一種新型陰離子型清潔壓裂液的性能評價

周亞琴，甄延忠*，薛湘湘，賀 著，韓 進(jìn)

(1.延長油田股份有限公司青化砭采油廠，陜西延安716003；

2.延安大學(xué)石油工程與環(huán)境工程學(xué)院，陜西延安716000)

一種新型陰離子型清潔壓裂液的性能評價

周亞琴1，2，甄延忠1，2*，薛湘湘2，賀 著2，韓 進(jìn)2

(1.延長油田股份有限公司青化砭采油廠，陜西延安716003；

2.延安大學(xué)石油工程與環(huán)境工程學(xué)院，陜西延安716000)

以長鏈羧酸鹽型陰離子表面活性劑為稠化劑，氯化鉀為交聯(lián)劑，獲得了陰離子型清潔壓裂液(YD-1)，對其性能進(jìn)行研究。YD-1清潔壓裂液黏度隨稠化劑濃度的增加而增加，當(dāng)交聯(lián)劑的濃度為3%時，其黏度達(dá)到最大值。所得YD-1清潔壓裂液在80℃、170 s-1下的具有良好的耐溫耐剪切性能。攜砂性良好，稠化劑濃度分別為3%、4%、5%時，石英砂的沉降速率分別為0.281 mm·s-1、0.032 mm·s-1、0.016 mm·s-1。壓裂液低溫破膠性能良好，原油與4%的壓裂液體積比為1∶10時，壓裂液在80 min可完全破膠，破膠液黏度在5 mPa·s以下，破膠液表面張力為28.9 mN/m，說明壓裂液具有低傷害性。

陰離子表面活性劑；清潔壓裂液；性能評價

20世紀(jì)90年代末，美國Schlumberger公司推薦了一種粘彈性(VES)表面活性劑壓裂液，即清潔壓裂液，由于其具有配制簡單，摩阻低，幾乎無地層傷害，備受關(guān)注，在國內(nèi)外得到迅速推廣[1-3]。第一代VES壓裂液稠化劑主要為陽離子季銨鹽表面活性劑、兩性離子表面活性劑，如CTAB(十六烷基三甲基溴化銨)、孿生季銨鹽類表面活性劑等[4]。這些表面活性劑通常會帶來兩個方面的問題：一、陽離子季銨鹽表面活性劑有強烈的刺激性，會對水體造成一定的危害；二、陽離子表面活性劑在儲集層和支撐劑充填層發(fā)生吸附，引起表面潤濕性改變和孔喉尺寸的減小，降低地層滲透率，增加油氣流動阻力，從而對儲層造成傷害[5，6]。因此，使用陰離子表面活性劑作為壓裂液稠化劑有望解決上述問題。

近年來，中國石油大學(xué)(北京)張士誠教授先后報道了代號為D3F2AS05的低傷害陰離子型VES壓裂液，并且在大慶、河南油田和冀東大牛地氣田成功應(yīng)用[7，8]。研究表明，陰離子型VES壓裂液可減少表面活性在儲層的吸附，可以降低對儲層的傷害。2012年，賴曉娟等人獲得了CHJ清潔壓裂液，該壓裂液破膠液對巖心的傷害率僅為7.65%，低于胍膠壓裂液對巖心的傷害[9]。

課題組針對陜北油田儲層的特點，開展了適用于低溫、低壓、低滲透油田的清潔壓裂液體系的研究。選用長鏈羧酸鹽陰離子表面活性劑作為壓裂液的稠化劑，KCl為交聯(lián)劑，獲得了代號為YD-1陰離子型清潔壓裂液，對壓裂液體系的耐溫耐剪切性、攜砂性、破膠等性能進(jìn)行了評價。研究結(jié)果表明，YD-1壓裂液在80℃、170 s-1條件下，具有較好的耐溫耐剪切性，且攜砂性較好，破膠液表面張力較低，是一種新型的低傷害清潔壓裂液。

1 實驗

1.1 主要儀器與藥品

YD-1陰離子表面活性劑(自制)；KOH(分析純)；KCl(分析純)；石英砂80目；原油。

1.2 實驗方法

清潔壓裂液室內(nèi)評價參照SY/T6376-2008中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《壓裂液通用技術(shù)條件》和SY/T5107-2005《水基壓裂液性能評價方法》對YD-1壓裂液進(jìn)行了性能評價。

(1)耐溫耐剪切性能評價：在旋轉(zhuǎn)流變儀的樣品杯中加滿壓裂液后加熱，控制升溫速度為1±0.2℃/min，從20℃開始實驗，剪切速率170 s-1。溫度達(dá)到80℃后，保持剪切速率和溫度不變，直至達(dá)到預(yù)定剪切時間為止。

(2)攜砂性能的測定：在室溫下將配制好的壓裂液倒入100毫升量筒中，加入數(shù)粒20～40目陶粒砂，放入后測試在不同時刻的下降位置，計算砂的沉降速度并求取平均值，單位為mm·s-1

(3)破膠性能測定：將含有一定量原油的壓裂液樣品放置在設(shè)定溫度的水浴鍋內(nèi)，觀察破膠情況，測定破膠液黏度，當(dāng)其黏度低于5 mPa·s時視為徹底破膠。

2 結(jié)果與討論

2.1 交聯(lián)劑濃度對壓裂液粘度的影響

圖1為交聯(lián)劑濃度與稠化劑濃度對壓裂液粘度的影響。由圖可知，表面活性劑濃度越大，成膠黏度越高。究其原因是，由于表面活性劑自身在溶液中迅速締合、纏結(jié)。同時，交聯(lián)劑與表面活性劑在溶液中可以形成混合膠束，增加溶液的黏度。另外，隨著交聯(lián)劑的濃度越大，壓裂液體系的成膠黏度越高，但當(dāng)濃度超過3.0%，體系的黏度則基本保持不變。壓裂液的稠化劑為陰離子型表面活性劑，將其與交聯(lián)劑混合后，帶正電的反離子壓縮膠束的擴散雙電層，促使膠束結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，最終形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使溶液黏度增大[8]，因此，我們選擇交聯(lián)劑濃度3%作為壓裂液體系最佳濃度。

2.2 耐溫、抗剪切性能評價

為了考察壓裂液體系的抗剪切、耐溫性能，在交聯(lián)劑濃度為3%，壓裂液濃度分別為5%、4%、3%時，對其流變性進(jìn)行了測試，實驗結(jié)果如圖2所示。由圖可見，清潔壓裂液的黏度隨溫度的升高而降低并逐漸穩(wěn)定。這是由于清潔壓裂液加熱后，分子間碰撞更加頻繁，膠束被破壞，并不斷減少，同時壓裂液中通過分子鏈相互纏繞形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)在強剪切力作用下被破壞，分子間摩擦力降低，黏度逐漸下降[10，11]。60 min后，YD-1壓裂液黏度的下降趨勢逐漸趨于平緩，5%、4%的壓裂液體系的黏度均能保持在30 mPa·s附近，研究結(jié)果表明，YD-1清潔壓裂液具有良好的耐溫耐剪切性能。

圖1 交聯(lián)劑濃度對不同濃度稠化劑粘度的影響

圖2 不同溫度下壓裂液體系流變曲線

2.3 攜砂性能評價

室溫下考察了石英砂在不同濃度的YD-1壓裂液的靜態(tài)沉降速率，實驗結(jié)果如表一所示。由此可以看出，當(dāng)交聯(lián)濃度為3%，壓裂液濃度分別為3%、4%、5%時，石英砂的沉降速率分別為0.281 mm·s-1、0.032 mm·s-1、0.016 mm·s-1，較低的石英砂沉降速率說明了YD-1清潔壓裂液具有較好的攜砂性，同時也表明了清潔壓裂液具有良好的黏彈性和剪切恢復(fù)性。

2.4 破膠性能評價

清潔壓裂液進(jìn)入到含油地層以后，親油性有機物被膠束增溶，棒狀膠束會發(fā)生膨脹并且最終崩散，使形成的凝膠破膠并形成了低粘度的水溶液，流阻降低；另外，進(jìn)入地層的清潔壓裂液由于地層水的作用，使其被地層水的稀釋而降低了自身的濃度，因此，棒狀膠束逐漸分離，形成了單個膠束，從而降低了壓裂液的粘度[11]。

將原油分別與濃度為3%、4%、5%的YD-1清潔壓裂液按體積比為1∶10混合，測定了60℃時壓裂液黏度隨時間的變化，結(jié)果見圖3。由圖可知，加入原油后，壓裂液黏度隨時間延長而減小，最后降至零左右。壓裂液濃度為5%時，壓裂液黏度的下降速度較慢，需要較長時間，濃度為3%時，壓裂液黏度下降速度較快，在40 min左右已降至10 mPa·s以下，而濃度為4%時，壓裂液的黏度在80 min左右降至5 mPa·s以下，說明了壓裂液濃度為4%時，比較符合現(xiàn)場施工要求。

圖3 不同濃度壓裂液黏度隨時間的變化

用表界面張力儀測得破膠后壓裂液的表面張力為28.9 mN/m，而同條件下瓜爾膠壓裂液破膠液的表面張力為38.6 mN/m。YD-1清潔壓裂液的破膠液具有較低的表面張力，有利于克服水鎖及賈敏效應(yīng)，降低毛管阻力，增加破膠液的返排能力[8]。

3 結(jié)論

本文選用了長鏈羧酸鹽陰離子表面活性劑作為壓裂液的稠化劑，代號為YD-1陰離子型清潔壓裂液，通過對其濃度與黏度關(guān)系的研究發(fā)現(xiàn)，壓裂液的黏度隨稠化劑加量的增加而增大，隨交聯(lián)劑的加量的增大而增加，當(dāng)交聯(lián)劑濃度為3%時，所得壓裂液黏度最大。通過對壓裂液性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明：YD-1壓裂液在80℃、170 s-1條件下，具有較好的耐溫耐剪切性，且攜砂性較好，稠化劑濃度為5%時，石英砂的沉降速率僅為0.016 mm·s-1。另外，壓裂液在原油中具有較好的破膠性，濃度為4%的YD-1壓裂液在80 min左右破膠，破膠液表面張力較低，說明了陰離子型YD-1壓裂液是一種低傷害的清潔壓裂液。

[1]劉新全，易明新，趙金鈺，等，粘彈性表面活性劑(VES)壓裂液[J]，油田化學(xué)，2001，18(3)，273-277.

[2]Samuel M,Card R J,Nelson E B,et al.Vinod,Polymer-free fluid for hydraulic fracturing[J].SPE 38622,1997.

[3]Fontana C,Muruaga E,Perez D R,et al.Successful application of a high temperature viscoelastic surfactant(VES) fracturing fluids under extreme conditions in patagonian Wells[C].San Jorge Basin,Europec/eage Conference and Exhibition,SPE,107-277, 2007.

[2]Samuel M,Card R J,Nelson E B,et al.Vinod,Polymer-freefluidforhydraulicfracturing[C].SPE38622，1997.

[4]李愛山，楊彪，鞠玉芹，等.黏彈性表面活性劑壓裂液流變性研究[J].石油勘探與開發(fā)，2007，34(1)：89-92.

[5]陳馥，李欽，壓裂液傷害性研究[J].天然氣工業(yè)，2006，26(1)：1-3.

[6]陳馥，劉彝，王大勇.陽離子表面活性劑基壓裂液的地層傷害性研究[J]，鉆井液與完井液，2007，24(6)：62-65.

[7]張勁，李林地，張士誠，等.一種傷害率極低的陰離子型VES壓裂液的研制及其應(yīng)用[J].油田化學(xué)，2008(2)：122-125.

[8]牟善波，張士誠，張勁，等，新型陰離子表活劑壓裂液性能評價及現(xiàn)場應(yīng)用[J].大慶石油地質(zhì)與開發(fā)，2010，29(1)：81-84.

[9]劉觀軍，李小瑞，賴小娟，等，CHJ陰離子清潔壓裂液的性能評價[J].油田化學(xué)，2012(3)：275-277.

[10]Chen F,Wu Y,Wang M,et al.Self-assembly networks of wormlike micelles and hydrophobically modified polyacrylamide with high performance in fracturing fluid application[J].Colloid and Polymer Science,2014,293(3)：687-697.

[11]張艷，張士誠，張勁，等，耐高溫酸性清潔壓裂液性能研究及適用性探討[J]，油田化學(xué)，2014，2(31)：199-202.

[責(zé)任編輯 李曉霞]

Performance Evaluation of a Novel Anion Surfactant Clean Fracturing Fluid

ZHOU Ya-qin1,2,ZHEN Yan-zhong1,2,XUE Xiang-xiang2HE ZHU2,HAN JIN2

(1.Qinghuabian Oil Production Plant,Yanchang Oilfield Co.Ltd.,Yan′an 716000,China. 2.College of Energy and Environment Engineering,Yan′an University,Yan′an 716000,China)

YD-1 anion surfactant clean fracturing fluid was synthesized by as thickener with long-chain carboxylic acid salt and cross-linking agent with KCl.Its main performance was studied.With increasing dosage of thickener, the viscosity of YD-1 fracturing fluid increased,which reached the maximum with the content of KCl is of 3%.The results showed that YD-1 fracturing fluid had better temperature resistance and shear resistance performance under the condition of 80℃ and 170 s-1.The sedimentation rates of the seeds in the fracturing fluid were about 0.281 mm·s-1,0.032 mm·s-1,0.016 mm·s-1when the concentration of thickener were 3%, 4%, 5%, respectively.It indicated that the fracturing fluid had a better sand-carrying performance.The viscosity of YD-1 fracturing fluid had decreased below 5 mPa·s during 80 min when volume ratio of crude oil and 4% of the fracturing fluid was 1∶10,and the surface tension of the breaker fluid was of 28.9 mN/m.The results have indicated that YD-1 fracturing fluid has lower damage than guar gum.

anion surfactant; clean fracturing fluid; property evaluation

2015-07-25

陜西省工業(yè)攻關(guān)項目(2015GY174)；陜西省教育廳專項項目(14JK813)；陜西省大學(xué)生科技創(chuàng)新訓(xùn)練項目(1270，1443)

周亞琴(1976—)，女，陜西子長人，延長油田工程師。 *為通訊作者

TE39

A

1004-602X(2015)04-0055-03

博勒飛DV-Ⅲ流變儀(美國Brookfield公司)；六聯(lián)恒溫水浴鍋(北京科偉永興儀器有限公司)；全自動表面張力儀(上海方瑞儀器有限公司)；精密增力電動攪拌器(常州國華電氣有限公司)；電子天平(賽多利斯科學(xué)儀器北京有限公司)。