页岩储层新型清洁滑溜水压裂液体系

张 扬，赵永刚，闫永强，王海兵，杨晓影，王 强

(1中国石油长庆油田分公司第六采油厂 2中国石油冀东油田瑞丰化工公司 3青海油田分公司井下作业公司试油测试大队 4中国石油集团渤海钻探井下作业分公司工程地质研究所 5中国石油集团渤海钻探工程有限公司定向井技术服务分公司)

页岩气储层通常具有特低孔、低渗、喉道半径小以及自然产能极低的特点，因此，在页岩气藏勘探开发过程中往往需要采用水力压裂等增产措施来提高页岩气井的产量[1-3]。常规砂岩储层压裂施工的目的主要是在井筒附近形成一定的长裂缝，而页岩储层压裂时需要压裂液进入到地层天然裂缝中，在形成一定数量主要裂缝的基础上，通过自身的滤失作用来连通更多的天然裂缝，从而形成大量的高度沟通的裂缝网络，达到改善储层渗流面积的作用。所以，页岩储层压裂改造需要采用大液量、大排量的体积压裂改造方式，而滑溜水压裂液体系成为首选[4-7]。

常规滑溜水压裂液体系具有低摩阻、低黏度以及低伤害等优点，近年来，已经在国内外各大油田得到了广泛的应用[8-13]。而随着页岩气资源的不断开发，对滑溜水压裂液的性能提出了更多的要求，常规滑溜水压裂液体系虽然能够满足页岩储层压裂时大排量、大液量的施工要求，但由于其较低的携砂能力，导致其施工时的加砂含量较低，为了达到施工设计要求的砂量，需要增加滑溜水压裂液的用量，这就增加了压裂施工的成本，并造成资源的浪费，而压裂施工后大量的返排液也容易造成环境污染等问题[14-18]。因此，为解决滑溜水压裂液体系的携砂能力差的缺点，笔者以高效低分子减阻剂FJZ-2和新型聚合物乳液增黏剂FZN-1为核心处理剂，研究出一种具有良好携砂能力的新型清洁滑溜水压裂液体系。在室内对压裂液体系的降阻性能、耐温抗剪切性能、黏弹性能以及携砂性能进行了评价，并在现场进行了成功应用，具有良好的推广应用前景。

一、新型清洁滑溜水压裂液体系研究思路及配方

1.研究思路

为了使滑溜水压裂液体系保证良好的降摩阻性能，减阻剂的选择至关重要，通过大量室内优选及合成评价实验，研制出高效低分子减阻剂FJZ-2，其分子量小于50×104，具有良好的溶解性能和减阻效果，且无残渣，能有效降低压裂施工后对裂缝导流能力造成的二次损害。另外，为解决滑溜水压裂液携砂性能差的缺点，考虑在体系中加入一种新型聚合物乳液增黏剂FZN-1，通过改变其加量，可控制滑溜水压裂液体系的黏度和黏弹性能，从而提高压裂液体系的携砂性能。最后，为防止页岩储层压裂施工造成的水锁和水敏损害，还需在滑溜水压裂液体系中加入一定量的防水锁表面活性剂和防膨剂。

2.新型清洁滑溜水压裂液体系配方

通过大量室内优选及评价实验，最终形成了一种适合页岩储层的新型清洁滑溜水压裂液体系，其具体配方为：0.2%高效减阻剂FJZ-2+0.5%聚合物乳液增黏剂FZN-1+0.25%防水锁表面活性剂FSSJ-8+1%KCl。

二、新型清洁滑溜水压裂液体系综合性能评价

1.降阻性能

室内使用多功能管路摩阻测试仪对新型清洁滑溜水压裂液体系的降阻性能进行了评价，实验仪器管径为8 mm，实验流量为10～50 L/min，实验温度为室温和80℃，实验结果见图1。

图1 不同流量下压裂液体系降阻性能测试结果

由图1可以看出，随着实验流量的不断增加，压裂液体系的降阻率逐渐升高，在室温实验条件下最大降阻率可以达到70%以上，而在80℃下最大降阻率也能达到65%以上。说明新型清洁滑溜水压裂液体系具有良好的降阻性能，能够满足页岩储层压裂施工对高排量以及低摩阻的要求。

2.耐温抗剪切性能

滑溜水压裂液体系在高温高剪切速率条件的黏度对其携砂性能具有非常重要的影响。因此，室内采用HAAKE RS-6000型旋转流变仪测定了新型清洁滑溜水压裂液体系的耐温抗剪切性能，实验温度为80℃，剪切速率为170 s-1，剪切时间为90 min，实验结果见图2。

图2 新型清洁滑溜水压裂液体系耐温抗剪切性能

由图2可以看出，在80℃下高速剪切90 min后，新型清洁滑溜水压裂液体系的黏度仍可以维持在20 mPa·s以上，说明新型清洁滑溜水压裂液体系具有良好的耐温抗剪切性能，可以有效提高页岩储层压裂施工时滑溜水压裂液的携砂能力。

3.黏弹性能

黏弹性流体在外力的作用下会同时表现出黏性和弹性两种力学性质，压裂液体系的携砂能力大小不仅与流体的黏度有关，还与流体的弹性结构密切相关。根据以往研究结果[19-20]，通常使用储能模量G′来表征流体的弹性大小，而用耗能模量G″来表征流体的黏性大小。因此，室内使用HAAKE Mars 60旋转流变仪对新型清洁滑溜水压裂液体系的黏弹性能进行了评价，并与常规滑溜水压裂液进行了对比。实验温度为25℃，应力扫描实验时设定频率为1.0 Hz，应力变化范围在0.1～10 Pa；频率扫描实验时设定应力为0.5 Pa，频率变化范围在0.1～10 Hz。实验结果见图3和图4。其中X-1代表新型清洁滑溜水压裂液，Y-1代表常规滑溜水压裂液。

图3 压裂液体系应力扫描曲线图

图4 压裂液体系频率扫描曲线图

由图3可以看出，随着实验应力的不断增大，X-1的储能模量G′和耗能模量G″一直比较稳定，即线性黏弹性区的应力范围在0.1～10 Pa之间，且G′一直大于G″；而Y-1在实验应力大于0.5 Pa后，其储能模量G′和耗能模量G″均出现较大波动，即线性黏弹区的应力范围在0.1～0.5 Pa之间，且随着应力的不断增大，G′降低的幅度大于G″。

由图4可以看出，在实验频率范围内，X-1的储能模量G′一直大于耗能模量G″，根据Hoffmann等人提出的溶液黏弹性能判定方法认为[21]，新型清洁滑溜水压裂液体系属于黏弹性流体；而Y-1在频率为0.1～3 rad/s范围内，其耗能模量G″要大于储能模量G′，当频率超过3 rad/s后，测得的模量数据开始出现波动，实验数据不可取，因此，常规滑溜水压裂液体系不属于黏弹性流体。分析认为，新型清洁滑溜水压裂液体系形成了稳定的网络结构，在外力作用下能够产生一定的弹性形变，具有一定的黏弹性能，从而有利于提高压裂液体系的携砂能力。

4.携砂性能

4.1 支撑剂沉降速度测定

依据石油天然气行业标准SY/T 5185-2016《砾石充填防砂水基携砂液性能评价方法》中的携砂能力测定方法，室内测定了支撑剂在压裂液体系中的沉降速度，并与常规滑溜水压裂液体系进行了比较。实验用支撑剂为粒径在0.425～0.500 mm之间的陶粒，实验温度为25℃～80℃，实验结果见图5。

图5 不同温度下支撑剂沉降速度测试结果

由图5可以看出，随着温度的不断升高，支撑剂陶粒在常规滑溜水压裂液体系中的沉降速率不断增大，而在新型清洁滑溜水压裂液体系中的沉降速率变化幅度则较小，当温度为80℃时，支撑剂在X-1中的沉降速率为0.516 mm/s，而在Y-1中的沉降速率则达到了4.208 mm/s。说明新型清洁滑溜水压裂液的携砂性能远远优于常规滑溜水压裂液。这是由于新型清洁滑溜水压裂液具有一定的黏弹性能，属于黏弹性流体，其形成的稳定网状结构对支撑剂的沉降起到了一定的阻止作用，从而使其悬浮时间延长，沉降速率较小。

4.2 静态悬砂能力测定

页岩储层压裂施工过程中，支撑剂要按一定比例加入到压裂液中，参照支撑剂沉降速度测定标准中的实验方法，测定了不同砂比条件下支撑剂陶粒全部沉降时所需的时间，并与常规滑溜水压裂液进行了对比。实验温度为25℃，实验用支撑剂为粒径在0.425～0.500 mm之间的陶粒，砂比分别为5%、10%、20%、30%和50%，结果见表1。

表1 压裂液体系静态悬砂能力测试结果

由表1可以看出，随着砂比的不断增大，支撑剂全部沉降所需的时间逐渐延长，并且支撑剂在新型清洁滑溜水压裂液体系中的沉降时间远远大于常规滑溜水压裂液体系，说明新型清洁滑溜水压裂液的静态悬砂能力明显优于常规滑溜水压裂液。这主要是由于随着砂比的增大，支撑剂之间的相互干扰作用逐渐增强，支撑剂的沉降速度会有所下降，所以砂比越大，沉降时间越长；而又由于新型清洁滑溜水压裂液的黏弹性能明显优于常规滑溜水压裂液，所以其携砂能力也明显增强。

5.其他性能

室内参照国家能源行业标准NB/T 14003.1-2015《页岩气压裂液第1部分：滑溜水性能指标及评价方法》和石油天然气行业标准SY/T 6376-2008《压裂液通用技术条件》对新型清洁滑溜水压裂液体系的pH值、配伍性、表面张力、残渣含量、防膨率以及排出率等指标进行了评价，结果见表2。

表2 新型清洁滑溜水压裂液体系其他性能指标

由表2看出，新型清洁滑溜水压裂液体系的各项性能指标评价结果均在标准要求的技术指标范围内，说明该压裂液体系性能优良，能够满足页岩储层压裂施工中对滑溜水压裂液体系的性能要求。

三、矿场应用效果

新型清洁滑溜水压裂液体系在四川盆地某页岩气区块进行了2井次的矿场试验，以S-1井为例，该井压裂施工层段为2 670～3 782 m，总长度为1 112 m。该井平均孔隙度为4.8%，平均渗透率为0.39 mD，地层温度在80℃左右。现场施工的分段工具为大通径的桥塞，压裂液体系为新型清洁滑溜水压裂液，支撑剂为不同目数的陶粒组合，设计施工排量12.0～15.5 m3/min。该井压裂施工阶段共计注入压裂液8 562 m3，加砂量为487 t，最高砂比达到25.1%，最高施工压力为71.8 MPa，平均施工排量为13.8 m3/min，降阻率在61.9%～73.6%。整个压裂施工过程顺利，各项施工参数基本能够满足设计要求。排液阶段检测返排液的黏度在1.35～2.18 mPa.s，返排率可以达到50%以上。测试投产效果较好，取得了良好的压裂施工效果。

四、结论

(1)为解决常规滑溜水压裂液体系携砂能力差的问题，以高效低分子减阻剂FJZ-2和新型聚合物乳液增黏剂FZN-1为核心处理剂，研究出一种具有良好携砂能力的新型清洁滑溜水压裂液体系。

(2)该压裂液体系在高温高剪切速率条件下仍能保持一定的黏度，且在一定的应力和频率扫描范围内能形成稳定的网络结构，具有良好的黏弹性能，从而有利于提高其携砂能力。

(3)携砂性能评价结果表明，支撑剂在新型清洁滑溜水压裂液中的沉降速度远远低于常规滑溜水压裂液，而在不同砂比条件下的支撑剂沉降时间远远大于常规滑溜水压裂液，说明该压裂液体系具有良好的携砂能力。

(4)该压裂液体系还具有良好的降阻效果。另外，该压裂液体系的pH值、配伍性、表面张力、残渣含量、防膨率以及排出率等指标均能满足滑溜水压裂液体系的技术指标要求。

(5)矿场应用效果表明，S-1井压裂施工过程顺利，各项性能参数均达到施工设计要求，能满足页岩储层压裂时大排量、大液量以及低摩阻的要求。