可快速回用的防凍壓裂液體系研究及應用

樊慶緣， 許 飛， 張家志， 谷向東

(1中國石油集團川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院 2低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室 3中石油長慶油田分公司第一采氣廠 4中石油長慶油田分公司第四采氣廠)

0 引言

隨著蘇里格氣田的二次加快開發，水平井數量及壓裂規模均明顯擴大，由此產生的大量壓裂返排液給環境保護、節能降耗、清潔化生產等方面都帶來巨大壓力，如何環保、高效、低成本地進行減量化處理成為亟待解決的難題。目前壓裂返排液的主要處理方式為拉運集中處理和現場重復利用[1- 3]，但現有壓裂液體系普遍存在對配液水質要求高、現場回用處理速度慢且成本高等問題，整體回收利用率較低，導致大量返排液因得不到及時回收處理而影響施工進度；特別是在冬季施工過程中，液體性能變差，此類問題更加突出。因此，為了降低返排液處理成本、提高處理速度和整體回用率，室內通過開展可回收聚合物壓裂液體系[4- 7]的耐鹽性能和抗凍性能優化研究，形成了可快速回用的防凍壓裂液體系，以滿足氣田清潔化生產和越冬作業的雙重要求。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

冰點試驗器，上海昌吉地質儀器有限公司；混調器，成都千德勒科技有限公司；六速旋轉粘度計，青島海通達專用儀器有限公司；RS6000模塊化旋轉流變儀，德國HAKKE公司；高溫高壓巖心流動試驗儀，美國TEMCO公司。

速溶稠化劑PAMC(超支鏈聚丙烯酰胺，相對分子量600×104～900×104、交聯劑YJA(有效含量≥45%)、黏土穩定劑YWJ(小分子陽離子聚合物≥20%)，助排劑YZ(氟碳表面活性劑≥2%)、工業品，西安川秦石油科技有限公司；過硫酸銨APS，工業品，陜西寶化科技有限責任公司。

1.2 實驗方法

(1)基液制備。取500 mL清水加入混調器，轉速為1 200 r/min，緩慢添加0.42%速溶稠化劑PAMC，加完后再添加0.5%助排劑YZ和0.5%黏土穩定劑YWJ，攪拌5 min后可得該壓裂液基液。

(2)溶脹速率測定。按上述方法配制基液，按比例緩慢加入速溶稠化劑，加完后開始計時，每2 min用六速粘度計測定一次溶液黏度。當溶液黏度不再發生變化時即為速溶稠化劑充分溶脹后的溶液黏度。

(3)液體添加劑的冰點測試。量取一定量試樣加入雙壁冷卻管，將雙壁冷卻管浸入冷槽，攪拌速度60～80次/min，在試樣降溫過程中記錄溫度計讀數并觀察試樣狀態，在試樣達到預定冰點時每15 s記錄一次溫度，以防止出現過冷現象。

(4)壓裂液制備。將液體交聯劑按0.3%比例加入所制備的基液，用玻璃棒快速攪拌均勻，形成可挑掛凍膠后記錄交聯時間。按照石油天然氣行業標準SY/T 5107—2005《水基壓裂液性能評價方法》對所配制壓裂液進行性能評價。

(5)耐鹽性能測試。按照標準鹽水NaCl∶KCl∶CaCl2∶MgCl2=2∶5∶0.55∶0.45的比例制備濃度為5 000～70 000 mg/L不同礦化度的水溶液，作為基液的配液水。用RS6000旋轉流變儀測試其配制壓裂液的耐溫耐剪切性能。

2 結果與討論

2.1 體系性能優化研究

2.1.1 液體添加劑的低溫影響分析

蘇里格地區冬季野外環境溫度通常為-10 ℃左右，最低達到-20 ℃以下，這對于壓裂液體系中的液體添加劑會造成不利影響，隨著低溫環境下長時間的靜置，每種液體添加劑的外觀和狀態都會產生不同程度的變化。因此，室內開展了體系配方中液體添加劑在低溫條件下的防凍性能優化。

(1)低溫下液體添加劑外觀變化。室內對可回收聚合物壓裂液3種液體添加劑靜置于-10 ℃的低溫下進行觀察，隨著靜置時間的增加，除黏土穩定劑以外的2種添加劑均出現不同程度的絮凝、結晶現象，見表1。

表1 液體添加劑在低溫下的外觀變化

(2)液體添加劑冰點測試分析。室內采用冰點測試儀分別對3種液體添加劑進行了冰點測試，其中交聯劑YJL冰點為-2 ℃，助排劑YZ- 1冰點為-4 ℃，黏土穩定劑YWJ冰點為-11 ℃。根據實驗結果，黏土穩定劑主要成分為無機鹽和有機鹽類，冰點在-10 ℃以下，本身具有良好的防凍性能；但交聯劑和助排劑由于冰點較高，在低溫環境下很容易出現絮凝、結晶現象，導致有效成分降低，影響壓裂液性能。

2.1.2 液體添加劑防凍性能優化

(1)防凍交聯劑。由于防凍劑的加入可降低水溶液的冰點并減緩結冰速度[8- 9]，室內通過篩選防凍劑的類型和加量，在保證壓裂液性能不變的前提下，將交聯劑水溶液的冰點降至-10 ℃左右。

室內選取3種不同類型防凍劑，按照不同比例加入交聯劑溶液中，并測試相應的冰點溫度，結果如圖1所示。

圖1 不同類型防凍劑加入比例對交聯劑冰點的影響

根據實驗結果，FWJ- 1、FWJ- 2、FWJ- 3的加入比例分別達到12%、10%、16%都可以將交聯劑冰點降至-10 ℃。通過流變測試，在105 ℃、170 s-1條件下，連續剪切60 min后，最終黏度保持值分別為149.3 mPa·s、106.4 mPa·s、142.6 mPa·s。因此，為保證壓裂液攜砂性能好，同時以低成本的原則，優選確定了加量較少流變測試黏度值最高的12%FWJ- 1作為交聯劑的防凍添加劑。

(2)防凍助排劑。根據交聯劑的防凍性能優化結果，將FWJ- 1按不同比例加入助排劑中，并對其冰點進行測試(圖2)。

圖2 FWJ- 1加入比例對助排劑冰點的影響

根據實驗結果，FWJ- 1加入比例為8%時，助排劑冰點可降至-10 ℃，滿足現場冬季施工要求。

2.1.3 高價陽離子屏蔽劑的添加

通常壓裂返排液具有較高的礦化度，特別是隨著返排液重復利用次數的增加，返排液的礦化度和硬度會隨之增大[10- 11]。由于高價陽離子對壓裂液性能會造成嚴重影響，因此室內通過添加一種高價陽離子屏蔽劑，利用其能與Ca2+、Mg2+、Fe2+等金屬陽離子結合為螯合物的作用，降低返排液中高價陽離子對壓裂液交聯性能的影響，從而提高可回收壓裂液對高硬度和高礦化度水質的適應性，使返排液經過簡單快速的過濾處理，即可達到回用要求。

室內采用CaCl2、MgCl2配制了鈣、鎂離子物質的量比為1∶1的500～3 000 mg/L的水溶液，并添加適量的NaCl、KCl，保持總的礦化度為40 000 mg/L。以此作為溶劑配制壓裂液，測試其流變性能，并與添加0.6%屏蔽劑的測試結果進行比較，如圖3所示。

圖3 添加屏蔽劑前后壓裂液黏度隨鈣鎂離子濃度變化

實驗結果表明，用不同硬度的配液水配制壓裂液通過流變測試后，最終黏度均低于80 mPa·s，但高價陽離子屏蔽劑的加入使壓裂液流變測試的最終黏度達到100 mPa·s以上，說明壓裂液性能得到明顯改善。

2.2 體系性能評價

2.2.1 速溶稠化劑低溫溶脹性能評價

由于蘇里格地區冬季氣溫低，在壓裂作業過程中，現場儲液罐中配液水溫度一般可降至2℃左右，從而影響一般稠化劑的正常溶脹性能，這就要求稠化劑具有良好的低溫溶脹性能，才能夠滿足連續混配的施工要求。

室內采用2 ℃冷水配制可回收壓裂液基液，評價速溶稠化劑在低溫環境下的溶脹性能，結果如圖4所示。

圖4 速溶稠化劑在2 ℃水中的溶脹性能

根據實驗結果，用2 ℃冷水配制，壓裂液的溶脹時間和增黏性能與常溫下配制無明顯變化，均在3 min內完全溶脹，說明該體系的固體稠化劑在低溫水中的溶脹性能良好，滿足冬季低溫環境下連續混配施工的要求。

2.2.2 耐溫耐剪切性能

采用RS6000流變儀評價優化改進后的壓裂液體系的耐溫耐剪切性能，結果如圖5所示。

圖5 2℃冷水配制的壓裂液耐溫耐剪切性能

室內用2℃自來水配制的壓裂液在105 ℃、170 s-1條件下，連續剪切60 min，最終黏度保持在160 mPa·s左右，顯示出良好的耐溫耐剪切性能，滿足行業標準要求。

2.2.3 耐鹽性能

為了評價壓裂液體系，可利用現場未經深度處理的高礦化度特別是高硬度返排液進行配液，室內對體系的耐鹽性能進行了測試，結果如圖6所示。

圖6 壓裂液耐鹽性能測試

實驗結果可知，礦化度在45 000 mg/L以下時，該壓裂液體系黏度基本不隨礦化度的升高而變化，說明該體系的耐鹽達到45 000 mg/L，滿足現場快速處理回用的技術要求。

2.2.4 破膠性能

向壓裂液中添加不同濃度的破膠劑，在95 ℃下評價了體系的破膠性能，結果如表2所示。

表2 壓裂液破膠性能

結果表明，當破膠劑濃度為0.006%時，在溫度為95 ℃的水浴中靜置2 h，壓裂液的黏度即可降至5 mPa·s以下，說明壓裂液破膠性能良好，破膠徹底。

2.2.5 巖心傷害評價

室內在95℃條件下評價了壓裂液體系破膠液對巖心滲透率的損害性能，結果如表3所示。

表3 破膠液對巖心滲透率的傷害性能

根據蘇里格氣田上古儲層巖心的評價結果可知，該體系破膠液對巖心基質滲透率的平均損害率為12.22%，低于行業標準要求的30%，屬于低傷害壓裂液。

3 現場應用

3.1 壓裂返排液快速回用流程

該體系采用連續混配的施工模式，返排液經過現場簡單沉降處理，即可作為配液水用于重復配制壓裂液使用。現場施工流程如圖7所示。

圖7 返排液井組內快速處理回用流程

該體系實現了返排液快速處理和重復利用，大大降低了返排液的處理量，同時節省了施工用水量，對于在冬季低溫環境下開展大型叢式井組壓裂施工，具有提速、降廢的技術優勢。

3.2 應用實例

2019年11月6日～12月3日，該體系在蘇里格某區塊8叢式定向井組開展了現場應用，施工期間平均氣溫低于-10 ℃，壓裂液攜砂性能和重復利用性能良好。在1個月內順利完成8口井壓裂施工，累計入地液量7 624 m3，返排液量回收3 070 m3，實際回用量2 240 m3，整體回用率達到73.0%，達到了返排液重復利用的預期試驗效果。

施工井組平均單井加砂量91 m3，施工排量2.6～3.0 m3/min，平均砂比20.2%，施工壓力平穩，施工成功率100%，壓后平均無阻流量達到18.4×104m3/d，取得了理想的增產改造效果，見表4。

表4 RP120可回收壓裂液現場應用效果統計表

4 結論

(1)為了解決返排液中高硬度對可回收壓裂液的性能影響，通過添加高價陽離子屏蔽劑，提高了體系的耐鹽性能和重復利用穩定性，使現場返排液僅需要簡單快速的過濾處理即可滿足回用要求。

(2)通過開展冰點測試分析，對易受低溫影響的液體添加劑加入防凍劑，將冰點降至-10 ℃以下，抑制低溫下出現的絮凝、結晶等導致的有效含量降低，提高了壓裂液在低溫下的穩定性。

(3)室內研發形成了可快速回用的防凍壓裂液體系，各項性能良好，在105 ℃、170 s-1下剪切60 min后的黏度高于160 mPa·s，耐鹽達到45 000 mg/L以上，巖心基質損害率為12.22%，均滿足行業標準要求，并建立了返排液快速處理回用的施工流程。

(4)在蘇東南區開展了8口井叢式井組現場應用，施工成功率100%，返排液整體回用率達到了73.0%，平均無阻流量達到18.4×104m3/d，取得了顯著的重復利用和增產改造效果。