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一种新型清洁压裂液(VES-Ⅱ)的研制及现场应用

发布:多吉利        来源:www.duojili.cn  

一种新型清洁压裂液(VES-Ⅱ)的研制及现场应用

摘要:通过大量试验研制开发了一种新型的清洁压裂液(VES-Ⅱ),它具有良好的抗温增稠性能,最高抗温能力为120℃;同时它还具有独特的流变性,在一定温度范围内,表观粘度随温度的升高而增加,在72-76℃时的粘度值达最高值。摩拟计算表明,裂缝净压力值较低,可有效控制缝高,提高裂缝导流能力。室内试验表明,该压裂液在柴油、地层水的作用下,破胶化水彻底,对油层渗透率伤害低,导流能力保持在92%以上。由于自身具有三维立体网络结构,可有效地提高对支撑剂的悬浮能力,降低向油层的滤失。目前已成功地累计现场实施水力压裂26井,压裂防砂87口井,增产增注效果明显。通过现场应用发现,该压裂液还具有摩阻低、返排彻底、可长期放置的特点。具有良好的推广应用前景。

关键词:清洁压裂液  流变性  地层伤害  摩阻  粘度

水基压裂液主要采用瓜胶作为稠化剂,由于存在剪切降解、残渣较多和不宜久置等问题,已难以满足当前低渗透油层水力压裂的需求。清洁压裂液(又称VES压裂液或无聚合物压裂液)是当前研究和应用的热点,但是合成工艺成熟、价格低、性能优良的产品并不多,我们通过大量室内研究和现场实践,研制出一种新型的清洁压裂液,并通过现场应用形成了较为配套的压裂工艺技术。

1.国内清洁压裂液现状

通过对十几种清洁压裂液的检测和分析,我们看到,作为新一代的水基压裂液,它具有无与伦比的优势和广阔的发展空间,但目前的该类产品由于存在抗温能力低、成本高、合成工艺复杂等方面的缺陷,而严重限制了它在现场的应用。

清洁压裂液主剂主要有阳离子季铵盐、两性表面活性剂卵磷脂、非离子表面活性剂甜菜碱等。目前的清洁压裂液的主要采用季铵盐作为增稠用主剂,国内外广泛应用的清洁压裂液多由阳离子胶束剂和一定浓度的盐溶液组成。阳离子胶束剂多为C16-C22含不饱和双键的季铵盐,使用的盐一般为2%-4%的KCl或KBr。该类产品合成原理和工艺较简单,增稠效果明显;但其缺点表现也很明显,因地层岩石颗粒表面通常吸附有一定数量的负电荷,二者相互作用易改变油层岩石的润湿性,对油层基质的渗透率产生不利的影响,并且抗温能力有限(低于85℃),不利于在现场推广应用。①

近年来,VES压裂液研究和应用正在朝着多样化、抗高温、低成本的方向发展,并且不同类型的VES压裂液都在不断地丰富和发展,但是大部分研究限于室内试验阶段,受合成工艺、成本等条件的限制,新产品很难进入现场。

2.新型清洁压裂液的研制及性能测试

2.1主剂的工业合成

通过对现有合成工艺和原材料来源的深入调研分析,我们以长链脂肪酸为主要原料,设计了一种新型结构的粘弹性表面活性剂分子,属非离子型表活剂,主碳链为18-22个碳原子。该新型表面活性剂的生产原料国内市场供应充足,经两步反应合成。合成过程不需特殊的设备,反应条件温和,一般化工企业均可实现其生产。表面活性剂外观呈黄色-红棕色,使用浓度在2.8%-5%之间,可根据要求进行调整。根据具体对粘度及耐温性能的要求,在配液站将表面活性剂稀释为流动性较好的低粘液体。现场应用时,采用5%的交联比控制交联。

表1 VES-Ⅱ压裂液配方组成

组分类型

类型

加量范围 %

作用

基础表面活性剂

非离子表面活性剂

2.8-5

增稠剂

稳定助剂

阴离子表面活性剂

0.2-2

提高抗温性助剂

交联助剂

无机盐溶液

5

交联控制用剂

自来水

88-92

分散介质

新型的增稠用非离子表面活性剂属国内外首创,配以阴离子表面活性剂溶液和无机盐溶液作为助剂,前者可通过协同作用增强压裂液的抗高温能力,后者作为交联冻胶控制用剂。

2.2新型压裂液的性能测试

2.2.1 流变性

在流变性测试过程中,我们分别考察了温度、矿化度、加量和剪切时间等因素对压裂液性能的影响,发现温度是最重要的影响因素。

该表面活性剂压裂液的粘度随温度的变化关系不是简单的幂律模式,在温度高于50℃后,随着温度的升高,粘度值逐渐升高,在72-76℃时呈现峰值。这样在施工中就更有利于提高压裂液的高温携砂性能。在170s-1的剪切速率下,升温到100℃时,表观粘度在80mPa.s以上,说明该压裂液具有较强的抗温、抗剪切能力。

2.2.2 携砂性能

支撑剂沉降是考察在试验温度和静态条件下,支撑剂的沉降速率。支撑剂的沉降高度与沉降时间具有线性关系,其斜率即为该支撑剂的静态沉降速率。

在VES-Ⅱ压裂液中,陶粒的沉降速度稍高于石英砂,线性拟合表明:陶粒和石英砂的沉降速度分别为0.0058cm/s和0.005cm/s。

VES压裂液是一种完全不同于常规水基压裂液的体系,其性能测试方法也不能完全按照行业标准“水基压裂液性能测试方法”进行。根据我们室内研究结果,携砂性能的测试应将表观粘度与沉降速度相结合。

常规压裂液的携砂性能的主要测试指标是表观粘度(以170s-1为主),通常认为粘度在50mPa.s以上时,可以满足携砂性能要求。但是我们发现,与瓜胶压裂液相比,在相同的粘度下,沉降速度明显低于后者,同时,不同厂家生产的VES压裂液在表观粘度相同时,支撑剂沉降速度差别较大。因此,在VES压裂液的流变性测试中,需补充测试支撑剂(或钢球)沉降速度测试。

2.2.3 破胶性能

实验表明:

① 该压裂液体系可以被柴油、煤油和原油等破胶化水。温度对这一过程具有明显的促进作用。温度约70oC条件下,压裂液体系在5%(体积比)柴油加量条件下,约在20min内完全破胶化水。

② 该压裂液体系也可以被高浓度盐水破胶化水。

2.2.4 滤失性能

配置5%的VES-Ⅱ压裂液在100℃的条件下进行静态滤失性测定。

表2 VES-Ⅱ(主剂5%)压裂液滤失性测试

试验

温度℃

试验时间min

滤失曲线斜率

ml/min0.5

滤失面积cm2

截距cm3

初滤失量×10-3m3/m2

滤失速度×10-4m/min

滤失系数×10-4m/min0.5

100

30

2.79

22.9

1.83

0.8

1.11

6.09

在100℃的条件下,5%的VES压裂液冻胶滤失系数为6.09×10-4m/min0.5,滤失性测试时间30min的滤失速度为1.11×10-4m/min。VES-Ⅱ压裂液的滤失系数和滤失速度与瓜胶、香豆胶压裂液相近,它们都具有较好的降滤效果。值得说明的是,VES-Ⅱ压裂液由于不存在聚合物,所以不会生成滤饼,其降滤失作用是通过其立体网状结构来实现的。

2.2.5 伤害性能

支撑裂缝的初始导流能力为18.34μm2×cm,108h后裂缝的导流能力下降到17.42μm2×cm,导流能力的保留率为94.9%。在高温、高闭合应力作用下,由于裂缝的嵌入和陶粒的强度的下降,支撑裂缝的导流能力本身就会有一定的下降,因此该压裂液对导流能力影响不大。

3.现场应用

3.1现场配制及应用

压裂液的配制采用配液站配制基液,施工时加入交联助剂的方法控制冻胶的生成。压裂液在配液站配制时,在连续搅拌的条件下,加入增稠用表面活性剂,静置1h以上,然后进行降粘处理,加入稳定助剂,循环20min以上,形成稳定的溶液。按照总液量5%的比例配制交联助剂,用罐车拉到井场。

在混砂设备中,利用交联剂控制交联。施工车组主要采用当前的水力压裂设备,施工用车辆主要有千型泵车、罐车、混砂车、仪表车、立式罐、平衡泵车等。

表3 压裂液的现场应用

井号

油层埋深m

有效厚度m

渗透率μm2

施工排量m3/min

施工泵压

支撑剂加量m3

压裂液用量m3

最高砂比%

营543-斜3

2982.0~2999.6

10.8

19.2

3.5

39-45

15.5

160

50

大北12-7

3098.0~3126.4

11.7

26.5

4.0

35-48

11.5

160.0

42

王斜582

3165.5~3169.0

3.5

5.289

3.0

35-68

11.0

110.0

50

郑370

1388.0~1403.0

30.6

23.6

1.5

15-17

15.5

105

50

营11-145

3507.5~3520.8

13.3

37.0

3.0

33-40

13.5

150.0

60

枣92

2612.6m~2657.2

25.1

12.5

4.0

32-40

28.5

260.0

40

2005年7月该压裂液在营543-斜3井试验成功,压后日增油12t,且基本不含水。此后在大北12-7、营11-145等25口井的压裂施工中成功地进行了推广应用。截止2007年4月,26口井累计增油15000t以上。此外,作为携砂液还在营8块、草桥等87口井进行了压裂防砂施工,同样取得了良好的增产增注效果。

3.2现场应用特点

以枣92井压裂施工为例,根据施工压力参数计算,当注入排量为4.5m3/min时,压裂液摩阻为12.4MPa,约占清水摩阻的28-35%,略低于瓜胶压裂液的摩阻。

此外,摩拟计算也表明,使用VES-Ⅱ压裂液的压裂施工,裂缝内净压力低,有利于控制缝高,提高裂缝导流能力。

现场试验表明,该压裂液携砂能力强,摩阻略低于HPG压裂液;具有良好的放置稳定性,增稠用活性剂夏季长期放置不会变质。

4.结论:

(1) 研制出一种新型的清洁压裂液(VES-Ⅱ),室内测试表明,该压裂液除具有对油层的低伤害性能之外,还具有良好的抗温增稠、破胶返排、降低滤失性能;

(2) 通过100多井次的现场应用,已形成了包括压裂液的生产、配制和使用在内的较为配套的压裂工艺技术。该压裂液在低渗透油层的水力压裂和中高渗油层的压裂防砂中具有良好的应用前景。

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