淺析耐剪切低傷害線性膠壓裂液性能研究與現(xiàn)場應(yīng)用
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作者：鄭曉敏
我國頁巖氣資源潛力巨大，在常規(guī)能源可開采量逐年遞減的情況下，頁巖氣的大規(guī)模商業(yè)開發(fā)有利于緩解國內(nèi)天然氣缺口帶來的壓力，保障國家能源安全，改善能源供給結(jié)構(gòu)。水力壓裂技術(shù)是頁巖氣勘探開發(fā)最重要的技術(shù)之一，線性膠壓裂液是水力壓裂技術(shù)的重要組成部分，其性能的優(yōu)劣直接影響水力壓裂施工的成敗。線性膠壓裂液主要以水溶性高分子聚合物增稠劑為主劑，其他添加劑（如交聯(lián)劑、防膨劑、助排劑和破膠劑等）為輔劑組成，該類型壓裂液具有低傷害、低摩阻、易返排等優(yōu)點(diǎn)，目前主要應(yīng)用于低滲透頁巖儲層的壓裂改造。壓裂液的變剪切性能及對巖心基質(zhì)傷害性能是線性膠壓裂液最重要的性能，變剪切性能關(guān)系到壓裂液的輸送、攜砂、摩阻和壓裂效果。壓裂液濾液對巖心基質(zhì)傷害性能主要表現(xiàn)為潤濕性能的改變，毛細(xì)管力的變化，黏土膨脹和顆粒運(yùn)移，水鎖和氣鎖效應(yīng)。筆者重點(diǎn)評價了SRFP線性膠壓裂液在70~ 900C的變剪切性能及對巖心基質(zhì)傷害性能，并將SRFP線性膠壓裂液在塔里木盆地某重點(diǎn)頁巖氣探井進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用。
1 實(shí)驗(yàn)部分
1.1 主要實(shí)驗(yàn)樣品
SRFP-1增稠劑，工業(yè)品，中國石化石油工程技術(shù)研究院生產(chǎn)；SRFC-1交聯(lián)劑，工業(yè)品，中國石化石油工程技術(shù)研究院生產(chǎn)；SRCS-1黏土穩(wěn)定劑，工業(yè)品，中國石化石油工程技術(shù)研究院生產(chǎn)；SRCU-1助排劑，工業(yè)品，中國石化石油工程技術(shù)研究院生產(chǎn)；過硫酸銨，工業(yè)品，北京化工廠生產(chǎn)。
1.2主要實(shí)驗(yàn)儀器
HAAKE MARSⅢ型流變儀，德國Thermo Fisher公司生產(chǎn)；IKA RW20 digital數(shù)顯型頂置式機(jī)械攪拌器，德國艾卡公司生產(chǎn)；長巖心酸化驅(qū)替?zhèn)υ囼?yàn)裝置，法國萬奇公司生產(chǎn)。
1.3 SRFP線性膠壓裂液制備
向一定量的水中加入0.35 %的SRFP-1增稠劑，充分?jǐn)嚢枰欢螘r間，然后加入0.3 %的SRCS-1黏土穩(wěn)定劑和0.1%的SRCU-1助排劑，制備SRFP線性膠壓裂液基液。向上述基液中加入0.16%的SRFC-1交聯(lián)劑，制備SRFP線性膠壓裂液體系。
1.4 SRFP線性膠壓裂液性能評價實(shí)驗(yàn)
1.4.1 變剪切實(shí)驗(yàn)
采用HAAKE MARSⅢ型流變儀評價壓裂液的耐剪切性能，流變儀程序設(shè)定分以下5步：①25℃穩(wěn)定5 min；②以3℃/min的升溫速率從25℃開始升溫至實(shí)驗(yàn)溫度；③穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)溫度，剪切速率從170 s-1減小到25 s-1，再從25 s-1增加到170 s-1；④穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)溫度，在170 S-1條件下，剪切20 min;⑤再重復(fù)步驟③和步驟④實(shí)驗(yàn)2次。評價SRFP線性膠壓裂液耐剪切性能。
1.4.2壓裂液濾液對巖心基質(zhì)傷害實(shí)驗(yàn)
選取直徑為2.5 cm，長度為3.75 cm的天然巖心，采用長巖心酸化驅(qū)替?zhèn)υ囼?yàn)裝置，按照SY/T5107 -2005中6.10所述評價方法，測定壓裂液濾液對巖心基質(zhì)傷害率，巖心基質(zhì)傷害率為：
2結(jié)果與討論
2.1變剪切實(shí)驗(yàn)
線性膠壓裂液的分子結(jié)構(gòu)不同于常規(guī)交聯(lián)胍膠壓裂液，常規(guī)交聯(lián)胍膠壓裂液為立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，而線性膠壓裂液是一種線型結(jié)構(gòu)，線性膠壓裂液的流變性能是影響頁巖氣壓裂施工成敗的主要因素之一。
考察了SRFP線性膠壓裂液在70~90℃的變剪切實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖1～圖5所示。由圖1～圖5可知，當(dāng)溫度分別為70、75、80、85℃和90℃，經(jīng)170 S-1剪切100 min后的平均黏度分別為72、68、56、52 m Pa .s和40 m Pa .s；隨著溫度的升高，黏度降低，當(dāng)體系黏度降低到一定值之后趨向穩(wěn)定。說明該體系具有良好的耐溫耐剪切性能，在低砂濃度的情況下有利于壓裂液攜帶支撐劑移動至較遠(yuǎn)的距離。因此，SRFP線性膠壓裂液適合900C以下儲層溫度的施工要求。
2.2巖心基質(zhì)傷害實(shí)驗(yàn)
壓裂液濾液對巖心基質(zhì)的傷害以巖心滲透率的變化來表征，影響因素主要有巖心的礦物組成、巖心滲透率大小和壓裂液破膠程度等。利用長巖心酸化驅(qū)替?zhèn)υ囼?yàn)裝置測定壓裂液濾液對巖心基質(zhì)的滲透率，從而計(jì)算傷害率。巖心基質(zhì)傷害實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。由表1可知，對于1#巖心，SRFP線性膠壓裂液濾液對巖心基質(zhì)傷害前的滲透率為4.6×10 -3 μm2傷害后滲透率為4.1×10-3μm2，經(jīng)計(jì)算，傷害率為10.9%；對于2#巖心，SRFP線性膠壓裂液濾液對巖心基質(zhì)傷害前的滲透率為3.6×10-3μm2 ，傷害后滲透率為3.1×10-3μm2 ，經(jīng)計(jì)算，傷害率為13.9 %；對于3*巖心，SRFP線性膠壓裂液濾液對巖心基質(zhì)傷害前的滲透率為8.1×10-3μm2，傷害后滲透率為6.9×10-3μm2，經(jīng)計(jì)算，傷害率為14. 8%，符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6376-2008要求。
3現(xiàn)場試驗(yàn)
SRFP線性膠壓裂液室內(nèi)主要性能測試符合頁巖氣壓裂施工技術(shù)指標(biāo)要求。選擇塔里木盆地某重點(diǎn)頁巖氣探井進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)。該井屬于低滲透頁巖氣藏，井深3 475 m，壓裂井段3 400～3 420 m，井溫為75℃。
3.1 現(xiàn)場配制SRFP線性膠壓裂液
首先緩慢勻速加入0.35% SRFP-1增稠劑，禁止突然提高加料速度或1次加入，這樣會形成大量“魚眼”；加完后循環(huán)3～5 min，然后緩慢勻速加入0.3% SRCS-1黏土穩(wěn)定劑和0.1% SRCU-1助排劑，循環(huán)1 min，配制成SRFP線性膠壓裂液基液備用。施工過程中，再加入0. 16% SRFC-1交聯(lián)劑�，F(xiàn)場配制SRFP線性膠壓裂液流變曲線如圖6所示。比較圖2和圖6數(shù)據(jù)可知，現(xiàn)場施工配制的線性膠壓裂液的抗剪切性能與室內(nèi)配制線性膠壓裂液抗剪切性能相當(dāng)，表明線性膠壓裂液性能穩(wěn)定。
3.2壓裂施工參數(shù)
該重點(diǎn)頁巖氣探井最高施工壓力為93.5 M Pa，停泵壓力為68.5 M Pa，最高施工排量為7 m3/min，加入SRFP線性膠壓裂液521 m3，加砂62.07 m3，平均砂比為11.9%，返排液黏度小于5 m Pa .s。SRFP線性膠壓裂液能顯著降低壓裂液對低滲透頁巖氣藏的傷害，提高壓裂施工效果。該井壓裂施工曲線如圖7所示。
4結(jié)論
(1) SRFP線性膠壓裂液在70、75、80、85℃和90℃，170 s-1，100 min內(nèi)經(jīng)歷3次變剪切，平均黏度分別為72、68、56、52 m Pa -s和40 m Pa .s，表現(xiàn)出良好的流變性能；
(2)對于1 8~38天然巖心，巖心基質(zhì)傷害率分別為10. 9%、13. 9%和14. 8%，符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，SRFP線性膠壓裂液成功應(yīng)用于塔里木盆地某重點(diǎn)頁巖氣探井，平均砂比為11.9 %，返排液黏度小于5 m Pa .s，壓裂施工成功。
5摘要：線性膠壓裂液是頁巖氣開采最關(guān)鍵的技術(shù)之一。以SRFP-1增稠劑、SRFC-1交聯(lián)劑、SRCS-1黏土穩(wěn)定劑和SRCU -1助排劑工業(yè)品為研究對象制備SRFP線性膠壓裂液；評價了該壓裂液體系的變剪切性能及對巖心基質(zhì)傷害性能；將該壓裂液在塔里木盆地某重點(diǎn)頁巖氣探井進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用。結(jié)果表明：SRFP線性膠壓裂液在70~ 900C條件下具有良好的抗剪切性能，
對巖心基質(zhì)傷害率小于20%，現(xiàn)場施工平均砂比為l1.9%，返排液黏度小于5mPa.s。
