多元改性速溶胍胶压裂液研究与应用
刘立宏 , 王娟娟, 高春华    
中国石化东北油气分公司工程技术研究院, 吉林长春 130062
摘要:为克服传统胍胶压裂液溶胀速度慢、现场配制时间长、破胶后残渣含量高等缺点,研制了一种多元改性速溶胍胶压裂液.在清水中加入一定量的羧甲基和羟丙基双改性胍胶及杀菌剂、黏土稳定剂、交联剂等处理剂,配制得到多元改性速溶胍胶压裂液.室内试验表明,该压裂液溶胀速率快,1 min溶胀率已达到3 min溶胀率的94.7%,溶胀速度较羟丙基速溶胍胶压裂液提高了18.75%;水不溶物含量极少,较羟丙基速溶胍胶压裂液降低了88.46%;破胶后的残渣含量降低超过71.0%,对支撑剂导流能力的伤害降低了62.0%,对岩心渗透率的伤害降低了53.8%,其综合性能达到现场施工要求.现场应用表明,多元速溶改性胍胶压裂液能够满足大规模水平井压裂施工的要求,并能为低渗透、特低渗透储层的有效开发提供技术支撑.
关键词改性胍胶    多元    速溶    压裂液    
Research and Application of a Multicomponent Modified Instant Guar Fracturing Fluid
Liu Lihong , Wang Juanjuan, Gao Chunhua    
Research Institute of Engineering Technologh, Sinopec Northeast Petroleum Company, Changchun, Jilin, 130062, China
Abstract:Traditional guar fracturing fluid is disadvantageous because of its characteristics of slow swelling, long on-site preparation times, and high residue content after gel breaking. In order to overcome the problems, a certain quantityof double modified carboxymethyl + hydroxypropyl guanidine gum and other additives (e.g. bactericide, clay stabilizer, and crosslinker) were added in water, making its comprehensive performance to meet the site construction requirements. Thus, a multicomponent modified instant guar fracturing fluid system was developed. The new fracturing fluid system had a fast swelling rate, reaching more than 94.7% final viscosity in one minute, and a low water insoluble matter content, it was lowered by 88.46% than the hydroxypropyl guar; the residue content reduced by 71.0%, the flow conductivity of propping agent damage dropped by 62.0% and the core permeability decreased by 53.8%. Laboratory tests and site operations demonstrated that the multicomponent modified instant guar fracturing fluid could satisfy the online mixing requirements of the large-scale fracturing operation used in horizontal wells, and could provide technical support for the effective development of low permeability reservoir.
Key words: modified guar    multicomponent    instant    fracturing fluid    

随着油气勘探开发程度的不断提高,常规油气产量不断下降,低渗透油气田的开发逐渐成为新热点。目前探明未动用石油地质储量中低渗透储量所占比例高达60%以上,压裂改造成为提高低渗透储量动用率的重要措施,其中水平井分段压裂的改造方式是低渗透、特低渗透储层提高单井产能的有效手段[1, 2, 3, 4, 5]。随着水平井压裂技术的广泛应用,大规模、大排量压裂施工对压裂液的性能提出了更高的要求。目前国内所应用的胍胶压裂液大多存在残渣含量高、溶胀速度慢等缺点,不但造成大规模压裂的施工周期较长,还严重影响了压裂效果[6]。针对胍胶溶胀速度慢、压裂液配制时间长的缺点,银本才等人[7]在普通胍胶中加入悬浮稳定剂、醇类助剂和表面活性剂类胶体组成了相对稳定的速溶胍胶;刘洪升等人[8]对胍胶进行了化学改性,在其中的水不溶物和分子量较大的半乳甘露聚糖上引入新的化学基团,增加其水合能力,合成了低残渣改性胍胶。但是,对于低残渣、速溶多元改性的胍胶压裂液,目前国内还未见报道。为此,笔者采用多元改性速溶胍胶研制了一种溶胀速度快、可满足在线配液且低残渣、低伤害的胍胶压裂液,以期为大规模水平井压裂施工及低渗透、特低渗透储层的有效开发提供技术支撑。

1 多元改性速溶胍胶压裂液的配制

稠化剂的性能决定了压裂液的最终性能,因此,稠化剂是压裂液中关键的处理剂。羧甲基羟丙基双改性胍胶是一种新型改性胍胶稠化剂,具有水不溶物含量低、溶解速度快等优点。采用该稠化剂配制压裂液,有望克服传统胍胶压裂液存在的溶胀速度慢、现场配制时间长、破胶后残渣含量高等缺点。

1.1 处理剂及仪器

处理剂:羟丙基速溶胍胶(一级,北京宝丰春石油技术有限公司生产);多元改性速溶胍胶(中国石化东北油气分公司石油工程技术研究院自制,为使溶解速度更快、残渣含量更低,多元改性速溶胍胶采用羧甲基和羟丙基双取代制备);交联剂GCY-01(中国石化东北油气分公司石油工程技术研究院自制);氢氧化钠,氯化钾,分析纯;黏土稳定剂AS-6;助排剂DB-80。

仪器:德国Haake RS6000流变仪,测试温度20~200 ℃;美国OFITE变频高速搅拌器;青岛胶南分析仪器厂生产的六速旋转黏度计;山东中石大石仪科技有限公司生产的导流能力测试仪;海安石油科研仪器有限公司生产的致密岩心孔渗联测仪。

1.2 胍胶基液的制备

参照石油天然气行业标准《水基压裂液性能评价方法》(SY/T 5107—2005)[9],在OFITE搅拌器中加入1 000 mL蒸馏水,加入1 g杀菌剂,在1 500~2 000 r/min转速下缓慢加入3.5~5.5 g多元改性速溶胍胶(或羟丙基速溶胍胶),然后,将转速调至(2 500±200)r/min搅拌5 min,再加入10 g黏土稳定剂并继续搅拌,搅拌均匀后倒入2 000 mL烧杯中,待用。

1.3 压裂液冻胶的制备

参照文献[9],在250 mL烧杯中加入制备好的胍胶基液100 mL,用NaOH溶液将其pH值调至10~11,用移液管加入3~5 mL交联剂GCY-01,用玻璃棒不断搅拌,直至形成可挑挂冻胶。

2 性能评价

参照文献[9],对多元改性速溶胍胶压裂液的溶胀性、耐温耐剪切性、降摩阻性、破胶性、残渣含量和伤害性等6方面进行试验评价,考察该压裂液的基本性能。

2.1 溶胀性

在OFITE搅拌器中加入1 000 mL蒸馏水,在1 500~2 000 r/min转速下均匀、快速加入4 g多元改性速溶胍胶或羟丙基速溶胍胶,搅拌均匀后倒入烧杯中静置。每隔一段时间测定一次溶液的黏度,直至黏度保持恒定。将某时间的黏度除以最终稳定的黏度,所得数值即为该时间胍胶的溶胀率。溶胀率试验结果见表1

表1 溶胀性能对比 Table 1 Swelling performance comparison
胍胶类型 溶胀率,% 水不溶物
含量,%
1 min 3 min
羟丙基速溶胍胶 60 80 6.50
多元改性速溶胍胶 90 95 0.75

表1可知,多元改性速溶胍胶的溶胀速度快,1 min溶胀率已达到高3 min溶胀率的94.7%;该胍胶溶胀速度较羟丙基速溶胍胶提高了18.75%,不溶物含量较羟丙基速溶胍胶降低了88.46%。

2.2 耐温耐剪切性

按照“1.2节”方法配制稠化剂质量分数为0.55%的多元改性速溶胍胶溶液,将该胍胶溶液用交联剂GCY-01交联,用Haake RS6000流变仪测量冻胶在155 ℃、170 s-1条件下的流变性能,结果见图1

图1 0.55% 多元改性速溶胍胶在155 ℃、170 s-1条件下的流变曲线 Fig.1 Flow curves of 0.55% multicomponent modified instant guar at 155 ℃ and 170 s-1

图1可以看出,多元改性速溶胍胶压裂液在升温过程中逐渐交联,黏度随温度升高逐渐上升,温度达到设定的155 ℃时,压裂液黏度也达到最高;然后温度恒定,黏度随剪切时间增长出现下降,但最终保持在一个相对较高的稳定值。这说明该压裂液具有良好的交联和耐温耐剪切性能。

2.3 降摩阻性能

使用室内管路摩阻测试系统,对3种常用的压裂液体系进行了不同排量下的管路摩阻测试。将测试排量换算成ø76.2 mm油管排量,得到不同压裂液体系在不同排量下的降阻率,结果见表2

表2 管路摩阻试验结果 Table 2 Results of pipe friction test
剪切速
率/s-1
折算ø76.2 mm
油管排量/
(m3·min-1)
降阻率,%
缔合
聚合物
羟丙基速
溶胍胶
多元改性
速溶胍胶
3 000 4.0 32.4 10.8 28.6
3 500 4.5 46.5 24.9 42.7
4 000 5.0 53.7 34.3 49.8

表2可知,多元改性速溶胍胶压裂液有较强的弹性效应和良好的降阻效果,且降阻率随排量增大而增大。

2.4 破胶性能

取“1.3节”制备的冻胶,分别加入质量分数为0.01%和0.03%的过硫酸铵,进行不同温度下的破胶试验,测量不同破胶时间下压裂液的黏度,结果如表3所示。

表3 破胶试验结果 Table 3 Results of gel breaking test
破胶温
度/℃
过硫酸铵
质量分
数,%
不同破胶时间时的黏度/(mPa·s)
0 min 30 min 60 min 90 min 120 min 180 min
600.01 540 375 216 72 18 2
0.03 540 312 183 54 6 1
80 0.01 540 330 180 63 15 2
0.03 540 282 145 21 3 1
100 0.01 540 320 135 48 3 1
0.03 540 211 72 12 2 1
120 0.01 682 372 204 98 10 2
0.03 682 303 160 35 1 1

表3可知,压裂液在不同温度和破胶剂加量下,2 h内破胶性能良好,3 h后完全破胶,破胶液黏度降至最低。所以,通过调节破胶剂加量,压裂液既能满足压裂的施工要求,同时也能很好地破胶返排,降低未破胶胶液对地层的伤害。

2.5 残渣含量

取用“1.3节”配制的不同浓度多元改性速溶胍胶压裂液冻胶,加入0.03%过硫酸铵后在80 ℃下破胶3 h,冷却后测量破胶液的残渣含量,并与相同浓度羟丙基速溶胍胶压裂液进行对比,结果见表4

表4 残渣含量测试 Table 4 Results of residue content test
稠化剂
用量,%
残渣含量/(mg·L-1) 降低
率,%
多元改性速溶胍胶 羟丙基速溶胍胶
0.30 32 203 84.2
0.35 54 269 79.9
0.40 94 410 77.1
0.45 124 543 77.2
0.50 220 758 71.0

表4可知,相比羟丙基速溶胍胶,多元改性速溶胍胶压裂液破胶液的残渣含量降低71.0%以上,最高降低84.2%,体现出压裂液的低伤害性。

2.6 伤害性

参照文献[9],选用十屋油田营城组岩心,在80 ℃温度下测定不同压裂液体系的岩心渗透率伤害和支撑剂导流能力伤害情况,结果见表5

表5 伤害性评价结果 Table 5 Results of formation damage evaluation
压裂液 岩心渗透率/mD 岩心渗透率
伤害率,%
支撑剂
导流能力
伤害率,%
伤害前 伤害后
羟丙基速溶胍胶 0.625 0.438 29.9 35.0
羟丙基胍胶 0.407 0.296 27.3 30.0
多元改性速溶胍胶 0.720 0.621 13.8 13.3

表5可知,多元改性速溶胍胶压裂液对支撑剂导流能力的伤害率为13.3%,对岩心渗透率的伤害率为13.8%;与普通羟丙基速溶胍胶相比,导流能力伤害率降低了62.0%,岩心渗透率伤害率降低了53.8%,明显低于常规压裂液对基质的伤害。试验结果表明,多元改性速溶胍胶压裂液伤害小,是一种很好的低伤害压裂液体系。

3 现场应用

松南气田YD3HF井采用多元改性速溶胍胶压裂液进行了大型压裂施工,施工目的层为登娄库组,垂深3 500.00 m,水平段长1 200.19 m,井温132 ℃,储层渗透率0.5 mD,孔隙度3.8%,采用“裸眼封隔器+预支滑套”完井,分10段压裂。其中,第1段的压裂施工曲线如图2所示。

图2 YD3HF井第1段压裂施工曲线 Fig.2 Curve of Stage 1 fracturing in Well YD3HF

该井共泵入压裂液4 484 m3,加陶粒367.9 m3,施工成功率100%,压裂后日产气量10.9×104 m3,而邻井采用普通胍胶压裂液施工后平均日产气量3.0×104 m3,可见增产效果显著。

截至目前,松南气田使用多元改性速溶胍胶压裂液共施工7井次,其中水平井4井次36段,直井3井次,施工成功率90%。该油田采用其他压裂液的平均施工成功率仅为75%,可见采用多元改性速溶胍胶压裂液提高了压裂成功率。

4 结 论

1) 多元改性速溶胍胶的溶胀速度较羟丙基速溶胍胶提高了18.75%,不溶物含量较羟丙基速溶胍胶降低了88.46%,性能提升显著。

2) 多元改性速溶胍胶压裂液抗温范围广,抗剪切性能良好,交联及破胶时间可控,对支撑剂导流能力和岩心渗透率的伤害率都比普通羟丙基速溶胍胶低,是一种优良的低伤害压裂液。

3) 多元改性速溶胍胶压裂液能满足水平井大型压裂施工要求。

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文章信息

刘立宏, 王娟娟, 高春华
Liu Lihong, Wang Juanjuan, Gao Chunhua
多元改性速溶胍胶压裂液研究与应用
Research and Application of a Multicomponent Modified Instant Guar Fracturing Fluid
石油钻探技术, 2015, 5(03): 116-119
Petroleum Drilling Techniques, 2015, 5(03): 116-119.
http://dx.doi.org/10.11911/syztjs.201503021

文章历史

收稿日期:2015-02-01
改回日期:2015-04-25

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