耐高鹽水聚合物改善在頁巖儲層清水壓裂的性能

1、耐高鹽水聚合物改善頁巖儲層清水壓裂的性能摘要北美頁巖儲層在高泵入速率時需要大量壓裂液來最大化與儲層巖石的接觸面積進而擴展泄油半徑。在頁巖儲層的早期階段，這些致密低滲透儲層受到多種壓裂措施的作用來獲得理想的、預先設計的壓裂目標和圧后排液。交聯硼酸鹽、鋯酸鹽、線性壓裂液系統(tǒng)被用來嘗試低于標準圧后性能的處理。然而，在使用低劑量的降摩阻劑和表面活性劑的清水壓裂時，提高了天然氣產量。在最近幾年，清水逐漸成為最主要的壓裂液系統(tǒng)。當前，石油行業(yè)已采取清水壓裂液系統(tǒng)作為主要增產頁巖儲層的壓裂液，部分原因是由于清水壓裂液的實用性、成本低、快速返排。隨著水平和多向頁巖壓裂技術的問世，頁巖壓裂液的需求量增加到每口井

2、900,000bbls清水。在類似地區(qū)賓夕法尼亞州和加拿大西部處置井不是一種選擇，生產用水的回收和再利用成為一個經濟的替代方法，不僅減少對淡水的需求同時消除了處理生產用水的成本。同時，大多數生產國家和省采取限制或限制使用的新鮮水作為壓裂液的建議。新鮮水用量問題和回流過程周圍的環(huán)保問題及其處置已經變成了一個石油行業(yè)和運營商的挑戰(zhàn)。運營商都采用了各種水處理措施來管理用水需求，如利用化學和機械方法來消除回流水中不必要的固體及雜質。然而，這些技術不能處理掉回流水中的溶解鹽。事實上，對油田循環(huán)水的檢查結果表明，大多數處理方案不僅提高了回流水的整體鹽度，而且增加回流水中多價離子的含量。本文探討在多價高含鹽

3、水中使用新的耐高鹽水聚合物的優(yōu)點。對霍恩河與馬塞勒斯河的回流水和生產水進行分析，以確定他們的鹽度。合成鹽水和生產水代表霍恩河的生產水作為本次調查的鹽源。調查的目的是利用在高分子量水加入聚丙烯酰胺作降阻劑，其在高含鹽條件下的性能。油田實例研究驗證了本次試驗研究的成果。測試結果表明，新的耐高鹽降阻劑明顯改善了清水壓裂的性能。從試驗角度出發(fā)，測試了幾種降阻劑來評估他們的性能。此項研究主要是在用帶有1/4英寸的不銹鋼管的50升容量的摩擦環(huán)且牛頓雷諾數為50000條件下進行的。本文列出的油田和試驗結果都表明了在頁巖地層進行清水壓裂時新的降阻劑展現出了顯著的性能改善。同樣也呈現出了在巖心中的流動性能。引言

4、低滲透，有機物質豐富的頁巖地層中的沉積物包括大量的天然氣和低分子量的凝析油。據記載（Lash et al., 2006）天然氣的生產機理分為三個截然不同的階段。第一階段是天然氣從儲層巖石內表面的解吸過程，此過程通常是一個長期的階段且伴隨著最小的產量下降。第二階段是通過巖石基質生產的過程，此過程需要增強滲透率，因此為了穩(wěn)定的天然氣產量必須進行增產措施。第三階段的生產是天然氣通過地層的天然裂縫流動的過程。第三階段有較高的初始產量，但是通常產量迅速降低除非有天然裂縫的支撐。清潔燃燒天然氣的最新預測（DOE，2010）表明每年2的的增長率。隨著未來更加注重綠色能源，在美國和加拿大，當前許多投資者和主要

5、的石油公司選擇從致密儲層開發(fā)天然氣的路線。由于利用傳統(tǒng)方法容易使產量下降并考慮進口天然氣時的安全因素，從歐洲和澳大利亞引進的非常規(guī)天然氣將是一個補償天然氣進口問題的途徑。關于運輸和生產的一個額外的利處是這些非常規(guī)油田位于能源需求量正在急劇增加的區(qū)域。在開發(fā)頁巖層時必須設計出需求的水體積。根據盈利的目的，為了生產出商業(yè)氣量必須對頁巖地層采取增產措施。如果沒有水，頁巖儲層就不能被增產，并且當前盛行的多層水平井進行增產時需要大量的水。不同壓裂技術和壓裂液諸如交聯酸系統(tǒng)和線性瓜膠系統(tǒng)，已經在頁巖地層使用。這些類型的壓裂液造成頁巖地層產量的不穩(wěn)定和減緩壓后井的返排速度。使用降阻劑（清水壓裂）對于壓后井的

6、返排過程有了明顯的改善。清水壓裂是目前增產頁巖儲層最經濟的方法。在美國東北部和加拿大西北部限制了用來處理生產水的注入井的數量，同時也限制了淡水的使用。這對于增產液來說是一個挑戰(zhàn)并需要重復利用回流水。當前，一些水循環(huán)技術用來處理回流水使之達到看利用的標準，比如鐵離子、固體顆粒、其它雜質等都將被清除。對回流水除非使用蒸餾的方法，否則溶解鹽很難清除掉。當在考慮能量消耗問題和利用可以凈化大量水的便攜式系統(tǒng)的時候，現場作業(yè)隊正結合化學和機械方法來除去生產水中的主要雜質。增產頁巖地層的過程在不停的速變化著。越來越多的作業(yè)隊使用生產水來作為壓裂用水，這就對流體配方和在高鹽度地層化學處理時的化工品供應商和服務

7、公司提出了巨大的挑戰(zhàn)。本文列出的一個挑戰(zhàn)就是選擇恰當的降阻劑。商業(yè)標準的降阻劑在高鹽度地層的作用很不精確。作業(yè)隊在油田現場使用降阻劑時應該考慮降阻劑濃度能夠達到阻力降的水平。因此為了達到在高鹽度地層條件下依然能夠較好的運行并且沒有降低濃度的目的，有必要重新界定和開發(fā)出一種新的降阻劑。對環(huán)境的影響服務公司在開發(fā)添加劑時面臨著巨大壓力，不僅要滿足在高鹽地層中的實用性，還要滿足環(huán)境監(jiān)管機構的要求。在對頁巖地層進行清水壓裂時主要有如下五種添加劑：降阻劑；表面活性劑；頁巖穩(wěn)定劑；阻垢劑；殺菌劑。以上五種在下表1中已經列出。本文著重評估了降阻劑同時兼顧了其他添加劑對頁巖清水壓裂的影響。同時本文包括了霍恩河

8、與馬塞勒斯地區(qū)主要頁巖產層的生產水的研究。為了頁巖氣藏的增產而進行的水力壓裂需要大量的水，同時當前的環(huán)保問題已經成為了公眾關注的焦點(Gupta et al., 2009。州和政府在補充關于壓裂時的環(huán)保法上變得越來越積極。另一個環(huán)保問題就是淡水的用量。這些問題使得作業(yè)隊和服務公司不得不修正壓裂時的化學添加劑，使得在高鹽條件下的生產水具有與淡水相似的性質。對環(huán)境的關注，可以縮小到以下三個領域。第一，壓裂過程中由于套管破裂或者密封不良使得地產水力收到破壞，引起地下水體的污染。一些國家已經采用了雙表層套管固井來解決這一問題。第二是忽略了在地表潛在的化學藥品的溢流問題。石油行業(yè)為了滿足環(huán)保的要求，已經

9、積極改良化學品的配方與添加劑。第三是對頁巖地產壓裂時使用大量淡水的問題。一些州和政府已經限制了石油行業(yè)對淡水的使用尤其是增產措施時對淡水的使用。公眾關于環(huán)境損害的擔憂伴隨著添加劑的使用而不斷增長(Arthur et al., 2009; Blauch 2010; Baycroft et al., 2005。這些問題在一些國家受到很大的關注甚至認為是一種有害的行為。雖然對每一口水平井堅持壓裂所需的水量是十分巨大的，但是在壓裂用水中的添加劑得相對濃度為從百萬分之幾。雖然包含在壓裂液中的化學品濃度是很小的，也因此能夠降低環(huán)境傷害，但是在地表關于化學品超過處理量和潛在遺漏的問題仍然存在。針對這些化工品

10、的擔憂，取代化學添加劑正在演變?yōu)殚_發(fā)無毒、可生物降解、非生物累計的添加劑。在加拿大，利用Microtox test (Microtox 1997來評估化學品和其對水源潛在的損害證明對于化學添加劑的快速評估十分有效。能夠通過Microtox test的化學品已經能夠滿足一些主要的環(huán)保要求。利用生產或者回流水來作為壓裂液的水基可以最小化淡水的用量，大部分作業(yè)隊已經在采取這種方式。化學添加劑在高鹽濃度的水中所表現出得優(yōu)良特性正在促進上述趨勢的發(fā)展。壓后回流水的成分又是一個令人擔憂的問題。與地層接觸后的回流水含有大量的鹽類。已經測量到鹽濃度增加到20%，其中包括：鐵、鈣、鋇、鍶。由于這些水能夠繼續(xù)回注

11、而不是在地表處理，因此在生產水中加入在高鹽度地層中依然有較好性質的降阻劑能夠減小甚至消除對環(huán)境的傷害。降阻劑主要使用以丙烯酰胺共聚物為基礎的合成降阻劑來進行壓裂。這些聚合物的結果和電荷通常被改變，使其達到具體應用時的相對理想的性能。這些降阻劑通常是油為連續(xù)相并乳化有分散相的水。這些聚合物實際上是分散相中單體的聚合，允許一個很高分子量的聚合物進行傳遞，并且通過傳統(tǒng)的設備很如意泵入和進行操作。產品中活性聚合物的變化范圍通常是20%-50%。如果這些聚合物固相被水溶解傳送，那么流體的粘度將增加到幾百上千泊。標準降阻劑含有屬于陰離子共聚物的丙烯酸30%。降阻劑也可能是陽離子，非離子，疏水性或兩性這都取

12、實際應用。選擇單體主要依據：電荷類型、電荷位置、鹽水溶解度、化學阻抗、反應速率、環(huán)境危害、供應、成本。這些聚合物也有可能以分散或者干燥的形式進行傳送。這些降阻劑的工作機理很多，但是作用效果很好查詢。根據流動狀況，理論上可以減少液壓馬力的需求高達80%(Virk,1975。這種降低能夠減少增產措施的成本。由于每個作業(yè)的水基壓裂液的體積都在增加，且多層水平井成為重要的生產井段，因此有效降阻劑的需求量逐漸增加。降阻劑在降低移動大量流體的馬力方面很有效。在清水壓裂中降阻劑的數量通常為0.01-0.02%。實驗室在連續(xù)流動的前提下通過單位管長的壓力降落來測定降阻劑的性能。其中使用的單位管長必須充滿可以利

13、用的流體。由于在服務公司和實驗室測定時設計的流動環(huán)的差別，使得對絕對摩阻降得對比顯得毫無意義。但是，同一環(huán)路中降阻劑的性能可以對比，并且在每一個環(huán)路中的降阻劑性能理想狀況下應該是連續(xù)的。降阻劑的性能通常指下列三個參數：一是在所選研究的流體和清水系統(tǒng)中聚合物的成效，二是在本次研究中從聚合物膠束形式到聚合有效性的聚合物組分的百分數，三是反轉率。所有這些因素將決定降阻劑的性能。因此降阻劑的設計必須綜合考慮聚合物和表面活性劑，還需最大化每一部分的潛能來達到可以接受的經濟的成果。水中礦化度的影響在增產液中的離子強度和特定離子表面對于降阻劑性能有很大的影響(Aften, 2010。分析特定的聚合物，降阻劑

14、的性能由水中鹽類含量而決定。由于鹽量的增加，降阻劑的性能會減小或者保持不變。降阻劑的濃度可能會也可能不會彌補降阻劑性能的下降。離子強度不僅取決于各鹽類的重量百分比，也取決于特定離子的電荷。大多是二價和三價鹽類比一價鹽類更能增加離子的強度。但也有可能引起某些降阻劑性能的下降。降阻劑完全或部分沉降將導致摩阻壓力的降低。反轉時間降阻劑反轉和聚合物展開以充分發(fā)揮其粘度的時間久定義為給定降阻劑的反轉時間。為了獲得降阻劑的最大降阻效果，在壓裂液進入井眼之前，通過溶解在水溶液當中，聚合物必須達到其最大的反轉時間。為淡水設計的大多數降阻劑在高含鹽水中應用時反轉很緩慢。本文所研究的新的降阻劑達到了最大反轉時間1

15、0s。這個優(yōu)勢提供了廣泛的泵入靈活性（將帶來更高的泵入速度）并且為清水壓裂提供了更有效的支撐劑傳送。新降阻劑的研發(fā)為了解決行業(yè)所關注的問題，進行了深入的研究和研發(fā)項目來辨別此降阻劑技術是否存在商業(yè)利用價值。研發(fā)降阻劑的選擇標準是：在高鹽度且沒有增加其濃度的生產水中依然有很好的性能。此工作的重點是使用摩阻環(huán)作為主要工具來評估各種降阻劑在不同鹽度的生產水和回流水中的性能。選出一系列最佳的降阻劑，然后對其進行毒性測試和巖心測試來進一步了解它們在高鹽度條件下的性能。其中之一的環(huán)境參數，FR-C已列入表中。最近在較高鹽度條件下進行的關于降阻劑的研發(fā)已在粘度和反轉時間上取得了顯著的成效。兩種最新的降阻劑展

16、示出了如下優(yōu)點:1. 在高鹽度的回流水和生產水中依然有很好的性能；2. 適用于大多數二價鹽水的應用；3. 在較低濃度時性能良好并減少了潛在傷害地層的可能性。實驗室研究測試了四種降阻劑；A、C、D是陰性，B是陽性。C、D降阻劑表現了更好的耐高鹽能力。A降阻劑進行了如下測試。摩阻環(huán)中充滿了測試液并且除了降阻劑外其它的添加劑全部加在其中。開始泵入后對摩阻環(huán)中的流動進行了一分鐘的檢查，主要比較不同壓力和流速條件下是否具有一致性。在一分鐘之后，將降阻劑加入到該流動液體中，并測試在不同壓力下的反轉時間。在不同壓力下獲得的時間值與最初沒有加降阻劑時相比較，可以計算出加入降阻劑之后的時間值。所研究的液體系統(tǒng)是

17、標準的淡水，2-7%的NaCl，霍恩河以及馬塞勒斯地區(qū)的鹽水系統(tǒng)。在摩阻環(huán)測試中用到的霍恩河以及馬塞勒斯地區(qū)的鹽水系統(tǒng)的離子已經列舉在表3與表4中。巖心流動測試結果此測試能夠通過測量滲透率來評估各種條件下的地層傷害。本實驗設計在油藏溫度下向巖心中注入含有降阻劑聚合物的清水，此時巖心中的流動方式已在圖1中反映，并做了一簡略圖2。用于巖心測試的條件如下：限制壓力：1000psi/hr鹽度：3% KCl巖心尺寸：長3cm寬1.5cm孔隙體積：15ml溫度：50初始/最終滲透率：穩(wěn)定在5%這個測試程序使用了具有相似滲透率的Berea巖心，接近100mD。通過巖心注入設備在真空和不同流動速率的條件下用3

18、% KCl鹽水來預飽和巖心。然后慢慢對巖心加熱到油藏溫度50且此時限定壓力為2500 psi。用注入3% KCl鹽水直到獲得穩(wěn)定的壓差位置的方法，來獲取初始滲透率。此后巖心的條件已于最初地層條件很接近。然后以穩(wěn)定的注入速率向巖心中注入7-10個孔隙體積的含有降阻劑的清水壓裂液。新的滲透率是由含有3% KCl鹽水的巖心的狀況決定的，并把絕對滲透率與測試后滲透率相比較。新的滲透率也用平均5個不同的流動速率來測定其滲透率值。巖心測試的目的是來量化給定的降阻劑對地層的潛在傷害(Woodroof et al., 1977。成果實驗室條件下的降摩阻當在淡水中加入各種降阻劑后淡水性能基本一致，已在圖3中列出

19、。A降阻劑卻比不上其它三種降阻劑的效果，然而所有陰離子聚合物在2%NaCl水中的性能卻很接近，如圖4。在2%NaCl水中降阻劑性能卻有一定的差異，其中D性能最優(yōu)良，如圖5。當氯化物含量和總離子強度增加會對降阻劑A、B造成不利的影響，但是并不像加入二價陽離子如鈣、鎂等對降阻劑造成的不利影響那樣明顯，圖6按照霍恩斯河生產水量：淡水量=1:3的比例來研究的，圖7按照1:1，圖8全為霍恩斯河的生產水。當用霍恩斯河的回流水研究時，在摩阻環(huán)中用不同降阻劑的測試結果已在圖9中表示出。在用含有二價陽離子的馬塞勒斯的生產水研究時，當降阻劑D對二價陽離子表現出阻力的時也會對其它降阻劑的性能造成不利的影響，如圖10

20、。在不同濃度的生產水和回流水中測試的降阻劑D的性能如圖11。為了表示出降阻劑D對二價陽離子的阻抗有多明顯，在馬塞勒斯生產水中加入0-6000 ppm的氯化鈣，將近最初氯化鈣含量的3倍（2750 ppm），如圖12。新降阻劑D表現出了較好的耐氯化鈣能力。摩阻環(huán)對所有的性能測試均保持連續(xù)的和相同的條件。在淡水中所有的降阻劑表現出了較好的性能。在2%與7%KCl鹽水中進行的降阻劑性能測試中，除了D的其它所有降阻劑均使摩阻壓力有一定程度的下降。因此，在霍恩斯河生產水和馬塞勒斯回流水中進行的降阻劑性能測試，結果表明，D比其它降阻劑有更好的耐高鹽能力。在用不同鹽度所進行的其它所有測試中均得出了相似的結果。

21、為了更好的評估這些降阻劑聚合物有必要充分理解離子強度與聚合物之間的協(xié)同性和相互反應。巖心流動研究在巖心中注入含有1.2 gpt D降阻劑的清水，測試結果如表5，可以重獲10.84%的滲透率。但是，當降阻劑減少到0.2 gpt時，重獲滲透率可以提高到28.64%。結果表明，殘余越少的聚合物會導致更高的重獲滲透率和更快的反排速度。為了闡明重獲滲透率，在Berea砂巖巖心中也進行了這些測試，同樣有相似的結論。這是由于通過孔喉注入到地層的聚合物數量較少。表5總結了測試的條件。在霍恩斯油田的研究在霍恩斯油田的壓裂主要是多級壓裂，通常為20-30級。從水平部分的底段開始，每一級的定位都與前一級有不同的間距

22、，并且后邊的都朝井底分級。每一級大約注入40m3的流體進行預壓裂，通?；亓饕褐卸紟в谢瘜W添加劑和2 m3的酸。當在某一級中沒有涉及壓裂地層時，泵入壓力必須低于地層的破裂壓力，而不是為壓裂措施的條件。當泵注壓力超過7200 psi (50 MPa且泵入速率在100-120 bbl/min之間變化時，處理措施主要依靠壓裂液的類型和地層的地址條件。表6還區(qū)分了用于形成和支持裂縫的前置液體積與壓裂液所攜帶的使支撐劑濃度不斷增加的砂量。如表中所示，通常每一級的處理都計劃泵入超過5000 m3的壓裂液，目徑從50/140到40/70的砂大約200噸。完成壓裂措施的最大支撐劑濃度：50/140和40/70均

23、為100 kg/m3。表13與15分別表示了同一壓裂處理中第2級與第13級的兩個泵入剖面。由于此時的油田研究D降阻劑并不適用，且C在高鹽度水中有很好的性能，因此選出C降阻劑。霍恩斯河地區(qū)的實例接下來關于降阻劑的實例研究是在霍恩斯河地區(qū)頁巖儲層的同一井的兩段來進行的。本井是新鉆井且用清水作為壓裂液。此井為水平井，深2000m、水平段長4700m、且有25個射孔段。用橋塞來分割并用5 ½的套管來注入。在壓裂處理過程中可以獲得降阻劑的性能。在壓裂的開始階段和整個加前置液過程，使用1.0 gpt的降阻劑。在泵入支撐劑階段保持泵入速率和壓力穩(wěn)定，目的是減小降阻劑的裝載量。在套管壓力和泵入速率保持穩(wěn)定的前提下，當降阻劑減小到0.4 gpt時能夠觀察到性能的改善。實例研究能夠得到壓力圖和相應的化學圖如圖