國外黏彈性表面活性劑壓裂液研究進(jìn)展及應(yīng)用展望

曹學(xué)軍 何興貴

（中國石化西南石油工程有限公司井下作業(yè)分公司）

0 引言

目前，國內(nèi)外廣泛采用的壓裂液主要是水基壓裂液，大致可分為3類［1］：天然植物膠壓裂液、纖維素壓裂液、合成聚合物壓裂液。這些壓裂液的共同缺點(diǎn)在于凍膠體破膠不完全，而且，破膠殘?jiān)鼘埩粼谥瘟芽p內(nèi)，堵塞裂縫壁面上的油氣滲流通道，降低水力支撐裂縫的導(dǎo)流能力，引起嚴(yán)重的儲層傷害，進(jìn)而降低壓后油氣增產(chǎn)效果。1997年，Schlumberger公司研制出了不含固體殘?jiān)男滦偷蛡毫岩后w系——黏彈性表面活性劑壓裂液體系，從而掀起國外黏彈性表面活性劑壓裂液研究與應(yīng)用的熱潮。

黏彈性表面活性劑壓裂液又稱為清潔壓裂液，主要由低分子長鏈脂肪酸衍生物季銨鹽陽離子表面活性劑、鹽溶液、激活劑和穩(wěn)定劑很少幾種添加劑組成[2-3]，其中，黏彈性表面活性劑分子質(zhì)量小于500，比胍膠聚合物小5000倍［2］。表面活性劑壓裂液施工摩阻小，只有清水摩阻的25%～40%，具有良好的控縫高而造長縫的作用［4］，不含聚合物，自動(dòng)破膠后沒有胍膠壓裂液殘留達(dá)60%～65%的固體殘?jiān)黐4-5]，不需要膠聯(lián)劑和破膠劑，濾失不形成濾餅，對儲層傷害小（傷害率僅3%～5%）[5-7]，在170 s-1剪切條件下，有效攜砂黏度為25 mPa·s，比胍膠壓裂液在同等條件下最小攜砂黏度＞50 25 mPa·s小1倍。表面活性劑壓裂液配方組成十分簡單，只需要3～4種添加劑，現(xiàn)場配液簡單?？梢姡砻婊钚詣毫岩菏切滦偷牡蛡毫岩?，自1997年以來，國外采用表面活性劑壓裂液施工達(dá)數(shù)千井次。川西致密砂巖氣藏儲層低孔低滲，常規(guī)水基壓裂液殘?jiān)扛?，很容易形成濾餅而帶來對儲層的嚴(yán)重傷害。因此，展望國外表面活性劑壓裂液研究進(jìn)展，對川西致密砂巖氣藏壓裂改造具有重要的指導(dǎo)意義。

1 黏彈性表面活性劑壓裂液成膠破膠機(jī)理

表面活性劑相當(dāng)于常規(guī)壓裂液中胍膠增稠劑，其相對分子質(zhì)量比胍膠小，僅相當(dāng)于胍膠的1/5000，分子中含有親水基和長鏈?zhǔn)杷肿渔溕嫌姓姾啥撕拓?fù)電荷端。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介面的電荷，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)凍膠體的高黏彈性空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)而實(shí)現(xiàn)造縫和支撐劑的攜帶[8-9]。遇地層中的油和水后，網(wǎng)狀膠束結(jié)構(gòu)中的親油基和親水基使油氣和水增溶而發(fā)生膨脹，促使網(wǎng)狀膠束結(jié)構(gòu)崩解成低黏度的球狀膠束，不需要破膠劑就能實(shí)現(xiàn)壓裂液的自動(dòng)破膠，其成膠破膠機(jī)理可由圖1來形象地表示[7-8]。

圖1 黏彈性表面活性劑壓裂液成膠破膠機(jī)理示意圖

2 國外黏彈性表面活性劑壓裂液研究進(jìn)展

自Mathew S，Roger J.C.等人首次報(bào)道無聚合物壓裂液[9]和Chase B.，chmilowski W.，Marcinew R.報(bào)道使油井增產(chǎn)的黏彈性表面活性劑壓裂液流體[10]及Schlumberger公司（1997）率先在亞得里亞海的Giovanna油田壓裂中成功應(yīng)用黏彈性表面活性劑壓裂液后，表面活性劑壓裂液在國外的研究和應(yīng)用就得到了快速發(fā)展[11-20]。 1998年，Rader J.E.，Smith W.L.報(bào)道了采用穩(wěn)定的黏彈性清潔合成物清除井下積液的方法[11]；1999年，Samuel M.M.，Card R.J.報(bào)道了無聚合物壓裂液的應(yīng)用[12]和Pitoni E報(bào)道了無聚合物壓裂液在停產(chǎn)井挖潛壓裂中的應(yīng)用[13]；2000年，RobertT.W.報(bào)道了黏彈性表面活性劑流體及其在儲層壓裂改造中的應(yīng)用方法[14]和Mathew S.報(bào)道了黏彈性表面活性劑壓裂液在低滲透油藏中的應(yīng)用[15]；2001年，Raghavan S.R.，Kaler E.W.報(bào)道了不飽和長鏈尾基高黏彈性陽離子蠕蟲狀膠束溶液[16]和Lungwitz B.報(bào)道了黏彈性表面活性劑在高礦化度下的穩(wěn)定性[17]；2002年，Jiang yang報(bào)道了黏彈性蠕蟲狀膠束流體及其在儲層壓裂中的應(yīng)用[18]；2003年，Hishan A.報(bào)道了一種新型的黏彈性表面活性劑在儲層增產(chǎn)改造中的應(yīng)用[19]和Samuel報(bào)道了親水型黏彈性表面活性劑合成物及其在儲層改造中的應(yīng)用方法[20]。近年來Cuillet I.，Hughes T.，Maitland G. 和James B.Cews等人報(bào)道了蠕蟲狀膠束與疏水締合聚合物的協(xié)同效應(yīng)和提高黏彈性表面活性劑壓裂液的性能[21-22]。

縱觀國外黏彈性表面活性劑壓裂液研究現(xiàn)狀，其主要研究內(nèi)容集中在黏彈性表面活性劑的合成物制備、分子結(jié)構(gòu)、成膠破膠機(jī)理、流變性能等理論及其應(yīng)用等方面，研究開發(fā)的黏彈性表面活性劑主要是C16-22的季胺鹽類表面活性劑，研究取得的主要進(jìn)展表現(xiàn)在4個(gè)方面。

2.1 表面活性劑壓裂液成膠破膠機(jī)理

研究表明，黏彈性表面活性劑分子中含有親水基和長鏈?zhǔn)杷诩兯橘|(zhì)中，疏水基被水相排斥，親水基伸展進(jìn)入周圍的水相，形成將疏水長鏈基包裹的球形膠束，其黏度接近水，屬牛頓流體；在鹽介質(zhì)中，反離子屏蔽表面活性劑分子中的電荷，使球形膠束變形而形成蠕蟲狀或柔性棒狀膠束，最終形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具有很強(qiáng)的黏彈性而實(shí)現(xiàn)對支撐劑的攜帶和造縫；當(dāng)遇到地層中的油和水時(shí)，表面活性劑分子中的親油基和親水基使油與水在膠束體中增溶，結(jié)果膠束體膨脹，空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)被破壞，最終解體成球形膠束，變成黏度很小的牛頓流體，實(shí)現(xiàn)表面活性劑壓裂液膠束體的自動(dòng)破膠。

2.2 表面活性劑壓裂液流變性評價(jià)

研究表明，表面活性劑壓裂液流變性取決于鹽離子濃度而與表面活性劑種類無關(guān)，在93℃以前，表面活性劑壓裂液的黏度隨溫度升高而增加，之后，黏度則隨溫度的升高而下降；在115℃時(shí)，表面活性劑壓裂液黏度大于25 mPa·s，比其在170 s-1剪切條件下最低攜砂黏度≤25 mPa·s大，能有效攜砂和造縫，比胍膠聚合物壓裂液在同等剪切條件下的最低攜砂黏度≥50 mPa·s小1倍，可見，目前國外研究和使用的表面活性劑壓裂液在115℃時(shí)能夠滿足攜砂要求。研究還表明，表面活性劑壓裂液流變指數(shù)（冪律指數(shù)）在96℃以下時(shí)，隨溫度升高而增加，在96℃以上時(shí)，則隨溫度升高而減?。怀矶认禂?shù)則相反，在96℃以下時(shí)，隨溫度升高而減小，在96℃以上時(shí)，隨溫度升高而增大。

2.3 表面活性劑壓裂液傷害性評價(jià)

表面活性劑壓裂液和胍膠壓裂液與煤油浸泡巖心的流動(dòng)實(shí)驗(yàn)對比表明，在相同壓差和流速情況下，表面活性劑壓裂液通過巖心的流速和流量明顯比胍膠壓裂液大，表明表面活性劑壓裂液網(wǎng)狀膠束結(jié)構(gòu)能在油介質(zhì)中破膠而胍膠壓裂液則不能，而且，實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明，表面活性劑壓裂液能使巖心殘余滲透率保持在90%以上，而胍膠壓裂液對巖心殘余滲透率的保持率只有52%，可見，表面活性劑壓裂液對儲層滲透率的傷害明顯比胍膠壓裂液小。

2.4 新的疏水締合聚合物與黏彈性表面活性劑復(fù)合型壓裂液

Cuillet I.，Hughes T.和Maitland G.報(bào)道了疏水締合聚合物與黏彈性表面活性劑復(fù)合壓裂液的協(xié)同效應(yīng)[21]，這種復(fù)合壓裂液與黏彈性表面活性劑壓裂液一樣,能在鹽介質(zhì)中形成網(wǎng)狀膠束結(jié)構(gòu)而有效攜帶支撐劑，遇到地層烴類和水時(shí),疏水締合聚合物與黏彈性表面活性劑的疏水締合作用遭到破壞，實(shí)現(xiàn)膠束結(jié)構(gòu)的自動(dòng)破膠。這種新型表面活性劑壓裂液采用的疏水締合聚合物和黏彈性表面活性劑的濃度都較低，可以降低黏彈性表面活性劑的用量而降低其施工成本；在不需要采用端部脫砂工藝的情況下，也可以降低黏彈性表面活性劑壓裂液在高滲透儲層中的濾失量，進(jìn)而有利于高滲透儲層的壓裂造縫；此外，還可以避免表面活性劑壓裂液與某些烴類物質(zhì)不配伍而形成乳狀液，進(jìn)而在一定程度上傷害儲層的問題。疏水締合聚合物與黏彈性表面活性劑復(fù)合壓裂液是國外表面活性劑壓裂液研究的最新進(jìn)展，目前主要在理論上研究疏水締合聚合物與黏彈性表面活性劑協(xié)同效應(yīng)機(jī)理和成膠破膠機(jī)理及流變學(xué)機(jī)理，現(xiàn)場應(yīng)用最多的是注入油井來趨油增產(chǎn)，在油氣井壓裂改造中應(yīng)用的實(shí)例很少，因此加強(qiáng)疏水締合聚合物與黏彈性表面活性劑復(fù)合壓裂液的現(xiàn)場應(yīng)用研究和提高表面活性劑壓裂液抗溫耐剪切性，是表面活性劑壓裂液研究發(fā)展的主要方向。

3 國外黏彈性表面活性劑壓裂液的應(yīng)用現(xiàn)狀

國外表面活性劑壓裂液應(yīng)用比較普遍，截止本世紀(jì)初，國外采用表面活性劑壓裂液進(jìn)行油氣井壓裂施工超過2400井次，本文只介紹幾個(gè)代表性的應(yīng)用實(shí)例。

1999年，Methew Samuue等人對懷俄明州Rock Springs，Maverda地層的2口相鄰分支氣井分別采用表面活性劑壓裂液和低含量胍膠壓裂液進(jìn)行了對比施工，這2口井都有3個(gè)產(chǎn)層，分別為:下Almond層、中Almond層和Lewis層，地層溫度80.0～87.8℃，地層壓力系數(shù)1.63～2.15，儲層滲透率0.03～0.05 mD，2口井3層的測井解釋結(jié)果都相同，屬中溫異常高壓致密氣層，其對比施工情況見表1。

表1 表面活性劑壓裂液與胍膠聚合物壓裂液應(yīng)用效果對比表（經(jīng)英制換算）［5］

由表1可見，采用表面活性劑壓裂液施工所耗總液量、前置液量和每噸支撐劑耗液量都比采用胍膠壓裂液小，采用表面活性劑壓裂液獲得的支撐裂縫導(dǎo)流能力明顯比胍膠壓裂液大，獲得的支撐裂縫縫高比胍膠壓裂液小1倍。表明表面活性劑壓裂液在低滲透儲層中的濾失量比胍膠壓裂液小，其液體效率比胍膠壓裂液高，因此，總液量、前置液和每噸支撐劑耗液量都比胍膠壓裂液少；表面活性劑壓裂液黏度較小，能有效控制支撐裂縫縫高，對地層傷害比胍膠壓裂液小，因此，獲得的支撐裂縫的導(dǎo)流能力明顯比胍膠壓裂液高，壓后天然氣初產(chǎn)量是胍膠壓裂液的2.42倍，增產(chǎn)效果明顯比胍膠壓裂液好。

本世紀(jì)初，埃尼-阿吉普石油公司在亞得里亞海的Giovanna油田采用黏彈性表面活性劑壓裂液和胍膠壓裂液進(jìn)行了對比試驗(yàn),結(jié)果黏彈性表面活性劑壓裂液在相同加砂量3 m3的情況下，壓裂獲得的支撐裂縫縫高和無量綱裂縫傳導(dǎo)率分別為11.88 m和33，而胍膠壓裂液獲得的縫高和無量綱裂縫傳導(dǎo)率分別為15.54 m和1.73?？梢?，黏彈性表面活性劑壓裂液具有明顯的控縫高作用，對地層傷害比胍膠壓裂液小,獲得的支撐裂縫導(dǎo)流能力遠(yuǎn)比胍膠壓裂液高，壓后也獲得了理想的原油產(chǎn)量[13]。

近年，美國南德克薩斯州砂巖儲層也采用黏彈性表面活性劑壓裂液進(jìn)行了壓裂改造，氣藏溫度87℃，地層壓力20.69 MPa，地壓系數(shù)1.92，滲透率0.10 mD，屬中溫低滲異常高壓氣層。采用的壓裂液含2%表面活性劑VES和0.36%有機(jī)鹽(水楊酸鈉)。采用73 mm油管以0.64 m3/min排量注入4%KCl溶液時(shí)，施工泵壓為74.47 MPa，而以1.62 m3/min排量泵入黏彈性表面活性劑壓裂液時(shí)，泵壓也為74.47 MPa，黏彈性表面活性劑壓裂液注入排量比KCl液大1.5倍，但地面泵注壓力卻相同，表明黏彈性表面活性劑壓裂液施工摩阻比KCl溶液小。雖只加入陶粒6.35m3，但天然氣產(chǎn)量由壓裂前的0.2831×104m3/d增加到壓后的2.83×104m3/d,增產(chǎn)倍數(shù)達(dá)9倍?？梢姡椥员砻婊钚詣毫岩簩饩畨毫研Ч草^好[13]。

美國俄克拉河瑪州EIReno Oklahoma氣田也采用了黏彈性表面活性劑壓裂液施工，氣層溫度88℃,滲透率0.3 mD，屬中溫低滲透氣層。按胍膠壓裂液設(shè)計(jì)的總液量、前置液量、總砂量和每噸砂耗液量分別為90.8 m3、34.0 m3、29.96 t和3.0 m3，采用黏彈性表面活性劑壓裂液施工時(shí)，實(shí)際用總液量、前置液量、加砂量和每噸砂耗液量分別為41.1 m3、3.2 m3、29.96 t和1.4 m3[1，3，6]，明顯比設(shè)計(jì)的胍膠壓裂液耗用量少，其壓裂液效率高達(dá)85%?？梢姡砻婊钚詣毫岩捍_實(shí)濾失量小，控濾失能力強(qiáng)，在相同加砂量的情況下可節(jié)約大量的壓裂液，進(jìn)而節(jié)約成本和減小對儲層的傷害。

4 認(rèn)識與結(jié)論

（1）表面活性劑壓裂液成膠和破膠機(jī)理表現(xiàn)為，在水中，表面活性劑形成疏水基被周圍親水基包裹的球型膠束；在鹽介質(zhì)中，表面活性劑分子中的電荷被屏蔽，球形膠束演變成蠕蟲狀或柔性棒狀膠束；當(dāng)表面活性劑濃度達(dá)到臨界濃度時(shí)，蠕蟲狀或棒狀膠束相互纏結(jié)，形成網(wǎng)狀膠束結(jié)構(gòu)而使體系具有高的黏彈性，以滿足支撐劑攜帶和延伸造縫的需要；遇到地層中的油和水時(shí)，親油基和親水基使油氣和水在網(wǎng)狀膠束結(jié)構(gòu)中增溶，使膠束體發(fā)生膨脹，最終崩解成低黏度的牛頓流體，實(shí)現(xiàn)表面活性劑壓裂液的自動(dòng)破膠。

（2）表面活性劑壓裂液不含聚合物，在低滲透儲層中的濾失量小，且不形成濾餅，對儲層傷害?。徊恍枰宦?lián)劑和破膠劑，只需要少量幾種添加劑，配液簡單；能有效控制支撐裂縫縫高，并具有較低的施工摩阻；也因儲層傷害小，獲得的支撐裂縫導(dǎo)流能力高，壓裂增產(chǎn)效果明顯比胍膠壓裂液好，特別適合低滲透儲層壓裂改造，在高滲透地層中的濾失量比胍膠壓裂液大，有利于采用端部脫砂的壓裂工藝。表面活性劑壓裂液的許多優(yōu)點(diǎn)，使其在國外得到了廣泛的應(yīng)用。

（3）目前國外研制和應(yīng)用的表面活性劑壓裂液大多都是低—中溫壓裂液，最高使用溫度115℃，因此，提高表面活性劑壓裂液剪切后黏度的快速恢復(fù)能力和耐溫抗剪切性，加強(qiáng)疏水締合聚合物與黏彈性表面活性劑復(fù)合壓裂液的現(xiàn)場應(yīng)用研究，以降低施工作業(yè)成本，是表面活性劑壓裂液研究發(fā)展的方向。

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