長寧區塊頁巖氣壓裂液體系應用分析

吳安林 李 嘉 張曉虎

（中國石油川慶鉆探工程公司井下作業公司 四川 廣漢 618301）

0 引言

長寧頁巖氣區塊主要位于四川省宜賓市珙縣，構造位置為長寧背斜構造中奧陶頂構造南翼，層位為龍馬溪組，主要為黑色頁巖，改造儲層埋藏深度為4000～4700m，水平段長度為1000～1900m；測井解釋平均孔隙度為5.13%、泊松比為0.25、脆性指數為60.5%、黏土含量為20.7%，實驗分析抗壓強度為261.47MPa；彈性模量為3.65×104MPa，最小水平主應力梯度為0.019～0.023MPa／m。為適應長寧區塊儲層物性，壓裂改造工作液主要有常規鹽酸、高效降摩阻降阻水、線性膠以及弱交聯壓裂液。

1 鹽酸預處理原理及應用

頁巖氣主要存在于裂隙和基質組成的雙重介質中，基質間主要通過泥質膠結、硅質膠結、鈣質膠結相連接[1]。鹽酸一方面可以溶解頁巖膠結物和礦物，增加頁巖近井地帶孔隙，同時溝通微裂縫的連通性；另一方面通過破壞巖石結構和弱化彈性模量、泊松比以及巖石抗壓強度來降低巖石的破裂壓力，降低施工泵壓，減少施工高壓風險。

頁巖礦物成分主要為硅酸鹽礦物（石英、正長石、斜長石）和黏土礦物（高嶺石、伊利石、蒙脫石、綠泥石以及微晶二氧化硅等）以及快反應礦物（方解石、白云石、黃鐵礦）[2-4]；鹽酸與快反應礦物發生以下幾種反應，有效溶解快反應礦物。

1）鹽酸與白云巖反應：

根據長寧區塊頁巖儲層礦物含量情況，一般主壓裂前采用15%的常規鹽酸對頁巖進行預處理，同時在酸液中加入由緩蝕劑、助排劑、黏土穩定劑、鐵離子穩定劑組成的酸液體系。從圖1的施工曲線可以看出，用鹽酸進行預處理，地層破裂壓力降低效果顯著。

2 降阻水體系及應用

降阻水壓裂液可以有效降低液體在井筒剪切流動中的黏滯性和漩渦的形成，減小降阻水壓裂液流動過程中的摩擦阻力，從而降低壓裂施工泵注壓力，為大排量施工提供保障。

圖1 長寧區塊鹽酸預處理施工曲線圖

2.1 常規降阻水體系

降阻劑主體成分為高分子聚合物，是通過加入殺菌劑、黏土穩定劑、起泡助排劑后的化學物理作用形成的一種油包水型白色乳狀液。壓裂施工時一定比例的降阻劑與清水混合后可迅速破乳形成具有一定粘度的降阻水。降阻水即配即注，較大量配液減少了勞動強度。降阻水的基本性能如表1所示。

表1 降阻水基本性能表

降阻水降阻率通過大型物模模擬裝置進行測定。其中，流體流量通過渦輪流量傳感器測定，壓差通過壓差變送器測定。通過室內模擬計算，降阻劑加量0.1%，降阻率在70%左右。

降阻率計算式如下[5]75：

式中，DR為降阻率，無量綱；f為直管阻力Fanning摩擦系數，無量綱； f1為清水在管路中的摩擦系數，無量綱；f2為降阻水在管路中的摩擦系數，無量綱；Q為流體流量，m3／s；π為流體流動速度，m／s；Δp為直管阻力壓差，Pa；l為測試管段的長度，m；ρ為流體密度，kg／m3；D為測試管內徑，m。

2.2 抗鹽降阻水體系

平臺井體積壓裂施工時用水量大，要求平臺井附近有豐富的水資源。除此之外，平臺井壓裂完后返排液的處理也是一大難題，處理不當會對環境造成破壞。返排液重復利用于加砂壓裂，既節約了水資源又減少了對環境的破壞。這就要求降阻劑對水質要求低，能適應返排液高礦化度以及各種離子對降阻劑的影響?？果}降阻劑是在常規降阻劑里面加入金屬離子絡合物和離子屏蔽劑，使抗鹽降阻水體系達到施工要求，抗鹽降阻劑由于成本高，目前還沒有大規模推廣使用[5]76?？果}降阻水基本性能如表2所示。

表2 抗鹽降阻水基本性能表

從室內模擬實驗結果看，如圖2所示，在相同的礦化度下，抗鹽降阻劑降阻率明顯優于普通降阻劑，抗鹽降阻劑在不同礦化度下，降阻率始終保持在50%以上。

圖2 不同礦化度下降阻劑的降阻率圖

2.3 降阻水壓裂液在長寧頁巖氣平臺的應用

長寧區塊頁巖氣平臺井采用大規模降阻水體積壓裂的壓裂方式：單井水平段長度為1000～1900 m，分為18～27段，每段使用降阻水壓裂液1800～2000m3，排量為11～14m3／min，砂濃度不超過240kg／m3。平臺實施情況如下：① 在長寧某平臺6口井124段實施大液量、大排量降阻水體積壓裂，施工排量區間為12.5～14.3m3／min，施工壓力區間為55～73MPa，共計使用降阻水207906.6m3，部分施工曲線如圖3所示。從該平臺施工情況看，降阻水的摩阻為5.2～5.5MPa／km，降阻率達到72%～75%。降阻水的使用，降低了管線摩阻，為保持體積壓裂時大排量、大液量施工壓力平穩提供了有力保障。② 在長寧某平臺3口井75段全部使用鄰近平臺井返排液壓裂施工，返排液各項指標檢測結果如表3所示，從檢測結果看，返排液中礦物成分復雜、礦化度高，普通降阻水不能滿足施工條件，因此采用了返排液配制抗鹽降阻水。

圖3 長寧某平臺1井第5段施工曲線圖

表3 長寧某平臺返排液檢測結果表

施工采用大液量、大排量降阻水體積壓裂，施工排量區間為11～14m3／min，施工壓力區間為70～82MPa，最高砂濃度為240kg／m3。結果顯示，抗鹽降阻水摩阻為5.5～6.0MPa／km，降阻率達到68%～70%。另外，抗鹽降阻水使用共計節約清水量為141978m3，保護了當地水資源，為頁巖氣開發環境保護減少了壓力，同時減少了返排液處理費用。部分施工曲線如圖4所示。

圖4 長寧某平臺3井第7段施工曲線圖

3 線性膠／弱交聯壓裂液體系

在頁巖壓裂中，線性膠／弱交聯壓裂液體系主要用于降阻水加砂壓裂結束前清洗井筒，保證井筒清潔，確保橋塞泵送順利[6]。傳統的線性膠／弱交聯壓裂液采用瓜膠體系，但平臺井頁巖壓裂屬于工廠化作業，作業時間長，配液罐長時間使用得不到清潔罐內細菌滋生易導致瓜膠壓裂液在短時間內降解迅速。目前長寧區塊線性膠／弱交聯壓裂液體系采用低分子聚合物體系，主要組成為低分子稠化劑、黏度增強劑、防膨劑，其性能指標如表4所示。

表4 線性膠基本性能表

實驗室結果證明：低分子聚合物體壓裂液體系具有粘度適中、防膨率高、表面張力低和殘渣低的特點；在溫度為110℃、剪切速率為170s-1的條件下，連續剪切90min，粘度為42～62mPa·s，從流變曲線分析，低分子弱交聯液具有較好的粘彈性?，F場應用中，低分子聚合物體系因具有穩定性好、對細菌不敏感，殘渣低、對儲層造成二次傷害小等特點，目前正在長寧區塊推廣使用。

4 結論

1）加砂壓裂之前使用鹽酸對地層進行預處理，能有效溶解近井地帶快反應礦物，降低地層破裂壓力，有效降低施工壓力，減少施工風險。

2）常規降阻劑對水質要求嚴格，價格相對低，要求平臺井附近有充足的水源供應滿足施工要求；抗鹽降阻劑對水質要求低，價格相對昂貴，主要用于返排液的重復利用，節省了返排液的處理費用，同時減少了環境保護壓力。

3）低分子聚合物線性膠／弱交聯液的使用能有效沖洗井筒中的陶粒，保持井筒清潔，為泵槍作業順利提供保障。

4）開發出能同時兼具普通降阻劑和抗鹽降阻劑性能，加大比例后又可以作為線性膠／弱交聯液使用的環境友好型降阻劑是未來加砂壓裂液發展的趨勢。

[1]劉洪，陳喬，王森，等.渝東南下志留統龍馬溪組頁巖礦物成分及脆性特征實驗研究[J].科學技術與工程，2013，13（29）：8567-8571.

[2]鄧燕，薛仁江，郭建春.低滲透儲層酸液預處理降低破裂壓力機理[J].西南石油大學學報：自然科學版，2011，33（3）：125-129.

[3]王云剛，胡永全，趙金洲.酸化預處理降低地層破裂壓力技術研究及應用[J].石油地質與工程，2008，22（1）：84-86.

[4]鄧燕，薛仁江，郭建春.低滲透儲層酸液預處理降低破裂壓力機理[J].西南石油大學學報：自然科學版，2011，33（3）：125-129.

[5]王海燕，邱曉惠，翟文.頁巖儲層壓裂減阻劑減阻機理研究[J]. 鉆井液與完井液，2015，32（4）：81-83.

[6]彭瑀，趙金洲，林嘯，等.頁巖儲層壓裂工作液研究進展及啟示[J]. 鉆井液與完井液，2016，33（4）：8-13.