聚乙烯醇压裂液制备关键技术及在超低渗透油层压裂中的交联、耐温和破胶控制研究

摘要

鄂尔多斯盆地是油气勘探最有潜力的盆地之一，蕴藏有丰富的油气资源，油藏类型主要属岩性油藏或构造-岩性油藏，具有典型的超低渗特点。针对这种超低渗透油层压裂工艺，本文在系统分析对比现有压裂液系统中各种压裂的优势于缺陷后，提出分子量远低于天然植物胶的聚乙烯醇压裂方法。此法利用了技术最为成熟的水基压裂中的交联原理，使其易于进入现场使用。聚乙烯醇自身的较小分子量和水溶性则可有效避免天然植物胶压裂法中的残渣问题。
　　 针对这一新型压裂系统，本课题开发了适于聚乙烯醇的交联系统，利用无水环境分别制备出水溶性的有机硼和有机钛交联剂。在制备的过程中将质量比为1:1的乙二醇和甘油即作为溶剂，同时也作为交联剂的配体，体系中使用10％的硼砂或钛酸四丁酯作为交联核心的，在较高的温度环境下将疏水配体更换为亲水性配体。无水的环境使副反应无害化，制备的出的交联剂水溶性好，性质稳定，可存放时间长。通过实验，确定了在聚乙烯醇(2488)浓度在1.8％时，m(有机硼):m(有机钛)=1:2，交联剂总用量为1.5％的条件下，可使冻胶耐温能力达到80℃以上，在60℃和190s-1的剪切速率环境下保持50mPa．s的粘度3600s以上，并且交联的时间控制在60s-90s之间这使得聚乙烯醇冻胶符合水基压裂液的使用条件。
　　 但是聚乙烯醇的自身特点使得其破胶过程不能沿用天然植物胶的破胶方法。在本课题中，提出了逆向萃取的方法，利用疏水溶剂对酯类释酸物质的萃取作用控制酯与水的接触的达到水解释酸速度的控制，实现了可控的酸破胶。实验表明，以甲酸乙酯为释酸剂，以环己烷为油相可有效控制溶液pH值变化速度。在使用过程中根据破胶温度和时间需要，可改变具体配置。如控制m(甲酸乙酯)：m(环己烷)=5：5时，总用量在1.2％情况下，在60℃环境中使冻胶粘度降到10mPa．s需要14min，粘度降到5mPa．s需要36min。
　　 完成压裂冻胶的交联和破胶控制后，针对现场的使用过程筛选出其他相关助剂。磷酸三丁酯作为消泡剂，用量为0.07％，可有效控制聚乙烯醇配置过程中的泡沫问题。以聚乙二醇为降阻剂，用量为0.2％，可有效降到冻胶流动过程中的摩阻。
　　 使用如上的试剂，按照水基压裂液标准进行室内分析，对该压裂液具有如下评价：
　　 (1)较好的耐温性能和耐剪切性能。聚乙烯醇压裂液体系耐温能力可达到80℃；在60℃条件下，170s-1剪切60min，粘度仍保持在100mPa·s左右，具有较好的抗剪切性能；
　　 (2)破胶液黏度低、无残渣、相对分子质量低。聚乙烯醇压裂液破胶液具有无残渣、黏度低(不高于5mPa·s)、相对分子质量低等特点，赋予压裂液体系更高的支撑裂缝导流能力、改善压裂液破胶液在储层与裂缝间的流动；
　　 (3)较低的滤失系数。聚乙烯醇压裂液的滤失系数为7.46×10m/min1/2-4m/min1/2，有利于压裂液的携砂和降低储层伤害；
　　 (4)破胶液具有低的表界面张力，易返排。聚乙烯醇压裂液破胶液的表界面张力分别为26.42mN/m和0.66mN/m，远低于胍胶压裂液破胶液的表界面张力(分别为33.82mN/m和1.25mN/m)；
　　 (5)较好的防膨性能。聚乙烯醇压裂液体系对粘土的防膨率为73.4％；
　　 (6)较低的储层伤害。聚乙烯醇压裂液对长6和长8储层的岩心伤害率分别为18.62％和19.57％。
　　 在实际使用中，各组分的用量根据需要进行适当的调整。配液过程参考胍胶压裂液的配液方法，实时监控每一个步骤。在压裂施工以前，对聚乙烯醇充分溶解。并对储液罐上下部溶液分别取样测试。最终基液黏度4.5mPa·s以上，pH值为7左右。使用粒径为0.4mm-0.8mm，密度为1.6g/cm3的石英砂为支撑剂，在鄂尔多斯盆地选取数口井进行压裂实验。油层渗透率低于0.5mD，压裂层段深度为1600m-2500m。
　　 压裂施工时，将基液、交联剂、快速释酸剂、破胶剂以及支撑剂在混砂车中混合，然后进入主压车注入井管，压裂完毕、关并10分钟后开始用8mm油咀控制放喷，测量返排液黏度及pH值。在施工过程中，注入工作液因井而异约为130m3-180 m3，平均返排率达到87％
　　 在低渗、超低渗储层，通过聚乙烯醇压裂液新体系的使用，取得了平均日产油15.28m3/d的试排产量，这显示了聚乙烯醇压裂液的优越性和良好的适应性。尤其是在宁42井区试验的4口井，试油效果较好，比邻井试油产量提高86.1％；截止2009年10月，已投产两口试验井，与邻井相比，在前三个月的产量分别提高4.12％、33.65％和57.8％，投产初期效果较好。
　　 白157、415井区长4+51储层存在多个小层，小层间隔层明显，部分井油层厚度大于20米以上，通过超前注水后，地层压力恢复快，因此，试验井的试油效果较前期邻井略有改善。白155井区长63油藏存在多个小层，小层间隔层明显，酸溶性填隙物含量高(15.4％)，在该井区实施聚乙烯醇压裂液试验一口井，试油取得较好效果，获得28.8m3/d的高产纯油。
　　 综合室内实验和现场应用效果，可以认为聚乙烯醇压裂液具有无残渣、相对分子质量低、滤失系数小、破胶液表界面张力低、易返排、防膨性能较好等特点，在现场施工是完全可行的，尤其适应于低渗致密储层。与其他施工工艺相比，初步显示了一定的优越性，尤其是在试排产油及投产方面均有较好的效果。