新型納米防水鎖表面活性劑的研發(fā)與應(yīng)用

何嘉郁，王艷玲， 曠正超

1長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院 2吉林油田公司油氣工程研究院 3中國石油川慶鉆探公司蘇里格項目經(jīng)理部工程技術(shù)部

0 引言

德惠斷陷致密氣儲集層物性差、微納米級孔喉發(fā)育，需通過改善氣體滲流條件，才能實現(xiàn)經(jīng)濟有效開發(fā)[1- 2]。然而在壓裂過程中，壓裂液等外來流體侵入儲集層后，一方面會在井壁周圍孔道中形成液相堵塞，造成井筒附近滲透率的降低，影響氣井產(chǎn)能[3]；另一方面導(dǎo)致近井地帶含水飽和度增加，排液采氣時，地層含水飽和度不能恢復(fù)到原始含水飽和度，造成近井地帶滲流阻力增加，發(fā)生水鎖傷害[4]。

由于致密氣儲集層水鎖現(xiàn)象普遍存在、危害性大，關(guān)于治理水鎖效應(yīng)的研究也隨之而生，主要包括水力壓裂技術(shù)、注入互溶劑技術(shù)、熱處理技術(shù)、注氣吞吐技術(shù)以及注入表面活性劑技術(shù)等[5- 6]。宋金星等[7]，唐善法等[8]學(xué)者認(rèn)為向壓裂液中添加疏水性防水鎖表面活性劑，可有效降低壓裂液的表面張力，增加壓裂液與巖石的接觸角，改變巖石潤濕性，使得壓裂液不會因毛細(xì)管壓力自吸進入儲層的納米級孔隙，是減少致密氣儲集層水鎖傷害最有效方法。

前期研發(fā)的由減阻劑、納米微乳助排劑、黏土穩(wěn)定劑組成的防水鎖易返排滑溜水壓裂液體系[9- 10]，效果雖好，但相對新型納米防水鎖表面活性劑成本過高。因此，基于吉林油田致密氣儲集層特征，通過室內(nèi)篩選和進行性能指標(biāo)評價，優(yōu)選李永飛等[11]認(rèn)為的最為經(jīng)濟實用的、具有雙疏特性的對-全氟碳烷基結(jié)構(gòu)表面活性劑為新型納米防水鎖表面活性的主要復(fù)配成分，將致密儲層由液濕反轉(zhuǎn)為氣濕，降低壓裂液在儲集層表面的吸附，減少支撐劑的回流，提高致密氣壓裂返排速率；同時引入聚氧乙烯結(jié)構(gòu)和長鏈烷基芳基磺酸鹽表面活性劑，提高水溶性和增加熱穩(wěn)定性，在德惠斷陷DS80井區(qū)開展現(xiàn)場試驗，獲得了較好的應(yīng)用效果，為實現(xiàn)致密氣高效勘探、效益開發(fā)提供了新的技術(shù)支撐。

1 致密氣儲集層特征

致密氣藏定義為儲集層覆壓基質(zhì)滲透率不大于0.1 mD 的氣層，單井一般無自然產(chǎn)能或低于工業(yè)氣流下限，但在一定經(jīng)濟條件和技術(shù)措施下可獲得工業(yè)天然氣產(chǎn)量[12]。國內(nèi)學(xué)者認(rèn)為致密氣總體表現(xiàn)為“四低、二高、一強”的特點，即孔隙度低、滲透率低、儲量豐度低、單井自然產(chǎn)量低，含水飽和度高、開發(fā)成本高及儲集層非均質(zhì)性強[13]。吉林油田致密氣儲集層占80%以上，存在領(lǐng)域多、層系多、巖相巖性復(fù)雜、孔喉結(jié)構(gòu)復(fù)雜、敏感、低壓“先天不足”的特征。選擇DS80井區(qū)為試驗區(qū)塊，儲集層巖心孔隙度平均9.5%；滲透率低，差別大，一般在0.002 mD左右，最大為0.024 mD，孔喉連通性差。室內(nèi)采用自發(fā)滲吸法評價試驗井區(qū)目的層巖心水鎖傷害率，圖1可見巖心滲吸達到平衡時間短，水鎖傷害率大。在滲吸初期，由于滲吸速率過慢，液體無法快速進入不可動孔隙中，導(dǎo)致大量液體在可動孔隙附近聚集，引起滲透率的快速下降，減少液體侵入或壓后加強返排，減少水鎖傷害，是保證產(chǎn)氣能力的重要手段。

圖1 DS 11- 3井巖心滲透率傷害率隨時間變化

2 納米防水鎖表面活性劑作用機理

新型納米防水鎖表面活性劑由對-全氟壬烯氧基苯磺酸鈉、全氟辛基磺酰基聚氧乙烯醚醇和支鏈化烷基芳基磺酸鹽復(fù)配而成，產(chǎn)生協(xié)同作用。其中氟碳烷基結(jié)構(gòu)的表面活性劑是目前市場上用于改變巖石潤濕性的最具應(yīng)用價值的一種表面活性劑，具有“三高”、“兩憎”的特性[10,15]。全氟碳烷基結(jié)構(gòu)的存在使得儲集層裂縫具有疏水疏油的特性，將致密氣儲集層的潤濕性改變?yōu)闅鉂裥裕瑢崿F(xiàn)潤濕反轉(zhuǎn)，降低壓裂液在儲集層的吸附，減少支撐劑的回流，提高致密氣壓裂液返排速率[16]；聚氧乙烯結(jié)構(gòu)的引入，使得氧乙烯基與巖石表面硅羥基形成氫鍵，能很好地吸附在巖石表面，形成一定的保護膜，增大水在巖石表面的接觸角，從而降低毛細(xì)管阻力，提高氣相滲透率[17]；賈云林等[18]認(rèn)為醇類可降低溶液表面張力，提高壓裂液與儲集層流體的混相能力，減小水鎖引起的附加阻力，具氟碳結(jié)構(gòu)的表面活性劑與醇類的協(xié)同作用，能夠更大程度地減輕水鎖傷害，所以優(yōu)選聚氧乙烯醚醇作為傳遞表面活性劑的主要溶劑；并加入支鏈化烷基芳基磺酸鹽，增加熱穩(wěn)定性。

3 納米防水鎖表面活性劑性能指標(biāo)

室內(nèi)將對-全氟壬烯氧基苯磺酸鈉(A)、全氟辛基磺酰基聚氧乙烯醚醇(B)和支鏈化烷基芳基磺酸鹽(C)三種藥劑按照不同的比例配制成不同配方的防水鎖表面活性劑復(fù)配體系(表1)，然后進行優(yōu)選。

表1 各助排劑的組成及含量數(shù)據(jù)

3.1 界面活性

采用吊片法測定表面活性劑不同濃度下溶液的表面張力值，然后利用計算機軟件作出γ-LogC關(guān)系曲線；所測定助排劑的臨界膠束濃度(CMC)基本都在0.1%～0.2 %(質(zhì)量百分濃度)，γCMC臨界膠束濃度下的表面張力都在19.7～21.0 mN/m(<28 mN/m )之間(表2)。

表2 助排劑CMC和γCMC臨界膠束濃度下表面張力

界面張力是利用旋滴法測定高速旋轉(zhuǎn)下煤油在表面活性劑溶液中的形狀，利用計算機軟件計算并作出γ-T關(guān)系曲線，獲得表面活性劑的油水動態(tài)和穩(wěn)態(tài)界面張力。從(表3)助排劑油水界面張力的結(jié)果看出，溫度升高，油水界面張力降低，在溫度80 ℃、臨界膠束濃度下助排劑6#的油水IFT(界面張力)最低，界面張力值為1.5 mN/m(<2.0 mN/m )。

表3 助排劑在不同溫度、臨界膠束濃度下的油水界面張力值

3.2 防水鎖劑溶液粒度

采用動態(tài)散射法，測定防水鎖劑在臨界膠束濃度下溶液中膠束粒度的大小，通過計算機軟件獲得膠束粒徑與時間的關(guān)系曲線和溶液中膠束粒徑的分布圖，并得到膠束的平均粒徑(表4)。助排劑溶液中膠束平均粒徑≤100 nm，其中助排劑6#粒徑最小，粒徑值為34.5 nm( <50 nm )。

表4 助排劑溶液中膠束的平均粒徑數(shù)據(jù)

3.3 潤濕性

采用座滴法，使進樣器的注射針頭形成2 μL 的水滴，再與操作臺上表面活性劑溶液處理過的巖石接觸，通過攝像機所攝到的液滴形狀，經(jīng)過軟件處理，可得到水在巖石表面形成的接觸角。致密氣巖心均具有較強水濕性，不同巖心親水性能存在差異，助排劑對巖心潤濕性的改變與巖心本身的性質(zhì)有關(guān)，助排劑6#對巖心的潤濕性改變能力最強，達到108°(表5)。

表5 防水鎖劑在巖心表面潤濕角數(shù)據(jù)

3.4 水鎖傷害率

通過前面不同配方的防水鎖表面活性劑復(fù)配體系指標(biāo)的測定，優(yōu)選表面張力<21 mN/m，溶液粒徑<100 nm，對巖心的潤濕性改變能力最強的助排劑6#為新型納米防水鎖表面活性劑。選取DS80井區(qū)巖心，應(yīng)用巖心動態(tài)流動儀對防水鎖劑進行巖心傷害評價實驗。從圖2可以看出，新型納米防水鎖表面活性劑巖心水鎖傷害率為15.6%～18.7%，比國前期同類產(chǎn)水鎖傷害率低5%，成本預(yù)計降低70%，具備現(xiàn)場應(yīng)用條件。

圖2 致密氣藏巖心水鎖傷害評價結(jié)果

3.5 配伍性

綜合DS80井室內(nèi)CST防膨?qū)嶒灲Y(jié)果，優(yōu)選羧甲基胍膠壓裂液體系與新型納米防水鎖表面活性劑進行配伍性評價，表6表明新型納米防水鎖表面活性劑與羧甲基胍膠壓裂液壓裂液配伍性良好，滿足中石油壓裂液通用技術(shù)條件標(biāo)準(zhǔn)。

表6 新型納米防水鎖表面活性劑與羧甲基胍膠壓裂液體系配伍性

4 現(xiàn)場應(yīng)用對比

DS80- 2井位于DS80井區(qū)，儲集層深度3 019.8 m，動用優(yōu)質(zhì)層34.8 m，孔隙度6.5%，滲透率0.25 mD；鄰井DS80- 10井動用優(yōu)質(zhì)儲集層厚度小，物性差。兩口井均采用高密度多簇限流射孔+先成縫后成網(wǎng)壓裂技術(shù)，具體施工參數(shù)和壓后產(chǎn)氣量如表7所示。在DS80- 2井完成自主研發(fā)納米防水鎖表面活性劑現(xiàn)場試驗，壓后第二天見氣，見氣返排率3.8%，井口壓力18.3 MPa，日產(chǎn)氣8.5×104m3，效果明顯好于鄰井DS80- 10井，該井為DS80井區(qū)同厚度氣藏最高產(chǎn)量井。

5 結(jié)論與認(rèn)識

(1)吉林油田致密氣儲集層占80%以上，存在領(lǐng)域多、層系多、巖相巖性復(fù)雜、孔喉結(jié)構(gòu)復(fù)雜、敏感、低壓“先天不足”的特征，減少液體侵入或壓裂后加強返排，減少水鎖傷害，是保證產(chǎn)氣能力的重要手段。

(2)新型納米防水鎖表面活性劑表界面張力低，溶液粒徑小，水鎖傷害率低和投資成本低，現(xiàn)場應(yīng)用后效果顯著，為實現(xiàn)致密氣藏高效勘探、效益開發(fā)提供了技術(shù)支撐。