量G′來表征流體的彈性大小，而用耗能模量G″來表征流體的黏性大小。因此，室內使用HAAKE Mars 60旋轉流變儀對新型清潔滑溜水壓裂液體系的黏彈性能進行了評價，并與常規滑溜水壓裂液進行了對比。實驗溫度為25℃，應力掃描實驗時設定頻率為1.0 Hz，應力變化范圍在0.1～10 Pa；頻率掃描實驗時設定應力為0.5 Pa，頻率變化范圍在0.1～10 Hz。實驗結果見圖3和圖4。其中X-1代表新型清潔滑溜水壓裂液，Y-1代表常規滑溜水壓裂液。

圖3 壓裂液體系應力掃描曲線圖

圖4 壓裂液體系頻率掃描曲線圖

由圖3可以看出，隨著實驗應力的不斷增大，X-1的儲能模量G′和耗能模量G″一直比較穩定，即線性黏彈性區的應力范圍在0.1～10 Pa之間，且G′一直大于G″；而Y-1在實驗應力大于0.5 Pa后，其儲能模量G′和耗能模量G″均出現較大波動，即線性黏彈區的應力范圍在0.1～0.5 Pa之間，且隨著應力的不斷增大，G′降低的幅度大于G″。

由圖4可以看出，在實驗頻率范圍內，X-1的儲能模量G′一直大于耗能模量G″，根據Hoffmann等人提出的溶液黏彈性能判定方法認為[21]，新型清潔滑溜水壓裂液體系屬于黏彈性流體；而Y-1在頻率為0.1～3 rad/s范圍內，其耗能模量G″要大于儲能模量G′，當頻率超過3 rad/s后，測得的模量數據開始出現波動，實驗數據不可取，因此，常規滑溜水壓裂液體系不屬于黏彈性流體。分析認為，新型清潔滑溜水壓裂液體系形成了穩定的網絡結構，在外力作用下能夠產生一定的彈性形變，具有一定的黏彈性能，從而有利于提高壓裂液體系的攜砂能力。

4.攜砂性能

4.1 支撐劑沉降速度測定

依據石油天然氣行業標準SY/T 5185-2016《礫石充填防砂水基攜砂液性能評價方法》中的攜砂能力測定方法，室內測定了支撐劑在壓裂液體系中的沉降速度，并與常規滑溜水壓裂液體系進行了比較。實驗用支撐劑為粒徑在0.425～0.500 mm之間的陶粒，實驗溫度為25℃～80℃，實驗結果見圖5。

圖5 不同溫度下支撐劑沉降速度測試結果

由圖5可以看出，隨著溫度的不斷升高，支撐劑陶粒在常規滑溜水壓裂液體系中的沉降速率不斷增大，而在新型清潔滑溜水壓裂液體系中的沉降速率變化幅度則較小，當溫度為80℃時，支撐劑在X-1中的沉降速率為0.516 mm/s，而在Y-1中的沉降速率則達到了4.208 mm/s。說明新型清潔滑溜水壓裂液的攜砂性能遠遠優于常規滑溜水壓裂液。這是由于新型清潔滑溜水壓裂液具有一定的黏彈性能，屬于黏彈性流體，其形成的穩定網狀結構對支撐劑的沉降起到了一定的阻止作用，從而使其懸浮時間延長，沉降速率較小。

4.2 靜態懸砂能力測定

頁巖儲層壓裂施工過程中，支撐劑要按一定比例加入到壓裂液中，參照支撐劑沉降速度測定標準中的實驗方法，測定了不同砂比條件下支撐劑陶粒全部沉降時所需的時間，并與常規滑溜水壓裂液進行了對比。實驗溫度為25℃，實驗用支撐劑為粒徑在0.425～0.500 mm之間的陶粒，砂比分別為5%、10%、20%、30%和50%，結果見表1。

表1 壓裂液體系靜態懸砂能力測試結果

由表1可以看出，隨著砂比的不斷增大，支撐劑全部沉降所需的時間逐漸延長，并且支撐劑在新型清潔滑溜水壓裂液體系中的沉降時間遠遠大于常規滑溜水壓裂液體系，說明新型清潔滑溜水壓裂液的靜態懸砂能力明顯優于常規滑溜水壓裂液。這主要是由于隨著砂比的增大，支撐劑之間的相互干擾作用逐漸增強，支撐劑的沉降速度會有所下降，所以砂比越大，沉降時間越長；而又由于新型清潔滑溜水壓裂液的黏彈性能明顯優于常規滑溜水壓裂液，所以其攜砂能力也明顯增強。

5.其他性能

室內參照國家能源行業標準NB/T 14003.1-2015《頁巖氣壓裂液第1部分：滑溜水性能指標及評價方法》和石油天然氣行業標準SY/T 6376-2008《壓裂液通用技術條件》對新型清潔滑溜水壓裂液體系的pH值、配伍性、表面張力、殘渣含量、防膨率以及排出率等指標進行了評價，結果見表2。

表2 新型清潔滑溜水壓裂液體系其他性能指標

由表2看出，新型清潔滑溜水壓裂液體系的各項性能指標評價結果均在標準要求的技術指標范圍內，說明該壓裂液體系性能優良，能夠滿足頁巖儲層壓裂施工中對滑溜水壓裂液體系的性能要求。

三、礦場應用效果

新型清潔滑溜水壓裂液體系在四川盆地某頁巖氣區塊進行了2井次的礦場試驗，以S-1井為例，該井壓裂施工層段為2 670～3 782 m，總長度為1 112 m。該井平均孔隙度為4.8%，平均滲透率為0.39 mD，地層溫度在80℃左右。現場施工的分段工具為大通徑的橋塞，壓裂液體系為新型清潔滑溜水壓裂液，支撐劑為不同目數的陶粒組合，設計施工排量12.0～15.5 m3/min。該井壓裂施工階段共計注入壓裂液8 562 m3，加砂量為487 t，最高砂比達到25.1%，最高施工壓力為71.8 MPa，平均施工排量為13.8 m3/min，降阻率在61.9%～73.6%。整個壓裂施工過程順利，各項施工參數基本能夠滿足設計要求。排液階段檢測返排液的黏度在1.35～2.18 mPa.s，返排率可以達到50%以上。測試投產效果較好，取得了良好的壓裂施工效果。

四、結論

(1)為解決常規滑溜水壓裂液體系攜砂能力差的問題，以高效低分子減阻劑FJZ-2和新型聚合物乳液增黏劑FZN-1為核心處理劑，研究出一種具有良好攜砂能力的新型清潔滑溜水壓裂液體系。

(2)該壓裂液體系在高溫高剪切速率條件下仍能保持一定的黏度，且在一定的應力和頻率掃描范圍內能形成穩定的網絡結構，具有良好的黏彈性能，從而有利于提高其攜砂能力。

(3)攜砂性能評價結果表明，支撐劑在新型清潔滑溜水壓裂液中的沉降速度遠遠低于常規滑溜水壓裂液，而在不同砂比條件下的支撐劑沉降時間遠遠大于常規滑溜水壓裂液，說明該壓裂液體系具有良好的攜砂能力。

(4)該壓裂液體系還具有良好的降阻效果。另外，該壓裂液體系的pH值、配伍性、表面張力、殘渣含量、防膨率以及排出率等指標均能滿足滑溜水壓裂液體系的技術指標要求。

(5)礦場應用效果表明，S-1井壓裂施工過程順利，各項性能參數均達到施工設計要求，能滿足頁巖儲層壓裂時大排量、大液量以及低摩阻的要求。