石油与天然气化工  2013, Vol. 42 Issue (3): 270-273
页岩气体积压裂滑溜水的研究及应用
陈鹏飞 1, 刘友权 1, 邓素芬 2, 吴文刚 1, 雷英全 3, 张亚东 1, 黄晨直 1     
1. 中国石油西南油气田公司天然气研究院;
2. 中国石油西南油气田公司蜀南气矿;
3. 中国石油川庆钻探工程公司
收稿日期：2012-04-20
基金项目：中国石油天然气股份有限公司重大科技项目“非常规油气资源勘探开发技术研究”(2011A-4803)
作者简介：陈鹏飞(1980-)，男，2008年毕业于西南石油大学，硕士研究生，工程师，主要从事压裂酸化技术研究方面工作。地址：(610213)四川成都华阳天研路218号天然气研究院油气田开发化学实验室。电话：028-85604526.
摘要：页岩储层需要采用大排量、大液量体积压裂才能获得工业气流，体积压裂要求压裂液具有可连续混配、低摩阻和高返排率性能。根据四川页岩储层特征和实验结果，研制了降阻性能高的聚丙酰胺降阻剂、高效复合防膨剂及微乳助排剂，研制了适于四川页岩气体积压裂的滑溜水。该配方在四川W、C区块直井8井次现场试验表明，降阻率为65.5%~68.3%；W区块平均返排率为46.19%，C区块返排率27.93%；累计增加井口测试产量6.24×104~11.35×104 m3/d。
关键词：页岩    水力压裂    滑溜水    降阻剂    体积压裂    
Research and application of slick water for shale volume fracturing
Chen Pengfei1 , Liu Youquan1 , Deng Sufen2 , Wu Wengang1 , Lei Yingquan3 , Zhang Yadong1 , Huang Chenzhi1     
1. Research Institute of Natural Gas Technology, PetroChina Southwest Oil & Gasfield Company, Chengdu 610213, Sichuan, China;
2. Southern Sichuan Gas District, PetroChina Southwest Oil& Gasfield Company, Luzhou 646001, Sichuan, China;
3. CNPC Chuanqing Dring EngineeringCompany Limited, Chengdu 610051, Sichuan, China
Abstract: The shale reservoir requires volume fracturing with large displacement and large amount of fluid in order to obtain industrial gas flow. According to the volume fracturing requirement, the slick water should have low viscosity, low friction, high flowback, excellent antiswelling and good compatibility properties with reservoir. Combing the Sichuan reservoir characteristics with experimental result, we developed a polyacrylamide friction reducer, an efficient anti-swelling agent and microemulsion surfactant, and developed a liquid formulation fitting to Sichuan shale reservoir. The field tests of 8 wells in Sichuan W and C blocks showed that the excellent performance of friction reduction, whose friction reduction rate is 65.5% to 68.3%; the W block average flowback rate is 46.19%, the C block average flowback rate is 27.93%, and the cumulative test production reach 6.24×104~11.35 × 104m3/d..
Key Words: shale    hydraulic fracturing    slick water    friction reducer    volume fracturing    

1 四川页岩气储层特征

四川W、C区块页岩气藏龙马溪组石英质量分数为41%~55%，黏土质量分数为15%~40%，与Barnett页岩储层岩性相似，同属于硅质/黏土质页岩，岩石脆性指数较高，具体见表 1[1-2]。

表 1    四川页岩气藏与美国页岩气藏对比 Table 1    Comparison between the Sichuan shale and America shale

2 页岩气体积压裂液体及性能要求

在页岩气藏的开发中，大排量、大液量体积压裂是关键技术。体积压裂建立的复杂裂缝网络，增大了泄流裂缝的表面积，有利于维持产量[3-9]。依据Barnett页岩经验，选择以滑溜水水平井分段压裂为主的体积压裂[10-11]，通过国外资料调研及评价，滑溜水应具有以下性能：

(1) 降阻率＞65%；

(2) 室内返排率＞50%；

(3) CST比值＜1。

3 滑溜水研究及评价

根据体积压裂工艺要求、页岩储层特点，滑溜水主要由降阻剂、助排剂和防膨剂构成。

3.1 降阻剂的研究及性能评价

聚丙酰胺类降阻剂具有降阻性能高，使用浓度低，经济等优点，国外页岩体积压裂中降阻剂主要使用乳液聚丙酰胺[9-12]。

线型高分子链的伸展长度正比于它的相对分子质量的大小，即相对分子质量大者其分子链伸展时的长度也大，它的均方根末端距值也大。在诸多因素中，相对分子质量对降阻效果影响是极为明显的[13](图 1)，随相对分子质量增加，降阻性能提高。

图 1     不同相对分子质量降阻剂降阻性能 Figure 1     Friction reducing performance of different molecular weight friction reducer

研发了乳液型聚丙烯酰胺降阻剂CT1-20，并对不同浓度的CT1-20的降阻性能进行了评价，从图 2可知，CT1-20的质量分数增加时降阻性能提高。CT1-20的质量分数为0.04%时，降阻率50.6%;0.15% CT1-20降阻率65.1%;0.20% CT1-20降阻率69.3%。

图 2     不同质量分数降阻剂的降阻性能 Figure 2     Friction reducing performance of different concentration friction reducer

图 3为降阻剂的速溶性能评价。从图 3中可知，降阻剂CT1-20在30 s内完全溶解，满足页岩气藏体积压裂连续混配的要求。

图 3     降阻剂溶解性能 Figure 3     Dissolve performance of friction reducer

3.2 助排剂的研究及返排性能评价

Laplace-Young毛细管压力降方程式：Pc=2σcosθ/R，该方程式表明降低表面张力，增大接触角可以降低毛细管压力，提高液体返排率，降低水锁伤害。研发了适合页岩气藏体积压裂的微乳增能助排剂CT5-13。微乳增能助排剂在降低表面张力、改变接触角、优化地层润湿性的同时改变了压裂液在页岩地层中的气液驱替特性，使工作液均匀连续排出，有效提高岩心的渗透率。

采用储层岩心、压裂支撑剂模拟地层裂缝条件对微乳助排剂返排性能进行了评价，结果见图 4。

图 4     助排剂质量分数与返排率的关系 Figure 4     Relationship between surfactant concentrations and flowback rate

图 4表明，当助排剂质量分数在0~0.5%变化时，返排率先增大后降低。其中助排剂质量分数为0.3%时，返排率68.3%，返排性能最好。

3.3 防膨性能评价

压裂常用防膨剂主要有氯化钾、高分子阳离子聚合物及小分子阳离子类。氯化钾成本高，不能满足连续混配要求，高分子阳离子聚合物类对储层伤害大。研制的小分子阳离子防膨剂加量小，具有同氯化钾及阳离子型聚合物相当的防膨性能。利用毛细管吸收测定仪对N3井岩心的水敏性及小分子阳离子防膨性能进行了评价。

从图 5的实验结果可计算出，N3井的CST比值为1.06，介于1~1.5之间，中度水敏，添加0.2%小分子阳离子防膨剂后CST比值小于1。

图 5     N3井防膨性能评价 Figure 5     Anti-swelling performance evaluation of the N3 well

4 现场应用

根据室内降阻、返排及防膨性能的评价，得出了适合四川W、C区块页岩体积压裂滑溜水配方，0.2%(w)CT1-20+0.3%(w)CT5-13+0.2%(w)小分子阳离子防膨剂(防膨剂由岩心CST值大小决定是否添加)。由表 2可知，研发的体积压裂滑溜水在现场5.5英寸的套管中，排量为8~10 m3/min时，降阻率65.5%~68.3%，W区块共计压裂施工4井次，压后平均返排率46.19%，C区块共计压裂施工4井次，压后平均返排率27.93%，累计增加测试产量为6.24×104~11.35×104 m3/d，施工取得了较好的效果。

表 2    现场应用概况 Table 2    Field application status

5 结语

(1)根据四川W、C区块页岩储层特点，研发了适合该区块体积压裂的滑溜水，由降阻剂、微乳增能助排剂、防膨剂组成，该配方下室内降阻率65.1%~69.3%，室内返排率68.3%，CST比值< 1，可以满足页岩气藏体积压裂的要求。

(2) 现场试验表明，W、C区块页岩气藏采用研发的滑溜水体积压裂可行，在管径5.5英寸的套管中，排量为8~10 m3/min，降阻率为65.5%~68.3%，累计增加井口测试产量6.24×104~11.35×104 m3/d，压裂施工后W区块平均返排率为46.19%，C区块平均返排率27.93%，取得了较好的施工效果。

参考文献
[1]
Palisch T T, Vincent M C, Handren P J. . Slickwater fracturing ¨C food for thought[C]// SPE Annual Technical Conference and Exhibition, Denver, Colorado, USA: SPE, 2008.
[2]
Omkar Jaripatke, Bill Grieser, KK Chong. A completions road map to shale play development ¨C a review of successful approach towards shale play stimulation in the last two decades[C]// SPE Deep Gas Conference and Exhibition, Manama, Bahrain: SPE, 2010.
[3]
Reynolds M M. . Development update for an emerging shale gas giant Field-horn river basin, british columbia, canada[C]// SPE Unconventional Gas Conference, Pittsburgh, Pennsylvania, USA: SPE, 2010. http://dx.doi.org/10.2118/130103-MS
[4]
Nathan Houston. Fracture-stimulation in the marcellus shale!lessons learned in fluid selection and execution [C]// SPE Eastern Regional Meeting, Charleston, West Virginia, USA: SPE, 2009. http://dx.doi.org/10.2118/125987-MS
[5]
BoyerCharles, KieschnickJohn, Suarez-RiveraRoberto, LewisRichard E.. 页岩气藏的开采[J]. 油田新技术, 2006, 27-30.
[6]
黄玉珍, 黄金亮, 葛春梅, 等. 技术进步是推动美国页岩气快速发展的关键[J]. 天然气工业, 2009, 29(5): 9-10.
[7]
李艳春, 刘雄明, 徐俊芳. 改进Barnett页岩增产效果的综合裂缝监测技术[J]. 国外油田工程, 2009, 25(1): 20-22. DOI:10.3969/j.issn.1002-641X.2009.01.007
[8]
张言, 郭振山. 页岩气藏开发的专项技术[J]. 国外油田工程, 2009, 25(1): 26-28.
[9]
Arthur J Daniel, Bohm Brian, Layne Mark. Considerations for development of marcellus shale gas[J]. World Oil, 2009(6): 65-66.
[10]
Mark parker, bily slabaugh. Cas study: optimizing hydraulic fracturing performance in northeastern united states fractured shale formations[C]// SPE Production and Operations Symposiium, Oklahoma City, Oklahoma, USA: SPE, 2003.
[11]
肖勇军, 付永强, 陈远林, 等. 四川页岩气体积压裂改造先导性试验[J]. 天然气工业, 2012(增刊1): 32-33.
[12]
Fredd C N, Olsen T N. Polymer-free fracturing fluid exhibits improved ceanup for unconventional natural gas well applications [C]// SPE Eastern Regional Meeting, Charleston, West Virginia, USA: SPE, 2004. http://dx.doi.org/10.2118/91433-MS
[13]
沃良华, 廖其奠. 添加剂分子结构对减阻性能的影响及减阻效果的试验结果[J]. 上海机械学院学报, 1991, 13(1): 9-11.
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