新型低傷害無返排胍膠壓裂液在致密油儲層中的應用

王 濤, 李成政, 肖旭峰, 王尚衛, 于海洋

(1.中國石油大學(北京) 油氣資源與探測重點實驗室, 北京 102249; 2.中海油田服務股份有限公司 油田生產研究院, 天津 300451; 3.中國石油長慶油田分公司 油田開發事業部, 陜西 西安 710018; 4.中國石油長慶油田分公司 油氣工藝研究院, 陜西 西安 710021; 5.低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室, 陜西 西安 710021)

0 引言

隨著全球非常規油氣資源勘探及開發進程的加快,國內外眾多石油公司開始對非常規油氣資源展開越來越多的研究,致密油作為一種新的非常規能源,近年來受到越來越多的關注[1-4].我國的致密油資源儲量巨大,具有較大的勘探開發潛力,然而與一般的低滲和超低滲儲層相比,致密油儲層具有更低的孔隙度和滲透率,流體在孔隙中的滲流阻力更大.因此,采用壓裂的方式對儲層進行改造是致密油藏增產開發最常用的措施.

目前,針對致密油藏大規模的體積壓裂技術得到了比較廣泛的研究及應用,并取得了較多的研究成果[5-9].致密油藏在體積壓裂施工過程中通常會使用到大量的壓裂液,其中胍膠壓裂液體系最為常見,此類壓裂液破膠后往往需要進行返排作業,但仍然不可避免的會在儲層中滯留一定量的破膠液,這不僅會對致密油儲層造成嚴重的污染損害,還浪費了部分壓裂液,并且大量的返排液需要對其進行二次處理,增大了施工成本[10-13].由于壓裂后的破膠液通常會含有一定量的表面活性劑,而致密油儲層又具備良好的滲吸驅油條件,破膠液可以作為滲吸驅油劑來提高致密油儲層的采收率,對此,國內外眾多學者開展了壓裂液破膠液滲吸驅油方面的研究,認為滯留在地層中的壓裂液破膠液能夠通過滲吸作用來提高原油采收率[14-20],壓裂施工后滯留在地層中的破膠液可不必進行返排.因此,在保證壓裂液破膠液對致密油儲層不會造成嚴重傷害的前提下,最大程度的發揮破膠液的滲吸驅油效果,即可在壓裂施工后不必對破膠液進行返排.

本文以多元改性胍膠HPG-GX和陰離子表面活性劑YSN-1為主要處理劑,研制了一套適合致密油儲層的新型低傷害無返排胍膠壓裂液體系,對其耐溫抗剪切性能和靜態濾失性能進行了評價,并采用復合破膠劑FP-3對壓裂液進行破膠,測定了破膠液的黏度、界面張力、殘渣含量、對天然巖心基質滲透率的傷害情況以及滲吸驅油效果.新型低傷害無返排胍膠壓裂液體系在致密油儲層現場壓裂施工過程中取得了較好的應用效果,為提高致密油儲層的壓裂開發效率提供一定的技術支持和參考.

1 實驗部分

1.1 主要實驗材料及儀器

(1)實驗材料:多元改性胍膠HPG-GX、陰離子表面活性劑YSN-1(有效質量濃度為90%,主要成分為烷基苯磺酸鹽LAS、脂肪醇聚醚硫酸鹽AES和N-油酰氨基羧酸鹽L-613組成,均為市售產品)、復合破膠劑FP-3(主要成分為過硫酸銨、亞硫酸鈉和生物酶降解劑等),自制;有機鈦交聯劑JT-2,廣州萬駿化工新材料有限公司;胍膠粉,合肥新新石化助劑有限公司;羧甲基化試劑、羥丙基化試劑,分析純,上海麥克林生化科技股份有限公司;氫氧化鈉、無水乙醇、冰乙酸、過硫酸銨、亞硫酸鈉,分析純,上海國藥化學試劑有限公司;有機分散介質、生物酶降解劑(有效質量濃度75%),湖北新化試劑有限公司;黏土穩定劑NTW-1、殺菌劑SJ-3、pH值調節劑,市售產品,湖北天目化工有限公司;模擬地層水(礦化度為21 500 mg/L),使用蒸餾水和無機鹽配制而成;儲層脫水脫氣原油(室溫下黏度為4.38 mPa·s,密度為0.842 g/cm3);天然巖心,取自目標區塊儲層段.

(2)實驗儀器:哈克RS6000型流變儀,德國哈克公司;高溫高壓濾失儀,青島恒泰達機電設備有限公司;JWY200A型全自動界面張力儀,承德優特檢測儀器制造有限公司;高溫高壓多功能巖心驅替實驗裝置,海安石油科研儀器有限公司;高溫高壓滲吸實驗裝置(主要包括手搖泵、控溫系統、加壓滲吸倉、壓力表以及分析天平等),項目組自制;iS5N型傅里葉紅外光譜儀,美國賽默飛公司;Bruker AV500M超導核磁共振波譜儀,德國布魯克公司.

1.2 新型低傷害無返排胍膠壓裂液配方

新型低傷害無返排胍膠壓裂液體系的研制思路為:(1)為了降低胍膠的使用量,減少破膠液的殘渣含量,采用增黏效果更好的多元改性胍膠HPG-GX作為增稠劑,其使用量與常規羥丙基胍膠相比可以減少三分之一左右;(2)為了提高破膠液的界面活性,壓裂液體系中還加入了一定量的陰離子表面活性劑YSN-1,能夠有效提高破膠液的滲吸驅油效果;(3)另外,為了進一步降低破膠液對地層的傷害程度,采用復合破膠劑FP-3對壓裂液體系進行破膠,復合破膠劑FP-3具有高效破膠以及一定程度上降解殘渣的效果,能夠進一步的降低破膠液中的殘渣含量.壓裂液基液、交聯劑和破膠劑的具體配方如下:

基液:清水+0.2%多元改性胍膠HPG-GX+0.5%黏土穩定劑NTW-1+0.15%殺菌劑SJ-3+pH值調節劑+0.5%陰離子表面活性劑YSN-1.

交聯劑:0.3%有機鈦交聯劑JT-2.

破膠劑:0.15%復合破膠劑FP-3.

1.3 多元改性胍膠HPG-GX的制備

1.3.1 HPG-GX合成反應方程式

多元改性胍膠HPG-GX的合成是通過堿化階段和醚化階段來實現的,其中GG表示胍膠的簡稱.

堿化階段的反應方程式如下:

(1)

醚化階段的反應方程式如下:

(2)

(3)

1.3.2 HPG-GX制備流程

HPG-GX制備流程如下所示:

(1)在蒸餾水中加入一定質量的胍膠粉,攪拌至充分溶解后,靜置一段時間,備用;(2)將無水乙醇使用蒸餾水稀釋成90%的乙醇水溶液,然后將上述制備的胍膠溶液加入乙醇溶液中,攪拌直至形成白色絮狀物,分離后再繼續使用90%乙醇水溶液洗滌3次提純,將其烘干后粉碎,備用;(3)將上述提純后的胍膠粉放置于三口燒瓶中,然后加入一定量的有機分散介質,攪拌至完全溶解,通入氮氣除氧,再加入一定量質量濃度為40%的氫氧化鈉溶液,反應20 min;(4)繼續緩慢滴加兩種改性劑(羧甲基化試劑和羥丙基化試劑),升高溫度至50 ℃,繼續反應60 min,然后加入冰乙酸將pH值調節至中性;(5)最后使用無水乙醇對所得產物進行充分洗滌,過濾后烘干粉碎,即得最終產物多元改性胍膠HPG-GX.

1.3.3 HPG-GX性能提升原理分析

制備的多元改性胍膠HPG-GX分子內部的羥基更多的分布在分子鏈的外側,并且引入的羧甲基和羥丙基基團具有更好的水溶性,大大增加了HPG-GX的溶解能力,在較低的用量下就能大幅提高溶液的黏度值,并且在溶液破膠后能夠有效降低殘渣等水不溶物的含量[21].另外由于羧甲基和羥丙基的耐溫性能較好,這也使得多元改性胍膠HPG-GX能夠適應更加高溫的地層環境,擴大其應用范圍.

1.4 實驗方法

1.4.1 多元改性胍膠HPG-GX結構表征

紅外光譜:室內采用美國賽默飛公司的iS5N型傅里葉紅外光譜儀測定了制備的新型多元改性胍膠HPG-GX和改性前胍膠粉的紅外光譜圖,實驗方法均為壓片法,掃描波數為4 000～500 cm-1.

核磁1HNMR譜:室內采用Bruker AV500M超導核磁共振波譜儀對制備的新型多元改性胍膠HPG-GX和改性前胍膠粉的1HNMR譜圖進行了測定,實驗溶劑為D2O.

1.4.2 耐溫抗剪切性能

將配制好的壓裂液裝入到哈克RS6000流變儀中,逐漸升高溫度至90 ℃,調節剪切速率為170 S-1,在此實驗條件下剪切100 min,測定壓裂液體系黏度隨剪切時間的變化情況.

1.4.3 濾失性能

參照石油與天然氣行業標準SY/T 5107-2016《水基壓裂液性能評價方法》中“靜態濾失性”的評價部分,采用高溫高壓濾失儀評價了新型低傷害無返排胍膠壓裂液在不同溫度下的濾失性能.

1.4.4 破膠性能

參照石油與天然氣行業標準SY/T 5107-2016《水基壓裂液性能評價方法》中“破膠性能”的評價部分,在新型低傷害無返排胍膠壓裂液體系中加入不同質量濃度的復合破膠劑FP-3,在不同溫度條件下進行破膠實驗,并分別測定最終破膠液的黏度、表面張力以及殘渣含量.

1.4.5 破膠液對地層的傷害性能

參照石油與天然氣行業標準SY/T 5107-2016《水基壓裂液性能評價方法》中“巖心基質滲透率損害率”的評價部分,采用高溫高壓多功能巖心驅替實驗裝置評價了新型低傷害無返排胍膠壓裂液的破膠液對儲層天然巖心基質滲透率的傷害情況,測試溫度為90 ℃.

1.4.6 破膠液滲吸驅油效果

將新型低傷害無返排胍膠壓裂液的破膠液進行過濾,收集其濾液作為滲吸液,使用高溫高壓滲吸實驗裝置評價破膠液的滲吸驅油效果.具體實驗步驟為:(1)將儲層天然巖心洗油、烘干處理后,飽和模擬地層水,備用;(2)使用高壓驅替的方式,在流速為0.05 mL/min的條件下將天然巖心飽和儲層原油;(3)將巖心裝入高溫高壓滲吸實驗裝置中,倒入破膠液作為滲吸液,加圍壓至10 MPa,并升高溫度至90 ℃,然后開始滲吸驅油實驗;(4)記錄不同時間后巖心的滲吸出油量,并計算滲吸采收率.

2 結果與討論

2.1 多元改性胍膠HPG-GX的結構表征

2.1.1 紅外光譜

圖1為胍膠和多元改性胍膠的紅外光譜測定結果.由圖1可以看出,胍膠和多元改性胍膠的紅外光譜曲線基本相似,多元改性胍膠HPG-GX在2 976 cm-1處比胍膠多了一個甲基的伸縮振動峰,說明胍膠改性后分子結構中引入了羧甲基.此外,多元改性胍膠在1 712 cm-1處比胍膠多了一個羰基吸收峰,這說明胍膠改性后分子結構中也引入了羥丙基,因此,可以初步判定胍膠改性成功.

圖1 胍膠和多元改性胍膠的紅外光譜圖

2.1.2 核磁1HNMR譜

圖2和圖3分別為胍膠和多元改性胍膠HPG-GX的核磁1HNMR譜測試結果.

圖2 胍膠的核磁1HNMR譜圖

由圖2、3可以看出,多元改性胍膠HPG-GX在化學位移為6.48 ppm處比胍膠多了一個明顯的氫原子吸收峰,此處應為多元改性胍膠HPG-GX中羧甲基上的氫原子吸收峰,進一步說明胍膠改性后分子結構中引入了羧甲基.另外,多元改性胍膠HPG-GX在化學位移為1.04 ppm～1.12 ppm處附近比胍膠多了一個較為明顯的吸收峰,此處應為多元改性胍膠HPG-GX中與羥丙基相連的甲基上的氫原子吸收峰,進一步說明胍膠改性后分子結構中也引入了羥丙基.因此,綜合2.1.1中紅外光譜的分析結果,基本可以判定所制備的產物即為目標產物多元改性胍膠HPG-GX.

2.2 耐溫抗剪切性能

按照1.4.2中的實驗方法,評價了新型低傷害無返排胍膠壓裂液體系的耐溫抗剪切性能,實驗結果如圖4所示.

圖4 新型低傷害無返排胍膠壓裂液耐溫抗剪切性能

由圖4所示實驗結果可知,新型低傷害無返排胍膠壓裂液體系在剪切實驗的前20 min內黏度值下降較快,然后逐漸趨于穩定,當壓裂液體系在90 ℃下剪切100 min后,體系的黏度值仍能維持在70 mPa·s以上,滿足行業標準的要求.這說明研制的新型低傷害無返排胍膠壓裂液體系具有良好的耐溫抗剪切性能,可以滿足致密油藏壓裂施工過程中對壓裂液基本性能的要求.

2.3 靜態濾失性能

按照1.4.3中的實驗方法,評價了新型低傷害無返排胍膠壓裂液的靜態濾失性能,測試溫度為50 ℃～90 ℃,測試壓力均為3.5 MPa,實驗結果如表1所示.

由表1實驗結果可知,測試溫度越高,新型低傷害無返排胍膠壓裂液的靜態濾失系數就越大,當測試溫度達到90 ℃時,壓裂液體系的靜態濾失系數僅為0.235×10-3m/min1/2,小于行業標準(SY/T 7627-2021《水基壓裂液技術要求》)中的參考值1.0×10-3m/min1/2.這說明研制的新型低傷害無返排胍膠壓裂液體系具有良好的靜態濾失性能,可以滿足目標區塊致密油儲層壓裂施工的需求.

2.4 破膠性能

按照1.4.4中的實驗方法,評價了新型低傷害無返排胍膠壓裂液體系的破膠性能,實驗結果如表2所示.

表2 新型低傷害無返排胍膠壓裂液體系破膠性能

由表2實驗結果可知,在復合破膠劑FP-3加量相同的條件下,實驗溫度越高,破膠時間相對就越短,破膠液的黏度、界面張力和殘渣含量相對就越小;而在相同的實驗溫度條件下,隨著復合破膠劑FP-3加量的不斷增大,破膠時間逐漸縮短,破膠液的黏度、界面張力和殘渣含量逐漸減小.當復合破膠劑FP-3的加量達到0.15%時,新型低傷害無返排胍膠壓裂液體系在50 ℃下的破膠時間、破膠液的黏度、界面張力和殘渣含量均能滿足行業標準的要求,而壓裂液體系在90 ℃下的破膠時間則可以控制在2 h以內,破膠液的黏度小于2 mPa·s,界面張力值達到10-2mN/m數量級,殘渣含量小于50 mg/L.

這是由于合適加量的復合破膠劑FP-3不僅能夠使壓裂液體系迅速高效的破膠,降低其黏度值,其中含有的生物酶降解劑等物質還可以降解掉部分殘渣,使破膠液的殘渣含量明顯減少,降低其對儲層的堵塞損害風險;另外,由于新型低傷害無返排胍膠壓裂液體系中含有一定量的陰離子表面活性劑YSN-1,能使破膠液的界面活性顯著提高,降低油水界面張力的同時,還有助于其更好的發揮驅油效果.以上結果說明研制的新型低傷害無返排胍膠壓裂液體系具有良好的破膠性能.

2.5 破膠液對地層的傷害性能

按照1.4.5中的實驗方法,評價了新型低傷害無返排胍膠壓裂液體系的破膠液對儲層天然巖心基質滲透率的傷害情況,并與常規羥丙基胍膠壓裂液破膠液進行對比.其中羥丙基胍膠壓裂液體系基液配方為:清水+0.3%羥丙基胍膠+0.5%黏土穩定劑NTW-1+0.15%殺菌劑SJ-3+pH值調節劑+0.3%助排劑,交聯劑和破膠劑的配方與新型低傷害無返排胍膠壓裂液相同,復合破膠劑FP-3的加量均為0.15%,破膠實驗溫度均為90 ℃.實驗結果如表3所示.

表3 不同壓裂液破膠液對天然巖心的傷害情況

由表3實驗結果可知,新型低傷害無返排胍膠壓裂液的破膠液對目標區塊儲層天然巖心的基質滲透率傷害率平均為13.6%,遠遠小于常規胍膠壓裂液破膠液的28.6%,這說明新型低傷害無返排胍膠壓裂液經過破膠后對儲層的傷害程度較小,具有低傷害的特點,能夠避免在致密油儲層壓裂施工過程中產生比較嚴重的二次堵塞傷害,提高壓裂施工的效率.

2.6 破膠液滲吸驅油效果

按照1.4.6中的實驗方法,評價了新型低傷害無返排胍膠壓裂液體系破膠液的滲吸驅油效果,并與常規羥丙基胍膠壓裂液破膠液進行了對比,實驗用常規羥丙基胍膠壓裂液破膠液與2.4中相同.實驗結果如圖5所示.

圖5 不同壓裂液破膠液滲吸驅油效果

由圖5實驗結果可知,隨著滲吸實驗時間的不斷延長,兩種不同破膠液對儲層天然巖心的滲吸采收率均呈現出先升高,然后逐漸趨于平穩的趨勢,當滲吸實驗時間達到40 h時,新型低傷害無返排胍膠壓裂液破膠液的滲吸采收率可以達到28.6%,而常規羥丙基胍膠壓裂液破膠液的滲吸采收率僅為9.6%,新型低傷害無返排胍膠壓裂液破膠液的滲吸驅油效果明顯優于常規羥丙基胍膠壓裂液破膠液.這說明新型低傷害無返排胍膠壓裂液在壓裂施工完成后無需進行返排,破膠后留在地層中能夠起到良好的滲吸驅油作用,簡化壓裂施工流程的同時,還能有效提高致密油井壓后的產量.

2.7 破膠液滲吸驅油機理分析

由2.6中的實驗結果可以看出,新型低傷害無返排胍膠壓裂液的破膠液具有良好的滲吸驅油效果,這主要是由于壓裂液體系中含有驅油效果較好的陰離子型表面活性劑YSN-1,其主要由表面活性劑烷基苯磺酸鹽LAS、脂肪醇聚醚硫酸鹽AES和N-油酰氨基羧酸鹽L-613復配而成.分析認為表面活性劑YSN-1的驅油機理主要包括以下幾個方面:

2.7.1 降低油水界面張力

表面活性劑YSN-1能夠有效降低破膠液與地層原油之間的界面張力值,從而使原油更易于從地層孔隙中滲流出來.并且油水界面張力降低以后,使原油更易于形成黏度較低的水包油型乳狀液,乳化分散原油,從而使其具有良好的滲吸驅油效果.

2.7.2 改變巖石表面潤濕性

致密油儲層滲吸驅油的主要動力之一是毛細管力,當巖石表面的潤濕性為油潤濕狀態時,毛細管力的方向會指向水相,導致原油在地層孔隙中的運移阻力較大,影響滲吸驅油效果.而表面活性劑YSN-1的加入能夠有效改變巖石表面的潤濕性,使其由油潤濕轉變為水潤濕,從而改變毛細管力的作用方向,使其變成滲吸驅油的動力,從而增大滲吸驅油效率.

2.7.3 降低原油與巖石表面的黏附功

原油油滴與巖石表面的黏附功大小主要與界面張力和巖石表面的潤濕性有關,表面活性劑YSN-1的加入能夠有效降低油水界面張力,并改變巖石表面的潤濕性(減小接觸角),而當界面張力和接觸角越小時,黏附功就越小,原油油滴就越容易從巖石表面剝離,從而能夠提高原油的采收率.另外,表面活性劑YSN-1的加入能夠使巖石表面與油滴之間形成一層邊界水層,將原油與巖石表面隔離開來,進一步降低了原油與巖石表面之間的粘滯阻力,使滲吸驅油過程更易進行.

3 礦場試驗

陸上某油田S區塊屬于典型的致密砂巖儲層,油藏埋深在2 912.5 ～3 002.8 m左右,儲層溫度可以達到90 ℃左右,壓裂目的層段深度在2 952 m左右,儲層平均孔隙度大約為7.18%,平均滲透率大約為0.279×10-3μm2,部分層段儲層間物性差異比較大,非均質性較強.此外,目標區塊儲層段礦物組成主要以長石砂巖為主,填隙物主要以黏土礦物和碳酸鹽類礦物為主,含量分別為7.26%和8.04%;儲層孔隙發育較差,儲集空間以粒間孔為主,微裂縫發育較多.該區塊前期開發主要以水平井體積壓裂為主,單井的施工規模呈現出逐漸擴大的趨勢,區塊內部分油井采用常規羥丙基胍膠壓裂液進行施工,由于壓裂液的使用量較大,返出的返排液量也越來越多,導致返排液處理難度增大、成本增高,嚴重影響該油田的整體開發部署.

因此,按照室內實驗研究的結果,決定在該區塊內采用研制的新型低傷害無返排胍膠壓裂液進行壓裂施工作業.以WQ-11井為例,現場共配制新型低傷害無返排胍膠壓裂液405 m3,加砂量為42.6 t,該井壓裂施工過程順利,未出現井下復雜情況,各項施工參數均能達到設計要求,平均施工排量為4.6 m3/min,最大砂比可以達到39.6%,平均砂比為26.5%,具體施工參數如圖6所示.

圖6 WQ-11井壓裂施工曲線

該井壓裂施工后未進行返排施工作業,壓裂液破膠后轉化為滲吸液,該井下泵投產后日產油量較高,與同區塊內使用常規羥丙基胍膠壓裂液施工后的鄰井WQ-03井相比,日產油量明顯增高,累計增油效果顯著,具體產油量如表4所示.由此可以看出,研制的新型低傷害無返排胍膠壓裂液體系能夠滿足致密油儲層壓裂施工的需求,在提高油井壓后產油量的同時,還能有效減少返排液的處理量,節省壓裂施工成本,并降低污染風險,現場應用效果較好.

表4 WQ-11井與WQ-03井壓裂后產油量對比

4 結論

(1)室內以多元改性胍膠HPG-GX、陰離子表面活性劑YSN-1以及復合破膠劑FP-3等為主要處理劑,研制了一套適合致密油儲層的新型低傷害無返排胍膠壓裂液體系.

(2)新型低傷害無返排胍膠壓裂液體系具有良好的耐溫抗剪切性能、靜態濾失性能和破膠性能,壓裂液體系破膠后的破膠液對儲層天然巖心的基質滲透率傷害程度較小,具有低傷害的特點,并且其破膠液具有良好的滲吸驅油效果,在模擬儲層實驗條件下的滲吸采收率可以達到28.6%,驅油效果顯著優于常規羥丙基胍膠壓裂液的破膠液.

(3)礦場試驗結果表明,WQ-11井采用新型低傷害無返排胍膠壓裂液體系施工過程順利,壓裂后日產油量顯著高于同區塊內使用常規羥丙基胍膠壓裂液施工后的鄰井WQ-03井,節省壓裂施工成本的同時,還能有效提高油井壓裂后的產量,具有一定的推廣應用前景.