何定凱
(吉林油田采油工藝研究院,吉林松原 138000)
乾安油田具有低孔、低滲、低豐度特征,單井自然產(chǎn)能低,絕大多數(shù)油井都需要壓裂改造才能獲得高產(chǎn)。2011年起國內(nèi)外胍膠價格猛漲,制約了吉林油田壓裂施工的順利進(jìn)行。為此,開發(fā)了羧甲基香豆膠壓裂液。
香豆膠外觀為淡黃色粉末,含有87.03%的膠質(zhì)(半乳甘露聚糖),有較強(qiáng)的耐熱穩(wěn)定性,其分解溫度大于250℃。紅外光譜分析結(jié)果表明,香豆膠分子中半乳甘露聚糖的組成比約為1∶1.2;用黏度計法測得其相對分子質(zhì)量為25×104~30×104。通過化學(xué)改性,在香豆膠分子結(jié)構(gòu)單元(見圖1)中引入羧甲基基團(tuán),可以提高香豆膠的水溶性和穩(wěn)定性,使香豆膠的綜合性能更加優(yōu)異[1-2]。
圖1 香豆膠分子結(jié)構(gòu)單元
羧甲基香豆膠 xy-111,交聯(lián)劑 xy-112,交聯(lián)促進(jìn)劑xy-113,黏土穩(wěn)定劑xy-114,助排劑xy-115,過硫酸銨,均為工業(yè)級。
Haake MARSⅢ流變儀,TDL-5C低速臺式大容量離心機(jī),電熱恒溫三用水箱,電熱恒溫干燥箱,ZKA電動攪拌器,六速黏度計,JYW-200B自動張力儀,YXPXY-HC型高溫高壓膨脹儀。
依據(jù)中國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《SY/T 5107—2005水基壓裂液性能評價方法》和《SY/T 6376—1998壓裂液通用技術(shù)條件》,對羧甲基香豆膠壓裂液性能進(jìn)行全面評價。
用六速旋轉(zhuǎn)黏度計,在100 r/min下測量一定時間內(nèi)0.4%羧甲基香豆膠XY-111溶液的表觀黏度,結(jié)果見圖2。隨著時間延長,羧甲基香豆膠XY-111溶液的表觀黏度增加;當(dāng)溶脹時間為20 min時,其表觀黏度達(dá)到最大,為33 mPa·s,較0.4%羥丙基胍膠壓裂液的表觀黏度低。
圖2 壓裂液基液表觀黏度與時間的關(guān)系曲線
在90℃、170 s-1剪切速率下,剪切90 min后,羧甲基香豆膠壓裂液的表觀黏度為115 mPa·s(見圖3)。根據(jù)《SY/T 6376—1998壓裂液通用技術(shù)條件》中表觀黏度大于50 mPa·s合格,因此,羧甲基香豆膠壓裂液能滿足90℃儲層壓裂攜砂需求。
圖3 壓裂液耐溫耐剪切實驗結(jié)果
壓裂液黏彈性能是評價壓裂液攜砂性能的重要指標(biāo)之一。測量的方法是用流變儀進(jìn)行靜態(tài)剪切速率掃描和動態(tài)頻率掃描。高分子在受到外力作用時,既具有彈性響應(yīng)(即彈性形變),同時也具有黏性響應(yīng)(即黏性流動),這一現(xiàn)象稱之為黏彈性。儲能模量又稱為彈性模量,是指材料在發(fā)生形變時,由于彈性(可逆)形變而儲存的能量,反映的是材料彈性大小。損耗模量又稱黏性模量,是指材料在發(fā)生形變時,由于黏性形變(不可逆)而損耗的能量,反映的是材料黏性大小。代表彈性的儲能模量(G')取決于壓裂液體系的交聯(lián)結(jié)構(gòu),代表黏性的儲能模量(G″)取決于植物膠的基本性能[3-4]。
根據(jù)應(yīng)力和頻率掃描結(jié)果看,0.4%香豆膠壓裂液彈性區(qū)范圍:應(yīng)力0.5 ~2 Pa,頻率 0.1 ~0.4 Hz。測得儲能模量G'=10.5 Pa,耗能模量G″=0.42 Pa,儲能模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于耗能模量,證明該壓裂液是黏彈性體,主要以彈性攜砂為主。
壓裂液靜態(tài)濾失性能是衡量壓裂液效率和在裂縫內(nèi)漏失量的主要指標(biāo)。壓裂液濾失系數(shù)與該液體特性、油層巖性及油層所含流體的特性有關(guān)。壓裂液濾失系數(shù)越低,說明在壓裂過程中其濾失量也越低。因此在同一排量條件下,可以壓出較大的裂縫面積,并將濾失傷害降到最低[5]。
羧甲基香豆膠壓裂液靜態(tài)濾失實驗結(jié)果見表1。其靜態(tài)濾失系數(shù)為6.60 ×10-4m/min0.5,比羥丙基胍膠壓裂液靜態(tài)濾失系數(shù)大。因此,羧甲基香豆膠壓裂液壓裂施工進(jìn)入地層后,濾失大,液體效率較羥丙基胍膠壓裂液低。
表1 靜態(tài)濾失實驗結(jié)果
在一定濃度的100 mL羧甲基香豆膠基液中,加入一定量的過硫酸銨破膠劑,攪拌均勻后加入交聯(lián)劑,配制成壓裂液凍膠。在不同的水浴條件下進(jìn)行靜態(tài)破膠實驗,結(jié)果見表2。羧甲基香豆膠壓裂液凍膠的破膠時間滿足SY/T 6376—2008壓裂液通用技術(shù)條件要求?,F(xiàn)場應(yīng)用時應(yīng)控制破膠劑的添加量,防止水化過快或不破膠。當(dāng)破膠劑過硫酸銨添加量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))達(dá)到0.8‰,膠體性能變差,因此加入量應(yīng)小于0.8‰。在低溫井中壓裂液破膠難度加大,應(yīng)適當(dāng)加入一定量的三乙醇胺。
表2 壓裂液破膠實驗結(jié)果
壓裂施工結(jié)束,壓裂液破膠液返排。由于地層的低滲透性和低孔隙性,毛管力束縛部分水在儲層中,使壓裂液返排困難,對儲層損害更大。侵入基巖的壓裂液會增加水飽和度,降低油氣的相對滲透率,從而造成水鎖。根據(jù)毛管力公式:
式中,Pc為油水間毛細(xì)管力,mN;δ為油水間的界面張力,mN/m;θ為油水間接觸角;γ為毛細(xì)管半徑,m。
因此,降低δ和θ有助于降低毛管力,從而提高壓裂液的返排率。根據(jù)《SY/T 5107—2005水基壓裂液性能評價方法》,將破膠液離心,倒出上層清液進(jìn)行表面張力/界面張力測定。測試結(jié)果為:表面張力 25.93 mN/m,界面張力 1.89 mN/m,接觸角51℃。該壓裂液表面張力、界面張力較低,有助于解除水鎖,有利于壓裂液返排。
乾安油田主力儲層以砂巖為主,其黏土含量一般在10% ~25%,壓裂液進(jìn)入地層,如不進(jìn)行有效的儲層保護(hù),會對儲層傷害特別大。為此,在壓裂液中加入黏土防膨劑,利用黏土表面化學(xué)離子交換的特點,用黏土穩(wěn)定劑改變結(jié)合離子而改變其理化性質(zhì),或破壞其離子交換能力,或破壞雙電層離子氛之間的斥力,達(dá)到防止黏土水合膨脹或分散遷移的效果[6]。
根據(jù)《SY/T 5971—1994注水用黏土穩(wěn)定劑性能評價方法》,通過測定膨潤土粉在水中膨脹體積(V1)和在黏土穩(wěn)定劑溶液中的膨脹體積(V2),評價防膨率(B)。
測試結(jié)果為:羧甲基香豆膠壓裂液防膨率82.75%,能有效保護(hù)儲層,防止壓裂液破膠液對地層的傷害。
目前羧甲基香豆膠壓裂液在乾安油田應(yīng)用3口井,均獲得成功。表3列舉了羧甲基香豆膠壓裂液在乾安油田的應(yīng)用效果。壓裂施工前單井產(chǎn)能低,無法獲得工業(yè)產(chǎn)能;壓裂后單井產(chǎn)能4.87 ~7.22 t/d。
表3 壓裂液在乾安油田應(yīng)用效果
1)羧甲基香豆膠壓裂液耐溫耐剪切性能良好,能滿足90℃儲層壓裂攜砂需求;且為黏彈性體,主要以彈性攜砂為主。
2)羧甲基香豆膠壓裂液壓裂施工進(jìn)入地層后,濾失大,液體效率較羥丙基胍膠壓裂液低。
3)羧甲基香豆膠壓裂液破膠液表面張力,界面張力較低,有助于解除水鎖,有利于壓裂液返排;防膨效果好,能有效保護(hù)儲層,防止壓裂液破膠液對地層傷害。
4)羧甲基香豆膠壓裂液在乾安油田應(yīng)用3口井均獲得成功,壓裂后產(chǎn)能提高。
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