一种可回收清洁压裂液的研制和应用

王改红， 廖乐军， 郭艳萍

（川庆钻探工程有限公司长庆井下技术作业公司，陕西咸阳712000）

一种可回收清洁压裂液的研制和应用

王改红， 廖乐军， 郭艳萍

（川庆钻探工程有限公司长庆井下技术作业公司，陕西咸阳712000）

王改红等.一种可回收清洁压裂液的研制和应用[J].钻井液与完井液，2016，33（6）：101-105.

在长庆油田体积压裂施工中需要配制大量压裂液，为避免大量消耗水资源，需对压裂液进行回收利用，而长庆区域普遍使用的羟丙基瓜胶体系回收后不能用于携砂，低分子瓜胶压裂液的回收利用工艺复杂。因此研制了一种可回收的清洁压裂液，该压裂液由3%XYCQ-1稠化剂、0.05%XYPJ-2破胶剂及（0.01%～0.10%）XYTJ-1水质调节剂构成。XYCQ-1稠化剂是将蔗糖经微生物培育、发酵而得到的一种微生物多糖稠化剂，在10 s内可使压裂液黏度趋于稳定，增稠快。XYPJ-2破胶剂是一种天然酶和分子改造酶的混合物，由特异水解稠化剂的多糖构成，通过对稠化剂分子结构进行定点突变，促进酶有针对性的反应，形成非天然的新二硫键，从而保证了破胶液的再次成胶反复使用。XYTJ-1水质调节剂与返排液中的Ca2+、Mg2+等高价金属离子可形成溶于水的络合物或螯合物，消除高价离子对成胶的不利影响。实验表明，该压裂液耐温80.0 ℃，且有较好的悬砂、降阻及助排性能，在常温静置24 h和80 ℃水浴中静置15 min后基本无沉降，注入排量为64 L/min时降阻率为67%，岩心损害率仅为6.70%。该压裂液在长庆区域油水平井体积改造中应用21口井，施工用液10.46×104m3，返排液经分离沉砂等简单处理后即可再配压裂液，处理工艺简单，且回收液配制的清洁压裂液携砂性能良好，现场回收利用多达10次，表明该新型清洁可回收压裂液能满足多级压裂施工要求。

清洁压裂液；回收再利用；环境保护；稠化剂；微生物多糖；长庆油田

长庆油田是典型的“三低”油气藏，为实现更好的油气开采，近几年以“大砂量、大排量、大液量”为特征的体积压裂施工井越来越多[1-3]，这就需要配制大量压裂液，使水资源消耗巨大，而且极大地增加了作业成本[4-5]。目前，长庆区域普遍使用的羟丙基瓜胶体系回收后不能用于携砂，而低分子瓜胶压裂液回收利用工艺复杂，推广应用受限[6-7]，为此，需要研制一种既能满足现场施工要求，又能简化回收处理流程、提高作业效率的新型清洁可回收压裂液。

1 可回收清洁压裂液的研制

1.1 稠化剂XYCQ-1的研制

XYCQ-1稠化剂是将蔗糖经微生物培育、发酵而得到的一种微生物多糖稠化剂，该稠化剂在与水混合后分子间发生相互作用，同时又与游离在周围的水分子发生缔合作用，从而形成良好携砂胶体；具有抗剪切、低残渣、低伤害、快速成胶、反复成胶等特性。图1为不同稠化剂加量下压裂液黏度随时间的变化曲线，由图1可知，10 s时压裂液黏度为最终黏度的91%以上。

图1 不同稠化剂加量下压裂液黏度随时间的变化

1.2 辅剂的研制

1.2.1破胶剂XYPJ-2

该破胶剂是一种天然酶和分子改造酶的混合物，由特异水解稠化剂的多糖构成，在常温条件下性能稳定。其破胶原理是通过对稠化剂分子结构进行定点突变，促进酶有针对性地反应，形成非天然的新二硫键，从而保证了破胶液的再次成胶反复使用。图2为采用清水及破胶液配制的清洁压裂液外观。现场施工时可通过控制破胶剂加量实现破胶时间的精确控制，以满足实际需求。表1为80 ℃下XYCQ-1加量为3%的清洁压裂液破胶时间的测试结果，可以看出，在破胶剂加量为0.05%时，该压裂液在60 min内即可彻底破胶。

图2 清水及破胶液配制的清洁压裂液外观

表1 不同破胶剂加量下压裂液破胶时间的测试结果

1.2.2水质调节剂XYTJ-1

压裂返排液成分复杂，主要表现为高矿化度、高悬浮固体含量、高COD值，且含有多种难降解的高分子聚合物及细菌等[8-9]，因此对返排液进行预处理是压裂液回收利用的必要条件。

为使该清洁压裂液可回收再利用，研制了水质调节剂XYTJ-1。该调节剂是一种活性制剂，它与返排液中的Ca2+、Mg2+等高价金属离子可形成溶于水的络合物或螯合物，从而使无机盐溶解度增加，消除高价离子对成胶的不利影响。水质调节剂加入量可根据现场返排液或配液水的水质而定，图3为不同矿化度返排液中加入水质调节剂后配制压裂液的表观黏度测试数据，可以看出，当调节剂比例增加到0.10%后，压裂液表观黏度增加不明显。因此，确定水质调节剂加量一般为0.01%～0.10%。

图3 水质调节剂加量优化实验数据

1.3 配方的确定

在30 ℃、剪切速率为170 s-1的条件下，选用Brookfield PVS流变仪对该压裂液进行耐温性能测试，耐温曲线见4图。由图4可知，该稠化剂增黏性较好，随着稠化剂加量的增加，液体耐温性能也随之增加；2%浓度的压裂液耐温51 ℃，3%体系耐温80 ℃，4%体系耐温115 ℃。考虑到长庆油田的储层温度，确定稠化剂使用浓度为3%；结合破胶剂及水质调节剂评价数据，确定的压裂液配方为：清水+3%XYCQ-1，破胶剂加量为0.05%，水质调节剂加量为0.01%～0.10%。

图4 不同稠化剂加量下压裂液的耐温性能测试

2 压裂液性能评价[10]

依据SY/T 5107—2005、SY/T 6376—2008对压裂液（清水+3%XYCQ-1）各项性能进行评价。

测该压裂液的增稠时间为10 s，pH值为7，表观黏度为37.5 mPa·s。

2.1 耐温耐剪切性能

选用Brookfield PVS流变仪进行耐温耐剪切性能测试见图5，由图5可知，该压裂液在78.0 ℃、170 s-1下剪切60 min后黏度为23.26 mPa·s，表明该压裂液具有良好的耐温耐剪切性能。

图5 清洁压裂液耐温耐剪切性能

为检测该压裂液的可回用性能，检测了破胶液再配液的耐温性能，测试曲线见图6。由图6可知，当温度升至78.17 ℃时，压裂液黏度降低至20.04 mPa·s，表明破胶液再配制该压裂液的耐温性能与清水配制压裂液耐温性能接近，具有可回用性。

图6 破胶液再配液耐温性能

2.2 悬砂性能

取一定量的20/40目陶粒，按照20%砂比加入到100 mL压裂液中搅拌均匀。分别测试室温及80 ℃水浴下压裂液的静态悬砂性能，并与0.3%瓜胶压裂液进行对比，结果如图7所示。

图7 室温及80 ℃水浴下2种压裂液的静态悬砂情况

实验结果表明，20%砂比的陶粒在清洁压裂液中，在常温静置24 h和80 ℃水浴中静置15 min后基本无沉降，陶粒均匀分布在液体中，与常规改性瓜胶悬砂性能相当，表明该清洁压裂液具有较强的黏弹性能，携砂性好。

2.3 降阻性能测定

测试了该压裂液在紊流状态下通过圆管的压差，通过与清水压差对比，计算其降阻率，实验结果如表2所示。由测试数据可以看出，随着注入排量的增加，清洁压裂液的降阻率明显升高，当注入排量为64 L/min时，降阻率为67%。

表2 室内降阻率测试

2.4 岩心伤害性能

压裂液滤液进入岩石孔隙喉道介质，进一步导致储层渗透率降低，引起损害。实验测定清洁压裂液破胶液通过长6层岩心的伤害率仅6.70%，明显低于植物胶及聚合物类压裂液，表明该压裂液能有效降低储层伤害，实验数据见表3。

表3 岩心伤害实验结果

2.5 表界面张力测定

测试了破胶液的表界面张力，破胶液表面张力为25.093 mN/m（技术要求低于28 mN/m），与煤油界面张力为0.159 mN/m（技术要求低于2 mN/m），表明该压裂液有较高的表面活性，有助于压后入井液体的返排。

2.6 残渣含量测定

将破胶液离心、烘干后测残渣含量仅为12 mg/L，破胶液粒径中值为34.08 μm，表明该破胶液较其他类型压裂液能有效降低储层伤害，粒径分布测试结果如图8所示。

3 现场应用效果

该压裂液2015年在长庆油田油水平井施工21口井，施工用液10.46万m3。以ZP15-X井为例进行说明。该井位于华池地区，完钻层位长63层，

图8 破胶液残渣粒径分布测试

压裂长6层11段（2 256.0～3 167.0 m），压裂层渗透率为0.24×10-3～0.36×10-3μm2，该井返排液回收后全部用于配液，共配液4 343 m3，累计加砂340 m3，表4为返排液性能及再配液黏度监测数据。

表4 回收液及再配液性能检测

由表4数据可以看出，返排液黏度为1.534 2～1.805 3 mPa·s，均满足技术要求，且该井返排液与煤油界面张力为0.245～0.273 mN/m，表明较低的界面张力有助于压后入井液体的返排；此外，由于返排液中伴有地层水的返出，大量无机盐离子将会影响压裂液的增黏，因此，需加入水质调节剂进行水质调整，现场在返排液中加入0.02%～0.10%的水质调节剂后再配液的表观黏度为37.5～42.0 mPa·s，表明可以满足压裂施工要求。图9为该井压裂施工曲线。

图9 ZP15-X井压裂施工曲线

从施工油压可以看出，施工压力非常平稳，表明该压裂液性能稳定，且具有良好的耐温和耐温耐剪切性能；该井平均砂比25%，在含砂浓度达到最大520 kg/m3时，施工压力仍保持平稳，表现出了良好的携砂性能，表5为该井与邻井的对比情况。

表5 ZP15-X井与邻井对比情况

4 结论

1.研制的可回收清洁压裂液具有良好的耐温耐剪切性及悬砂性能，能够满足长庆地区油水平井压裂液施工要求。

2.该清洁压裂液回收再利用工序简单，易被现场操作人员掌握。

3.该清洁可回收压裂液将极大减少废液排液，有助于实现清洁、环保生产。

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The Development and Application of a Recyclable Clear Fracturing Fluid

WANG Gaihong, LIAO Lejun, GUO Yanping
(CDC Changqing Downhole Technology Company, Xianyang, Shaanxi712000)

Stimulated reservoir volume fracturing operation in Changqing oilfield requires large amount of fracturing fluids. To save water, fracturing fluids are required to be recycled. However, the recycled hydroxypropyl fracturing fluid presently commonly used in Changqingdoes not have the ability to carry sands, and the technique for recycling low molecular weight guar gum fracturing fluid is not feasible for field use. A recyclable clear fracturing fluid was developed recently in an effort to solve these problems. This fracturing fluid was formulated with 3% XYCQ-1 (a thickening agent), 0.05% XYPJ-2 (gel breaker), and 0.01%-0.1% XYTJ-1 (a water quality conditioner). XYCQ-1 is a polysaccharide thickening agent made by microbial cultivation and fermentation, and has the ability to render fracturing fluid stable viscosity in only 10 sec. XYPJ-2 is a mixture of a natural enzyme and a molecularly modified enzyme, composed of the same polysaccharide as that in XYCQ-1. Site-specific mutagenesis was used on the molecular structure of the thickening agent to promote specific reaction to the enzymes to form non-natural new disulfide bond, thereby ensuring the gel resuming and recycling of gel-broken fracturing fluid. XYTJ-1, by reaction with Ca2+and Mg2+in the recycled fracturing fluid to form watersoluble complexes or chelates, eliminates the negative effects of high valence metal ions on gel formation. Laboratory experiments indicated that the properties of the fracturing fluid remained stable at 80 ℃, and had good sand carrying capacity, frictionreduction and cleanup capacity. Almost no sedimentation was found of the fracturing fluid kept quiescence at room temperature for 24 hours, or stayed in 80 ℃ water bath for 15 minutes. At injection rate of 64 L/min, the percentage of friction reduction was 67%, and percentage of core damage only 6.70%. In the stimulated reservoir volume fracturing operation in 21 horizontal wells in the Changqing oilfield, 10.46×104m3fracturing fluid was consumed, and the recycled fracturing fluid, after simple treatment (liquid-sand separation by settling), was reused for making fracturing fluid. The fracturing fluid has been recycled for 10 times, and the clear fracturing fluid madefrom the recycled fracturing fluid has good sand carrying capacity, indicating that the recyclable clear fracturing fluid has satisfied the needs of multi-stage fracturing operation.

Clear fracturing fluid; Recycling; Environmental protection; Thickening agent; Microbial polysaccharide; Changqing oilfield

TE357.12

A

1001-5620（2016）06-0101-05

2016-11-9；HGF=1605F3；编辑 付玥颖）

10.3696/j.issn.1001-5620.2016.06.018

王改红，工程师，从事压裂液体系研发工作。电话 15829585877；E-mail：421635050@qq.com。