成育紅，李 鑫，曹朋亮，張 林，鄧寶康

1中國石油長慶油田分公司第五采氣廠 2四川奧吉特油田科技開發(fā)有限公司

0 引言

致密砂巖氣已成為全球非常規(guī)天然氣勘探開發(fā)的重要領(lǐng)域之一，我國的致密砂巖氣主要集中在四川盆地、鄂爾多斯盆地及塔里木盆地[1]。目前水力壓裂是致密砂巖儲層的主要改造措施[2-3]。但由于致密砂巖儲層大多埋藏較深(3 500 m以上)、巖性致密、滲透率低、孔隙度低、非均質(zhì)性強、含氣豐度低等特點，其改造難度大[4-5]。目前長慶油田在鄂爾多斯盆地慶陽氣田深層致密砂巖氣藏進行了改造，采用水平井分段壓裂技術(shù)，主要的壓裂液采用聚合物凍膠，一直未取得較好的開發(fā)效果[6]。為了提高慶陽油田的產(chǎn)量，擬定采用大排量、大液量、低砂比的體積壓裂改造思路。為此，一種具有良好耐鹽性、減阻性能、攜砂性能、低損害性能的壓裂液是實現(xiàn)致密儲層體積壓裂改造的關(guān)鍵。因此，本文開展了聚合物減阻劑P-FMA(以下簡稱P-FMA)合成研究，并考察了P-FMA的各項性能。

1 實驗部分

1.1 主要的實驗試劑和儀器

引發(fā)劑主要為偶氮二異丁基脒鹽酸鹽(AIBA)、偶氮二異丁咪唑啉鹽酸鹽(AIBI)、偶氮二氰基戊酸(ACVA)，上海吉至生化科技有限公司；十八烷基丙烯酯、丙烯酰氧乙基二甲基長鏈烷基銨、甲基丙烯酸十二氟庚酯，廣州遠達新材料有限公司；丙烯酸(AA)、丙烯酰胺(AM)、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)、過硫酸銨、亞硫酸氫鈉，天門恒昌化工有限公司；40/70目卡博陶粒，美國卡博公司。Anton Paar流變儀，賽恩斯儀器。

1.2 合成方法

合成方法：①稱取一定量的AM、AA、AMPS、疏水單體置于反應(yīng)容器中，加入一定量蒸餾水和碳酸氫鈉，調(diào)節(jié)溶液pH值為7左右；②向反應(yīng)容器中通入20～30 min氮氣，除去容器中的氧氣；③向反應(yīng)容器中加入水溶性偶氮、過硫酸銨、亞硫酸氫鈉等引發(fā)劑，在恒定溫度下反應(yīng)一段時間，最終得到聚合物粗產(chǎn)物；④用乙醇對反應(yīng)產(chǎn)物進行清洗，將清洗后產(chǎn)物置于70 ℃烘箱下進行烘干，最后進行研磨加工得到聚合物減阻劑P-FMA干粉。

2 聚合物減阻劑的研制

2.1 疏水單體的優(yōu)選

經(jīng)過調(diào)研，當(dāng)AM:AA:AMPS=14:5:1時，得到的聚合物耐鹽性好[7]，以此作為合成反應(yīng)的初始條件。在單體總濃度占反應(yīng)溶液質(zhì)量濃度20%，引發(fā)劑(過硫酸銨/亞硫酸氫鈉)加量占單體質(zhì)量濃度0.12%，引發(fā)溫度25 ℃條件下，研究疏水單體對P-FMA性能的影響。由表1可知，加入0.25%丙烯酰氧乙基二甲基長鏈烷基胺的聚合物具有更大的黏度，且溶解時間更短，因此，優(yōu)選疏水單體為丙烯酰氧乙基二甲基長鏈烷基胺。由圖1可知，隨著疏水單體濃度由0.2%增加至0.4%，聚合物的黏度呈先增加后減小趨勢，當(dāng)疏水單體濃度為0.3%時，聚合物黏度最大。這主要是因為當(dāng)疏水單體濃度較低時，疏水側(cè)鏈的疏水作用較弱，聚合物分子鏈容易纏繞卷曲，導(dǎo)致黏度較低。當(dāng)疏水單體濃度過高時，疏水單體的作用過強，造成聚合物溶解性降低，致使聚合物黏度降低[8]。最終優(yōu)選疏水單體的最佳濃度為0.3%。

表1 疏水單體對黏度的影響

圖1 疏水單體丙烯酰氧乙基二甲基長鏈烷基胺的濃度對聚合物減阻劑黏度的影響

2.2 單體總濃度

在疏水單體占單體濃度0.3%，AM:AA:AMPS=14:5:1，引發(fā)劑(過硫酸銨/亞硫酸氫鈉)加量占單體濃度0.12%，引發(fā)溫度25 ℃條件下，研究單體總濃度對P-FMA性能的影響。由圖2可知，當(dāng)單體濃度由12%增加至24%，P-FMA水溶液表觀黏度不斷增大，當(dāng)單體總濃度大于24%后，溶液隨著濃度增加P-FMA黏度不斷減小。這主要是因為，當(dāng)單體濃度較低時，分子的接觸幾率較低，形成的聚合物分子量較低，導(dǎo)致黏度較低。當(dāng)單體總濃度較高時，會造成聚合物體系局部溫度過高，局部合成速度加快，導(dǎo)致分子支化嚴重，鏈間容易交聯(lián)，降低P-FMA的溶解性，黏度下降[9-10]。最終優(yōu)化單體總濃度為24%。

圖2 單體總濃度對聚合物減阻劑黏度的影響

2.3 引發(fā)劑優(yōu)選

在單體總濃度為24%，疏水單體占單體濃度0.3%，AM:AA:AMPS=14:5:1，引發(fā)溫度25 ℃條件下，研究引發(fā)劑對P-FMA性能的影響。由表2可知，常規(guī)過硫酸銨+亞硫酸氫鈉引發(fā)體系形成的聚合物黏度最低，加入不同水溶性偶氮后聚合物黏度得到較好的提高。這主要是因為加入偶氮后，體系會進行Ⅱ級引發(fā)，進一步促進聚合反應(yīng)進行，提高聚合物黏度[11]。采用體系3的引發(fā)劑合成的聚合物黏度最大(42.9 mPa·s)，最終優(yōu)選引發(fā)劑體系為過硫酸銨+亞硫酸氫鈉+AIBA。由圖3可知，當(dāng)引發(fā)劑濃度逐漸增大時，聚合物溶液黏度先增加后減小。引發(fā)劑會產(chǎn)生自由基，引發(fā)劑濃度過高產(chǎn)生的自由基越多，伴隨鏈終止反應(yīng)速度增加，造成分子量降低，導(dǎo)致黏度降低。當(dāng)引發(fā)劑濃度較低時生成的聚合物單體有限，造成黏度低[12]。優(yōu)選最佳引發(fā)劑濃度為0.16%。

表2 引發(fā)體系的影響

圖3 引發(fā)劑濃度對聚合物黏度的影響

2.4 引發(fā)溫度

在單體總濃度為24%，疏水單體占單體濃度0.3%，AM:AA:AMPS=14:5:1，引發(fā)劑濃度0.16%條件下，研究反應(yīng)溫度對P-FMA性能的影響。由圖4可知，隨著溫度由10 ℃增加至30 ℃，聚合物溶液的黏度不斷增大，但當(dāng)溫度由30 ℃增加至35 ℃時，聚合物溶液的黏度略有下降。溫度較低時，引發(fā)效率低，不利于聚合物鏈生長；當(dāng)反應(yīng)溫度較高時，引發(fā)劑分解速率增加，會較大提高鏈終止速度，造成聚合物分子鏈相對較小。優(yōu)化最佳引發(fā)溫度為30 ℃。

圖4 引發(fā)溫度對聚合物減阻劑黏度的影響

3 壓裂液性能評價

3.1 耐鹽性

在聚合物質(zhì)量濃度為0.35%，30 ℃條件下，研究不同礦化度下P-FMA和常規(guī)聚丙烯酰胺類聚合物的黏度變化。由圖5可知，隨著礦化濃度的增加，常規(guī)聚合物和P-FMA的黏度均不斷減小。但在相同礦化度條件下，與常規(guī)聚合物壓裂液相比，P-FMA黏度更大，表明P-FMA具有更好的耐鹽性。

圖5 耐鹽性能評價

3.2 降阻率

在溫度為30 ℃，管柱直徑為76 mm條件下，研究了不同聚合物在不同排量下的降阻率變化。研究表明，隨著排量的增加，常規(guī)聚合物和P-FMA的降阻率均不斷增大，相同排量下，P-FMA的降阻率更大。這可能是由于疏水單體的作用能有效地保持聚合物分子鏈的舒展，同時高剪切條件下，疏水基團的締合作用，能較好防止鏈的斷裂。

圖6 降阻率性能評價

3.3 攜砂性能

在溫度為30 ℃，稠化劑濃度為0.35%，支撐劑粒徑為40/70目條件下測試不同聚合物壓裂液的攜砂性能。由表3可知，P-FMA壓裂液中支撐劑的沉降速度為0.48 mm/s，明顯小于普通聚合物壓裂液中支撐劑沉降速度。同時P-FMA的彈性模量更大(0.92 Pa)，這主要是因為P-FMA的疏水基團及其支鏈相互締合，形成結(jié)構(gòu)強度更大的聚合物，表明P-FMA具有良好的攜砂性。

表3 不同壓裂液攜砂性能對比

3.4 損害性能

在溫度30 ℃，稠化劑濃度為0.35%，鋪砂濃度為10 kg/m3條件下，測試不同聚合物壓裂液對導(dǎo)流能力的影響。由圖7可知，隨著閉合壓力增加，P-FMA和常規(guī)聚合物的導(dǎo)流能力呈不斷下降趨勢，損害率呈不斷增大趨勢。其中P-FMA和常規(guī)聚合物的最大損害率分別為16.9%、18.2%，均小于20%，表明P-FMA和常規(guī)聚合物壓裂液對儲層的損害率較小。

圖7 導(dǎo)流能力及損害率評價

4 改造效果

長慶油田慶陽氣田屬于超低孔、超低滲的致密砂巖儲層，前期采用常規(guī)聚合物凍膠進行水平井分段壓裂，但改造效果相對較差。因此采用密切割方式將單井平均改造段數(shù)由12.1提高至15.8，采用減阻劑P-FMA代替常規(guī)壓裂凍膠，壓裂前期采用30～40 mPa·s的較高黏度壓裂液，以6～8 m3/min排量進行壓裂施工，以造主縫為主，加砂階段采用5～10 mPa·s的較低黏度壓裂液，以10～12 m3/min的排量進行施工，以造支縫為主。如表4，減阻劑P-FMA在慶陽氣田進行了5口井施工，單井平均產(chǎn)量由5.35×104m3/d提高至10.32×104m3/d，并且平均單段產(chǎn)量由0.48×104m3/d提高至0.65×104m3/d，取得了良好的改造效果。

表4 慶陽氣田壓裂效果對比分析

5 結(jié)論

(1)本文通過優(yōu)化合成了性能良好的聚合物減阻劑P-FMA，最佳的合成條件為：AM:AA:AMPS=14:5:1，疏水單體選用丙烯酰氧乙基二甲基長鏈烷基銨，最佳濃度為0.3%，單體總濃度為24%，引發(fā)劑優(yōu)選過硫酸銨+亞硫酸氫鈉+AIBA，最佳濃度為0.16%，引發(fā)溫度30 ℃。

(2)合成的聚合物減阻劑P-FMA與常用的聚合物壓裂液相比，具有更好的耐鹽性，更高的降阻率，更好的攜砂性，對儲層的損害較小，損害率均小于20%。

(3)針對致密砂巖儲層，采用大排量、大液量、低砂比的改造思路，加砂階段壓裂液黏度主要選用5～10 mPa·s的低黏液體，主要施工排量為10～12 m3/min，單井產(chǎn)量由5.35×104m3/d提高至10.32×104m3/d，單段產(chǎn)量由0.48×104m3/d提高至0.65×104m3/d，該技術(shù)在慶陽氣田取得了良好的增產(chǎn)效果。