陽離子表面活性劑清潔壓裂液耐溫性研究進(jìn)展

王瞳煜，楊雙春 ，潘一，ONGARBAYEV Asset，張海燕

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陽離子表面活性劑清潔壓裂液耐溫性研究進(jìn)展

王瞳煜1，楊雙春1，潘一1，ONGARBAYEV Asset1，張海燕2

（1遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院，遼寧撫順 113001；2欽州學(xué)院廣西高校北部灣石油天然氣資源有效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西欽州 535011）

陽離子清潔壓裂液是以陽離子黏彈性表面活性劑為主劑的水基壓裂液，具有配制簡單、不需要交聯(lián)劑、只需要加入表面活性劑和穩(wěn)定劑、返排迅速且徹底、傷害低、攜砂性好、濾失控制性能好等特點(diǎn)。由于對環(huán)保問題的日益重視，與壓裂液相關(guān)的環(huán)保、高效的陽離子清潔壓裂液的研究開發(fā)成為壓裂液發(fā)展的重要方向。但隨著國內(nèi)外各油田打井深度的不斷加深，對陽離子清潔壓裂液的性能要求也變得越來越高，尤其是陽離子清潔壓裂液的耐溫性能。因此對其耐溫性的改良一直是研究的重點(diǎn)。本文介紹了國內(nèi)外現(xiàn)有的陽離子清潔壓裂液的體系組成、耐溫性研究現(xiàn)狀及應(yīng)用情況，提出提高耐溫耐剪切性能是陽離子清潔壓裂液的主要發(fā)展方向。對清潔壓裂液陽離子體系今后的發(fā)展提出建議，以期為相關(guān)研究提供借鑒和參考。

陽離子清潔壓裂液；表面活性劑；環(huán)境；耐溫性；石油

清潔壓裂液（viscoelastic surfactant fluid）最初是由斯倫貝謝公司于1997年研制，1999年引入我國油田，簡稱VES[1-2]。清潔壓裂液是由特殊人工合成的小分子表面活性劑組成，若表面活性劑濃度超出臨界濃度，膠束形成網(wǎng)狀構(gòu)造，因此能有效輸送支撐劑體系；壓裂結(jié)束后，清潔壓裂液與地層水或底層的烴類化合物接觸，膠束破碎成較小的球形膠束，使清潔壓裂液易于返排[3]。清潔壓裂液以增稠用的表面活性劑的種類可分為4類[4-5]：①陰離子表面活性劑型，一般配方為陰離子表面活性劑+親水型表面活性劑+不溶于水的有機(jī)醇，該體系耐溫可達(dá)150℃且易破膠，對地層傷害小，但配制繁瑣，各組分間的關(guān)系及用量很難控制，加量較大，成本昂貴；②兩性表面活性劑型，該體系主劑主要是甜菜堿，甜菜堿使表面活性劑生物降解能力增強(qiáng)，對環(huán)境沒有毒副作用，但該體系耐溫性較差一般為80℃，此外該體系合成復(fù)雜，產(chǎn)率低，價(jià)格昂貴，不利于現(xiàn)場施工的應(yīng)用；③非離子表面活性劑型，該體系主劑主要為環(huán)氧乙烷衍生物，耐溫可達(dá)150℃，且對地層傷害小，但配制工藝繁瑣，不適宜油田的大規(guī)模生產(chǎn)配制；④陽離子表面活性劑型，主劑多為陽離子季銨鹽，具有成膠性能好、主劑合成工藝成熟、價(jià)格便宜的優(yōu)點(diǎn)，且在壓裂過程中能夠有效地控制裂縫的長度，既有利于提高油氣井的采收率，還能有效減少對地層的傷害。該體系可以由海水直接配制，因此不僅可以用于陸地油藏的壓裂還可用于海洋油藏的壓裂。但隨著打井深度的增加，陽離子表面活性劑體系的使用受到溫度的限制，因此，為使清潔壓裂液可進(jìn)行大規(guī)模現(xiàn)場應(yīng)用，需進(jìn)一步提高陽離子清潔壓裂液體系的耐溫性能。

清潔壓裂液在墨西哥灣油田的成功作業(yè)，吸引了各國對此種壓裂液進(jìn)一步地研究和開發(fā)。我國在長慶油田壓裂中第一次使用由我國自主研發(fā)的清潔壓裂液取得了良好的效果，迅速引起國內(nèi)油田的關(guān)注。通過十幾年的實(shí)驗(yàn)研究和現(xiàn)場應(yīng)用，清潔壓裂液獲得了較快的發(fā)展。目前清潔壓裂液用量最多的是加拿大，其次是墨西哥灣，接著是美國東部[6]。本文針對國內(nèi)外對陽離子清潔壓裂液的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行介紹，并對今后的研究提出了建議，以期為相關(guān)研究提供參考。

以陽離子為表面活性劑的清潔壓裂液主劑合成工藝比較成熟，價(jià)格便宜，具有配制簡單、不需要交聯(lián)劑、只需要加入表面活性劑和穩(wěn)定劑、返排迅速且徹底、傷害低、攜砂性好、濾失控制性能好的特點(diǎn)，因此已在油田進(jìn)行大規(guī)模應(yīng)用。根據(jù)我國油田實(shí)際情況，其耐溫性一直都是研究重點(diǎn)。目前，已對陽離子清潔壓裂液進(jìn)行了大量改良實(shí)驗(yàn)。

1 陸相石油壓裂液

1.1 低溫清潔壓裂液

VES-18是以烷基季銨鹽為主劑，非離子或陰離子表面活性劑為破膠劑和一定量的有機(jī)鹽，在恒溫水浴鍋加熱得到的外觀為白色的透明液體。王維明[7]對VES-18壓裂液的性能進(jìn)行研究表明，該壓裂液具有耐低溫性，可在0～4℃環(huán)境下工作，但不耐高溫，在50℃穩(wěn)定性最好。該壓裂液應(yīng)用于阜新地區(qū)的煤層氣井壓裂施工取得良好的效果，經(jīng)濟(jì)效益十分明顯。FRC-1是由一種黏彈性表面活性劑、JT-1型穩(wěn)定劑及氯化物類鹽水溶液按一定比例混合，高速攪拌2min得到的黏彈態(tài)水基壓裂液。任曉娟等[8]對FRC-1壓裂液性能進(jìn)行研究表明，該壓裂液在pH大于5.0的地層中作業(yè)，在60℃作業(yè)時(shí)壓裂效果最佳，該壓裂液在長慶油田現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)取得顯著效果，此壓裂液用于注水井后，產(chǎn)量明顯提高，日注水量明顯下降。QH-VES是由特殊結(jié)構(gòu)的低分子量長鏈季銨鹽表面活性劑為主劑和KCl按一定比例加入水中，攪拌均勻后加入適量的穩(wěn)定劑得到的。曹書瑜等[9]對QH-VES壓裂液性能進(jìn)行研究表明，該壓裂液可滿足60℃范圍內(nèi)的儲層高砂比壓裂施工需要。QH-VES壓裂液在7個泉油田儲層壓裂改造中使用，根據(jù)單井有效期和措施增油情況表明，該壓裂液起到了良好的效果，可進(jìn)一步在低壓水敏油藏壓裂改造工藝中推廣應(yīng)用，具有良好的應(yīng)用前景。

1.2 低-中溫清潔壓裂液

低-中溫清潔壓裂液是以C16、C18烷基三甲基季銨鹽為主劑，添加有機(jī)酸、異丙醇等助劑的VES-70壓裂液[10]。盧擁軍等[11]對該壓裂液的性能進(jìn)行研究表明，該壓裂液在65℃仍保持穩(wěn)定的黏度。但其黏度較低，更有利于裂縫高度的控制和裂縫長度的延伸以及較寬裂縫的形成。VES-1是一種特殊陽離子表面活性劑加入到含有異丙醇、苯等的有機(jī)溶劑中，邊攪拌邊加入2-羥基苯甲酸，在70℃恒溫條件下反應(yīng)3h后，在加入一定量反離子、黏土穩(wěn)定劑等制配成壓裂液溶液。王滿學(xué)等[12]對VES-1壓裂液性能進(jìn)行研究表明，該壓裂液在80℃條件下，低濃度的鹽溶液中效果最好。目前，VES-1壓裂液已應(yīng)用于長慶、遼河、青海油田，平均單井產(chǎn)量明顯提高，破膠時(shí)間明顯縮短。

1.3 中-高溫清潔壓裂液

十八烷基二甲基溴化銨是以十八烷基二甲基叔胺和1,2-二溴乙烷合成一種新型Gemini季銨鹽表面活性劑[13-16]，以十八烷基二甲基溴化銨為主劑配制的清潔壓裂液在95℃時(shí)壓裂效果最佳，可用作中高溫壓裂體系。GW-1是陽離子表面活性劑TC183與有機(jī)鹽按3∶1的比例在100℃水浴中加熱、攪拌形成的膠束。楊冠科等[17]對GW-1壓裂液性能進(jìn)行研究表明，該清潔壓裂液壓裂施工油井的地層溫度不能高于100℃。與其他陽離子VES清潔壓裂液相比，GW-1不存在染菌變雜質(zhì)的問題。NTX-100采用國產(chǎn)長鏈脂肪酸合成的多頭季銨鹽類黏彈性表面活性劑為主劑，稠化劑以氯化鉀和弱酸性pH調(diào)節(jié)劑調(diào)節(jié)黏度。趙夢云等[18]對NTX-100壓裂液性能進(jìn)行研究表明，該壓裂液滿足110℃左右的中高溫井壓裂。但在不產(chǎn)水的氣井需要額外的破膠手段。VES-SCF清潔壓裂液是在酸性條件下，長鏈脂肪酸與胺縮合-季銨化，復(fù)配有機(jī)和無機(jī)陰離子溶液得到的。江波等[19]對壓裂液的性能進(jìn)行研究表明，該壓裂液在溫度達(dá)到150℃仍具有相當(dāng)高的黏度。

綜上所述，根據(jù)目前對陽離子清潔壓裂液的實(shí)驗(yàn)室研究和現(xiàn)場應(yīng)用表明，陽離子清潔壓裂液適用于地層溫度在60～150℃的條件下使用，對清潔壓裂液的研究進(jìn)展主要體現(xiàn)在對清潔壓裂液的制備、破膠性能、對地層的傷害性、流變性能、摩阻性能、控制裂縫能力等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室研究，在現(xiàn)場應(yīng)用方面主要進(jìn)行了現(xiàn)場配制、部分井的壓裂實(shí)驗(yàn)，沒有進(jìn)行大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用，基本沒有在產(chǎn)氣井中進(jìn)行應(yīng)用，我國在陽離子清潔陸相石油壓裂液仍處于落后階段，主劑多采用國外進(jìn)口藥劑，今后的研究重點(diǎn)應(yīng)放在我國本土的藥劑研制方面。

2 海洋石油壓裂液

隨著海洋石油的不斷探索，海洋石油增產(chǎn)技術(shù)越來越受到科學(xué)家的重視。在海洋石油壓裂中，由于清潔壓裂液具有可以直接海水配制的優(yōu)勢，使壓裂液的配制施工過程簡單、經(jīng)濟(jì)高效，引起了世界的關(guān)注。文獻(xiàn)[20]中，配制清潔壓裂液的海水離子組成范圍如表1。

PA-VES120壓裂液基液是由一定摩爾比的烷基二甲基叔胺和1,3-二溴丙烷組成的，張福銘等[21]對PA-VES120壓裂液性能研究表明，此壓裂液滿足120℃中高溫地層要求。該壓裂液對于低滲透-中高溫儲層海上油藏的增產(chǎn)具有重要的意義。PA-VES90是由油酸、芥酸混合物和,-甲氨基丙胺按1∶1比例在高溫反應(yīng)釜中反應(yīng)得到的壓裂液基液。張福銘等[22]對PA-VES90壓裂液性能進(jìn)行研究表明，PA-VES90壓裂液滿足90℃淡水體系的耐溫耐剪切性能要求，該清潔壓裂液在現(xiàn)場可以直接用淡水、海水或者地層水配制，克服了傳統(tǒng)壓裂液配制上必須用淡水配制的技術(shù)難題，減少了海上油田中淡水運(yùn)輸?shù)某杀?，具有潛在的?jīng)濟(jì)價(jià)值，對于海上油田的壓裂施工起到重要的作用。

表1 可配置VES壓裂液的海水組成范圍[20]

傳統(tǒng)壓裂液不能用海水直接配制的主要原因是海水中含有較高濃度的二價(jià)金屬離子容易發(fā)生結(jié)垢，但防垢劑與清潔壓裂液配伍性良好，所以清潔壓裂液可以由海水直接配制。陽離子清潔壓裂與傳統(tǒng)壓裂液的性能對比見表2。隨著陸地石油開采量的逐漸減少，我國已把開采目光放在了對海洋石油的開采，但清潔壓裂液在海洋石油壓裂系統(tǒng)中的研究屬于剛剛起步階段，在現(xiàn)場應(yīng)用中，配制較為困難、成本較高、耐溫性較差等問題依然有待研究。

表2 陽離子清潔壓裂液與傳統(tǒng)壓裂液的性能對比

① 受油的品質(zhì)和混合比例影響。

通過表2可知，與胍膠壓裂液相比，清潔壓裂液優(yōu)點(diǎn)明顯，但成本相對較高，今后研究的主要方向是降低清潔壓裂液的配制成本的方法、尋找性能良好的破膠劑或者破膠促進(jìn)劑、提高清潔壓裂液的耐溫性能。

3 納米級陽離子清潔壓裂液

陽離子清潔壓裂液耐溫性的改良受到一定限制，不能滿足超高溫地層的需求，一直沒有重大突破，因此納米技術(shù)被應(yīng)用于清潔壓裂液中[23]。在美國石油公司，納米技術(shù)已成功運(yùn)用于清潔壓裂液中，VES-N2、VES-CO2[24-28]等泡沫清潔壓裂液已成功應(yīng)用于實(shí)際開采作業(yè)，而我國納米技術(shù)與清潔壓裂液的結(jié)合運(yùn)用還只停留初級階段，只對VES-CO2清潔壓裂液只進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室研究，還未進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用。VES-CO2是由黏彈性表面活性劑為主劑、激活劑水楊酸鈉和YC-1811為助劑，按一定比例與水混合，對系統(tǒng)進(jìn)行加熱得到的。孫曉等[24]對VES-CO2壓裂液各項(xiàng)特性隨溫度、泡沫質(zhì)量、剪切速率等因素的變化規(guī)律等性能進(jìn)行研究合成了泡沫質(zhì)量達(dá)到70%以上，主要用于低壓、水敏性氣藏增產(chǎn)的壓裂液 體系。

除納米級泡沫清潔壓裂液外，其他納米粒子也成功加入到陽離子清潔壓裂液中[29]。GURLUK等[30]在陽離子清潔壓裂液中添加氧化鎂及氧化鋅納米顆粒配制了一種新型納米改性清潔壓裂液。實(shí)驗(yàn)室流變性測得數(shù)據(jù)表明該新型壓裂液在135℃的高溫下，黏度依然可以保持在100mPa·s，且黏度的增加不隨納米顆粒的濃度變化。這種現(xiàn)象說明納米顆粒的加入使清潔壓裂液的耐溫性能大大提高。CREWS等[31]也提出了一種新型納米級改性清潔壓裂液。通過實(shí)驗(yàn)測得該清潔壓裂液在121℃的高溫下，黏度保持在200mPa·s。且該種壓裂液自帶內(nèi)相破膠，破膠后，清潔壓裂液可通過地層微空隙返回地面。戰(zhàn)麗穎[32]制備了一種適用于煤層氣的納米型清潔壓裂液，優(yōu)選納米氧化鋅、納米氧化鋁、納米二氧化硅。結(jié)果表明，二氧化硅對清潔壓裂液耐溫性和攜砂性明顯提高了72%，有效改善了煤層氣的壓裂施工效果。

納米技術(shù)應(yīng)用于清潔壓裂液后，明顯提高了清潔壓裂液的耐溫性能，且具有配制簡單、對地層傷害小、用量少、成本低等特點(diǎn)。納米技術(shù)與清潔壓裂液的結(jié)合是未來研究的主攻方向。通過實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，對納米級泡沫清潔壓裂液對發(fā)泡劑進(jìn)行優(yōu)選，得到良好的泡沫清潔壓裂液體系，對于納米材料的優(yōu)選也是今后研究的重點(diǎn)，為今后的大規(guī)?，F(xiàn)場實(shí)踐應(yīng)用提供充足的理論數(shù)據(jù)。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

由于清潔壓裂液與常規(guī)壓裂液相比具有配制簡單、施工易操作、攜砂性好、壓裂施工后油氣井增產(chǎn)效果明顯等優(yōu)點(diǎn)，自從首次在美國墨西哥灣油井進(jìn)行現(xiàn)場壓裂填充作業(yè)后效果明顯，在美國的Oklahoma、Arkansas-Louisiana-Texas、Kentucky、加拿大阿爾伯塔、意大利亞德利亞海[33-35]油氣田的增產(chǎn)壓裂中得到廣泛的應(yīng)用。其中意大利亞德利亞海和美國的墨西哥灣地區(qū)，根據(jù)壓裂液配制要求，可直接用海水制備壓裂液，對壓裂井進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測，壓裂效果良好，增產(chǎn)效果明顯。Giovanna氣田是最早使用清潔壓裂液進(jìn)行壓裂的區(qū)塊，經(jīng)過壓裂后，該區(qū)塊的穩(wěn)定產(chǎn)量是投產(chǎn)初期的3倍[37]。用清潔壓裂液在德克薩斯南部的產(chǎn)氣砂巖地層進(jìn)行現(xiàn)場壓裂，壓裂后，油井產(chǎn)量由原來的2831m3/d增加到28310m3/d。該現(xiàn)場應(yīng)用的成功表明在繞管壓裂中清潔壓裂液的使用是可行的實(shí)踐操作。

我國勝利油田、華北油田、吐哈油田、長慶油田等油田[35-37]的壓裂作業(yè)中均使用清潔壓裂液，都取得了良好的增產(chǎn)效果。我國在大慶油田使用斯倫貝謝公司的ClearFRAC清潔壓裂液進(jìn)行作業(yè)，各項(xiàng)指標(biāo)都達(dá)到設(shè)計(jì)要求，一次成功率達(dá)到100%，增產(chǎn)效果是原有壓裂液的2～3倍[37]。

5 結(jié)語

清潔壓裂液與傳統(tǒng)壓裂液相比，具有破膠容易、低摩阻、易返排的優(yōu)勢，而且在配制中無需添加交聯(lián)劑、殺菌劑及其他添加劑，因此成本較低，在現(xiàn)場應(yīng)用中清潔壓裂液得到廣泛的應(yīng)用。建議今后圍繞以下幾個方面開展工作：改進(jìn)清潔壓裂液合成工藝，研究經(jīng)濟(jì)有效的方法配制清潔壓裂液，以降低生產(chǎn)成本；加強(qiáng)陰離子表面活性劑、兩性離子表面活性劑和非離子表面活性劑的研發(fā)，得到對地層傷害低、產(chǎn)率更高、破膠徹底、體系更加豐富的清潔壓裂液產(chǎn)品，更好的應(yīng)用于水力壓裂中；模擬地層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用Visual basic for windows編寫壓裂施工溫度場計(jì)算軟件，模擬地層環(huán)境，選定合理的清潔壓裂液加入方式和計(jì)量，以便增加清潔壓裂液現(xiàn)場施工效果；理論研究和實(shí)際應(yīng)用同步進(jìn)行，加快產(chǎn)量化；加強(qiáng)與國外專家學(xué)者學(xué)術(shù)交流，共同推進(jìn)清潔壓裂液的發(fā)展。

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Research progress on temperature resistance of cationic surfactant cleaning fracturing fluid

WANG Tongyu1，YANG Shuangchun1，PAN Yi1，ONGARBAYEV Asset1，ZHANG Haiyan2

（1College of Petroleum and Natural Gas Engineering，Liaoning Shihua University，F(xiàn)ushun 113001，Liaoning，China；2Guangxi Colleges and Universities Key Laboratory of Beibu Gulf Oil and Natural Gas Resource Effective Utilization，Qinzhou University，Qinzhou 535011，Guangxi，China）

Cationic clean fracturing fluid is water-based fracturing fluid with cationic viscoelastic surfactant，which is featured with simple preparation. And it only needs surfactants and stabilizers without adding the crosslinking agents. And it is also characterized by flowing back quickly and completely，low damage，good performances of sand-carrying, and well control of filter loss etc.. Due to the increasing emphasis on environmental protection, the research and development of environment friendly and effective clean fracturing fluid has drawn a lot of attentions. However，with the increase of the drilling depth at home and abroad，the performance requirements of the cationic clean fracturing fluid has become higher, especially its high temperature resistance. Therefore, the improvement of its temperature resistance is the focus of the study. The status and application of the cationic clean fracturing fluid at home and abroad were summaried. It was pointed out that increasing temperature and shearing resistance is the main development trend of cationic clean fracturing fluid. Some suggestions are put forward for the future development to provide references for the related researches.

cationic clean fracturing fluid；surfactants；environment；temperature resistance；petroleum

TE357.1+2

A

1000–6613（2017）12–4607–06

10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0363

2017-03-07；

2017-04-07。

遼寧省高等學(xué)校杰出青年學(xué)者成長計(jì)劃（LJQ2015063） 及廣西高校北部灣石油天然氣資源有效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題（2016KLOG03）項(xiàng)目。

王瞳煜（1993—），女，碩士研究生。

楊雙春，副教授，研究方向?yàn)橛吞锘瘜W(xué)。E-mail：yangchun_bj@126.com。