乌夏断裂带二叠系风城组油藏压裂返排异物成因分析及对策

王佳,黄波,汪志臣

高涵,杨丹 (中石油新疆油田分公司工程技术研究院,新疆克拉玛依834000)

乌夏断裂带二叠系风城组油藏压裂返排异物成因分析及对策

王佳,黄波,汪志臣

高涵,杨丹 (中石油新疆油田分公司工程技术研究院,新疆克拉玛依834000)

针对新疆油田准噶尔盆地乌夏断裂带二叠系风城组油藏压裂返排出现返胶和返排异物的情况进行了研究和成因分析。研究发现返排异物为胍胶和无机盐的混合物,返排液碱性强,且富含地层矿物离子。分析原因是由于地层矿物离子极易溶于胍胶冻胶中,导致胍胶压裂液冻胶脱水,溶解的CO23-,HCO3-增强了压裂液的碱性环境,胍胶基液与地层中的交联离子作用加强了交联结构使得压裂液不能完全破胶。根据返胶及返排异物成因分析,研究开发了酸性疏水缔合聚合物压裂液体系,并现场实施9井次,压后无返胶和返排异物情况出现。

压裂;胍胶压裂液;返胶;云质岩;酸性压裂液

新疆油田准噶尔盆地西部隆起乌夏断裂带二叠系风城组油藏为断鼻构造控制下的层状岩性油藏,储层岩性主要为云质泥岩、泥质云质岩,其次为凝灰质泥岩、凝灰质云质岩、硅硼钠石岩、硅质岩,夹薄层状泥晶灰岩、粉砂岩及砂岩等。油层属于特低孔特低渗差储集层,局部发育高孔中渗储层[1]。

有机硼交联胍胶压裂液体系在新疆油田各油藏区块的压裂改造中已使用千余井次,压裂液体系成熟,但在乌夏断裂带二叠系风城组油藏使用后出现返胶,返排异物堵塞油嘴,油压下降快,返排困难等现象,笔者研究了返排异物的成分并分析了该异物形成的原因,研制出酸性疏水缔合聚合物压裂液体系并现场实施,取得成功。

1 返排情况

乌夏断裂带二叠系风城组油藏压裂改造采用有机硼交联胍胶压裂液体系共实施6口井17井次,均不同程度地出现返胶现象,返排液黏度50～120mPa·s,远大于SY/T 6376—2008标准中压裂液破胶液黏度小于5m Pa·s的要求。返排液p H值为9～10.5;同时产生返排异物堵塞油嘴,油压下降快,返排率不足20%,返排困难。

2 返排异物成分分析

将返排异物进行烘干处理,测其含水率为95%～98%。将烘干后的返排异物与胍胶粉进行红外波谱对比分析(图1),在3400、1658、1463、1250、1020cm-1处与胍胶的特征吸收峰一致[2],表明返排异物含有胍胶物质,返排异物的最强吸收峰在1113cm-1处,该峰宽且高,表明含有过硫酸盐类无机物质。因此返排异物为胍胶与过硫酸盐类等无机盐混合物。

将返排异物放入体积分数5%盐酸溶液中,异物周围形成大量气泡 (图2),表明异物中含有能与盐酸发生反应并产生气体的离子,如CO2-3,HCO-3等,同时异物不断溶解,直到全部消失,烧杯底部变浑浊。故返排异物成分主要是含CO2-3,HCO-3的溶液,占95%以上,其余为胍胶与过硫酸盐类等无机盐混合物,仅占2%～5%。

图1 返排异物与胍胶粉红外波谱分析

图2 返排异物与体积分数5%盐酸溶液反应结果

3 成因分析

乌夏断裂带二叠系风城组油藏压裂所用配方为有机硼交联胍胶压裂液体系,在室内试验中设定储层平均温度95℃,加入质量分数0.005%的破胶剂,2h破胶后黏度小于5.0mPa·s。压裂施工过程中,考虑温度场及压后快速返排的工艺要求,破胶剂加入质量分数为0.01%,正常情况下压裂液可完全破胶水化,因此出现返胶及返排异物的情况可以排除压裂液自身的问题[3],主要是受地层矿物岩心及地层水对压裂液的影响。

3.1 岩心矿物分析

将乌夏断裂带二叠系风城组岩心与胍胶原液混合进行试验,试验现象见图3,岩心与胍胶原液发生自交联 (具有弹性),表明岩心中含有与胍胶发生交联的金属或非金属离子[4～6],且岩心中的交联离子已达到胍胶成胶时所需的浓度。

将乌夏断裂带二叠系风城组油藏岩心进行矿物分析 (表1),分析发现矿物离子中含有可与胍胶基液发生交联反应的金属离子或非金属离子,如铝、钛、硼、锆、铬等。

图3 岩心与胍胶原液发生交联反应

表1 乌夏断裂带二叠系风城组油藏岩心矿物分析

3.2 地层水样分析

将乌夏断裂带二叠系风城组地层水与胍胶压裂液破胶液进行离子分析 (表2)。当压裂液进入地层后,大量地层离子溶入压裂液中,导致返排液矿化度高,将胍胶压裂液放入到地层水中后,导致压裂液脱水而形成 “蛋花状”(图4)。地层水属于中强碱性环境,这是金属交联离子与胍胶压裂液发生交联的p H值环境,且地层水中B+质量浓度高,当胍胶压裂液与少量地层水混合后,形成交联冻胶结构(图5),而胍胶压裂液破胶液加入到压裂液中难以再次交联。

表2 胍胶压裂液破胶液与地层水的对比分析

根据上述分析,以下2方面的原因导致了乌夏断裂带二叠系风城组油藏压裂施工后返排过程中出现返胶和异物:①施工过程中添加的破胶剂量足够,正常情况压裂液可以破胶水化,但地层中的CO2-3、HC溶于压裂液中使得压裂液的碱性环境加强,与溶于压裂液中的交联离子共同作用使破胶剂量不足,而使压裂液在地层中未完全破胶;②油藏岩心矿物和地层水中的矿物离子极易在压裂液破胶之前溶于压裂液中并夺取其水分,而使压裂液未完全破胶水化,则未完全破胶水化的压裂液冻胶是返排异物的主要成分。

图4 压裂液在地层水中的形态

图5 压裂液与地层水混合后照片

4 对策研究

根据成因分析,研究开发出新型的酸性疏水缔合聚合物清洁压裂液体系[7]。该体系采用疏水缔合聚合物与有机锆交联剂在酸性条件下(p H值＜5)成胶,避免了在碱性环境与地层中的金属或非金属离子发生交联的可能性。该压裂液体系抗高矿化度,放入乌夏断裂带二叠系风城组地层水中无脱水现象。地层温度90℃时,剪切速率170s-1,剪切60min时黏度大于100m Pa·s (图6),表明具备良好的耐温耐剪切性能。

图6 酸性疏水缔合聚合物压裂液耐温耐剪切曲线

5 现场实施

酸性疏水缔合聚合物压裂液在乌夏断裂带风城组油藏压裂施工共实施9井次,压后效果统计见表3,压后破胶液平均黏度2.71mPa·s,p H值为8～9,表明中和了部分地层的碱性环境,同时压后无返胶及出现返排异物等情况。

表3 酸性疏水缔合聚合物压裂液施工统计

6 结论

1)新疆油田乌夏断裂带二叠系风城组油藏压裂后返排出现的异物中主要为CO2-3、HCO-3溶液,占95%以上,其余为胍胶与过硫酸盐类等无机盐混合物,占2%～5%。

2)新疆油田乌夏断裂带二叠系风城组油藏岩心含有大量与胍胶基液发生自交联的金属与非金属离子,同地层水的中强碱性和高矿化度环境共同作用导致了压裂返排出现返胶和返排异物的情况。

3)开发研究的酸性疏水缔合聚合物压裂液体系通过在酸性环境与有机锆交联,可在高矿化度环境下不发生脱水,在现场成功实施9井次,均无返胶和返排异物出现。

[1]王卓飞,常秋生,白新民.风城地区风城组储层及潜在敏感性特征[J].新疆石油学院学报,2003,15(3):11～12.

[2]赵建波,沈一丁,王磊,等.疏水改性胍胶稠化剂的制备及结构与性能的相关性[J].高分子材料科学与工程,2011,27(10): 58～61.

[3]怡宝安,郑克祥,袁文义,等.乌—夏地区二叠系风城组加重压裂液研究应用及现场问题分析[J].新疆石油天然气,2012,8 (增刊):75～81.

[4]王佳,怡宝安,杨文,等.压裂液用硼交联剂作用机理分析[J].精细石油化工进展,2009,10(8):23～26.

[5]王栋,王俊英,刘洪升,等.高温低伤害的有机硼锆CZB-03交联羟丙基瓜尔胶压裂液研究[J].油田化学,2004,21(2):116～119.

[6]卿鹏程.有机钛PG-500交联羟丙基瓜尔胶压裂液[J].油田化学,1999,16(3):224～227.

[7]怡宝安,罗兆,李胜伟,等.一种酸性疏水缔合物压裂液的应用研究[J].油田化学,2012,29(4):407～410.

[编辑] 帅群

TE357.12

A

1000-9752(2014)12-0200-04

2014-03-25

王佳(1982-),男,2005年大学毕业,硕士,工程师,现主要从事压裂酸化研究工作。