低伤害滑溜水压裂液在长宁区块的应用

陈 挺，邹清腾，柴 剑，王志强，冯向涛

1.中国石油渤海钻探工程技术研究院，天津 300280；2.中国石油浙江油田分公司钻采工程研究院，浙江杭州 310023；3.中国石油渤海钻探井下技术服务分公司，天津 300280）

页岩储层具有低丰度、低渗透、低孔隙度的特点，必须采用水平井+体积压裂的方式施工[1-2]，才可获得有效改造体积以进行工业化生产[3-4]。页岩气储层分布稳定、横向分布均匀，能够满足“井工厂”作业批量化布井的要求[5]，在涪陵、昭通、威远、长宁等地，水平井工厂化体积压裂技术被广泛应用。体积压裂用液量大，单个平台压裂液用量达到数十立万方[6]，且返排率较低，在整个生产周期内只有10%～60%的液体能够返排出地面[7-8]。为达到降低摩阻、快速返排、防止黏土膨胀的目的，压裂液中需要添加多种化学药剂[9]，未返排出地面的压裂液会污染地层水[10-12]，对当地环境保护构成威胁。本文采用易降解的生物柴油替代常规白油[13]，环己烷作为油相，采用反向乳液聚合法制备了一种对储层伤害较低的滑溜水降阻剂，并根据长宁区块的储层物性筛选了合适的液体防膨剂和助排剂，形成一套低伤害滑溜水体系。

1 滑溜水体系实验

1.1 实验试剂与仪器

实验试剂：分析纯丙烯酰胺（AM）、 2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS）、偶氮二异丁腈、Span-80、Tween-80，实验室自制十八烷基二甲基烯丙基氯化铵、生物柴油（工业级）。

实验仪器：YP2001 型电子天平、HDM-5000D型数显调温搅拌电热套、DV2TLV 型旋转黏度计、JYW-200C 全自动表面张力仪、氮气保护装置。

1.2 滑溜水体系制备

将乳化剂Span80 和Tween80 按一定比例加入带有搅拌装置的三口烧瓶中，并通入氮气保护，在室温下以500 r/min 的速率搅拌 10 min，得到均匀的油相体系。将水溶性的单体丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸和十八烷基二甲基烯丙基氯化铵按一定比例充分溶解于水中。在 45 ℃条件下将水相逐滴加入油相中，以偶氮二异丁腈作为引发剂。通入氮气保护，恒温反应4～5 h 后获得白色乳状液降阻剂BH-JZ。

为了简化滑溜水在线混配施工工序，减少液添泵的使用，根据长宁区块储层物性，复配了多功能滑溜水助剂，同时具备防止黏土膨胀和快速返排性能。多功能助剂包括小分子阳离子防膨剂和氟碳表面活性剂，二者均为水溶液，可以任意比例混合，室内实验分别评价了防膨性和表面张力。压裂施工现场用水为长宁区块地表水与其他井场返排液混合得到的混合水，矿化度为3 500～6 500 mg/L，室内实验用水为清水（自来水）和混合水。

2 滑溜水体系性能评价

2.1 降阻剂增黏性能

分别采用清水和混合水配制不同降阻剂质量分数的滑溜水，体系黏度和起黏时间如图1 所示。从图 1 可以看出，降阻剂质量分数为 0.10%时，清水和混合水体系的黏度分别为 2.75 mPa·s 和 2.43 mPa·s，体系黏度随着降阻剂质量分数的增大而增大。降阻剂在两种水中溶解迅速，起黏时间28～59 s，随着降阻剂质量分数的增大而减小，显示出良好的分散性。通过对比可知，降阻剂 BH-JZ 在不同矿化度的水中均具备良好的分散性且起黏时间短，能够满足现场施工要求。

图1 降阻剂对黏度和起黏时间的影响

2.2 降阻率

采用混合水配制添加 BH-JZ 降阻剂的滑溜水溶液，使用多功能动态减阻评价装置考察流速、降阻剂质量分数对降阻率的影响，结果如图2 所示。由图中可知，降阻率随着降阻剂质量分数的增大而增大。这是由于溶解后的降阻剂大分子链充分伸展，随着浓度的增加，大分子链间存在相互缠绕的现象，减少了在高排量下产生湍流现象所消耗的能量，从而降低施工摩阻。当质量分数为 0.05%时，降阻率为66.4%；当质量分数为0.10%时，降阻率为73.2%，进一步增大降阻剂质量分数，降阻率增加幅度不大。这是由于溶液中聚合物的摩尔数达到一定值后，部分聚合物之间或单个聚合物分子呈现出自身缠绕成线团结构的趋势，吸收与释放能量的能力减弱，故降阻剂的质量分数选择 0.10%较为合适。考虑施工成本，降阻剂质量分数选择0.10%即可满足施工要求。

图2 降阻剂质量分数对降阻率的影响

2.3 防膨性能

采用长宁区块地表水与返排液组成的混合水配制滑溜水，进入储层后与地层不配伍，易导致黏土矿物膨胀、分散和运移。由于工厂化压裂段数多，单井整体压裂完成后才会采取放喷措施，故压裂液在地层中滞留时间较长，如果不采取有效防膨措施将导致储层渗透率降低，影响压裂效果。长宁区块黏土含量为20%～35%，以伊利石为主，存在部分伊蒙混层[8]。为满足连续混配要求，不采用固体氯化钾和配伍性较差的高分子阳离子类黏土稳定剂，而选用小分子阳离子黏土稳定剂。

采用离心法测定防膨率。将0.50 g 膨润土与10 mL含有不同质量分数防膨剂的混合液置于20 mL离心管中，充分摇匀后静置2 h，在转速1 500 r/min 条件下离心分离15 min，读出膨润土膨胀后的体积V1。分别用10 mL 清水和10 mL 煤油替代含有防膨剂的混合液，重复上述步骤，测定膨润土在清水和煤油中的膨胀体积 V2和 V0。防膨率由公式（V2-V1）/（V2-V0）×100%计算得到。计算可知，当防膨剂质量分数为 1.00%时，具有较好的防膨效果。增大防膨剂浓度，防膨效果变化不大。考虑施工成本，防膨剂质量分数选择1.00%。

2.4 助排性能

在致密油气藏中，压裂施工过程中压裂液沿裂缝壁面进入储层孔隙、喉道，地层流体由原来的气体单相流变为气液两相流，如果气层压力不能克服升高的毛细管力，就会造成压裂液返排困难，出现严重的水锁效应。压裂液在地层中滞留时间越长，则水锁效应越严重，需要加入合适的表面活性剂降低表面张力，促进液体返排。氟碳表面活性剂用量少，表面活性极高，化学稳定性好，近年来在石油行业应用比较广泛。当助排剂质量分数为0.10%时，表面张力小于30.00 mN/m，能够满足行业标准要求，随着助排剂质量分数增大，表面张力进一步减小。考虑到地层吸附，返排液中助排剂质量分数会大幅度降低；为了保证较好地返排性能，质量分数选择0.50%。

将降阻剂、防膨剂和助排剂按照质量分数分别为0.10%、1.00%和0.50%加入混合水中，得到低伤害滑溜水体系BH-SW，放置24 h 无絮凝、沉淀现象发生，表观黏度3.27 mPa·s，表面张力23.18 mN/m，与单独测试助剂所的数据基本一致，说明体系配伍性良好。

2.5 岩心伤害率

使用长宁区块页岩岩心（4 232～4 126 m）评价了不同压裂液体系的岩心伤害率。实验时，首先用去离子水驱替岩心得到渗透率k1，然后用BH-SW体系和常规滑溜水体系分别驱替岩心，得到渗透率k2，伤害率计算方法为（k1-k2）/ k1，每种压裂液体系驱替两次，计算伤害率的平均值。实验结果如表1 所示，低伤害滑溜水体系的岩心伤害率小于常规滑溜水体系，对地层的污染较低。

表1 不同压裂液体系岩心伤害率

3 BH-SW 滑溜水体系现场应用

长宁区块NH8 平台共6 口水平井，首先对下半支4 井、5 井、6 井进行拉链式压裂施工，上半支2井下入12 级Maxiwave 井下检波器，级间距20 m，检波器深度为2 730～2 950 m，用于监测施工井的裂缝展布情况。

BH-SW 滑溜水体系在 NH8-5 井进行了全程应用，施工时使用液添泵将降阻剂与助剂按1∶1 比例吸入混砂罐中。现场取样测试，加入BH-SW 滑溜水体系的压裂液40 s 内起黏，黏度2.56 mPa·s，能够满足现场施工要求。以第12 段施工曲线为例，如图3 所示，第12 段施工排量12.6 m3/min，一般施工泵压为77～85 MPa，地层破裂压力81 MPa；主压裂前挤注15.5 m3盐酸降低地层破裂压力，注入滑溜水1 963.30 m3，线性胶30.2 m3，加砂总量80.21 t，其中 70/140 目石英砂 42.26 t，40/70 目陶粒 37.95 t，最高砂浓度160 kg/m³，平均砂浓度97.81 kg/m³。本井压裂共注入滑溜水54 445.24 m³，70/140 目石英砂826.15 t，40/70 目陶粒 2 201.34 t。通过施工曲线可知，环保型滑溜水体系性能稳定，施工过程压力平稳，降阻剂与多功能助剂可以很好地适应混合水矿化度较高和杂质含量大的条件，有利于返排液回收利用。微地震监测结果显示，4 井波及地质体积6 375.6×104m3，5 井波及地质体积 4 839.7×104m3，6 井波及地质体积3 420.7×104m3。通过对比可知，采用BHSW 滑溜水体系压裂的5 井的裂缝展布范围大、改造效果好，优于采用常规滑溜水压裂的6 井。

图3 NH8-5 井第12 段施工曲线

3 口井施工结束后闷井5 d 开井，用3～12 mm油嘴放喷返排，NH8-5 井井口压力由34.60MPa 下降到5.68 MPa，累计排液22 444 m³，返排率41.220%；累计产气4 058×104m³，输气压力4.6 0MPa。NH8-4井返排率29.020%，累计产气5 727×104m³；NH8-6 井返排率39.016%，累计产气4 085×104m³（图4）。该区块水平井采用常规压裂液压后返排率为25.000%～40.000%，采用低伤害滑溜水体系的5 井返排率进一步提高。未返排出地层的生物柴油可降解性高，地层污染程度低。试气结果表明，3 口井经过压裂改造后达到地质设计预期，具备工业化天然气生产能力。

图4 产气量与井口压力对比

4 结论

（1）低伤害滑溜水降阻剂，当质量分数为0.10%时，降阻率达到73.2%。选择小分子阳离子防膨剂和氟碳类助排剂，与降阻剂配伍性能良好，能够使用长宁区块地表水与返排液组成的混合水配制滑溜水。

（2）由低伤害降阻剂配制的滑溜水压裂液体系在长宁区块NH8 平台进行现场试验，在线混配施工时溶解速度快，施工压力平稳，100%完成设计加砂量。现场试验表明，该滑溜水体系能够达到常规滑溜水体系性能，可减轻地层污染及环保压力。