譚 佳，劉殷韜，潘寶風(fēng)

中國(guó)石化西南油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，四川 德陽618000

引言

中國(guó)致密砂巖氣藏具有孔隙度小、滲透率低、非均質(zhì)性強(qiáng)的特征，在壓裂改造中主要使用常規(guī)胍膠壓裂液[1-6]。常規(guī)胍膠壓裂液對(duì)儲(chǔ)層存在較嚴(yán)重的基質(zhì)傷害，引起基質(zhì)傷害的3 種主要因素包括胍膠壓裂液中的殘?jiān)⑽綔艉退i傷害[7-10]。常規(guī)壓裂液殘?jiān)吭?00 mg/L 以上，會(huì)直接堵塞孔喉并造成滲流通道減??；壓裂液中的稠化劑在巖石多孔介質(zhì)中吸附滯留導(dǎo)致滲透率降低所形成的傷害，占巖芯傷害總量的60%以上；水浸入后會(huì)引起近井地帶水鎖效應(yīng)，巖芯含水飽和度增加，孔隙中油水界面毛管阻力增大，使天然氣在地層滲流中比正常生產(chǎn)狀態(tài)下產(chǎn)生一個(gè)附加的流動(dòng)阻力，宏觀上表現(xiàn)為產(chǎn)氣量的下降[11-20]。針對(duì)上述3 種傷害因素，國(guó)內(nèi)外一般都是通過降低胍膠濃度、向胍膠壓裂液中加入防水鎖劑等措施來降低對(duì)儲(chǔ)層的傷害。這些措施雖然在一定程度上降低了胍膠壓裂液對(duì)儲(chǔ)層巖石的固相和液相傷害，但降低傷害程度有限[21-26]。為了同時(shí)降低胍膠壓裂液的殘?jiān)臀綔舻葌?，本文通過分析致密砂巖氣藏儲(chǔ)層特征，著手開展胍膠壓裂液損害和吸附作用力等相關(guān)實(shí)驗(yàn)，研究胍膠壓裂液對(duì)致密砂巖氣藏的傷害機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，通過分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、室內(nèi)研制工藝、裝置研究及合成原材料優(yōu)選等手段，旨在合成出能降低胍膠壓裂液傷害的關(guān)鍵處理劑，并開展配方研究和性能評(píng)價(jià)，最終形成低傷害壓裂液配方，有效降低傷害，滿足現(xiàn)場(chǎng)施工需求。

1 致密砂巖氣藏胍膠壓裂液傷害機(jī)理研究

1.1 致密砂巖氣藏儲(chǔ)層特征分析

表1 是不同地區(qū)致密砂巖氣藏礦物成分對(duì)比。從表1 中可以看出，致密砂巖氣藏以石英、長(zhǎng)石為主，黏土礦物類型中綠泥石、伊利石含量較高，具備潛在傷害的物質(zhì)條件。采用壓汞法對(duì)四川盆地ZJ122 井巖樣的孔隙分布進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果表明，巖樣孔喉直徑多集中在0.04～0.40 μm，孔喉分布呈非均質(zhì)性。

表1 不同地區(qū)致密砂巖氣藏礦物成分對(duì)比Tab.1 Comparison of mineral composition of tight sandstone gas reservoirs in different areas %

1.2 胍膠壓裂液損害實(shí)驗(yàn)

對(duì)ZJ122 井巖芯開展胍膠壓裂液損害實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表2，可以看出，水鎖傷害導(dǎo)致巖芯平均傷害率為38.78%；由于壓裂液引起的水敏傷害導(dǎo)致巖芯傷害率平均提高了6.08%；由于壓裂液中固相堵塞導(dǎo)致巖芯傷害率平均提高了27.18%。

表2 水鎖、水敏及固相造成的損害情況Tab.2 Damage caused by water lock,water sensitivity and solids

1.3 胍膠在巖芯孔隙中分布形態(tài)研究

分別制備長(zhǎng)度為1 cm 和2 cm 的巖芯，驅(qū)替胍膠壓裂液至反相端面出現(xiàn)液體，然后對(duì)該液體進(jìn)行冷凍，采用掃描電鏡開展微觀形貌分析，模擬壓裂液不同入侵深度的巖芯傷害，結(jié)果見圖1，由圖1 可以看出，胍膠壓裂液是以細(xì)絲纏繞狀吸附滯留在儲(chǔ)層巖芯、孔喉表面，引起滲透率降低造成傷害。

圖1 胍膠在巖芯孔隙中分布形態(tài)Fig.1 Distribution pattern of guar gum in core pores

1.4 吸附作用力研究

利用FTIR、Zeta 電位儀、XPS 等實(shí)驗(yàn)手段，開展了壓裂液與致密砂巖巖芯作用力研究，如圖2 所示。從圖2 中可以明確吸附滯留傷害在低滲儲(chǔ)層傷害中的主導(dǎo)作用，揭示了壓裂液在巖石礦物表面的吸附機(jī)理主要為氫鍵力和靜電作用。

圖2 砂巖礦物與胍膠紅外光譜、Zeta 電位關(guān)系曲線和XPS 能譜分析曲線圖Fig.2 Infrared spectra,Zeta potential curves and XPS analysis curves of guar gum and sandstone minerals

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)研究，胍膠壓裂液對(duì)致密砂巖儲(chǔ)層傷害主要包括液相和固相兩種傷害，液相傷害主要為水鎖、水敏傷害，胍膠壓裂液吸附滯留是導(dǎo)致巖芯中壓裂液固相傷害的主要因素之一。因此，要降低壓裂液對(duì)致密砂巖儲(chǔ)層的傷害，必須實(shí)現(xiàn)少進(jìn)液和低吸附滯留。

2 納米封堵型低傷害壓裂液研究

2.1 納米封堵劑研制

2.1.1 分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1.2 室內(nèi)研制工藝及裝置

首先，將納米材料放入盛有純凈水的三頸燒瓶中，攪拌，用有機(jī)酸調(diào)節(jié)pH 值，加熱到80°C，加入多元醇改性，攪拌5 h，恒溫20 h，形成納米占位改性材料，然后，再加入多羥基化合物，溫度調(diào)至60°C，加入小分子氮?dú)浠衔飻嚢? h，再加入表面活性劑攪拌均勻，在60°C保溫6 h，出料形成納米封堵劑。具體研制情況和裝置如表3、圖3 所示。從表3 的試制結(jié)果可以看出，納米封堵劑是能實(shí)現(xiàn)在室內(nèi)試制形成樣品的，設(shè)計(jì)的單劑試制比例、研制裝置滿足合成實(shí)驗(yàn)的要求。

圖3 納米封堵劑研制裝置Fig.3 Device for preparation of nanoscale plugging agent

表3 納米封堵劑室內(nèi)研制Tab.3 Preparation of nanoscale plugging agent in laboratory

2.1.3 納米封堵劑原材料優(yōu)選

選擇不同類型的納米材料、表面活性劑、多羥基化合物和氮?dú)浠衔锿ㄟ^改性、接枝共聚反應(yīng)生成合成產(chǎn)物，考察合成產(chǎn)物是否是均勻、黏度低的穩(wěn)定溶液，同時(shí)將合成產(chǎn)物加入壓裂液基液中考察配伍性，從而優(yōu)選出合成納米封堵劑的原材料，具體優(yōu)選情況如圖4、表4～表7 所示。

圖4 不同類型的納米材料Fig.4 Different types of nanomaterials

表4 不同類型納米材料合成產(chǎn)物穩(wěn)定性、與壓裂液配伍性Tab.4 Stability of different types of nanomaterials and compatibility with fracturing fluids

表5 加入不同類型的表面活性劑合成產(chǎn)物性狀Tab.5 Properties of synthetic products with different types of surfactant added

表6 加入不同類型多羥基化合物合成產(chǎn)物的性狀Tab.6 Properties of products synthesized by adding different types of polyhydroxy compounds

表7 加入不同類型氮?dú)浠衔锖铣僧a(chǎn)物的性狀Tab.7 Properties of synthetic products with different types of nitrogen-hydrogen compounds added

2.1.4 納米封堵劑正交實(shí)驗(yàn)

根據(jù)單劑優(yōu)選實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選擇納米材料B、YEC、YC、NS 和TF285 等原材料開展納米封堵劑正交合成實(shí)驗(yàn)，研制形成試樣，并將試樣按0.3%濃度加入常規(guī)胍膠壓裂液基液中。從表8 中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，9 個(gè)試樣與現(xiàn)有壓裂液添加劑配伍性好。結(jié)合成本考慮，選擇試樣1 的配方合成納米封堵劑產(chǎn)品。

表8 納米封堵劑正交合成實(shí)驗(yàn)Tab.8 Orthogonal synthesis of nanoscale plugging agent

2.2 低傷害壓裂液配方研究

基于研制的納米封堵劑，優(yōu)選殺菌劑、黏土穩(wěn)定劑、助排劑等添加劑，優(yōu)化助排劑和增效劑加量，開展破膠液表面張力正交實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)川西80°C儲(chǔ)層常規(guī)胍膠壓裂液進(jìn)行配方優(yōu)化（常規(guī)胍膠壓裂液配方：0.4%胍膠+0.3%殺菌劑+0.5%黏土穩(wěn)定劑+0.5%助排劑+0.5%增效劑+0.15%碳酸鈉），結(jié)果見表9，可以看出，加入納米封堵劑后，助排劑加量明顯降低0.2%～0.4%；增效劑加量為0時(shí)，表面張力仍滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（≤28 mN/m）的要求。

針對(duì)電壓暫降的問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要從幅值、持續(xù)時(shí)間和相位跳變3個(gè)特征量展開大量研究，但在方案設(shè)計(jì)中，若未能將暫降幅值、持續(xù)時(shí)間、電壓相位、相位跳變、相位不對(duì)稱、暫降幅值不對(duì)稱、波形畸變與暫態(tài)等特征量進(jìn)行描述[5]，則難以準(zhǔn)確評(píng)估電壓暫降的影響。因此，除了對(duì)電壓暫降基本的特征量進(jìn)行準(zhǔn)確描述，還需對(duì)暫降區(qū)段其余的特征量進(jìn)行全面準(zhǔn)確描述[8]。

表9 壓裂液配方優(yōu)化正交實(shí)驗(yàn)Tab.9 Orthogonal experiment of fracturing fluid formula optimization

最終的低傷害壓裂液配方：0.4% 胍膠+0.3%殺菌劑+0.5% 黏土穩(wěn)定劑+0.1%～0.3% 助排劑+0～0.5%增效劑+0.15%碳酸鈉+0.3%納米封堵劑。

3 納米封堵型低傷害壓裂液室內(nèi)評(píng)價(jià)

3.1 流變性能

向基液中加入0.3% 納米封堵劑后，再加入0.4% 延遲交聯(lián)劑（延遲交聯(lián)劑由交聯(lián)主劑SPRA：交聯(lián)輔劑SPRB=10：1 配制），基液30 s 左右起黏，1 min 左右交聯(lián)挑掛。將納米壓裂液凍膠在80°C、170 s-1條件下剪切120 min，終黏度保持在278.7 mPa·s，流變曲線如圖5 所示。

圖5 納米封堵型低傷害壓裂液流變曲線Fig.5 Rheological curve of low damage fracturing fluid with nanometer plugging

對(duì)比納米壓裂液與常規(guī)胍膠壓裂液流變性能，常規(guī)胍膠壓裂液在80°C、170 s-1條件下剪切120 min，終黏度保持在260 mPa·s，結(jié)果表明兩種壓裂液在流變性上差異不大，均能滿足現(xiàn)場(chǎng)施工需求。

3.2 破膠性能

對(duì)比納米封堵型低傷害壓裂液與常規(guī)胍膠壓裂液的破膠性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表10 所示，可以看出，納米封堵型壓裂液破膠液澄清，少見殘?jiān)?。納米封堵型壓裂破膠液的表面張力略低于常規(guī)胍膠壓裂液的表面張力。

表10 納米封堵型壓裂液與常規(guī)壓裂液破膠性能對(duì)比Tab.10 Comparison of gel breaking properties between nano-sized plugging fracturing fluid and conventional fracturing fluid

3.3 傷害性能

圖6 為納米封堵型壓裂液與常規(guī)壓裂液對(duì)致密砂巖巖芯傷害對(duì)比，由圖6 可以看出，常規(guī)胍膠壓裂液破膠液對(duì)砂巖巖芯基質(zhì)的傷害率約為30%左右，納米封堵型壓裂液可將傷害率降低到15% 左右，傷害降低率高達(dá)50%左右。

圖6 納米封堵型壓裂液與常規(guī)壓裂液巖芯基質(zhì)傷害對(duì)比Fig.6 Comparison of matrix damage between nano-sealing fracturing fluid and conventional fracturing fluid

3.4 封堵性能

105°C烘干待測(cè)巖芯，測(cè)定巖芯長(zhǎng)度、直徑、干重、氣測(cè)孔隙度和滲透率基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，選擇滲透率和孔隙度相近的巖芯抽真空，采用20 000 mg/L 標(biāo)準(zhǔn)鹽水（2.0%KCl+5.5%NaCl+0.45%MgCl2+0.55%CaCl2質(zhì)量比）建立初始含水飽和度42.7%（標(biāo)準(zhǔn)鹽水濃度和初始含水飽和度根據(jù)地層情況而定）。選擇GM111 井巖芯開展封堵性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置如圖7所示。向納米胍膠壓裂液和常規(guī)胍膠壓裂液中加入0.3%的示蹤劑，開展兩種壓裂液巖芯傷害對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)后擠壓剖開巖芯，觀察巖芯剖面及稱量巖芯初始濕重和傷害后巖芯濕重，通過對(duì)比巖芯剖面液體侵入深度和侵入液體質(zhì)量，評(píng)價(jià)納米胍膠壓裂液的封堵性能，封堵性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)如圖8 所示。

圖7 壓裂液封堵性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.7 Schematic diagram of experimental device for evaluating plugging property of fracturing fluid

圖8 壓裂液侵入深度對(duì)比Fig.8 Comparison of Penetration Depths of fracturing fluids

從圖8 和表11 的封堵性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，納米胍膠壓裂液比常規(guī)胍膠壓裂液侵入深度減少2.3 cm，進(jìn)液量減少8.9%，具有良好的封堵性能。

表11 傷害后GM111 井巖芯侵入液體質(zhì)量對(duì)比Tab.11 Quality comparison of core invasion fluids in well GM111 after damage

對(duì)納米封堵劑的封堵機(jī)理開展分析，結(jié)果表明，納米封堵劑因比表面積大、水溶液沉降穩(wěn)定性好和表面帶極性電荷的特性，與胍膠競(jìng)爭(zhēng)吸附時(shí)，會(huì)優(yōu)先吸附在巖石表面，能阻止液體大量進(jìn)入巖芯基質(zhì)中，從而降低傷害。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

為驗(yàn)證封堵型納米胍膠壓裂液性能，在川西致密砂巖氣藏開展現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。ZJ125 井是川西拗陷東部斜坡回龍構(gòu)造的一口定向評(píng)價(jià)井。井深2 480～2 507 m，完鉆層位沙溪廟組，壓裂目的層（射孔段2 492～2 498 m），造斜點(diǎn)深度2 095 m，采氣樹選KQ78-70，最大限壓105 MPa，地層溫度在65～68°C。壓裂施工方案的確定主要綜合考慮儲(chǔ)層厚度、孔滲飽、裂縫發(fā)育狀況、井筒工程條件、地面設(shè)備能力等因素，結(jié)合前期施工井分析，確定方案。壓裂方案設(shè)計(jì)參數(shù)如表12 所示。

表12 加砂壓裂工藝設(shè)計(jì)總參數(shù)Tab.12 General parameter table of sand fracturing process design

目的層閉合應(yīng)力61 MPa 左右，同時(shí)考慮儲(chǔ)層厚度及支撐劑沉降，選擇各項(xiàng)性能指標(biāo)都滿足要求的30～50 目承壓69 MPa 的陶粒作支撐劑，以保持長(zhǎng)期導(dǎo)流能力。根據(jù)測(cè)試層目的層溫度，采用納米封堵型低傷害壓裂液，壓裂液設(shè)計(jì)增加KCl 加量至2%，并加入0.5%起泡劑，為降低凝析油傷害，添加防乳化劑?，F(xiàn)場(chǎng)基液配方：0.4% 胍膠+0.5% 殺菌劑+0.5%黏土穩(wěn)定劑+0.5%助排劑+0.5%多功能增效劑+0.15% 碳酸鈉+0.5% 起泡劑+2.0% 氯化鉀+0.3%納米封堵劑+0.3%防乳化劑；基液pH 值為9，黏度36 mPa·s。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)交聯(lián)情況確定延遲交聯(lián)劑（由交聯(lián)主劑SPRA：交聯(lián)輔劑SPRB=5：1 配制）加量0.4%，18 s 起黏，31 s 交聯(lián)成可挑掛凍膠，凍膠攜砂性能好。加砂壓裂施工參數(shù)如表13 所示。

表13 ZJ125 井加砂壓裂施工參數(shù)Tab.13 Well ZJ125 sand fracturing operation parameters

壓后3 h 開井排液，油壓從39.3 MPa 下降到11.69 MPa，排液24 h，油壓降為0。整個(gè)排液過程采用φ3～8 mm 油嘴控制、關(guān)放、氣舉方式開井排液，累計(jì)返排180 h，返排率曲線如圖9 所示，排液563 m3，返排率75.94%，天然氣產(chǎn)量1.647 5×104m3/d。

圖9 ZJ125 井返排率曲線Fig.9 Flowback rate curve of Well ZJ125

5 結(jié)論

（1）致密砂巖儲(chǔ)層低孔、低滲，非均質(zhì)性強(qiáng)，壓裂液在高壓去水化膜作用下，進(jìn)入儲(chǔ)層經(jīng)巖芯剪切后除存在液相水鎖、水敏傷害外，還存在吸附滯留固相傷害。胍膠壓裂液吸附滯留是導(dǎo)致巖芯中壓裂液固相傷害的主要因素之一，胍膠在巖石礦物表面的吸附機(jī)理主要為氫鍵力和靜電作用。

（2）通過分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和正交實(shí)驗(yàn)，研制形成關(guān)鍵處理劑——納米封堵劑。在此基礎(chǔ)上優(yōu)化形成納米封堵型低傷害壓裂液配方，該壓裂液在35～140°C、170 s-1條件下剪切120 min，終黏度大于80 mPa·s；能徹底破膠、殘?jiān)康?，破膠液表面張力為25.91 mN/m，對(duì)致密砂巖巖芯傷害率低于15%，封堵性能及其他綜合性能滿足現(xiàn)場(chǎng)施工要求。

（3）采用該壓裂液在ZJ125 井現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，液體性能良好，施工后液體返排快，返排率高達(dá)75.94%，比鄰井提高47%，天然氣產(chǎn)量1.647 5×104m3/d，是鄰井JS316HF 井產(chǎn)量的兩倍，顯示了其在致密砂巖氣藏中良好的低滯留特性。