楊 洪，李彥林，郭 慶，白方林，張鋒三，高志亮，王 瑛

(陜西延長(zhǎng)石油 (集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院，陜西西安 710075)

前置壓裂液是傳遞壓力、壓裂地層的一種主要工作液［1］。前置液的用量直接影響著裂縫形態(tài)、壓裂改造效果，甚至決定壓裂施工的成?。?］。因此前置液對(duì)于壓裂施工的成功、傷害大小、返排率等影響極為關(guān)鍵。

中國(guó)石化中原油田分公司采油工程技術(shù)研究院曾研究過(guò)預(yù)前置液技術(shù)，認(rèn)為預(yù)前置液能夠防止或減少壓裂液對(duì)地層的傷害，對(duì)提高壓裂增產(chǎn)效果具有重要意義。但其預(yù)前置液主要屬于多效功能性液體，用量較少，對(duì)于油層壓裂區(qū)域不能提供全面的保護(hù)作用。

陜西延長(zhǎng)石油 (集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院針對(duì)延長(zhǎng)油田多數(shù)氣層泥質(zhì)含量比較高、外來(lái)流體傷害嚴(yán)重的特點(diǎn)，成功開發(fā)研制了新型VF－8清潔二氧化碳泡沫前置液體系，對(duì)地層具有防黏土膨脹和運(yùn)移、破乳、降低入井液表面張力與界面張力、起泡攜砂及提高返排效率等特點(diǎn)，對(duì)防止或減少壓裂液對(duì)地層傷害，增強(qiáng)施工效果都將起到重要作用。在實(shí)際運(yùn)用中，將VF－8清潔前置液與二氧化碳復(fù)合使用，形成新型VF－8清潔二氧化碳泡沫壓裂液體系。該體系技術(shù)同傳統(tǒng)的瓜爾膠壓裂液伴注液氮相比較，有效解決了三低氣井壓裂液返排慢、返排率低、排液周期長(zhǎng)的問(wèn)題。該體系目前在YY2井實(shí)施了施工，取得了較理想的效果，目前該井日產(chǎn)氣8×104m3。

1 儲(chǔ)層概況

延長(zhǎng)油田氣田上古生界本溪組的暗色泥頁(yè)巖厚度大、有機(jī)碳含量 (TOC)高，具有較好的勘探開發(fā)潛力，突出特點(diǎn)是黏土礦物含量高，即:石英+長(zhǎng)石平均含量為14.2%，黏土礦物平均含量為69.4%，碳酸鹽巖及其他礦物平均含量為16.4%。黏土礦物相對(duì)含量以伊利石 (26.6%)和高嶺石 (48%)為主，伊利石和高嶺石中的微孔隙非常發(fā)育。

氣測(cè)錄井顯示，儲(chǔ)層段2464～2469m具有較好的含氣性，氣測(cè)基值為0.167%，峰值為0.533%，平均為0.336%。2485.5～2489.5m層段也具有較好的含氣性，氣測(cè)基值為 0.128%，峰值為0.510%，平均為0.321%。儲(chǔ)層特征要求壓裂液具有高防膨能力、偏低pH值、低表界面張力及高返排能力。通過(guò)篩選及室內(nèi)研究認(rèn)為，清潔二氧化碳泡沫前置液壓裂工藝較適合該類儲(chǔ)層壓裂改造增產(chǎn)的目的［2］。

2 壓裂液體系性能

壓裂液殘?jiān)拇嬖趯?duì)儲(chǔ)層基質(zhì)、支撐裂縫導(dǎo)流能力造成極大的傷害［3］。清潔壓裂液具有對(duì)地層傷害低、破膠徹底、無(wú)殘?jiān)y砂能力較好、配制簡(jiǎn)單、破膠液具有低表界面張力，有利于壓裂液返排，被油田廣為采用。目前現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的清潔壓裂液通常適用于溫度在85℃以下的陸地油田，且都為淡水配制，原料成本較高［4－6］。清潔壓裂液受溫度、pH值、水的礦化度、油氣接觸、鹽類等的影響較大，可作為二氧化碳酸性泡沫壓裂液基液的清潔體系更是少之又少。為此，針對(duì)被改造儲(chǔ)層特點(diǎn)研制了一種耐鹽、耐酸 (pH值為4～6)、抗溫性等較好的清潔壓裂液體系，并對(duì)其相關(guān)性能進(jìn)行了測(cè)試評(píng)價(jià)。

2.1 耐鹽性

清潔壓裂液基本成分為直鏈烷基季銨鹽表面活性劑，通常需要加入一定比例的氯化鉀作為膠束結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定劑，用量遠(yuǎn)小于5%。但有些地層中含有高礦化度地層水，特別是CaCl2型或型或CaSO4型水，若清潔壓裂液與其接觸易引起壓裂液迅速破膠，影響施工;因此清潔壓裂液還必須具有一定的耐鹽性。從圖1可知，分別加入1.0%、2.0%的KCl和CaCl2對(duì)液體黏度影響不大［7］。

圖1 VF－8清潔壓裂液耐鹽性能圖Figure 1 Salt resistance of VF－8 clean fracturing fluid

2.2 耐酸性

當(dāng)清潔壓裂液混入二氧化碳液體時(shí)，由于二氧化碳在水中的輕度水解作用，會(huì)導(dǎo)致壓裂液pH值下降至3～5;因此VF－8清潔壓裂液還必須具有一定的抗酸性［8］。實(shí)驗(yàn)測(cè)定了VF－8清潔壓裂液在室溫、不同pH值下的黏度變化情況 (表1)。結(jié)果表明，該清潔壓裂液黏度受pH值影響非常小，可以與二氧化碳復(fù)配使用。

表1 VF-8清潔壓裂液室溫不同pH值下的黏度表Table 1 VF-8 clean fracturing fluid viscosity with different pH at room temperature

2.3 抗溫性

經(jīng)過(guò)室內(nèi)配方篩選，確定VF－8清潔壓裂液配方:0.45%BCG－1H+0.3%B－14+0.30%B－55+1%KCl。使用HAK6000型旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，在170s－1、室溫至80℃下連續(xù)剪切1.5小時(shí)。測(cè)定壓裂液的黏度，結(jié)果表明，該配方壓裂液具有較好的耐剪切能力，黏度最終保持在50mPa·s左右，完全可以滿足施工要求 (圖2)。另外，發(fā)現(xiàn)在剪切十幾分鐘后黏度有一定的下降，但在剪切速率下降的過(guò)程中黏度又上升到初始值。這種現(xiàn)象表明，黏彈性表面活性劑壓裂液中存在棒狀膠束相互纏結(jié)形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。受剪切時(shí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)處于破壞和重新形成的平衡中，在高剪切作用下棒狀膠束纏結(jié)解開，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)破壞，當(dāng)剪切作用下降時(shí)，黏度有所下降;消失后的棒狀膠束重新纏結(jié)自動(dòng)恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這種現(xiàn)象有利于壓裂液在裂縫中提高懸砂能力［9－10］。

圖2 清潔壓裂液80℃的流變曲線圖Fig.2 at clean fracturing fluid at Rheological curves of at 80℃

2.4 防膨性

VF－8清潔壓裂液主要配方成分為直鏈烷基季銨鹽和氯化鉀。直鏈烷基季銨鹽通過(guò)吸附作用成為黏土礦物的長(zhǎng)效防膨劑，而氯化鉀通過(guò)鉀離子的鑲嵌作用，對(duì)黏土礦物具有暫時(shí)的防膨作用。另外，液體二氧化碳的水解作用會(huì)使泡沫壓裂液具有較低的pH值 (為3～4)，酸性條件一定程度抑制了黏土礦物的膨脹［11］。因此，二氧化碳泡沫壓裂液總體上對(duì)儲(chǔ)層的傷害較低。而在瓜爾膠壓裂液中一般只含有1%～2%氯化鉀;相比較而言，VF－8清潔壓裂液具有更好的防膨能力。分別在含有25mL清水、瓜爾膠破膠液與VF－8清潔液破膠液的比色管中，加入2g鈉膨潤(rùn)土并充分搖勻，然后靜置4小時(shí)，觀察鈉膨潤(rùn)土膨脹的高度 (圖3)。結(jié)果表明，使用VF－8清潔壓裂液可以獲得更好的防膨效果。

圖3 3種液體防膨性能對(duì)比圖Fig.3 Anti－swelling performance contrast of three types of liquid

2.5 泡沫質(zhì)量和排量

液態(tài)二氧化碳在泵注過(guò)程中會(huì)吸熱升溫而汽化，與壓裂液混合形成泡沫，因此地面排量要小于井底排量。用泡沫質(zhì)量表示氣體在泡沫中所占的比例，其公式為:

式中 FQ——泡沫質(zhì)量;

k——二氧化碳的體積系數(shù);

QCO2——二氧化碳排量;

Ql——清潔壓裂液排量。

本次采用恒定內(nèi)相，保持井底總排量，氣相不變，支撐劑增加，二氧化碳排量不變。經(jīng)模擬設(shè)計(jì)地面二氧化碳的排量為1.8m3/min，清潔壓裂液的排量為1.7m3/min。根據(jù)井溫和井底壓力計(jì)算井底泡沫質(zhì)量可達(dá)55.8%，平均裂縫寬度為9.9mm［12－13］。

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

3.1 設(shè)計(jì)思路

YY2井為一口直井，本溪組2450.8～2495.3m(厚度為44.5m)層段巖性組合為黑色含氣頁(yè)巖、深灰色含氣細(xì)砂巖和深灰色泥巖，總體表現(xiàn)為3層泥頁(yè)巖夾兩套細(xì)—粉砂巖。其中，2464.0～2469.0m井段為深灰色含氣細(xì)砂巖，2485.5～2489.5m井段為深灰色細(xì)砂巖;分析認(rèn)為，該井本溪組發(fā)育的薄砂層為天然氣富集區(qū)。壓裂設(shè)計(jì)思路為:

(1)砂泥巖互層，高角度充填縫，不利控縫高，施工難度大。

(2)頁(yè)巖層理發(fā)育，盡量提高排量和縫內(nèi)凈壓力，并加大前置液用量，彌補(bǔ)液體濾失，溝通與開啟更多的天然裂縫。

(3)采用清潔二氧化碳泡沫壓裂液，液態(tài)二氧化碳汽化提高壓裂液返排能力，能夠降低液體表面張力，有助于壓裂液的迅速返排;二氧化碳泡沫壓裂液能有效降低液體濾失，提高壓裂液效率;減少了水基壓裂液的用液量;降低了液體pH值，減小了壓裂液對(duì)基質(zhì)的傷害。

(4)考慮到儲(chǔ)層微裂縫較為發(fā)育，爭(zhēng)取形成復(fù)雜裂縫，擴(kuò)大裂縫有效改造體積;適當(dāng)提高施工排量。本井采用光套管壓裂施工。

(5)為降低破裂壓力和解除近井傷害，設(shè)計(jì)10m3酸液對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行壓裂前預(yù)處理。

(6)支撐劑主體類型選用低密度陶粒，選擇3種支撐劑組合，考慮到泥頁(yè)巖儲(chǔ)層微裂縫較為發(fā)育，前置液階段采用70～100目陶粒段塞處理技術(shù)，打磨裂縫壁面消除彎曲效應(yīng)，同時(shí)其有利于橋塞和充填開啟的次生微裂縫的作用。其中，40～70目陶粒支撐主裂縫，20～40目陶粒用于封口，以提高近井裂縫導(dǎo)流能力。

3.2 壓裂施工

YY2井采取前置泡沫壓裂工藝和光套管注入方式進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工。施工最高壓力為28.6MPa，破裂壓力為15.3MPa，停泵壓力為18.6MPa;二氧化碳施工排量為1.5～1.85m3/min，清潔壓裂液施工排量為1.5～5.3m3/min;共計(jì)注入地層清潔壓裂液672m3、二氧化碳172m3，加砂量為80m3。泡沫質(zhì)量最高為66%，施工曲線見圖4。加入70～100目陶粒10m3、40～70目陶粒54m3、20～40目陶粒16m3。

圖4 壓裂施工曲線圖Fig.4 Fracturing operation curves

3.3 壓裂施工及壓裂后效果

嘗試使用清潔二氧化碳泡沫壓裂液只作為前置液的壓裂工藝對(duì)氣儲(chǔ)層進(jìn)行改造，因此只在前置液階段使用泡沫進(jìn)行施工。YY2井恒定井底排量為5.0～5.4m3/min，泡沫階段最高摩阻為13MPa。停泵壓力高于初始破裂壓力約為13MPa，最高砂比為24%，平均砂比為17.6%。按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，泡沫壓裂液的泡沫質(zhì)量為34.3%～66.2%，加砂率為100%，表明清潔二氧化碳泡沫壓裂液性能優(yōu)良，雖然只在前置液階段使用二氧化碳泡沫，依然能夠滿足該類地層壓裂攜砂和返排的要求。

壓裂后兩周，該井共返排壓裂液106.5m3，用8mm油嘴放噴，日產(chǎn)水量為1.2m3，日產(chǎn)氣量為56476m3。一個(gè)月后產(chǎn)量達(dá)到日產(chǎn)氣8×104m3，油壓穩(wěn)定在13.08MPa。二氧化碳泡沫壓裂液可減少壓裂液中水的用量50%～80%［13］，按此計(jì)算可減少超過(guò)10%的費(fèi)用。前置二氧化碳泡沫壓裂工藝在保證壓裂效果的前提下，可以節(jié)省攜砂液部分大量的氣體。同時(shí)，因攜砂液部分不用泡沫，施工摩阻降低，可減少設(shè)備消耗。

4 結(jié)束語(yǔ)

(1)YY2井的成功實(shí)施為以后前置清潔二氧化碳泡沫壓裂工藝的應(yīng)用提供了有效的借鑒作用和寶貴經(jīng)驗(yàn)。

(2)應(yīng)進(jìn)一步提高泡沫質(zhì)量和最高砂比進(jìn)行施工。

(3)采用VF－8清潔二氧化碳泡沫前置液壓裂工藝技術(shù)可以在保證增產(chǎn)效果前提下，大量節(jié)省施工成本。

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