CO2泡沫雙子表面活性劑清潔壓裂液研究與試驗(yàn)

楊浩瓏， 向祖平， 李 龍， 袁迎中

(1.重慶科技學(xué)院石油與天然氣工程學(xué)院，重慶 401331；2.中國(guó)石油西南油氣田分公司勘探開發(fā)研究院，四川成都 610051)

非常規(guī)油氣資源開發(fā)的關(guān)鍵是對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行壓裂改造，實(shí)現(xiàn)油氣工業(yè)化開采[1]。目前國(guó)內(nèi)外壓裂常用的水基壓裂液有天然植物膠壓裂液、合成聚合物壓裂液和纖維素壓裂液，這些壓裂液由于含有相對(duì)分子質(zhì)量較大的聚合物，導(dǎo)致其在儲(chǔ)層中破膠困難、破膠后殘?jiān)扛?，?duì)儲(chǔ)層造成的傷害較重[2-6]。

近年來(lái)，清潔壓裂液和泡沫壓裂液成為非常規(guī)油氣儲(chǔ)層壓裂改造常用的壓裂液，泡沫壓裂液具有用水量少、快速返排和對(duì)儲(chǔ)層傷害輕等特點(diǎn)[7-9]，但其穩(wěn)定性較差，導(dǎo)致其應(yīng)用受到一定的限制；清潔壓裂液具有易破膠、返排快、施工摩阻低、與地層配伍性好和殘?jiān)康偷忍攸c(diǎn)[10-14]，但與常規(guī)胍膠壓裂液相比濾失速率較大，且僅適用于低溫淺井。為此，筆者結(jié)合泡沫壓裂液和清潔壓裂液的特點(diǎn)，研究了一種雙子表面活性劑，并以此為基礎(chǔ)配制了CO2泡沫雙子表面活性劑清潔壓裂液(以下簡(jiǎn)稱CO2泡沫清潔壓裂液)。該壓裂液具有較強(qiáng)的泡沫穩(wěn)定性、攜砂能力和耐溫抗剪切性能，并且具有破膠徹底迅速、殘?jiān)康秃蛯?duì)儲(chǔ)層巖心傷害較輕的特點(diǎn)，適用于非常規(guī)油氣儲(chǔ)層的壓裂施工。

1 CO2泡沫清潔壓裂液設(shè)計(jì)原理

1.1 設(shè)計(jì)原理

針對(duì)表面活性劑清潔壓裂液的特點(diǎn)，通過(guò)引入特殊基團(tuán)，研制了一種新型黏彈性表面活性劑，增強(qiáng)了表面活性劑的抗溫抗鹽性、溶解性及其與CO2泡沫的配伍性等。該表面活性劑屬于雙子表面活性劑，與常規(guī)表面活性劑相比具有更好的溶解性和穩(wěn)定性，在較低的濃度下能夠與多元締合共聚物協(xié)同作用形成超分子聚集體，當(dāng)其濃度達(dá)到臨界膠束濃度時(shí)，在溶液中能夠形成穩(wěn)定的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使流體具有良好的黏彈性。將新型雙子表面活性劑壓裂液和CO2泡沫壓裂液結(jié)合起來(lái)，形成CO2泡沫清潔壓裂液，可充分發(fā)揮CO2泡沫壓裂液和清潔壓裂液的各自優(yōu)勢(shì)，使其具有低殘?jiān)偷蛡Φ奶匦浴?/p>

1.2 雙子表面活性劑WG-2的制備

雙子表面活性劑WG-2是通過(guò)化學(xué)鍵將2個(gè)單鏈普通表面活性劑分子在離子頭基處連接起來(lái)而形成的一種新型黏彈性表面活性劑，由于含有多個(gè)極性基團(tuán)，能夠有效平衡不同離子頭基相同電荷之間的排斥力，使其具有良好的溶解性、抗溫性和表面活性，而較低的臨界膠束濃度使其水溶液黏度隨表面活性劑濃度增大而迅速增大。

1.2.1 試驗(yàn)材料

硬脂酸；N，N-二甲基，1，3-丙二胺；乙醇鈉；1，3-二氯異丙醇；異丙醇；乙酸乙酯。

1.2.2 制備方法

將硬脂酸和N,N-二甲基,1,3-丙二胺按一定的比例加入到燒瓶中，再加入一定量的乙醇鈉作為催化劑， 將pH值調(diào)至8左右，加熱至125 ℃，攪拌回流反應(yīng)7 h，冷卻后即得中間產(chǎn)物。將中間產(chǎn)物與1，3-二氯異丙醇按一定的比例加入到裝有乙醇和水混合溶劑的反應(yīng)器中，加熱攪拌至反應(yīng)物完全溶解，升溫至70 ℃反應(yīng)6 h后，得到淡黃色固體產(chǎn)物，用異丙醇和乙酸乙酯重結(jié)晶2～3次，將結(jié)晶產(chǎn)物烘干，即得到最終產(chǎn)物新型雙子表面活性劑WG-2。

1.3 壓裂液的配制

利用室內(nèi)制備的雙子表面活性劑WG-2作為黏度調(diào)節(jié)劑，評(píng)價(jià)和優(yōu)選了稠化劑G-11、起泡劑SDBS及螯合劑C-12等處理劑，配制得到了CO2泡沫清潔壓裂液，配方為1.0%KCl+0.6%稠化劑G-11+0.2%黏度調(diào)節(jié)劑WG-2+0.5%起泡劑SDBS+0.3%螯合劑C-12+CO2。

配制方法為：首先，按比例量取一定體積的水置于吳茵混調(diào)器中，將轉(zhuǎn)速調(diào)至500 r/min，依次加入KCl、螯合劑C-12，攪拌至全部溶解，然后緩慢加入稠化劑G-11，繼續(xù)攪拌至形成均勻的溶液，得到壓裂液基液；接著加入黏度調(diào)節(jié)劑WG-2，攪拌均勻；最后，加入起泡劑SDBS，將吳茵混調(diào)器蓋緊密封，將轉(zhuǎn)速調(diào)至800 r/min，同時(shí)通入CO2，攪拌3 min，即得CO2泡沫清潔壓裂液。

2 CO2泡沫清潔壓裂液性能評(píng)價(jià)

對(duì)CO2泡沫清潔壓裂液的耐溫耐剪切性能、泡沫穩(wěn)定性、黏彈性能、攜砂性能、破膠性能和對(duì)巖心的傷害性等性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.1 耐溫耐剪切性能

壓裂液的耐溫耐剪切性能會(huì)直接影響其攜砂和造縫的能力[15]。量取一定體積的壓裂液并稱其質(zhì)量，在密閉條件下通入CO2氣體，保證壓裂液處于CO2環(huán)境中，采用HAAKE RS6000型高溫旋轉(zhuǎn)流變儀測(cè)試不同溫度下壓裂液黏度隨剪切時(shí)間的變化情況，結(jié)果見圖1。

圖1 CO2泡沫清潔壓裂液耐溫抗剪切性能測(cè)試結(jié)果Fig.1 Test results of temperature and shear resistance of CO2 foam clean fracturing fluid

由圖1可以看出，CO2泡沫清潔壓裂液的黏度隨著剪切時(shí)間增長(zhǎng)和溫度升高均會(huì)降低。當(dāng)試驗(yàn)溫度穩(wěn)定在120 ℃時(shí)，剪切140 min后，其黏度仍保持在50 mPa·s左右，滿足SY/T 6376—2008 《壓裂液通用技術(shù)條件》中黏彈性表面活性劑壓裂液表觀黏度不小于20 mPa·s的要求[16]，說(shuō)明該壓裂液的耐溫性能可以達(dá)到120 ℃，具有良好的耐溫抗剪切性能，能夠適用于溫度不高于120 ℃儲(chǔ)層的壓裂施工。

2.2 泡沫穩(wěn)定性

泡沫穩(wěn)定性主要受泡沫液的黏度、結(jié)構(gòu)和表面活性的影響，可以根據(jù)起泡率、泡沫質(zhì)量和泡沫半衰期等參數(shù)直觀地判斷泡沫的穩(wěn)定性，因此，通過(guò)測(cè)定以上參數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)CO2泡沫清潔壓裂液的泡沫穩(wěn)定性。

起泡率和泡沫質(zhì)量的計(jì)算公式分別為：

(1)

(2)

式中：г為起泡率；Q為泡沫質(zhì)量；V為所取泡沫壓裂液的體積，mL；V0為所取基液的體積，mL；m為所取泡沫壓裂液的質(zhì)量，g。

將配制好的CO2泡沫清潔壓裂液倒入量筒中，并開始計(jì)時(shí)，當(dāng)泡沫壓裂液的析出體積為基液體積的一半時(shí)，停止計(jì)時(shí)，所用的時(shí)間即為泡沫半衰期，結(jié)果見表1。

由表1可知，CO2泡沫清潔壓裂液的起泡率和泡沫質(zhì)量均較高。溫度對(duì)泡沫半衰期的影響較為明顯，常溫下壓裂液的泡沫半衰期可以達(dá)到170.0 h以上；當(dāng)溫度為80 ℃時(shí)，泡沫半衰期可以達(dá)到7.0 h左右；當(dāng)溫度升高至110 ℃時(shí)，泡沫半衰期仍可以達(dá)到3.0 h以上，說(shuō)明泡沫的穩(wěn)定性較強(qiáng)。這是由于壓裂液中的黏彈性表面活性劑和聚合物稠化劑通過(guò)分子鏈間的相互作用形成了彈性網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使其具有較高的黏彈性，增強(qiáng)了泡沫的穩(wěn)定性。

2.3 黏彈性能

黏彈性流體可以看作是黏性和彈性綜合作用的流體。Hoffmann[17]提出的黏彈性流體判定方法為：在角速度0.1 ～100.0 rad/s條件下，若彈性模量大于黏性模量，且彈性模量大于0.1 Pa，認(rèn)為該溶液具有黏彈性。使用MARS可視流變儀在室溫振蕩模式下測(cè)定不同角速度下CO2泡沫清潔壓裂液的彈性模量和黏性模量，結(jié)果見表2。

表2 CO2泡沫清潔壓裂液黏彈性能評(píng)價(jià)結(jié)果

由表2可知，在測(cè)定頻率范圍內(nèi)，CO2泡沫清潔壓裂液的彈性模量總是大于黏性模量，說(shuō)明該壓裂液具有良好的黏彈性能。

2.4 攜砂性能

清潔壓裂液往往具有較好的黏彈性能，所以一般具備良好的攜砂性能。采用SY/T 5185—2016《礫石充填防砂水基攜砂液性能評(píng)價(jià)方法》中攜砂液攜砂能力的測(cè)定方法，測(cè)定石英砂和陶粒全部沉降至容器底部所需的時(shí)間來(lái)評(píng)價(jià)CO2泡沫清潔壓裂液的攜砂性能。具體試驗(yàn)步驟為：取500 mL泡沫質(zhì)量為66%的CO2泡沫清潔壓裂液于燒杯中，放置在不同溫度的水浴鍋中恒溫30 min，按不同砂比分別加入粒徑為0.425～0.850 mm的石英砂和陶粒并攪拌均勻，加入到高度0.80 m的透明容器中，然后放置于不同溫度的烘箱中，記錄石英砂和陶粒全部沉至容器底部所需的時(shí)間，并計(jì)算沉降速度，結(jié)果見表3。

表3 CO2泡沫清潔壓裂液體系攜砂性能評(píng)價(jià)結(jié)果

由表3可以看出，隨著溫度和砂比升高，CO2泡沫清潔壓裂液的攜砂性能逐漸降低。當(dāng)試驗(yàn)溫度為80 ℃、砂比為30%時(shí)，石英砂和陶粒全部沉降至容器底部所需的時(shí)間分別為36.4和41.2 h，沉降速度分別為0.37和0.32 mm/min，表明該壓裂液的靜態(tài)懸砂性能較好[18-19]。這是由于泡沫壓裂液形成的結(jié)構(gòu)致密的泡沫能夠和石英砂(陶粒)顆粒之間產(chǎn)生交互作用，使石英砂(陶粒)均勻地分散在泡沫壓裂液中，從而提高了壓裂液的攜砂能力。

2.5 破膠性能

壓裂液必須具備良好的破膠性能，以保證壓裂施工后返排作業(yè)的順利進(jìn)行。在CO2泡沫清潔壓裂液中加入一定量的破膠劑(過(guò)硫酸銨)，在不同溫度下進(jìn)行破膠試驗(yàn)，每隔一段時(shí)間測(cè)定壓裂液的表觀黏度，并觀察破膠情況。當(dāng)表觀黏度不再變化時(shí)，即完全破膠，記錄完全破膠時(shí)間和破膠液黏度，并測(cè)定破膠液的表面張力和殘?jiān)?，以評(píng)價(jià)CO2泡沫清潔壓裂液的破膠性能,結(jié)果見表4。

由表4可以看出，在不同溫度下，當(dāng)破膠劑加量為0.04%時(shí)，CO2泡沫清潔壓裂液完全破膠時(shí)間小于3.0 h，破膠液的黏度低于3.0 mPa·s，表面張力低于25.0 mN/m，殘?jiān)康陀?.0 mg/L；說(shuō)明該壓裂液破膠較為迅速?gòu)氐?，并且破膠液的黏度和表面張力較小，有利于后期返排作業(yè)的進(jìn)行；殘?jiān)亢苄。粫?huì)對(duì)儲(chǔ)層造成二次傷害。

表4 CO2泡沫清潔壓裂液破膠性能評(píng)價(jià)結(jié)果

2.6 對(duì)巖心的傷害性能

參照SY/T 5107—2016《水基壓裂液性能評(píng)價(jià)方法》中的壓裂液對(duì)巖心基質(zhì)滲透率損害率測(cè)定方法[20]，利用多功能巖心驅(qū)替試驗(yàn)裝置，評(píng)價(jià)破膠劑加量為0.04%時(shí)CO2泡沫清潔壓裂液破膠液對(duì)儲(chǔ)層天然巖心的傷害情況，并與常用的羥丙基胍膠壓裂液破膠液進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表5。

表5 不同壓裂液對(duì)巖心的傷害評(píng)價(jià)結(jié)果

由表5可知，CO2泡沫清潔壓裂液破膠液對(duì)儲(chǔ)層巖心的傷害率平均為7.4%，而常規(guī)羥丙基胍膠壓裂液破膠液對(duì)儲(chǔ)層巖心的傷害率平均達(dá)到了25.0%，說(shuō)明CO2泡沫清潔壓裂液對(duì)儲(chǔ)層巖心具有低傷害的特性。

由以上性能評(píng)價(jià)結(jié)果可知，CO2泡沫清潔壓裂液具有較強(qiáng)的泡沫穩(wěn)定性、良好的耐溫抗剪切性能、黏彈性能、攜砂性能、破膠性能和低傷害特性，能夠滿足非常規(guī)油氣儲(chǔ)層的壓裂施工需求。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

西部某油田探井X-3井壓裂層位屬于致密砂巖儲(chǔ)層，泥質(zhì)含量較高，且發(fā)育微裂縫，壓裂施工過(guò)程中容易形成大量裂縫，導(dǎo)致壓裂液的利用率低，從而造成加砂困難等問題。因此，采用CO2泡沫清潔壓裂液進(jìn)行施工，以保證良好的儲(chǔ)層保護(hù)效果，并能提高加砂成功率和壓裂后的返排能力。

X-3井井深2 618.20 m，壓裂層段2 563.00～2 607.50 m，厚16.80 m，地層溫度79 ℃。按照CO2泡沫清潔壓裂液配方配制壓裂液，在地層溫度、剪切速率170 s-1下測(cè)得現(xiàn)場(chǎng)配制壓裂液的表觀黏度大于50 mPa·s，與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果相似。

壓裂施工過(guò)程為：首先注入前置液，并伴注CO2，泡沫質(zhì)量為59.2%～65.5%，注入壓力為25.0～40.0 MPa，排量為1.9 m3/min，施工用時(shí)32 min；然后注入攜砂液，泡沫質(zhì)量為66.0%左右，壓力為50.0 MPa左右，排量為3.2～5.0 m3/min，施工用時(shí)160 min；停止泵注CO2，最后注入頂替液，頂替壓力35.0 MPa，頂替液用量5.5 m3。該井共注入壓裂液364.5 m3、CO2240.5 m3，加入支撐劑陶粒48.0 m3，平均砂比17.5%。施工排量1.5～5.0 m3/min，注CO2階段施工壓力在50.0 MPa左右，停注CO2以后壓力下降明顯(見圖2)。

圖2 西部某油田X-3井壓裂施工曲線Fig.2 Fracturing operation curves of Well X-3 in an oilfield of western China

CO2泡沫清潔壓裂液不僅滿足壓裂施工的需要，還具有良好的排液效果。該井壓后自噴排液51.0 m3左右即試產(chǎn)，出現(xiàn)了漸噴的現(xiàn)象，初步顯示出較好的壓裂效果。與采用羥丙基胍膠壓裂液鄰井X-4井開發(fā)效果進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果見表6。

表6 X-3井與鄰井X-4井壓裂開發(fā)效果對(duì)比

從表6可以看出，X-3井初期產(chǎn)液量達(dá)15.35 m3/d，產(chǎn)油量為9.57 m3/d，后期產(chǎn)液量為10.14 m3/d，產(chǎn)油量穩(wěn)定在5.53 m3/d，穩(wěn)定產(chǎn)油量是X-4井的2倍多，說(shuō)明采用CO2泡沫清潔壓裂液進(jìn)行壓裂，增產(chǎn)效果較好。

4 結(jié)論與建議

1) 以自主合成的雙子表面活性劑WG-2為黏度調(diào)節(jié)劑，配制了CO2泡沫清潔壓裂液。

2) CO2泡沫清潔壓裂液具有較強(qiáng)的泡沫穩(wěn)定性，在120 ℃下剪切140 min后，其黏度仍可以保持在50 mPa·s左右，具有良好的耐溫抗剪切性能；在測(cè)定頻率范圍內(nèi)，該壓裂液的彈性模量大于黏性模量，具有良好的攜砂性能；其破膠后黏度、表面張力及殘?jiān)烤^低，有利于返排作業(yè)；破膠液對(duì)巖心的傷害率在7.0%左右，能夠降低壓裂液對(duì)儲(chǔ)層的損害。

3) CO2泡沫清潔壓裂液在X-3井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，取得了較好的增產(chǎn)效果，建議今后應(yīng)加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)施工配套工藝技術(shù)研究，為其大規(guī)模推廣應(yīng)用提供技術(shù)保障。

4) 需要繼續(xù)針對(duì)不同儲(chǔ)層特點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)壓裂施工要求，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，開發(fā)出適應(yīng)不同儲(chǔ)層條件的CO2泡沫清潔壓裂液，擴(kuò)大泡沫清潔壓裂液的應(yīng)用范圍。

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