一種經(jīng)濟(jì)型清潔壓裂液室內(nèi)研究及性能評價(jià)

劉 煒，張 斌，肖佳林，明 華，凡 帆

（1.中國石化江漢油田分公司采油工藝研究院，湖北 武漢430035；2.中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院壓裂酸化技術(shù)服務(wù)中心，河北 廊坊065007；3.中國石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院，陜西 西安710021）

清潔壓裂液又稱粘彈性表面活性劑壓裂液（viscoelastic surfactant fracturing fluid），簡稱 VES，是以一種表面活性劑為增稠劑的壓裂液體系，其不含任何聚合物，不含任何不溶于水和烴類的固體。因此，VES中無殘?jiān)?、無引起傷害的固體微粒，不引起地層二次污染傷害，壓裂形成的裂縫面比使用胍膠壓裂液更干凈，壓裂液對裂縫面的傷害也明顯減少，返排時(shí)間短，在烴相中，表面活性劑可以分解，在產(chǎn)出水中殘留很少，有利于返排，恢復(fù)導(dǎo)流能力可達(dá)97%。

國外，埃尼－阿吉普石油公司在亞得里亞海的Giovanna油田采用VES壓裂液進(jìn)行壓裂作業(yè)的油井不僅大大減少了地層傷害，并獲得了理想的產(chǎn)量。對受污染、致密砂巖的Giovanna6井成功進(jìn)行了端部脫砂壓裂，并且產(chǎn)生了達(dá)到高產(chǎn)和增加油井壽命的高裂縫導(dǎo)流能力。

國內(nèi)，盧擁軍等針對吉林油田油藏特點(diǎn)，研制出了VES－70粘彈性清潔壓裂液配方體系，現(xiàn)場應(yīng)用3井次，應(yīng)用結(jié)果表明：VES－70壓裂液破膠徹底、無殘?jiān)⒎蹬趴?，?0℃ 下，返排液粘度為1.82 mPa·s，返排液表面張力為32.62 mN／m、界面張力為0.39 mN／m，壓后平均日產(chǎn)液20.73 m3，日產(chǎn)油達(dá)16.63 m3，是鄰井使用常規(guī)水基壓裂液壓裂井產(chǎn)量的2－3倍。

1 VES的作用機(jī)理

綜合國內(nèi)外學(xué)者的研究與認(rèn)識，VES成膠及破膠的機(jī)理如圖1所示：

粘彈性表面活性劑分子中含有兩個基團(tuán)－親水基和疏水基，在純水介質(zhì)中，疏水基被水相排斥，親水基伸展進(jìn)入周圍的水相，形成將長鏈?zhǔn)杷牡宛ざ惹蛐文z束；在鹽介質(zhì)中，反離子（如水楊酸根、鹵素離子等）屏蔽表面活性劑膠束與水界面的電荷，并與表面活性劑分子強(qiáng)烈締合，使球形膠束演變成柔性棒狀或蠕蟲狀膠束，當(dāng)表面活性劑濃度達(dá)到臨界濃度時(shí)，柔性棒狀或蠕蟲狀膠束相互纏結(jié)，形成類似胍膠聚合物交聯(lián)凍膠體的高粘彈性空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)而實(shí)現(xiàn)支撐劑的攜帶和造縫，遇到地層產(chǎn)出的油氣和水時(shí)，表面活性劑分子中的親油基和親水基使油氣和水在膠束體中增溶，使網(wǎng)狀膠束結(jié)構(gòu)發(fā)生膨脹而崩解成低黏度的球形膠束，實(shí)現(xiàn)粘彈性表面活性劑壓裂液的自動破膠。

圖1 VES成膠破膠機(jī)理示意圖

2 室內(nèi)研究簡述

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器及試劑

實(shí)驗(yàn)儀器：RS 600旋轉(zhuǎn)流變儀（德國），高溫高壓地層傷害巖心驅(qū)替系統(tǒng)（北京華盛海天科技發(fā)展有限公司），恒溫水浴鍋（武漢永盛科技有限公司），玻璃器皿若干。

實(shí)驗(yàn)試劑：表面活性劑（北京佛瑞克技術(shù)發(fā)展有限公司），有機(jī)鹽（分析純）。

2.2 VES壓裂液配方研究

根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道及經(jīng)濟(jì)性考慮，優(yōu)選了一種季銨鹽型陽離子表面活性劑APS與有機(jī)酸鈉鹽YC配伍構(gòu)成的VES壓裂液體系，并篩選配方。在固定其它條件下，改變APS和YC的濃度，測定其在25℃、170 s－1、剪切60 min時(shí)的表觀粘度，以確定壓裂液主劑APS和助劑YC的配比。

2.2.1 APS濃度對體系的影響

考察兩種濃度的YC分別作為助劑時(shí)，不同濃度的APS對體系表觀粘度的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示：

圖2 壓裂液表觀粘度隨表面活性劑濃度變化曲線

由圖2可以看出，在兩種情況下，該表面活性劑濃度變化的影響一致，即在表面活性劑濃度變至使表面活性劑與有機(jī)鹽濃度比約為2∶1時(shí)，壓裂液的表觀粘度達(dá)到最高值，即127 mPa·s。

2.2.2 YC濃度對體系的影響

考察兩種濃度的APS作為主劑時(shí)，不同濃度的YC對體系表觀粘度的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示：

圖3 壓裂液表觀粘度隨有機(jī)鹽濃度變化曲線

由圖3可以看出，在兩種情況下，該有機(jī)鹽濃度變化的影響一致，即在有機(jī)鹽濃度變至使有機(jī)鹽濃度與表面活性劑比約為1∶2時(shí)，壓裂液的表觀粘度達(dá)到最高值，即127 mPa·s。這是由于鹽度太低時(shí)，表面活性劑不能在水中成膠，當(dāng)鹽度過高時(shí)，由于離子強(qiáng)度高，能迅速穿透表面活性劑的水化層，爭奪極性的水分子，使表面活性劑在水中的雙電層變薄，從水中析出，形成了兩相分離，無法形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致粘度降低，只有在一定的鹽度時(shí)才能形成較穩(wěn)定的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

綜上所述，一定溫度下，該陽離子表面活性劑壓裂液體系中，表面活性劑與有機(jī)鹽的最佳配比為2∶1。綜合考慮使用效果和成本，最終選用“2%表面活性劑APS＋1% 有機(jī)鹽YC”的體系配方。

3 VES壓裂液性能評價(jià)

參照SY／T 6376－2008《壓裂液通用技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)，按照SY／T 5107－2005《水基壓裂液性能評價(jià)方法》對優(yōu)選出的VES壓裂液配方的主要性能進(jìn)行了評價(jià)。

3.1 耐溫抗剪切性

在90℃、170 s－1條件下考察“2% 表面活性劑 APS＋1% 有機(jī)鹽YC”的VES壓裂液配方的耐溫抗剪切性能，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示：

由圖4可知，該壓裂液在90℃、170 s－1下剪切90 min后粘度在80 mPa·s左右，粘度滿足SY／T6376－2008《壓裂液通用技術(shù)條件》中對于表面活性劑類壓裂液耐溫抗剪切性能的要求（≥20 mPa·s）。

3.2 破膠液性能

對VES壓裂液在90℃ 進(jìn)行破膠試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該壓裂液在2 h內(nèi)可以徹底破膠，其破膠液性能如表1所示。

圖4 VES壓裂液粘度隨時(shí)間變化關(guān)系圖

表1 VES壓裂液破膠液性能

由表1可知，VES壓 裂液破膠液粘度僅為1.33 mPa·s，滿足SY／T6376－2008《壓裂液通用技術(shù)條件》中對于表面活性劑類壓裂液破膠液粘度的要求（≤5 mPa·s）。表面張力為19.69 mN／m，界面張力僅為0.4 mN／m，清潔無殘?jiān)?，大大減小了對儲層的傷害，從而提高裂縫導(dǎo)流能力。

3.3 黏彈性

采用RS－600流變儀測定VES壓裂液的黏彈性，考察其儲能模量（G′）和耗能模量（G″），試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示：

圖5 VES壓裂液粘彈性能試驗(yàn)

由圖5可知，儲能模量G′在7 Pa左右，耗能模量G″在5 Pa左右，滿足SY／T6376－2008《壓裂液通用技術(shù)條件》中對于表面活性劑類壓裂液黏彈性的要求（G′≥2.0 Pa，G″≥0.3 Pa），且隨著時(shí)間增加，流體儲能模量G′逐漸降低，而耗能模量G″逐漸增加，但液體仍以彈性為主，故該壓裂液以彈性攜砂為主。

3.4 懸砂性

室溫下（25℃），將5 g直徑為0.45 mm～0.8 mm的砂粒放入該壓裂液中，砂粒的沉降速率為8.6 mm／min，可以視為基本不發(fā)生沉降，如圖6所示，而在90℃ 時(shí)，5g直徑為0.45 mm～0.8 mm的砂粒在壓裂液中的沉降速率為35.4 mm／min，與同溫度下硼交聯(lián)的0.55% 的羥丙基胍膠的懸砂性能（32.6 mm／min）大致相當(dāng)，故該壓裂液可滿足常規(guī)壓裂施工的懸砂需求。

圖6 靜置4 h后懸砂情況

3.5 基質(zhì)傷害性

選取總3斜2－6井巖心，測定VES壓裂液破膠液對基質(zhì)滲透率的損害率，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 VES壓裂液對巖心滲透率的傷害試驗(yàn)

由表2可以看出，VES壓裂液對總3斜2－6井巖心平均傷害率為18.48%，滿足SY／T6376－2008《壓裂液通用技術(shù)條件》中對于表面活性劑類壓裂液基質(zhì)滲透率損害率的要求（≤20% ）。

3.6 經(jīng)濟(jì)性

目前，胍膠成本為16萬元／噸，按目前配方配制的胍膠壓裂液成本為（650～900）元／方（不含配置費(fèi)），如果按單井壓裂用液100方計(jì)算，那么單井胍膠壓裂液成本為（6.5～9）萬元，而使用 VES壓裂液成本為（450～600）元／方，同規(guī)模壓裂液成本僅為（4.5～6）萬元，大大降低了施工成本。

4 結(jié)論與認(rèn)識

1）室內(nèi)研究出的VES壓裂液具有耐溫抗剪切性能好，破膠液粘度、界面張力低，清潔無殘?jiān)?，懸砂性能好，對基質(zhì)巖心傷害率小等特點(diǎn)，各項(xiàng)指標(biāo)均符合SY／T 6376－2008中對于表面活性劑類壓裂液的要求。

2）VES壓裂液成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于胍膠壓裂液，但還需進(jìn)一步加大室內(nèi)研究，完善配方，開發(fā)出適合于江漢油田不同溫度、不同儲層特征的清潔壓裂液體系及其配套工藝，從而逐步推廣應(yīng)用。

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