长宁区块页岩气压裂液体系应用分析

吴安林 李 嘉 张晓虎

（中国石油川庆钻探工程公司井下作业公司 四川 广汉 618301）

0 引言

长宁页岩气区块主要位于四川省宜宾市珙县，构造位置为长宁背斜构造中奥陶顶构造南翼，层位为龙马溪组，主要为黑色页岩，改造储层埋藏深度为4000～4700m，水平段长度为1000～1900m；测井解释平均孔隙度为5.13%、泊松比为0.25、脆性指数为60.5%、黏土含量为20.7%，实验分析抗压强度为261.47MPa；弹性模量为3.65×104MPa，最小水平主应力梯度为0.019～0.023MPa／m。为适应长宁区块储层物性，压裂改造工作液主要有常规盐酸、高效降摩阻降阻水、线性胶以及弱交联压裂液。

1 盐酸预处理原理及应用

页岩气主要存在于裂隙和基质组成的双重介质中，基质间主要通过泥质胶结、硅质胶结、钙质胶结相连接[1]。盐酸一方面可以溶解页岩胶结物和矿物，增加页岩近井地带孔隙，同时沟通微裂缝的连通性；另一方面通过破坏岩石结构和弱化弹性模量、泊松比以及岩石抗压强度来降低岩石的破裂压力，降低施工泵压，减少施工高压风险。

页岩矿物成分主要为硅酸盐矿物（石英、正长石、斜长石）和黏土矿物（高岭石、伊利石、蒙脱石、绿泥石以及微晶二氧化硅等）以及快反应矿物（方解石、白云石、黄铁矿）[2-4]；盐酸与快反应矿物发生以下几种反应，有效溶解快反应矿物。

1）盐酸与白云岩反应：

根据长宁区块页岩储层矿物含量情况，一般主压裂前采用15%的常规盐酸对页岩进行预处理，同时在酸液中加入由缓蚀剂、助排剂、黏土稳定剂、铁离子稳定剂组成的酸液体系。从图1的施工曲线可以看出，用盐酸进行预处理，地层破裂压力降低效果显著。

2 降阻水体系及应用

降阻水压裂液可以有效降低液体在井筒剪切流动中的黏滞性和漩涡的形成，减小降阻水压裂液流动过程中的摩擦阻力，从而降低压裂施工泵注压力，为大排量施工提供保障。

图1 长宁区块盐酸预处理施工曲线图

2.1 常规降阻水体系

降阻剂主体成分为高分子聚合物，是通过加入杀菌剂、黏土稳定剂、起泡助排剂后的化学物理作用形成的一种油包水型白色乳状液。压裂施工时一定比例的降阻剂与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，较大量配液减少了劳动强度。降阻水的基本性能如表1所示。

表1 降阻水基本性能表

降阻水降阻率通过大型物模模拟装置进行测定。其中，流体流量通过涡轮流量传感器测定，压差通过压差变送器测定。通过室内模拟计算，降阻剂加量0.1%，降阻率在70%左右。

降阻率计算式如下[5]75：

式中，DR为降阻率，无量纲；f为直管阻力Fanning摩擦系数，无量纲； f1为清水在管路中的摩擦系数，无量纲；f2为降阻水在管路中的摩擦系数，无量纲；Q为流体流量，m3／s；π为流体流动速度，m／s；Δp为直管阻力压差，Pa；l为测试管段的长度，m；ρ为流体密度，kg／m3；D为测试管内径，m。

2.2 抗盐降阻水体系

平台井体积压裂施工时用水量大，要求平台井附近有丰富的水资源。除此之外，平台井压裂完后返排液的处理也是一大难题，处理不当会对环境造成破坏。返排液重复利用于加砂压裂，既节约了水资源又减少了对环境的破坏。这就要求降阻剂对水质要求低，能适应返排液高矿化度以及各种离子对降阻剂的影响。抗盐降阻剂是在常规降阻剂里面加入金属离子络合物和离子屏蔽剂，使抗盐降阻水体系达到施工要求，抗盐降阻剂由于成本高，目前还没有大规模推广使用[5]76。抗盐降阻水基本性能如表2所示。

表2 抗盐降阻水基本性能表

从室内模拟实验结果看，如图2所示，在相同的矿化度下，抗盐降阻剂降阻率明显优于普通降阻剂，抗盐降阻剂在不同矿化度下，降阻率始终保持在50%以上。

图2 不同矿化度下降阻剂的降阻率图

2.3 降阻水压裂液在长宁页岩气平台的应用

长宁区块页岩气平台井采用大规模降阻水体积压裂的压裂方式：单井水平段长度为1000～1900 m，分为18～27段，每段使用降阻水压裂液1800～2000m3，排量为11～14m3／min，砂浓度不超过240kg／m3。平台实施情况如下：① 在长宁某平台6口井124段实施大液量、大排量降阻水体积压裂，施工排量区间为12.5～14.3m3／min，施工压力区间为55～73MPa，共计使用降阻水207906.6m3，部分施工曲线如图3所示。从该平台施工情况看，降阻水的摩阻为5.2～5.5MPa／km，降阻率达到72%～75%。降阻水的使用，降低了管线摩阻，为保持体积压裂时大排量、大液量施工压力平稳提供了有力保障。② 在长宁某平台3口井75段全部使用邻近平台井返排液压裂施工，返排液各项指标检测结果如表3所示，从检测结果看，返排液中矿物成分复杂、矿化度高，普通降阻水不能满足施工条件，因此采用了返排液配制抗盐降阻水。

图3 长宁某平台1井第5段施工曲线图

表3 长宁某平台返排液检测结果表

施工采用大液量、大排量降阻水体积压裂，施工排量区间为11～14m3／min，施工压力区间为70～82MPa，最高砂浓度为240kg／m3。结果显示，抗盐降阻水摩阻为5.5～6.0MPa／km，降阻率达到68%～70%。另外，抗盐降阻水使用共计节约清水量为141978m3，保护了当地水资源，为页岩气开发环境保护减少了压力，同时减少了返排液处理费用。部分施工曲线如图4所示。

图4 长宁某平台3井第7段施工曲线图

3 线性胶／弱交联压裂液体系

在页岩压裂中，线性胶／弱交联压裂液体系主要用于降阻水加砂压裂结束前清洗井筒，保证井筒清洁，确保桥塞泵送顺利[6]。传统的线性胶／弱交联压裂液采用瓜胶体系，但平台井页岩压裂属于工厂化作业，作业时间长，配液罐长时间使用得不到清洁罐内细菌滋生易导致瓜胶压裂液在短时间内降解迅速。目前长宁区块线性胶／弱交联压裂液体系采用低分子聚合物体系，主要组成为低分子稠化剂、黏度增强剂、防膨剂，其性能指标如表4所示。

表4 线性胶基本性能表

实验室结果证明：低分子聚合物体压裂液体系具有粘度适中、防膨率高、表面张力低和残渣低的特点；在温度为110℃、剪切速率为170s-1的条件下，连续剪切90min，粘度为42～62mPa·s，从流变曲线分析，低分子弱交联液具有较好的粘弹性。现场应用中，低分子聚合物体系因具有稳定性好、对细菌不敏感，残渣低、对储层造成二次伤害小等特点，目前正在长宁区块推广使用。

4 结论

1）加砂压裂之前使用盐酸对地层进行预处理，能有效溶解近井地带快反应矿物，降低地层破裂压力，有效降低施工压力，减少施工风险。

2）常规降阻剂对水质要求严格，价格相对低，要求平台井附近有充足的水源供应满足施工要求；抗盐降阻剂对水质要求低，价格相对昂贵，主要用于返排液的重复利用，节省了返排液的处理费用，同时减少了环境保护压力。

3）低分子聚合物线性胶／弱交联液的使用能有效冲洗井筒中的陶粒，保持井筒清洁，为泵枪作业顺利提供保障。

4）开发出能同时兼具普通降阻剂和抗盐降阻剂性能，加大比例后又可以作为线性胶／弱交联液使用的环境友好型降阻剂是未来加砂压裂液发展的趋势。

[1]刘洪，陈乔，王森，等.渝东南下志留统龙马溪组页岩矿物成分及脆性特征实验研究[J].科学技术与工程，2013，13（29）：8567-8571.

[2]邓燕，薛仁江，郭建春.低渗透储层酸液预处理降低破裂压力机理[J].西南石油大学学报：自然科学版，2011，33（3）：125-129.

[3]王云刚，胡永全，赵金洲.酸化预处理降低地层破裂压力技术研究及应用[J].石油地质与工程，2008，22（1）：84-86.

[4]邓燕，薛仁江，郭建春.低渗透储层酸液预处理降低破裂压力机理[J].西南石油大学学报：自然科学版，2011，33（3）：125-129.

[5]王海燕，邱晓惠，翟文.页岩储层压裂减阻剂减阻机理研究[J]. 钻井液与完井液，2015，32（4）：81-83.

[6]彭瑀，赵金洲，林啸，等.页岩储层压裂工作液研究进展及启示[J]. 钻井液与完井液，2016，33（4）：8-13.