石油与天然气化工  2012, Vol. 41 Issue (3): 320-322
高效强抑制性粘土稳定剂研发及应用
蒋文学1 , 李韦韦2 , 李楷1 , 万向臣1 , 陈涛1 , 侯宇昌3 , 王蓓4     
1. 川庆钻探公司钻采工程技术研究院低渗透油气田勘探开发国家工程实验室;
2. 四川大学化工学院;
3. 渤海钻探井下技术服务公司;
4. 大庆油田有限责任公司第一采油厂
收稿日期：2011-11-15
作者简介：蒋文学(1985-)，男，长江大学应用化学学士(2008), 从事油气开采、油田化学研究工作。地址(710018)：陕西西安长庆油田兴隆园小区钻采工程技术研究院。E-mail：wenxue_j@126. com.
摘要：山西永和天然气风险勘探区块前期压裂改造增产效果均不理想，未达到地质预测目标。岩心敏感性评价结果表明，储层具有很强的水敏性，前期液体体系对岩心伤害率平均高达61.6%。室内结合储层地质特征，开发出了一种高效粘土稳定剂NT-2，并对中间产物进行表征测试，对比评价了该产品粘土防膨性能和岩心颗粒抗浸泡、抗冲刷能力。结果显示, 该产品粘土防膨、抗浸泡和抗冲刷性能优良，并且不影响压裂液体系流变性能，同时降低了压裂液对储层岩心伤害率。现场施工顺利，平均单层试气产量比前期改造提高了3.4倍，为后续开发提供了可靠的技术支撑和优化思路。
关键词：水敏    粘土矿物    防膨性能    岩心伤害    
Development and application of efficient and strong inhibitory clay stabilizer
Jiang Wenxue1 , Li Weiwei2 , Li Kai1 , et al     
1. Low Permeability Oil and Gas Exploration and Development of National Engineering Laboratory, Technology & Engineering Research Institute of Sichuan-Changqing Drilling Engineering Company, Xi′an 710018, Shaanxi, China;
2. College of Chemical Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, Sichuan, China
Abstract: The core sensitivity evaluation in Yonghe natural gas exploration area of Shaanxi indicated that there exists strong water sensitivity in reservoir. The average rate of core damage is up to 61.6% by pre-liquid system. In order to prevent the reservoir core damage by the pre-liquid system, an efficient clay stabilizer NT-2 was prepared. The performances of anti-swelling, anti-immersing and anti-eroding of the clay stabilizer were evaluated by contrast. The results show that these performances are excellent, and the rheological behavior of the fracturing fluid system is not affected by the clay stabilizer, the damage rate of reservoir core by fracturing fluid is reduced. After application of the clay stabilizer on the spot, the production of gas is increased by 3.4 times.
Key words: water-sensitivity    clay minerals    anti-swelling performance    core damage    

山西永和天然气风险勘探区块是归属于鄂尔多斯盆地晋西挠褶带上，该区块属于典型“三低”气藏，为了获得有效工业气流，必须经过压裂等增产措施。由于该区块岩石矿物成分分析显示平均粘土矿物含量高达32%，粘土矿物中蒙脱石和伊蒙混层占80%以上，粘土矿物具有较强的水化分散作用[1], 储层内粘土矿物的水化膨胀和分散运移, 易堵塞渗流孔道, 导致渗透率大幅度降低, 影响油田开发效果[2]。该区块前期开发的单层试气产量为200 m3/d~5000 m3/d，增产效果始终没有突破，与测井解释结果不匹配。

永和区块地层能量不足，前期施工普遍排液周期长，返排率低，外来流体在地层滞留时间长，储层粘土含量高，容易给储层带来水敏伤害，目前国内外粘土稳定剂种类很多，常用无机盐类作为压裂液粘土稳定剂[3-4]，但无机盐类粘土稳定剂容易发生离子交换和随液体返排失去防膨效果。为了解决该区块增产难题，通过对粘土稳定机理分析，结合储层地质特征，室内开发出了对粘土矿物具有高防膨性能，较强抗冲刷能力的高效复合型粘土稳定剂NT-2。

1 实验仪器及药品

HTP-2高温高压页岩膨胀仪(青岛)，AC-FDS-800-10000高温高压岩心流动仪(美国)，PVS高温高压流变仪(美国)。

粘土稳定剂COP-1，氯化钾、氯化铵(长庆化工集团，工业品)。丙烯酰胺(单体)、二甲基二烯丙基氯化铵、二氯丙烷、环氧氯丙烷、三甲胺、过硫酸钾(均为西北国药集团，分析纯)。

2 结果与讨论
2.1 储层敏感性及伤害评价

室内对永和探区岩心进行敏感性分析，分析结果表明，永和探区储层具有很强的水敏性(表 1)。

表 1    水敏性实验分析报告

室内对原用压裂液配方(0.38%胍胶+0.1%杀菌剂+0.5%COP-1+0.5%助排剂+0.5%起泡剂+0.35%有机硼交联剂)进行了岩心伤害评价，平均伤害率高达64.4%。结果见表 2。

表 2    永和探区原压裂液体系破胶液伤害数据

试验结果表明，前期改造低产的一个重要原因是压裂液体系不适应储层物性特征，进入地层后，造成严重的水敏伤害，导致改造效果不佳。

2.2 高效粘土稳定剂NT-2的研发及机理分析

在65 ℃恒温水浴的三颈烧瓶中加入一定比例二甲基二烯丙基氯化铵、二氯丙烷、环氧氯丙烷和少量丙烯酰胺, 在氮气保护条件下，加入一定量三甲胺和过硫酸钾，回流2 h，得到NT-2产品中间产物。在水中加入一定比例的合成的中间产物、氯化铵、双阳离子(醚)季铵盐和烷基酚聚氧乙烯(15)醚，在50 ℃水浴锅中反应45 min，即得到高效粘土稳定剂NT-2产品。

NT-2产品中间产物是在聚合物上接枝上的环型季铵盐，其红外谱图见图 1。图 1中，在3 405.44 cm-1处的强吸收峰为酰胺基N-H的伸缩振动吸收峰, 在2 921.07 cm-1处的弱吸收峰为饱和C-H的伸缩吸收峰在1 625.32 cm-1处的强吸收峰为羰基C=O的特征吸收峰。

图 1     NT-2产品中间产物红外波谱图

NT-2稳定粘土的机理：NT-2的主体是一种环型阳离子有机聚合物，聚合物链上表层各正电荷基团强烈吸附在粘土表面的离子交换点上，不仅中和电性，切断离子交换进程，而且还形成局部的保护膜，不易被流体冲刷剥落；NT-2副体阳离子和NH4+则进入粘土晶层孔穴，强烈吸附，阻止离子交换作用。二者在粘土矿物内外共同作用，中和电性，阻止交换，牢固吸附，从而能够起到长期高效稳定粘土的作用。

2.3 高效粘土稳定剂NT-2评价

前期配方粘土稳定剂选用长庆油田广泛使用的COP-1(COP-1主要成分是一种小阳离子季铵盐)，室内使用页岩膨胀仪将NT-2和COP-1进行了粘土防膨率对比评价，对比了COP-1和NT-2产品48 h浸泡和8 h冲刷失重率，实验结果见表 3和表 4。

表 3    NT-2和COP-1防膨率对比

表 4    岩心颗粒浸泡和冲刷失重率

结果表明：在2%加量下NT-2比COP-1和KCl的防膨率分别提高了20.9%和24.1%，岩心颗粒浸泡失重率比COP-1降低了46.7%，岩心颗粒抗冲刷失重率比COP-1降低了46.3%；KCl和COP-1防膨率相差不大，但COP-1对岩心颗粒浸泡和岩心颗粒抗冲刷失重率比KCl要小得多，而且提高KCl加量对岩心颗粒抗冲刷失重率几乎不变。

室内用PVS高温高压流变仪评价了加入2%NT-2后压裂液体系(压裂液配方：0.38%胍胶+0.1%杀菌剂+2%NT-2+0.5%助排剂+0.5%起泡剂+0.35%有机硼交联剂)的耐温耐剪切性能。实验温度为70 ℃，剪切速率170 s-1，结果见图 2。

图 2     压裂液体系流变曲线

从实验结果可以看出，加入粘土稳定剂后，压裂液体系在70 ℃下连续剪切90 min后，粘度仍能保持在180 mPa·s左右。

使用美国TEMCO公司的AC-FDS-800-10000高温高压岩心流动实验仪评价了加入2%NT-2后压裂液体系对岩心的静态伤害情况，实验温度70 ℃，实验程序：正向地层水饱和→正向驱N2，测渗透率K1→反向驱破胶液滤液1 PV，伤害2 h→正向驱N2，测渗透率K2，计算伤害率，实验结果见表 5。

表 5    压裂液体系岩心伤害结果

从以上实验可以得出，高效粘土稳定剂NT-2有良好的粘土防膨性能，能减缓岩心颗粒浸泡和冲刷失重率，不影响压裂液体系耐温耐剪切性能，可降低压裂液体系对储层伤害。

2.4 现场应用

研发的NT-2高效粘土稳定剂已在永和探区石千峰层压裂施工应用7口井，均顺利完成了设计加砂量，平均单层试气产量为6.2×104 m3/d，比前期改造提高了3.4倍。图 3是永和探区X井石千峰层压裂施工曲线，该井含气层3.6 m，基质渗透率0.21×10-3 μm2，含气饱和度45.2%，加砂20 m3，试气日产8.7×104 m3。

图 3     X井石千峰层压裂施工曲线

3 结论

(1) 岩心敏感性分析实验表明，永和探区储层具有很强的水敏性，水敏伤害严重是前期改造效果不佳的一个重要原因。

(2) 通过表征显示合成的NT-2粘土稳定剂为目标产物，该产品有良好粘土防膨性能，并能够较大幅度降低压裂液体系对强水敏地层的伤害。

(3) 现场应用表明，开发的NT-2粘土稳定剂对永和探区储层有较好的适应性，为该地区的勘探开发提供了可靠的技术保障。

参考文献
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[2]
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周长虹, 黄宁生, 许期聪, 等. 气体钻井抗油防塌稳定泡沫的研制[J]. 天然气工业, 1988, 11(2): 83-88.
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