新型低伤害无返排胍胶压裂液在致密油储层中的应用

王 涛, 李成政, 肖旭峰, 王尚卫, 于海洋

(1.中国石油大学(北京) 油气资源与探测重点实验室, 北京 102249; 2.中海油田服务股份有限公司 油田生产研究院, 天津 300451; 3.中国石油长庆油田分公司 油田开发事业部, 陕西 西安 710018; 4.中国石油长庆油田分公司 油气工艺研究院, 陕西 西安 710021; 5.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室, 陕西 西安 710021)

0 引言

随着全球非常规油气资源勘探及开发进程的加快,国内外众多石油公司开始对非常规油气资源展开越来越多的研究,致密油作为一种新的非常规能源,近年来受到越来越多的关注[1-4].我国的致密油资源储量巨大,具有较大的勘探开发潜力,然而与一般的低渗和超低渗储层相比,致密油储层具有更低的孔隙度和渗透率,流体在孔隙中的渗流阻力更大.因此,采用压裂的方式对储层进行改造是致密油藏增产开发最常用的措施.

目前,针对致密油藏大规模的体积压裂技术得到了比较广泛的研究及应用,并取得了较多的研究成果[5-9].致密油藏在体积压裂施工过程中通常会使用到大量的压裂液,其中胍胶压裂液体系最为常见,此类压裂液破胶后往往需要进行返排作业,但仍然不可避免的会在储层中滞留一定量的破胶液,这不仅会对致密油储层造成严重的污染损害,还浪费了部分压裂液,并且大量的返排液需要对其进行二次处理,增大了施工成本[10-13].由于压裂后的破胶液通常会含有一定量的表面活性剂,而致密油储层又具备良好的渗吸驱油条件,破胶液可以作为渗吸驱油剂来提高致密油储层的采收率,对此,国内外众多学者开展了压裂液破胶液渗吸驱油方面的研究,认为滞留在地层中的压裂液破胶液能够通过渗吸作用来提高原油采收率[14-20],压裂施工后滞留在地层中的破胶液可不必进行返排.因此,在保证压裂液破胶液对致密油储层不会造成严重伤害的前提下,最大程度的发挥破胶液的渗吸驱油效果,即可在压裂施工后不必对破胶液进行返排.

本文以多元改性胍胶HPG-GX和阴离子表面活性剂YSN-1为主要处理剂,研制了一套适合致密油储层的新型低伤害无返排胍胶压裂液体系,对其耐温抗剪切性能和静态滤失性能进行了评价,并采用复合破胶剂FP-3对压裂液进行破胶,测定了破胶液的黏度、界面张力、残渣含量、对天然岩心基质渗透率的伤害情况以及渗吸驱油效果.新型低伤害无返排胍胶压裂液体系在致密油储层现场压裂施工过程中取得了较好的应用效果,为提高致密油储层的压裂开发效率提供一定的技术支持和参考.

1 实验部分

1.1 主要实验材料及仪器

(1)实验材料:多元改性胍胶HPG-GX、阴离子表面活性剂YSN-1(有效质量浓度为90%,主要成分为烷基苯磺酸盐LAS、脂肪醇聚醚硫酸盐AES和N-油酰氨基羧酸盐L-613组成,均为市售产品)、复合破胶剂FP-3(主要成分为过硫酸铵、亚硫酸钠和生物酶降解剂等),自制;有机钛交联剂JT-2,广州万骏化工新材料有限公司;胍胶粉,合肥新新石化助剂有限公司;羧甲基化试剂、羟丙基化试剂,分析纯,上海麦克林生化科技股份有限公司;氢氧化钠、无水乙醇、冰乙酸、过硫酸铵、亚硫酸钠,分析纯,上海国药化学试剂有限公司;有机分散介质、生物酶降解剂(有效质量浓度75%),湖北新化试剂有限公司;黏土稳定剂NTW-1、杀菌剂SJ-3、pH值调节剂,市售产品,湖北天目化工有限公司;模拟地层水(矿化度为21 500 mg/L),使用蒸馏水和无机盐配制而成;储层脱水脱气原油(室温下黏度为4.38 mPa·s,密度为0.842 g/cm3);天然岩心,取自目标区块储层段.

(2)实验仪器:哈克RS6000型流变仪,德国哈克公司;高温高压滤失仪,青岛恒泰达机电设备有限公司;JWY200A型全自动界面张力仪,承德优特检测仪器制造有限公司;高温高压多功能岩心驱替实验装置,海安石油科研仪器有限公司;高温高压渗吸实验装置(主要包括手摇泵、控温系统、加压渗吸仓、压力表以及分析天平等),项目组自制;iS5N型傅里叶红外光谱仪,美国赛默飞公司;Bruker AV500M超导核磁共振波谱仪,德国布鲁克公司.

1.2 新型低伤害无返排胍胶压裂液配方

新型低伤害无返排胍胶压裂液体系的研制思路为:(1)为了降低胍胶的使用量,减少破胶液的残渣含量,采用增黏效果更好的多元改性胍胶HPG-GX作为增稠剂,其使用量与常规羟丙基胍胶相比可以减少三分之一左右;(2)为了提高破胶液的界面活性,压裂液体系中还加入了一定量的阴离子表面活性剂YSN-1,能够有效提高破胶液的渗吸驱油效果;(3)另外,为了进一步降低破胶液对地层的伤害程度,采用复合破胶剂FP-3对压裂液体系进行破胶,复合破胶剂FP-3具有高效破胶以及一定程度上降解残渣的效果,能够进一步的降低破胶液中的残渣含量.压裂液基液、交联剂和破胶剂的具体配方如下:

基液:清水+0.2%多元改性胍胶HPG-GX+0.5%黏土稳定剂NTW-1+0.15%杀菌剂SJ-3+pH值调节剂+0.5%阴离子表面活性剂YSN-1.

交联剂:0.3%有机钛交联剂JT-2.

破胶剂:0.15%复合破胶剂FP-3.

1.3 多元改性胍胶HPG-GX的制备

1.3.1 HPG-GX合成反应方程式

多元改性胍胶HPG-GX的合成是通过碱化阶段和醚化阶段来实现的,其中GG表示胍胶的简称.

碱化阶段的反应方程式如下:

(1)

醚化阶段的反应方程式如下:

(2)

(3)

1.3.2 HPG-GX制备流程

HPG-GX制备流程如下所示:

(1)在蒸馏水中加入一定质量的胍胶粉,搅拌至充分溶解后,静置一段时间,备用;(2)将无水乙醇使用蒸馏水稀释成90%的乙醇水溶液,然后将上述制备的胍胶溶液加入乙醇溶液中,搅拌直至形成白色絮状物,分离后再继续使用90%乙醇水溶液洗涤3次提纯,将其烘干后粉碎,备用;(3)将上述提纯后的胍胶粉放置于三口烧瓶中,然后加入一定量的有机分散介质,搅拌至完全溶解,通入氮气除氧,再加入一定量质量浓度为40%的氢氧化钠溶液,反应20 min;(4)继续缓慢滴加两种改性剂(羧甲基化试剂和羟丙基化试剂),升高温度至50 ℃,继续反应60 min,然后加入冰乙酸将pH值调节至中性;(5)最后使用无水乙醇对所得产物进行充分洗涤,过滤后烘干粉碎,即得最终产物多元改性胍胶HPG-GX.

1.3.3 HPG-GX性能提升原理分析

制备的多元改性胍胶HPG-GX分子内部的羟基更多的分布在分子链的外侧,并且引入的羧甲基和羟丙基基团具有更好的水溶性,大大增加了HPG-GX的溶解能力,在较低的用量下就能大幅提高溶液的黏度值,并且在溶液破胶后能够有效降低残渣等水不溶物的含量[21].另外由于羧甲基和羟丙基的耐温性能较好,这也使得多元改性胍胶HPG-GX能够适应更加高温的地层环境,扩大其应用范围.

1.4 实验方法

1.4.1 多元改性胍胶HPG-GX结构表征

红外光谱:室内采用美国赛默飞公司的iS5N型傅里叶红外光谱仪测定了制备的新型多元改性胍胶HPG-GX和改性前胍胶粉的红外光谱图,实验方法均为压片法,扫描波数为4 000～500 cm-1.

核磁1HNMR谱:室内采用Bruker AV500M超导核磁共振波谱仪对制备的新型多元改性胍胶HPG-GX和改性前胍胶粉的1HNMR谱图进行了测定,实验溶剂为D2O.

1.4.2 耐温抗剪切性能

将配制好的压裂液装入到哈克RS6000流变仪中,逐渐升高温度至90 ℃,调节剪切速率为170 S-1,在此实验条件下剪切100 min,测定压裂液体系黏度随剪切时间的变化情况.

1.4.3 滤失性能

参照石油与天然气行业标准SY/T 5107-2016《水基压裂液性能评价方法》中“静态滤失性”的评价部分,采用高温高压滤失仪评价了新型低伤害无返排胍胶压裂液在不同温度下的滤失性能.

1.4.4 破胶性能

参照石油与天然气行业标准SY/T 5107-2016《水基压裂液性能评价方法》中“破胶性能”的评价部分,在新型低伤害无返排胍胶压裂液体系中加入不同质量浓度的复合破胶剂FP-3,在不同温度条件下进行破胶实验,并分别测定最终破胶液的黏度、表面张力以及残渣含量.

1.4.5 破胶液对地层的伤害性能

参照石油与天然气行业标准SY/T 5107-2016《水基压裂液性能评价方法》中“岩心基质渗透率损害率”的评价部分,采用高温高压多功能岩心驱替实验装置评价了新型低伤害无返排胍胶压裂液的破胶液对储层天然岩心基质渗透率的伤害情况,测试温度为90 ℃.

1.4.6 破胶液渗吸驱油效果

将新型低伤害无返排胍胶压裂液的破胶液进行过滤,收集其滤液作为渗吸液,使用高温高压渗吸实验装置评价破胶液的渗吸驱油效果.具体实验步骤为:(1)将储层天然岩心洗油、烘干处理后,饱和模拟地层水,备用;(2)使用高压驱替的方式,在流速为0.05 mL/min的条件下将天然岩心饱和储层原油;(3)将岩心装入高温高压渗吸实验装置中,倒入破胶液作为渗吸液,加围压至10 MPa,并升高温度至90 ℃,然后开始渗吸驱油实验;(4)记录不同时间后岩心的渗吸出油量,并计算渗吸采收率.

2 结果与讨论

2.1 多元改性胍胶HPG-GX的结构表征

2.1.1 红外光谱

图1为胍胶和多元改性胍胶的红外光谱测定结果.由图1可以看出,胍胶和多元改性胍胶的红外光谱曲线基本相似,多元改性胍胶HPG-GX在2 976 cm-1处比胍胶多了一个甲基的伸缩振动峰,说明胍胶改性后分子结构中引入了羧甲基.此外,多元改性胍胶在1 712 cm-1处比胍胶多了一个羰基吸收峰,这说明胍胶改性后分子结构中也引入了羟丙基,因此,可以初步判定胍胶改性成功.

图1 胍胶和多元改性胍胶的红外光谱图

2.1.2 核磁1HNMR谱

图2和图3分别为胍胶和多元改性胍胶HPG-GX的核磁1HNMR谱测试结果.

图2 胍胶的核磁1HNMR谱图

由图2、3可以看出,多元改性胍胶HPG-GX在化学位移为6.48 ppm处比胍胶多了一个明显的氢原子吸收峰,此处应为多元改性胍胶HPG-GX中羧甲基上的氢原子吸收峰,进一步说明胍胶改性后分子结构中引入了羧甲基.另外,多元改性胍胶HPG-GX在化学位移为1.04 ppm～1.12 ppm处附近比胍胶多了一个较为明显的吸收峰,此处应为多元改性胍胶HPG-GX中与羟丙基相连的甲基上的氢原子吸收峰,进一步说明胍胶改性后分子结构中也引入了羟丙基.因此,综合2.1.1中红外光谱的分析结果,基本可以判定所制备的产物即为目标产物多元改性胍胶HPG-GX.

2.2 耐温抗剪切性能

按照1.4.2中的实验方法,评价了新型低伤害无返排胍胶压裂液体系的耐温抗剪切性能,实验结果如图4所示.

图4 新型低伤害无返排胍胶压裂液耐温抗剪切性能

由图4所示实验结果可知,新型低伤害无返排胍胶压裂液体系在剪切实验的前20 min内黏度值下降较快,然后逐渐趋于稳定,当压裂液体系在90 ℃下剪切100 min后,体系的黏度值仍能维持在70 mPa·s以上,满足行业标准的要求.这说明研制的新型低伤害无返排胍胶压裂液体系具有良好的耐温抗剪切性能,可以满足致密油藏压裂施工过程中对压裂液基本性能的要求.

2.3 静态滤失性能

按照1.4.3中的实验方法,评价了新型低伤害无返排胍胶压裂液的静态滤失性能,测试温度为50 ℃～90 ℃,测试压力均为3.5 MPa,实验结果如表1所示.

由表1实验结果可知,测试温度越高,新型低伤害无返排胍胶压裂液的静态滤失系数就越大,当测试温度达到90 ℃时,压裂液体系的静态滤失系数仅为0.235×10-3m/min1/2,小于行业标准(SY/T 7627-2021《水基压裂液技术要求》)中的参考值1.0×10-3m/min1/2.这说明研制的新型低伤害无返排胍胶压裂液体系具有良好的静态滤失性能,可以满足目标区块致密油储层压裂施工的需求.

2.4 破胶性能

按照1.4.4中的实验方法,评价了新型低伤害无返排胍胶压裂液体系的破胶性能,实验结果如表2所示.

表2 新型低伤害无返排胍胶压裂液体系破胶性能

由表2实验结果可知,在复合破胶剂FP-3加量相同的条件下,实验温度越高,破胶时间相对就越短,破胶液的黏度、界面张力和残渣含量相对就越小;而在相同的实验温度条件下,随着复合破胶剂FP-3加量的不断增大,破胶时间逐渐缩短,破胶液的黏度、界面张力和残渣含量逐渐减小.当复合破胶剂FP-3的加量达到0.15%时,新型低伤害无返排胍胶压裂液体系在50 ℃下的破胶时间、破胶液的黏度、界面张力和残渣含量均能满足行业标准的要求,而压裂液体系在90 ℃下的破胶时间则可以控制在2 h以内,破胶液的黏度小于2 mPa·s,界面张力值达到10-2mN/m数量级,残渣含量小于50 mg/L.

这是由于合适加量的复合破胶剂FP-3不仅能够使压裂液体系迅速高效的破胶,降低其黏度值,其中含有的生物酶降解剂等物质还可以降解掉部分残渣,使破胶液的残渣含量明显减少,降低其对储层的堵塞损害风险;另外,由于新型低伤害无返排胍胶压裂液体系中含有一定量的阴离子表面活性剂YSN-1,能使破胶液的界面活性显著提高,降低油水界面张力的同时,还有助于其更好的发挥驱油效果.以上结果说明研制的新型低伤害无返排胍胶压裂液体系具有良好的破胶性能.

2.5 破胶液对地层的伤害性能

按照1.4.5中的实验方法,评价了新型低伤害无返排胍胶压裂液体系的破胶液对储层天然岩心基质渗透率的伤害情况,并与常规羟丙基胍胶压裂液破胶液进行对比.其中羟丙基胍胶压裂液体系基液配方为:清水+0.3%羟丙基胍胶+0.5%黏土稳定剂NTW-1+0.15%杀菌剂SJ-3+pH值调节剂+0.3%助排剂,交联剂和破胶剂的配方与新型低伤害无返排胍胶压裂液相同,复合破胶剂FP-3的加量均为0.15%,破胶实验温度均为90 ℃.实验结果如表3所示.

表3 不同压裂液破胶液对天然岩心的伤害情况

由表3实验结果可知,新型低伤害无返排胍胶压裂液的破胶液对目标区块储层天然岩心的基质渗透率伤害率平均为13.6%,远远小于常规胍胶压裂液破胶液的28.6%,这说明新型低伤害无返排胍胶压裂液经过破胶后对储层的伤害程度较小,具有低伤害的特点,能够避免在致密油储层压裂施工过程中产生比较严重的二次堵塞伤害,提高压裂施工的效率.

2.6 破胶液渗吸驱油效果

按照1.4.6中的实验方法,评价了新型低伤害无返排胍胶压裂液体系破胶液的渗吸驱油效果,并与常规羟丙基胍胶压裂液破胶液进行了对比,实验用常规羟丙基胍胶压裂液破胶液与2.4中相同.实验结果如图5所示.

图5 不同压裂液破胶液渗吸驱油效果

由图5实验结果可知,随着渗吸实验时间的不断延长,两种不同破胶液对储层天然岩心的渗吸采收率均呈现出先升高,然后逐渐趋于平稳的趋势,当渗吸实验时间达到40 h时,新型低伤害无返排胍胶压裂液破胶液的渗吸采收率可以达到28.6%,而常规羟丙基胍胶压裂液破胶液的渗吸采收率仅为9.6%,新型低伤害无返排胍胶压裂液破胶液的渗吸驱油效果明显优于常规羟丙基胍胶压裂液破胶液.这说明新型低伤害无返排胍胶压裂液在压裂施工完成后无需进行返排,破胶后留在地层中能够起到良好的渗吸驱油作用,简化压裂施工流程的同时,还能有效提高致密油井压后的产量.

2.7 破胶液渗吸驱油机理分析

由2.6中的实验结果可以看出,新型低伤害无返排胍胶压裂液的破胶液具有良好的渗吸驱油效果,这主要是由于压裂液体系中含有驱油效果较好的阴离子型表面活性剂YSN-1,其主要由表面活性剂烷基苯磺酸盐LAS、脂肪醇聚醚硫酸盐AES和N-油酰氨基羧酸盐L-613复配而成.分析认为表面活性剂YSN-1的驱油机理主要包括以下几个方面:

2.7.1 降低油水界面张力

表面活性剂YSN-1能够有效降低破胶液与地层原油之间的界面张力值,从而使原油更易于从地层孔隙中渗流出来.并且油水界面张力降低以后,使原油更易于形成黏度较低的水包油型乳状液,乳化分散原油,从而使其具有良好的渗吸驱油效果.

2.7.2 改变岩石表面润湿性

致密油储层渗吸驱油的主要动力之一是毛细管力,当岩石表面的润湿性为油润湿状态时,毛细管力的方向会指向水相,导致原油在地层孔隙中的运移阻力较大,影响渗吸驱油效果.而表面活性剂YSN-1的加入能够有效改变岩石表面的润湿性,使其由油润湿转变为水润湿,从而改变毛细管力的作用方向,使其变成渗吸驱油的动力,从而增大渗吸驱油效率.

2.7.3 降低原油与岩石表面的黏附功

原油油滴与岩石表面的黏附功大小主要与界面张力和岩石表面的润湿性有关,表面活性剂YSN-1的加入能够有效降低油水界面张力,并改变岩石表面的润湿性(减小接触角),而当界面张力和接触角越小时,黏附功就越小,原油油滴就越容易从岩石表面剥离,从而能够提高原油的采收率.另外,表面活性剂YSN-1的加入能够使岩石表面与油滴之间形成一层边界水层,将原油与岩石表面隔离开来,进一步降低了原油与岩石表面之间的粘滞阻力,使渗吸驱油过程更易进行.

3 矿场试验

陆上某油田S区块属于典型的致密砂岩储层,油藏埋深在2 912.5 ～3 002.8 m左右,储层温度可以达到90 ℃左右,压裂目的层段深度在2 952 m左右,储层平均孔隙度大约为7.18%,平均渗透率大约为0.279×10-3μm2,部分层段储层间物性差异比较大,非均质性较强.此外,目标区块储层段矿物组成主要以长石砂岩为主,填隙物主要以黏土矿物和碳酸盐类矿物为主,含量分别为7.26%和8.04%;储层孔隙发育较差,储集空间以粒间孔为主,微裂缝发育较多.该区块前期开发主要以水平井体积压裂为主,单井的施工规模呈现出逐渐扩大的趋势,区块内部分油井采用常规羟丙基胍胶压裂液进行施工,由于压裂液的使用量较大,返出的返排液量也越来越多,导致返排液处理难度增大、成本增高,严重影响该油田的整体开发部署.

因此,按照室内实验研究的结果,决定在该区块内采用研制的新型低伤害无返排胍胶压裂液进行压裂施工作业.以WQ-11井为例,现场共配制新型低伤害无返排胍胶压裂液405 m3,加砂量为42.6 t,该井压裂施工过程顺利,未出现井下复杂情况,各项施工参数均能达到设计要求,平均施工排量为4.6 m3/min,最大砂比可以达到39.6%,平均砂比为26.5%,具体施工参数如图6所示.

图6 WQ-11井压裂施工曲线

该井压裂施工后未进行返排施工作业,压裂液破胶后转化为渗吸液,该井下泵投产后日产油量较高,与同区块内使用常规羟丙基胍胶压裂液施工后的邻井WQ-03井相比,日产油量明显增高,累计增油效果显著,具体产油量如表4所示.由此可以看出,研制的新型低伤害无返排胍胶压裂液体系能够满足致密油储层压裂施工的需求,在提高油井压后产油量的同时,还能有效减少返排液的处理量,节省压裂施工成本,并降低污染风险,现场应用效果较好.

表4 WQ-11井与WQ-03井压裂后产油量对比

4 结论

(1)室内以多元改性胍胶HPG-GX、阴离子表面活性剂YSN-1以及复合破胶剂FP-3等为主要处理剂,研制了一套适合致密油储层的新型低伤害无返排胍胶压裂液体系.

(2)新型低伤害无返排胍胶压裂液体系具有良好的耐温抗剪切性能、静态滤失性能和破胶性能,压裂液体系破胶后的破胶液对储层天然岩心的基质渗透率伤害程度较小,具有低伤害的特点,并且其破胶液具有良好的渗吸驱油效果,在模拟储层实验条件下的渗吸采收率可以达到28.6%,驱油效果显著优于常规羟丙基胍胶压裂液的破胶液.

(3)矿场试验结果表明,WQ-11井采用新型低伤害无返排胍胶压裂液体系施工过程顺利,压裂后日产油量显著高于同区块内使用常规羟丙基胍胶压裂液施工后的邻井WQ-03井,节省压裂施工成本的同时,还能有效提高油井压裂后的产量,具有一定的推广应用前景.