VES-YF清潔壓裂液的構(gòu)筑及適用性研究

趙 健，申金偉，鮑文輝，陳 磊，李 夢(mèng)，孫厚臺(tái)

（中海油田服務(wù)股份有限公司，天津300459）

壓裂液是壓裂施工的重要介質(zhì)，目前現(xiàn)場(chǎng)使用最多的是水基凍膠壓裂液，其增稠劑主要為植物膠及其改性產(chǎn)物、天然纖維素及其衍生物、合成聚合物等。這些大分子稠化劑配液時(shí)分散性差易形成“魚(yú)眼”，附屬添加劑多、破膠不徹底、殘?jiān)?，?duì)地層傷害率較大，導(dǎo)致壓裂改造效果降低[1]。而VES清潔壓裂液的采用能克服這一缺點(diǎn)，其最大特點(diǎn)是不含殘?jiān)?、攜砂能力強(qiáng)、摩阻低、配制容易、易于泵送、操作方便。VES清潔壓裂液主要是由小分子表面活性劑構(gòu)成，在鹽水和助劑的作用下，會(huì)自組裝形成具有一定黏彈性的蠕蟲(chóng)狀膠束網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；在地層中遇烴或被水稀釋會(huì)自動(dòng)破膠，變成黏度很低的表面活性劑水溶液，不留殘?jiān)?/p>

目前清潔壓裂液常用的表面活性劑有非離子、陽(yáng)離子、陰離子、兩性離子以及其復(fù)配體系等[2-6]，其中研究最多的是季銨鹽類(lèi)體系，但是由于其正電性，易于地層發(fā)生吸附，會(huì)造成一定損失和傷害。磺基甜菜堿是一種性能優(yōu)良的兩性表面活性劑，具有易溶于水、耐酸堿、耐鈣鎂、增稠性、黏彈性等特點(diǎn)，被應(yīng)用到油田驅(qū)油和壓裂中[7-10]。本文采用一種烷基磺基甜菜堿兩性表面活性劑和助表面活性劑復(fù)配，通過(guò)優(yōu)選確定了VES清潔壓裂液配方，探討了體系的構(gòu)筑和形成機(jī)制，并對(duì)其應(yīng)用性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑及儀器

烷基磺基甜菜堿兩性表面活性劑（YF-1），實(shí)驗(yàn)室自制；助表面活性劑（YF-2）、KCl，分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；20/40目陶粒，密度1.49 g/cm3。

CPA224S電子分析天平，德國(guó)賽多利斯公司；HAAKE MARSⅢ流變儀，美國(guó)賽默飛公司；DKS28恒溫水浴鍋，上海森信實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；TX-500C界面張力儀，北京盛維基業(yè)科技有限公司；JK-99B表面張力儀，北京中儀科信科技有限公司；巖心傷害儀，山東中石大石儀科技有限公司。

1.2 壓裂液配制

在一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的KCl溶液中加入YF-1，攪拌混合充分后加入YF-2，繼續(xù)攪拌5 min左右后靜置，形成清潔壓裂液。

1.3 流變學(xué)性質(zhì)測(cè)定

采用HAAKE MARSⅢ流變儀進(jìn)行測(cè)定，靜態(tài)流變：選用PZ39轉(zhuǎn)子，剪切速率為0.01～1 000 s-1，測(cè)量壓裂液的黏度。三段式流變：選用60 mm錐板夾具，第一振蕩階段、第二剪切階段和第三振蕩階段，其中震蕩階段測(cè)試應(yīng)變?yōu)?%，頻率為1 Hz，剪切階段的剪切速率為1 000 s-1。

1.4 性能測(cè)試

按照《SY/T 5107—2005水基壓裂液性能評(píng)價(jià)方法》[11]對(duì)清潔壓裂液的抗剪切性能、懸砂性能、破膠性能和巖心傷害等常規(guī)性能進(jìn)行室內(nèi)評(píng)價(jià)。技術(shù)指標(biāo)參照《SY/T 6376—2008壓裂液通用技術(shù)條件》[12]。

2 結(jié)果與討論

2.1 配方優(yōu)選

壓裂液的黏度是其應(yīng)用過(guò)程中的重要參考指標(biāo)。在45℃下，考察烷基磺基甜菜堿兩性表面活性劑（YF-1）、助表面活性劑（YF-2）和鹽（KCl）這三種成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)體系黏度的影響，配方優(yōu)選結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，其他條件一定時(shí)體系黏度隨著YF-1質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大而增大且趨于平緩，而YF-2和KCl的加量對(duì)體系的黏度影響存在峰值。這是因?yàn)橥榛腔鸩藟A兩性表面活性劑YF-1具有適度的烷基疏水鏈和磺基甜菜堿帶電基團(tuán)，作為主劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加有利于更多膠束的形成和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)，當(dāng)YF-1質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于2.0%后體系黏度增加幅度減小，綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)選YF-1質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%。由于靜電作用和疏水基團(tuán)作用助表面活性劑YF-2可以促進(jìn)膠束的增長(zhǎng)，并且嵌入結(jié)構(gòu)中參與膠束的形成，隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)一步增大，會(huì)參與形成混合膠束影響蠕蟲(chóng)狀膠束的纏結(jié)，導(dǎo)致體系結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低，優(yōu)選YF-2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%。KCl作為反離子可以壓縮膠束表面的雙電層、降低極性基團(tuán)間的斥力，有利于膠束的形成[13]；當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)高時(shí)，超出電荷平衡點(diǎn)，由于屏蔽作用會(huì)削弱膠束結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致黏度降低，優(yōu)選KCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%。因此，優(yōu)選VES-YF清潔壓裂液配方為：2.0%YF-1+1.0%YF-2+2.0%KCl，該體系45℃時(shí)170 s-1下黏度為86 mPa·s。

圖1 YF-1、YF-2、KCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)壓裂液黏度的影響Fig.1 Influence of mass fraction of YF-1,YF-2 and KCl on the viscosity of fracturing fluid

2.2 VES-YF清潔壓裂液的構(gòu)筑和形成機(jī)制

選擇4種體系測(cè)量其穩(wěn)態(tài)流變特性，如圖2所示。從圖2中可以看出，體系1的黏度隨剪切速率變化不大，表現(xiàn)出類(lèi)似牛頓流體的特征，由于YF-1質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，體系中形成的膠束較少或未形成有效的蠕蟲(chóng)狀膠束，體系結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較差。而體系2、體系3和體系4的穩(wěn)態(tài)流變曲線類(lèi)型相似，均出現(xiàn)了第一牛頓區(qū)，當(dāng)剪切速率較低時(shí)，體系的黏度幾乎不隨剪切速率變化，表現(xiàn)為牛頓流體性質(zhì)，進(jìn)而可以外推得到體系的零剪切黏度（η0）；隨著剪切速率的增加，體系黏度呈現(xiàn)指數(shù)型降低，表現(xiàn)為非牛頓流體性質(zhì)，這種特殊的牛頓流體-剪切變稀現(xiàn)象說(shuō)明溶液中存在相互纏結(jié)的蠕蟲(chóng)狀膠束[14-16]。體系中蠕蟲(chóng)狀膠束網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在較低剪切速率下，解離速度小于重組速度，體系黏度基本不變；而高速剪切作用下物理纏結(jié)點(diǎn)被破壞，膠束在溶液中產(chǎn)生定向排列，導(dǎo)致體系黏度降低。

圖2 不同體系的穩(wěn)態(tài)流變曲線Fig.2 Steady shear-rate viscosity curves of different systems

零剪切黏度的大小是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)交聯(lián)點(diǎn)密度和交聯(lián)強(qiáng)度的綜合反映，體系4和體系1比較可見(jiàn)YF-1質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加有助于膠束的形成；對(duì)比體系2、體系3和體系4，隨助表面活性劑和KCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，體系的零剪切黏度增加說(shuō)明助表面活性劑參與形成膠束，KCl壓縮膠束表面雙電層有利于增大膠束體積，二者共同作用促進(jìn)體系更易形成蠕蟲(chóng)狀膠束，使體系結(jié)構(gòu)增強(qiáng)，零剪切黏度增加。將由第一牛頓區(qū)轉(zhuǎn)向剪切變稀時(shí)對(duì)應(yīng)的剪切速率，定義為臨界剪切速率γc，隨助表面活性劑和KCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加體系的γc減小，這說(shuō)明體系形成的膠束尺寸越大，在一定剪切速率下越易在剪切方向上發(fā)生定向排列[17]。將對(duì)應(yīng)臨界剪切速率的γc倒數(shù)定義為蠕蟲(chóng)狀膠束網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在剪切條件下體系發(fā)生變化的弛豫時(shí)間，優(yōu)選出的體系4 γc最小，其對(duì)應(yīng)的弛豫時(shí)間最長(zhǎng)，說(shuō)明體系形成的聚集膠束網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度最大，使其解聚集所需要時(shí)間最長(zhǎng)[18]。綜上所述，優(yōu)選出的配方體系4中形成了強(qiáng)度較大的蠕蟲(chóng)狀膠束網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，成功構(gòu)筑了VES清潔壓裂液，且體系具的剪切稀釋性能有效地降低壓裂施工時(shí)泵注的壓耗，有利于提高泵注的效率。

為了更加直觀地研究VES-YF清潔壓裂液中蠕蟲(chóng)狀膠束形成的平衡、動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)采用了三段式流變模型。實(shí)驗(yàn)分為三個(gè)階段：第一振蕩階段、第二剪切階段和第三振蕩階段。其中振蕩階段測(cè)試應(yīng)變?yōu)?%，頻率為1 Hz；剪切階段的剪切速率為1 000 s-1，具體結(jié)果如圖3所示。

圖3 VES壓裂液三段式流變Fig.3 The oscillation-shear-oscillation rheological experiments research on VES-YF fracturing fluid

對(duì)于VES-YF清潔壓裂液體系，在第一階段，隨振蕩時(shí)間的增加，G′和 G′保持平穩(wěn)不變且 G′＞G′，這說(shuō)明體系中存在以彈性為主的黏彈性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。第二階段為高速剪切階段，高速剪切過(guò)程中，體系結(jié)構(gòu)遭到破壞，黏度逐步降低。當(dāng)停止剪切，進(jìn)行第三階段振蕩實(shí)驗(yàn)，由于第二階段的高速剪切，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)遭到破壞，體系的G′和G′初始降至很低，但隨振蕩時(shí)間增加，體系G′和G′緩慢上升并趨于平衡，這正是體系重新組裝從而使原本破壞的結(jié)構(gòu)發(fā)生恢復(fù)的結(jié)果，最終值基本和第一階段持平。三階段流變模型充分說(shuō)明了體系中存在蠕蟲(chóng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有很好的組裝-解體-組裝恢復(fù)性能，且剪切前 G′為 5.5 Pa、G′為 2.5 Pa,1 000 s-1剪切 100 s后黏度為 30 mPa·s，剪切后 G′為 5.4 Pa、G′為 2.4 Pa，各指標(biāo)均高于《SY/T 6376-2008壓裂液通用技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)要求。這種性能有助于壓裂液經(jīng)過(guò)井筒和炮眼的高速剪切進(jìn)入地層后，重新組裝形成黏彈性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而在裂縫中攜砂運(yùn)移、控制裂縫的幾何形態(tài)[17-19]。

VSE-YF清潔壓裂液形成機(jī)制如圖4所示。由圖4可知，當(dāng)表面活性劑濃度較低時(shí)，表面活性劑分子以單分子形式分散在溶液中，當(dāng)達(dá)到一定濃度時(shí)，逐漸在水中親水基相靠疏水基相相連形成聚集體——球狀膠束；當(dāng)濃度進(jìn)一步增加，在無(wú)機(jī)鹽（反離子）和助表面活性劑（膠束促進(jìn)劑）的作用下，表面活性劑極性端間的電荷受到屏蔽，促進(jìn)更多的表面活性劑參與膠束形成，使球狀膠束向蠕蟲(chóng)狀膠束轉(zhuǎn)變；當(dāng)蠕蟲(chóng)狀膠束數(shù)量增加到一定程度，彼此間開(kāi)始相互纏繞交疊形成柔性的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[19]。F.Chen[20]、Z.H.Yan[21]等通過(guò)SEM和TEM均證實(shí)了表面活性劑形成的清潔壓裂液中存在蠕蟲(chóng)狀三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。VES-YF清潔壓裂液（其中YF-1作為主表面活性劑、YF-2作為助表面活性劑、KCl作為無(wú)機(jī)鹽）中正是這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的存在，使體系像凝膠一樣具有優(yōu)良的黏彈性，并具有剪切變稀和良好的剪切恢復(fù)性，具備滿足壓裂施工中復(fù)雜剪切工況下的性能要求。

圖4 VES-YF壓裂液成膠機(jī)理Fig.4 Mechanism of the formation of VES-YF fracturing fluid

2.3 VES-YF清潔壓裂液的性能評(píng)價(jià)

2.3.1 抗剪切性能 依據(jù)《SY/T 5107-2005水基壓裂液性能評(píng)價(jià)方法》測(cè)量VES-YF清潔壓裂液的耐剪切性能（見(jiàn)圖5）。由圖5可以看出，在45℃、170 s-1下剪切2 h后，壓裂液黏度均保持在80 mPa·s以上，高于標(biāo)準(zhǔn)大于20 mPa·s的指標(biāo)要求，抗剪切性能良好。

圖5 VES-YF壓裂液抗剪切性能流變曲線Fig.5 Rheological curve of shear resistance of VES-YF fracturing fluid

2.3.2 懸砂性能 分別取40 mL和60 mL的20/40目陶粒倒入200 mL配制好的VES-YF壓裂液中，攪拌混合均勻后，放置到45℃水浴中觀察陶粒的沉降情況，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，VESYF壓裂液20%和30%砂比下靜置2 h后仍有至少90%的陶粒懸浮，表明其懸砂性能良好，滿足施工需要。

圖6 VES-YF壓裂液懸砂性能Fig.6 Suspended ability of VES-YF fracturing fluid

2.3.3 破膠性能 壓裂液破膠性能好壞直接影響壓裂液的返排及壓裂效果。VES壓裂液由于其組成及結(jié)構(gòu)的特殊性，地層遇到原油或者地層水后會(huì)自行破膠。油相中的烴類(lèi)會(huì)被線性膠束增溶，膠束由線性轉(zhuǎn)變成球形膠束，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)破解，體系黏度大幅下降；而地層水會(huì)不斷稀釋壓裂液導(dǎo)致膠束濃度降低而破壞網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，最終使壓裂液破膠。本實(shí)驗(yàn)向VES-YF壓裂液加入不同量的柴油觀測(cè)體系的破膠效果，并對(duì)破膠液的表界面張力、防膨性能和殘?jiān)窟M(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果如表1、2所示。

表1 VES-YF壓裂液破膠結(jié)果Table 1 Test result of gel-breaking result for VES-YF fracturing fluid

由表1、2可知，柴油量越多體系的破膠效果越好。VES-YF壓裂液的破膠液具有較低的表界面張力，防膨率較好且無(wú)殘?jiān)?，有助于減小對(duì)地層的傷害和施工結(jié)束后的返排。

2.3.4 巖心傷害性能 巖心傷害實(shí)驗(yàn)依據(jù)《SY/T 5107-2005水基壓裂液性能評(píng)價(jià)方法》進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)采用人造巖心，結(jié)果如表3所示。

表2 VES-YF壓裂液破膠液性能評(píng)價(jià)Table 2 Evaluation results of gel breaking performance of VES-YF fracturing f l uid

表3 巖心滲透率傷害結(jié)果Table 3 The test data of core damage

由表3可知，巖心平均傷害率為8.713%，遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)要求傷害率小于20%的要求。這主要是VES-YF清潔壓裂液主要由兩性表面活性劑和助表面活性劑組成，破膠后黏度低、無(wú)殘?jiān)⑶揖哂休^高的界面活性，KCl的存在可以起到防膨作用，因而體系對(duì)地層的傷害較小。

3 結(jié) 論

（1）研究了 YF-1、YF-2、KCl對(duì)體系黏度的影響，優(yōu)化出VES-YF清潔壓裂液最佳配方：2.0%YF-1+1.0%YF-2+2%KCl。

（2）VES-YF清潔壓裂液穩(wěn)態(tài)流變顯示具有第一牛頓區(qū)及剪切變稀性質(zhì)，三階段流變顯示體系具有較好的黏彈性及剪切恢復(fù)性，流變測(cè)量顯示VES-YF清潔壓裂液中具有蠕蟲(chóng)狀膠束網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

（3）VES-YF壓裂液綜合性能評(píng)價(jià)顯示具有耐剪切性、懸砂性能力強(qiáng)、破膠簡(jiǎn)單、破膠性能好、巖心傷害率低的特點(diǎn)，各指標(biāo)均符合《SY/T 6376-2008壓裂液通用技術(shù)條件》中對(duì)黏彈性表面活性劑壓裂液的技術(shù)要求，適用于低滲透油氣藏壓裂開(kāi)發(fā)。