大规模体积压裂过程中压裂液性能表征方法研究

针对SY/T 5107-2016《水基压裂液性能评价方法》压裂液性能评价标准未能模拟大规模体积压裂过程中压裂液剪切历史,尤其缺少过炮眼高速剪切对压裂液性能影响的重要环节,项目开展模拟体积压裂施工全过程压裂液体系性能测试方法探索性研究。参照现场实际施工排量,模拟压裂液流经管柱、炮眼和裂缝不同阶段的剪切历史,同时,以压裂液破胶低伤害为前提进行破胶剂量优化,在此基础上进行压裂液流变性能测试,保证压裂液满足施工过程具备携砂性能和施工结束后一段时间内完全破胶的双重要求;采用透明平行板模型,考察使用条件下压裂液动态携砂性能,测试结果为大规模体积压裂“全裂缝支撑”提供设计依据。新方法测试结果表明,复合交联瓜胶压裂液体系和交联聚合物压裂液体系通过高速炮眼后黏度损失较大;乳液缔合型压裂液体系对破胶剂敏感,在满足破胶低伤害的前提下,动态携砂性能难以满足裂缝远端支撑剂铺置要求;低浓度瓜胶压裂液体系添加优化用量破胶剂,体系在施工排量下动态携砂性能良好,满足裂缝远端支撑剂铺置的技术目标。      

页岩气环保变黏压裂液的研究与应用

为解决深层页岩气开发中常规压裂液储层伤害大、携砂能力差、变黏工序复杂等技术难题，结合威远区块深层页岩储层特点及施工需求，研发了一种环保变黏压裂液体系，并进行了室内性能评价与现场应用。研究表明：该环保压裂液体系可以在30 s内完全溶解，压裂液可在黏度为2～150 mPa·s范围内实时调整；使用返排水配制的低黏压裂液与高黏压裂液减阻率均大于70%,线性胶压裂液减阻率大于65%;低黏压裂液与高黏压裂液储层损害率均小于15.00%,线性胶压裂液岩心损害率为15.47%;环保变黏压裂液生物毒性均为无毒；环保变黏压裂液携砂性能良好，较清水携砂性能最大提高65倍。在威远H21-5井的应用表明，环保变黏压裂液溶解速度快、减阻性能优异、携砂性能优良，可实时改变黏度以满足不同压裂工况，满足减阻携砂一体化压裂施工的技术需求，具有较好应用前景。     

用于薄层油气藏的聚丙烯酰胺全悬浮压裂液

基于薄层油气资源开发中控制缝高和低排量的需求,以丙烯酰胺（AM）、丙烯酸（AA）、2-丙烯酰胺-2-甲基 丙磺酸（AMPS）、2-丙烯酰胺基乙基溴化铵（DAMAB）、烷基酚聚氧乙烯醚（NP-10）等为原料,通过水溶液自由基 胶束聚合法合成聚丙烯酰胺嵌段共聚物（PMASD）。采用荧光分光光度计、流变仪和扫描电子显微镜研究了 PMASD的临界缔合浓度、黏弹性和微观结构;同时,研究了PMASD压裂液的静态、动态携砂性能,并与聚丙烯 酰胺滑溜水进行对比;最后,将PMASD压裂液进行了现场应用。结果表明,PMASD压裂液存在胶束结构,临界 缔合浓度为0.127%。PMASD压裂液体系表现出较好的黏弹性,线性黏弹区范围为0.01～1.00 Pa,疏水缔合后强 度大,抗剪切能力强。在低排量（20 L/min）的注入过程中,PMASD压裂液形成的网络结构呈无规则分布,具有 很高的结构强度,可以有效携带支撑剂。PMASD压裂液的静态和动态携砂性能均较好。在砂液体积比为12% 的实验条件下,PMASD质量分数≥0.25%（黏度为147 mPa·s）时,在常温及80 ℃下均表现出较好的悬浮及携砂 能力。相较于聚丙烯酰胺滑溜水,PMASD压裂液的携砂效果同比提高160%。在江苏油田X5-X井现场应用中, 以2 m³/min 的排量泵入PMASD压裂液,日产液由1.4 t 增至6.5 t,日产油由0.6 t 增至4.2 t,增产效果明显。全悬 浮压裂液PMASD体系能满足薄层油气资源在低施工排量下有效携砂的压裂改造需求。     

高压充填携砂液的研究与现场应用

针对油田回注污水作为携砂液不能满足防砂施工对大排量和大携砂比的要求,研制了具有一定粘度和低残留的携砂液,确定了携砂液组成:羟丙基胍胶为成胶剂,有机硼砂为交联剂,过硫酸铵为破胶剂,Na₂S₂O₃为稳定剂（加量0.10%）。携砂液在现场32口井中应用,成功率100%,最大携砂比由18%升至30%以上,平均单井防砂缩短施工时间101 min,并且该携砂液破胶彻底,对地层伤害极小。     

压裂液悬砂及支撑剂沉降机理实验研究

压裂液的携砂性能优劣直接影响着支撑剂在裂缝中的输送铺置效果及压后裂缝的有效导流能力。研制了“XS-I型”压裂液悬砂及支撑剂沉降物理模拟实验装置;开展了3种陶粒支撑剂（70/140目、40/70目、30/50目）在SRFP-1型压裂液中的悬砂特性研究,分析了支撑剂在携砂液中的沉降量、沉降速率以及二者随沉降时间的变化规律,得出影响压裂液悬砂性能的主控因素。实验研究表明,携砂液中支撑剂沉降分为快速沉降、缓慢沉降、稳定平衡3个阶段。压裂液黏度是影响压裂液悬砂性能的最主要因素,其次是支撑剂粒径、携砂液砂比。低黏度压裂液仅对70/140目支撑剂有一定悬浮能力（支撑剂充分沉降时间10～20 min）,对40/70目和30/50目的支撑剂悬浮性能较差（支撑剂充分沉降时间仅为1.0 min～5.5min）,整体悬砂能力较差。中黏度压裂液对70/140目支撑剂悬浮效果好（仅有9.9%～11.1%的支撑剂沉降）,在小于15%砂比下对40/70目及30/50目支撑剂有较好的悬浮能力（支撑剂充分沉降时间80 min～240 min）。中高黏度压裂液中,大粒径（30/50目）支撑剂在高砂比（25%～30%）条件下加入,也仅有12%～13.1%的支撑剂沉降,悬砂性能优,适宜作为主加砂阶段的携砂液。研究结果丰富了压裂液悬砂能力测试方法及支撑剂优选评价手段,为压裂液、压裂施工参数的优化及支撑剂的优选,提供基础数据依据。      

超分子自交联压裂液的研制及在深层页岩气的应用

针对深层页岩气压裂中存在施工压力高、加砂困难的问题，文章从结构减阻与自交联携砂机理研究入手，研制了超分子自交联压裂液，实现超分子结构减阻及自交联增黏携砂。该超分子压裂液体系具有较好的增黏、携砂、减阻性能，同时具有助排、抗盐等多种功能，满足在线混配要求。可采用返排液配制成压裂液从而减少油田压裂污水排放。在深层页岩气井现场应用表明，采用返排液配制的超分子自交联压裂液平均减阻率达到77.55%,加砂强度达到3.2 t/m,减阻性能及携砂性能优于普通滑溜水压裂液，在深层页岩气压裂上具有广泛的应用前景。     

支撑剂在清洁压裂液中的沉降规律

清洁压裂液中支撑剂的运移和铺置对压裂效果有重要影响,目前对这方面基于理论研究和矿场试验的较多,而室内实验研究较少。利用透明平行板裂缝充填模拟装置,对4个影响支撑剂沉降规律的因素进行了研究。结果表明:黏度越大,沉降速度越小;压裂液携砂性能随排量的增加、支撑剂密度的减小呈线性规律增长;砂液比对沉降速度影响较小;其中3个主因素对压裂液携砂能力的影响程度从大到小依次为清洁压裂液黏度、支撑剂密度和砂液比。认清支撑剂沉降规律可进一步提高压裂井施工参数的合理性。     

黄原胶压裂液特性与应用前景分析

在28 074mg/L矿化度的海水中,配制非交联的0.4%的改性黄原胶压裂液,对压裂液的性能进行了评价。结果表明:改性黄原胶压裂液具备具有很强的增黏悬浮能力、高度假塑性,在砂比30%状态下携砂良好,0.5%的黄原胶压裂液彻底降解后残渣为124mg/L。现场应用表现出配方简洁、配制简便、低摩阻、携砂性能好、残渣低伤害小等性能。通过对黄原胶压裂液应用前景进行分析,认为黄原胶压裂液在一定的储层温度下,更加适应致密储层大规模改造与"工厂化"作业的需求,可部分代替胍胶压裂液进行开发利用,应用前景广阔。     

支撑剂在超临界二氧化碳中的跟随性计算

超临界二氧化碳作为一种新型压裂液,是目前国内外的研究热点,但其携砂机理尚不明确,成为制约该项技术的关键问题之一。将跟随性的概念引入压裂液携砂研究,以支撑剂水平速度和压裂液水平流速的比值来表征支撑剂的跟随性或压裂液的携砂性能,并以跟随性为标准,对超临界二氧化碳的水平携砂性能进行了评价。在经典BBO方程的基础上,改进了拖曳力的表达式,联立拖曳力系数辅助方程组,建立了支撑剂在超临界二氧化碳中的跟随性计算模型,为评价和优化超临界二氧化碳输送支撑剂提供了理论依据。采用自主研发的实验设备,通过跟随性实验对该模型进行了检验,并采用模型进行了支撑剂在超临界二氧化碳中跟随性的影响因素分析。研究结果表明,在常用密度范围内,支撑剂密度对跟随性的影响不大,该数值分析结论与以往学者的实验研究结果相一致。此外,对比了砂粒在超临界二氧化碳、滑溜水以及空气中的跟随性,超临界二氧化碳的高密度特性对其携砂性能的影响大于低黏度特性对其携砂性能的影响,两者综合作用导致其携砂性能远高于空气,小于并接近滑溜水的携砂性能,特别是在较高流速下,超临界二氧化碳的水平携砂性能与滑溜水相当。     

高温深井非交联无残渣加重压裂液性能研究

加重压裂液是解决施工压力过高的有效手段之一,但普通胍胶加重压裂液存在残渣含量高、管路摩阻大、不抗剪切等缺点,而一般VES类压裂液使用温度受限。针对以上问题,本文研究了密度达到1.3g/cm~3,耐温达到140℃的新型加重压裂液体系,压裂液配方为:0.6%GRF-1H+0.3%稠化辅剂GRF-2+37.05%加重剂JZ12,并评价了该体系的动态携砂性能、耐温耐剪切性、滤失性及对裂缝导流能力的伤害。实验表明:新型加重压裂液黏度达到22mPa·s以上时就具有良好的携砂性能,该体系具有良好的抗温、抗剪切性能,而且随着密度的上升,体系具有显著的盐增稠效应。使用真实岩心评价了该体系的静态滤失性能,该体系没有滤饼但却具有良好的控制滤失能力。该体系对裂缝导流能力的伤害率仅为8.94%,远小于硼交联HPG压裂液。图4表4参6     

塔中志留系改性黄原胶加砂压裂研究及应用

塔中志留系以低孔低渗储层为主,酸化解堵效果不佳,需依靠改造建产。室内实验研究表明,改性黄
原胶非交联压裂液伤害低,具有一定的悬砂性能和降阻性能。投球暂堵分级压裂工艺能够提高储层在纵向上的动
用程度。在志留系率先开展黄原胶加砂压裂现场试验,４井次黄原胶加砂压裂顺利完成施工,最高砂浓度３６９ｋｇ／ｍ^３
,未出现砂堵,砂浓度还有一定提升空间。其中Ｘ－３井,采用４级投球暂堵分级压裂工艺施工,压裂后折日产油
３５．５ｍ^３,效果较好。对比前期常规瓜胶小规模加砂压裂井,黄原胶大规模加砂压裂工艺有一定优势。说明改性黄
原胶加砂压裂具有一定的推广应用价值。     

纤维对压裂液携砂能力的影响

稠化剂浓度的降低会导致压裂液的携砂性能变差,进而影响压裂改造效果。而基液中加入纤维可以在降低压裂液中稠化剂浓度的前提下,保证甚至提高压裂液的携砂能力。静态携砂实验结果表明,随着纤维加量和纤维长度的增加,支撑剂的沉降速度降低。加入质量分数大于0.2%、长度大于8 mm的XW-3纤维即可有效改善压裂液的携砂能力,并且纤维对压裂液的耐温耐剪切性能没有影响。在变剪切实验中,随着纤维加量从0增至2.0%,黏度增值由335.9降为107.4 mPa.s。加入纤维后,剪切速率的降低对压裂液黏度升高的影响变小。含有纤维的压裂液中,支撑剂的沉降遵循Kynch定律。在长庆油田关X井的现场应用证实了纤维改善压裂液携砂能力的可行性。     

瓜胶压裂液携砂微观机理研究

通过对瓜胶压裂液进行静态支撑剂沉降实验、动态黏弹性测试、屈服应力测试、分子结构表征,研究了瓜胶压裂液的宏观性能、分子结构与压裂液携砂性能间的关系。支撑剂沉降实验表明,压裂液黏度的变化与支撑剂沉降速率呈非线性关系,用黏度指标很难准确表征压裂液的携砂性能。动态黏弹性测试表明,压裂液损耗模量的增加有利于降低支撑剂沉降速率,而储能模量的大幅度提高赋予流体弹性特征,这才是支撑剂能够长时间保持均匀悬浮状态的根本原因。压裂液微观结构分析表明,压裂液基液具有杂乱、松散、多孔洞的网络堆砌结构,而交联压裂液具有均匀、紧密的整体堆砌结构,该结构赋予交联压裂液弹性,使其携砂能力发生本质变化。     

页岩压裂用减阻、携砂双功能结构聚合物的动力学分析及制备

为改善压裂液在页岩储层缝网体积压裂前端摩阻大、尾端黏度低的问题,基于分子动力学模拟不同碳链长度孪尾单体的空间位阻、聚合物均方末端距和均方位移。以甲基丙烯酸月桂酯(LMA)、丙烯酰胺(AM)、N,N-二正十二烷基丙烯酰胺(DiC₁₂AM)为原料,通过胶束聚合方法制备聚合物LMA-DiC₁₂AM-AM(LAD),并对其结构进行表征。利用流变仪和摩阻仪等研究LAD溶液的流变性、减阻性和携砂性。结果表明,DiC₁₂AM单体的空间位阻较小、分子链柔顺性和束缚水分子的能力好,减阻潜力大。LAD具有良好的剪切稳定性(黏度大于75 mPa·s)、剪切恢复性和携砂性,可耐温60℃,降阻率达67.4%。聚合物LAD兼具减阻和携砂两种性能,与模拟结果基本一致。     

羟丙基磺基甜菜碱压裂液体系性能研究

考察了羟丙基磺基甜菜碱VESBET-4浓度、pH值和无机盐的加入对体系黏度的影响,并评价了VES压裂液（2.5%表面活性剂+0.5%黏土稳定剂）的耐温抗剪切性能、携砂能力及破胶性能。结果表明:当转速达到250 r/min时,质量分数为2%的VESBET-4溶液的黏度可达到600mPa·s以上;该表面活性剂适于在中性及碱性条件下使用;且该表面活性剂与黏土稳定剂NH₄Cl、KCl具有良好的配伍性,无机盐的加入基本不影响体系的黏度。该压裂液体系具有良好的耐温耐剪切性能,在温度70℃、剪切速率170s^-1下的体系黏度仍高于50 mPa·s,60℃、170s^-1下剪切2h后的体系黏度仍高于85mPa·s。同时,单颗砾石的沉降速率为0.95 cm/h,砂比为30%时的砂子沉降速率为1.11cm/h,说明该体系具有良好的携砂造缝能力。使用模拟地层水可对该压裂液体系进行破胶,破胶时间在1 h内,破胶后体系黏度可降至4.27 mPa·s以下。图5表2参12     

含纤维的低摩阻压裂液试验研究

压裂施工时,支撑剂一般靠较高黏度的常规聚合物压裂液运输,管流摩阻高;低浓度降阻剂压裂液管流摩阻低,携砂能力也较低;含有纤维的低浓度降阻剂压裂液能显著提高支撑剂的输送能力,且能降低管流摩阻。在不改变压裂液性能的前提下,通过室内试验,优选出最佳降阻剂浓度下最佳纤维浓度的压裂液,不仅可以降低成本,而且其降阻效果比最佳降阻剂浓度压裂液更好、携砂能力更强。     

一种新型压裂液在苏里格气田东二区的应用研究

苏里格气田东二区属于典型的致密砂岩气藏,必须进行压裂改造才能投产。本区块常用的为低浓度
胍胶压裂液,由于孔喉细小、黏土含量高、水锁严重,储层对压裂液较为敏感,压后返排周期长,产量气较低。新型
压裂液选取改性植物纤维素作为稠化剂,破胶后没有任何残渣,采用酸性交联,不用添加杀菌剂,与地层配伍性较
强,储层伤害大大降低,携砂能力与该地区常用的低浓度胍胶压裂液相当,可以满足施工的要求。目前,该压裂液
体系在本区块已应用５口直井,施工成功率１００％,测试无阻流量达到８．３４×１０⁴ｍ^３／ｄ,与具有相同改造层位、使用
低浓度胍胶压裂液改造的邻井相比,压后返排时间缩短５０％以上,无阻流量提高１１７％,经济效益非常明显。     

新型滑溜水压裂液的性能研究

面对非常规能源的开发,常规滑溜水压裂液低携砂、高摩阻和高伤害等问题越发凸显,严重制约了压裂技术的发展。通过优选新型减阻剂BCG-1形成了一种新型的滑溜水压裂液。静态落球沉降实验结果表明,0.2%BCG-1溶液的携砂性能好于浓度为0.4%的其它减阻剂;0.25%BCG-1溶液的储能模量与耗能模量出现交点,黏弹性测试结果及携砂性能分析表明,BCG-1在0.20%~0.25%的使用浓度下,即获得了良好的低黏高弹性,携砂性能好;0.2%BCG-1的摩阻低,减阻率在50%以上;使用自制的低温破胶剂GMD后,在30℃彻底破胶,残渣含量低。在延川南煤层气井的压裂施工中进行了成功应用,平均砂比达到15%,远优于现有的常规滑溜水压裂液体系。     

老河口油田在线清洁携砂液的研制与应用

老河口油田主导防砂工艺为压裂防砂,携砂液采用传统瓜胶携砂液,其携砂性能好,能够满足高砂比施工要求,但也存在费用高、易变质、返排率低等缺点。为节约成本,提高效率,并减小携砂液对储层的伤害,通过室内实验,研究和评价了一种压裂防砂用的在线清洁携砂液。实验结果表明,该携砂液具有携砂性能好、耐温耐剪切性能强、破胶彻底、无残渣等优点。12口井的现场应用表明,在线清洁携砂液满足压裂防砂携砂需要,并且单井节约措施费用4万元,具有较大的推广应用价值。     

水平井泡沫流体冲砂技术研究及应用

水平井冲砂作业时由于地层压力较低冲砂液漏失严重,泡沫流体冲砂技术可以有效减轻低压水平井的漏失问题,提高冲砂效率。通过实验和数值模拟方法研究了泡沫流体的携砂能力,得到了泡沫流体的携砂规律,并进行了现场应用。研究结果表明:当泡沫特征值为0.85时泡沫流体的黏度达到最大值1.14Pa·s,直径为0.5mm的砂粒的沉降速度为10-4～10-3m/s,几乎可以悬浮在泡沫中;在接近水平的环空管道,泡沫流体的携砂性能远大于混气水和水的携砂性能,泡沫流体更适合于水平井的冲砂洗井。现场应用实例证实了泡沫能有效防止地层漏失,顺利建立起油套循环,作业后产量有较大幅度的增加,泡沫流体冲砂洗井技术是清除低压水平井井底出砂的一项有效措施,对现场具有指导意义。