页岩气井筒异常返液成分跟踪技术

陈颖祎 潘宝风 刘徐慧 杨东梅 李洪波

(中石化西南油气分公司石油工程技术研究院，四川 德阳 618000)

1 引言

随着页岩气大规模开发，威荣区块布置了较多平台井，各井井间距小(如图1)。WY39#平台位于23#和41#平台中间，WY39-1HF与WY41-3HF、WY39-4HF与WY23-6HF间距400 m；WY39-3HF距WY23-6HF间距800 m±、WY39-7HF距WY23-5HF间距1 200 m±。

WY39-7HF井7月3日～7月5日，钻井液粘度上涨，破乳电压685 mV降至458 mV，油水比由82∶18 降低至67∶33，水相比例由18%上升至33%；7月11日循环钻井液密度由2.12 g/cm3降至1.60 g/cm3，取样观察已油水分层(见图2)。截至7月14日环空累计返出68.76 m3(密度1.1 g/cm3以下18.31 m3)。WY39-7HF井正钻井油基钻井液密度、油水比、破乳电压均同时降低，认为井内有水侵入，但钻井液粘度上涨故排除地层水侵入。该井临近平台井WY23-2井于7月11日开始压裂施工，最高压力89.8 MPa，WY23-6井7月11日进行压裂施工，最高压力88.9 MPa，存在压窜可能。本文将重点分析异常返液是否为邻井渗流过来的压裂液，并制定一套快速高效的检测方法。

图1 WY平台井分布情况

2 实验部分

2.1 主要仪器设备

IRPrestige-21傅立叶红外光谱仪、833 Basic IC Plus 离子色谱仪、FP2012114 扫描电镜及能谱仪。

2.2 井筒返出液一次取样分析(1号样)

第一次取样样品经过车内颠簸形成乳化液体，实验方案除了基本的钻井液性能测试，为了方便红外光谱和扫描电镜能谱分析将样品进行破乳处理。

实验思路：

2.2.1 返出液密度和破乳电压测试

现场取回返出液三个，测试密度分别为1.86 g/cm3、1.76 g/cm3、1.62 g/cm3，测试破乳电压为130 V、92 V、50 V。采用密度为1.62 g/cm3的返出液测试了油、水和固相含量分别为17%、57%和26%，显示出钻井液含有大量的水。观察返出液未析出清水，分析应被油基钻井液中的润滑剂乳化，形成油包水的液体，外观上与油基钻井液类似。如果钻井液本身破乳，样品应该会出现油水分离，而样品从最初的取样是油水分离状态，到水乳化到油里面，说明油基钻井液乳化剂足够，因此判断钻井液破乳是由外来水体侵入造成的。

2.2.2 红外光谱分析

红外光谱能开展有机物特征基团分析，有利于判断流体是否含有压裂液当中的功能基团，因此进行红外光谱分析。取样品240 g，加入100 mL，31%盐酸后，加蒸馏水稀释至1000 mL，放入90 ℃水浴中加热，可以看到混合液出现明显的破乳分层现象。

图2 加酸破乳后分层的混合液

将分层混合液上层的有机物析出，并在105 ℃下烘干成固体粉末后进行红外光谱分析。

图3 钻井液分离水样红外光谱分析

页岩气压裂液中含大量聚丙烯酰胺稠化剂，是一种表征压裂液存在的典型物质。聚丙烯酰胺结构式如下：

2.2.3 扫描电镜能谱分析

扫描电镜能谱能分析有机物的特征元素，页岩气压裂液中加入的流变助剂为有机锆，利用能谱分析可判断返出液是否含有锆元素。将现场样品烘干后，采用扫描电镜能谱仪对固体粉末进行能谱分析。结果如图4及表1所示，从能谱分析结果可以看出，流体除了元素C、O、Al、Si等外，还存在锆元素Zr，应该来源于压裂液中的有机锆流变助剂。

图4 能谱分析图

表1 能谱分析数据Tab. 1 Energy Spectrum analysis data

2.3 井筒返出液二次取样分析(2号样品)

二次取样时在现场将返出液油水分离取样，避免液体乳化。调整实验思路，利用红外光谱分析是否含有聚丙烯酰胺物质、扫描电镜能谱分析是否有页岩气压裂液中加入的流变助剂有机锆，加入离子色谱分析其离子含量。

实验思路：

WY39-7HF井现场取回返出液两桶(如图5)，检测表明两桶水样密度分别为1.07 g/cm3和1.10 g/cm3，返出液澄清，有絮状沉淀，pH值为10左右，总矿化度分别为98 300 mg/L、117 000 mg/L。

图5 现场取回样品

2.3.1 离子色谱分析

离子色谱实验结果见表2、表3，从表2表3可以看出返出液中含有较多的Ca2+和Cl-，油基泥浆由CaCl2、柴油、水和表面活性剂等组成，说明离子色谱分析出的返出液中大量Ca2+、Cl-来自于油基泥浆。页岩气压裂液中虽然含有氟碳类表面活性剂，但量较少，且氟碳双键十分牢固，不会因为酸、碱或高温分解生成游离的F-。因此，无法通过F-判断返出液中是否侵入了压裂液，F-可能是来源于地层。因此利用离子色谱仪做为辅助分析不可取。

表2 离子色谱分析(1号样品)

表3 离子色谱分析(2号样品)

2.3.2 红外光谱分析

将返出液过滤出的沉淀在105 ℃下烘干成固体粉末，进行红外光谱分析。

图6 返出液红外光谱分析

红外光谱图(图6)与1号样返出液类似，这表明WY39-7HF井2号样返出液中仍然含有聚丙烯酰胺物质，判断压裂液还在继续返出。

2.3.3 扫描电镜能谱分析

将返出液过滤出的沉淀在105 ℃下烘干成固体粉末，进行扫描电镜能谱分析，结果见图7、表4。

图7 能谱分析图

表4 能谱分析数据

扫描电镜能谱分析结果与1号返出液类似，这表明2号返出液中仍然含有锆元素Zr，判断压裂液还在继续返出。

两次取样液体实验表明外来流体中含有锆离子，来源于压裂液中流变助剂；红外光谱曲线表明外来流体中含聚丙烯酰胺，来源于压裂液中稠化剂或降阻剂。因此利用红外光谱和扫描电镜能谱两种手段从基团和元素上分析即能判断WY39-7HF井异常返液源于其它邻井渗流过来的压裂液。

3 现场跟踪

WY23平台23-4井7月4日11:00左右开始进行压裂施工，压裂施工完毕后关井井口压力为60 MPa，垂深为3 846米，井内压裂液密度为1.05 g/cm3，形成的液柱压力为39.57 MPa，加上井口关井压力61 MPa，该井在关井状态下形成的井底压力为99.57 MPa。

WY39平台39-7井4 694.66～3 380 m井浆密度2.05 g/cm3，3 380 m至井口井浆密度为2.10 g/cm3，井底垂深3 840米，泥浆液柱压力为79 MPa，关井立压为18 MPa稳定不变，形成的井底压力为97 MPa，与WY23-4井井底压力相当。

经计算，WY39-7HF井地层压力当量密度高达2.55 g/cm3，远高于其他平台及本平台其他两口施工井地层压力系数，其压力值与WY23平台井井底压力基本一致。以此也进一步证实了实验结果，WY39-7HF井异常返液液体来源于WY23平台井渗流过来的压裂液。

4 结论

(1) 通过红外光谱能够追踪液体中特征功能基团聚丙烯酰胺，扫描电镜能谱可以判断液体中特征元素锆离子。

(2) 红外光谱与扫描电镜能谱分析能够找到返出液的功能基团与特征元素，所以两者结合可形成页岩气井筒异常返液成分跟踪技术。

(3) 通过该跟踪技术能够判断出WY39-7HF井异常返液液体来源于WY23平台井渗流过来的压裂液。