黏彈性表面活性劑基壓裂液的研究與分析

葉達(dá)峰，鄭凱瑾，夏益初

（浙江綠科安化學(xué)有限公司，浙江紹興 312300）

黏彈性表面活性劑基新型壓裂液，也被稱為VES新型壓裂液，作為環(huán)保型壓裂液在我國油田生產(chǎn)的使用取得了不錯(cuò)的效果，不僅對(duì)貯氣層無污染，也可以增強(qiáng)充填層導(dǎo)流功能。隨著近些年我國壓裂工藝技術(shù)的發(fā)展，不僅有水力壓裂、酸化壓裂，同樣還有高能氣體壓裂等。針對(duì)高能氣體壓裂，不僅施工方法非常簡單，生產(chǎn)成本低下，對(duì)環(huán)境的污染也非常小。所以在上述條件，使用清潔、低傷害的壓裂液是當(dāng)今改進(jìn)壓裂技術(shù)的必然措施。本文闡述了黏彈性表面活性劑基新型壓裂液的系統(tǒng)構(gòu)造、主要特性，以及壓裂原理等。這種壓裂液集剪切安全性、零破損度、高自動(dòng)破膠性和低濾失性于一身，在油田具備很寬廣的應(yīng)用發(fā)展前景。尤其是納米技術(shù)的應(yīng)用，更加優(yōu)化了VES新型壓裂液系統(tǒng)，使該新型壓裂液系統(tǒng)更適合于干氣氣藏。同時(shí)本文也闡述了VES新型壓裂液系統(tǒng)在國內(nèi)的研究進(jìn)展，并指出了其應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)以及存在的缺點(diǎn)。

1 壓裂液的相關(guān)性能

壓裂液的性能相對(duì)來說比較豐富，不僅能夠耐高溫，同時(shí)也具有破膠性能、懸砂性能，下面就對(duì)這些性能進(jìn)行具體的介紹[1]。

1.1 耐溫性能

因?yàn)橥寥缼r層具有著特定的地溫梯度，所以從整體上來看，土壤巖層越深溫度越高。而高溫也是降低新型壓裂液黏性的一個(gè)因素。為了提高壓裂效率，也需要保證新型壓裂液的黏性不會(huì)因?yàn)闅鉁氐奶岣叨蠓冉档?，它就必須具有耐高溫和熱穩(wěn)定性。如果隨著氣溫的上升，新型壓裂液黏度就會(huì)大幅度降低，那么其他因素包括懸砂能力、破膠能力等有關(guān)的新型壓裂液的使用效果也會(huì)受到直接的影響。所以需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)不同的地層溫度，在水力壓裂工藝過程中選用更適宜于耐溫性能的新型壓裂液系統(tǒng)[2]。

1.2 破膠性能

清潔新型壓裂液的破膠，是指清潔壓裂液在壓裂施工過程中，其黏性明顯降低到正常地層水的黏度的一個(gè)過程。清潔新型壓裂液主要通過以下方法實(shí)現(xiàn)破膠，清潔新型壓裂液能夠通過與土壤地層中的親油性有機(jī)質(zhì)進(jìn)行相互作用，促進(jìn)其水解，從而使得黏性降低，最終實(shí)現(xiàn)破膠。在這個(gè)過程中，由于受土壤中地層水分的稀釋影響，黏性下降實(shí)現(xiàn)破膠效應(yīng)。與傳統(tǒng)新型壓裂液一樣，潔凈新型壓裂液不需要破膠劑也可以破膠。而潔凈新型壓裂液則因?yàn)槠涮厥獾幕瘜W(xué)性能，與水分和油性物料接觸后均可取得破膠效應(yīng)。為研究潔凈新型壓裂液的破膠特性，研究者使用煤油和水對(duì)潔凈新型壓裂液進(jìn)行了分析。①進(jìn)行如下操作：在50mL量筒中，混合并清洗壓裂液體系。其次，將混合好的新壓裂液，依次與煤油以1∶1的配比混合均勻后注入流變儀中，在水溫為90℃時(shí)，測(cè)定溶液黏度隨時(shí)間的變化。③在新壓裂液與清水破膠時(shí)，試驗(yàn)操作。④探究試驗(yàn)結(jié)果。通過試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，壓裂液在5min內(nèi)都可以實(shí)現(xiàn)完全破膠，煤油對(duì)清潔新型壓裂液的破膠效果良好。所以在現(xiàn)場(chǎng)使用清潔新型壓裂液時(shí)，只需加入清水，就可以實(shí)現(xiàn)新壓裂液的破膠功效[3]。

1.3 懸砂性能

新型壓裂液的懸砂能力，是指新型壓裂液能使支撐物漂浮在水中而不墜落的能力。新型壓裂液黏度的多少?zèng)Q定了懸砂能力的大小。只有新型壓裂液具備了相應(yīng)的黏性，才能確保支持劑漂浮在新型壓裂液中，如此新型壓裂液方可把支持劑送到目的層位。所以，新型壓裂液的懸砂特性的優(yōu)劣直觀影響著壓裂的好壞。為測(cè)試懸砂能力，設(shè)定如下實(shí)驗(yàn)步驟。①根據(jù)配方比選擇潔凈的新型壓裂液為100mL，然后將新型壓裂液置于玻璃容器中，并測(cè)量100mL新型壓裂液的高度約為18cm。②調(diào)整恒壓水浴鍋溫度，等待水浴鍋水溫為30℃時(shí)，將裝滿了潔凈新型壓裂液的玻璃容器投放于水浴鍋內(nèi)。③夾取三枚形狀相似的陶粒，輕放在清潔新型壓裂液表面上，用秒表記下當(dāng)陶粒下降至量筒底部時(shí)所用的時(shí)間。如此重復(fù)，實(shí)驗(yàn)次數(shù)不少于3次，并取所記錄時(shí)間的平均數(shù)為陶粒下降時(shí)刻。④探究實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可通過陶粒在新型壓裂液中的平均沉降時(shí)間，來探究新型壓裂液的攜砂性質(zhì)，因?yàn)樾滦蛪毫岩壕哂幸欢ば?，而玻璃容器的直徑也不大，就可以近似認(rèn)為，支撐劑粒子在新型壓裂液中以勻速移行。根據(jù)上述試驗(yàn)也可得出，在各種工作溫度下，該新型壓裂液具有攜砂性質(zhì)[4]。

2 表面活性劑壓裂液機(jī)理

2.1 膠束形成機(jī)理

在表面活性劑的含量較低時(shí)，菌膠團(tuán)在水溶液中生成球形、膠束呈非晶體結(jié)構(gòu)；隨著含量的提高，球狀菌膠團(tuán)會(huì)慢慢生成棒狀結(jié)構(gòu)；當(dāng)含量增加到一定量后，由棒狀結(jié)構(gòu)逐步形成六角束結(jié)構(gòu)；當(dāng)含量更大時(shí)，又會(huì)產(chǎn)生層狀構(gòu)造。

2.2 成膠機(jī)理

隨著高壓裂液中表面活性劑濃度的提高，表面活性劑的總體積分?jǐn)?shù)逐漸增大，膠束逐漸成長并相互纏繞。壓裂液的黏度也因此迅速上升，溶劑中的反離子以及助表面活性劑的性質(zhì)與含量對(duì)壓裂液的成膠具有強(qiáng)烈的影響。反離子的存在也降低了壓裂液中陽離子基團(tuán)間的相互排斥力，使得膠束增長；而助表面活性劑的主要功能是促進(jìn)有機(jī)陽離子進(jìn)入菌膠團(tuán)中，依靠陰離子和陽離子的靜電引力，使表面活性劑分子排列更加緊湊，讓菌膠團(tuán)增加；隨著室溫增加，菌膠團(tuán)的容積減小，菌膠團(tuán)的長度隨著室溫升高而縮短。

2.3 破膠機(jī)理

清潔壓裂液，在破膠過程中就不需要再使用破膠劑。貯層內(nèi)的油、氣在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的清潔壓裂液中，破壞菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)變?yōu)槿錉罱Y(jié)構(gòu)又迅速變?yōu)榍驙罱Y(jié)構(gòu)，黏度迅速降低實(shí)現(xiàn)破膠。此外，隨著地層水分的逐漸稀釋利用，清潔壓裂液中的表面活性劑含量逐漸減少，從而降低其黏度。

3 表面活性劑壓裂液性能評(píng)價(jià)

3.1 黏彈性

黏彈性是評(píng)價(jià)表面活性劑性能的一個(gè)重要指標(biāo)。由于其機(jī)理與常規(guī)壓裂液不同，因此，其評(píng)價(jià)方法也不同，一般通過儲(chǔ)能模量來評(píng)價(jià)黏彈性的優(yōu)劣。

3.2 黏溫特性

不同VES添加量對(duì)新型壓裂液體黏溫特性會(huì)產(chǎn)生一定的影響，黏彈性表面活性劑的黏度變化伴隨著水溫改變，且隨著水溫的增加，黏度先增大后逐漸降低。這是因?yàn)?，水溶液中菌膠團(tuán)的運(yùn)動(dòng)程度隨著水溫的改變而發(fā)生變化。當(dāng)水溫較低時(shí)，隨著水溫的增加，菌膠團(tuán)的纏繞速率提高；而在水溫提高到一定程度后，在這種情況下，水溫繼續(xù)增加，菌膠團(tuán)的分離速率提高，但是黏度減小。

3.3 濾失性

由于清潔的新型壓裂液中幾乎不含有殘?jiān)虼?，在?chǔ)層的巖石表層上沒有形成濾餅，其濾失量也會(huì)根據(jù)時(shí)間的發(fā)展逐步發(fā)生相應(yīng)的變化。在高滲透性貯層巖內(nèi)部，其能夠被降失水劑溶解。因此，該壓裂液為一種低濾失壓裂液體系。

4 國內(nèi)外VES壓裂液的研究進(jìn)展

4.1 我國對(duì)VES壓裂液的研究進(jìn)展

彈性表面活性劑的主要種類為長鏈不飽和脂肪酸及其衍生物銨鹽表面活性劑，一旦超過臨界菌膠團(tuán)含量，就會(huì)產(chǎn)生細(xì)棒狀的菌膠團(tuán)，膠束間還容易產(chǎn)生空隙的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因此能夠攜帶更多的支撐劑，當(dāng)它觸及烴類和水之后，其黏彈力就會(huì)迅速減弱，甚至不需破膠劑就能夠徑直返排到地層。胍膠等新型壓裂液體的耐剪切能力通常都較差，一旦分子鏈斷裂，就會(huì)直接失去黏性。而其形成黏彈性的最主要因素就是由于菌膠團(tuán)體互相纏繞而產(chǎn)生的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其耐剪切能力也更強(qiáng)，當(dāng)進(jìn)行高度切割之后，形態(tài)就能夠獲得迅速恢復(fù)。其次，對(duì)于破膠機(jī)理來說，清潔壓裂液在鹽水溶液中的流動(dòng)性并不好，而在含有碳?xì)浠衔锖鸵恍┦杷晕锪先軇┲械牧鲃?dòng)性卻較高。

我國在清潔壓裂劑的研發(fā)上起步相對(duì)較晚，但卻獲得了良好的成果。我國科學(xué)家研發(fā)的耐高溫清潔用新型壓裂液SCF，是通過加入季銨類表面活性劑、無機(jī)和有機(jī)陽離子，獲得的黏彈性較強(qiáng)的可溶于水中的新型壓裂液。當(dāng)前在潔凈新型壓裂液的研發(fā)中，主要講究的是廉價(jià)、高效率和少損傷性，在當(dāng)前則重點(diǎn)聚焦于復(fù)合新型壓裂液的研發(fā)，它相比于單—雙陽離子或陰離子的潔凈新型壓裂液，有著更良好的破膠和抗溫、抗剪等特性，應(yīng)用成本也更低廉。綜合當(dāng)前的實(shí)際狀況來看，目前我國在潔凈劑的研發(fā)上還與國外有很大的差異，各類氣藏的針對(duì)性還不算很好，因此，當(dāng)前也必須針對(duì)各類貯層要求，研發(fā)出不同特性的潔凈壓裂液。

4.2 國外對(duì)VES壓裂液的研究進(jìn)展

為了使支撐物脫離井圍而得到最深滲透，國外也已經(jīng)開始大量應(yīng)用高黏度的交聯(lián)等新型壓裂液。這類壓裂液的大量使用，確保了高溫深度壓裂施工的成功率。一旦新型壓裂液進(jìn)入了地面交聯(lián)，在實(shí)施后就可以高速流入管道中，但高速剪切后依然會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)格的剪切降解，甚至產(chǎn)生永久性的黏性影響。因此，在20世紀(jì)80年代，水基壓裂液一項(xiàng)很重要的技術(shù)進(jìn)展，就是引入了延遲交聯(lián)技術(shù)。它使壓裂液能產(chǎn)生較大的井底，最終黏度，達(dá)到良好的施工效果。但是使用上述壓裂液系統(tǒng)，也出現(xiàn)了一些共同的問題，那就是新型壓裂液破膠不徹底，且破膠后的殘?jiān)鼤?huì)遺留在裂隙內(nèi)。殘存于裂隙中的聚合物殘?jiān)鼤?huì)嚴(yán)重減少對(duì)支撐劑填充層的滲透性，進(jìn)而影響生產(chǎn)層，從而造成壓裂效率變差。1997年，高壓裂液的研究與發(fā)展獲得了突破性發(fā)展。為了解決常規(guī)聚合和破膠方式的問題，美國流體專業(yè)人員與聯(lián)合研究室內(nèi)工程人員共同提出了將這種黏彈劑流體應(yīng)用到修井作業(yè)中，其所進(jìn)行的高壓裂液采用了黏彈力表面活性劑而并非高分子。VES新型壓裂液黏度雖然非常低，卻可以很高效地傳遞支持劑，主要原因就是VES新型壓裂液使用支持劑，主要是依賴流體阻力的塑性和結(jié)構(gòu)而不是流體阻力的黏性，同時(shí)也可以減少摩阻。該新型壓裂液使用簡便，且一般由VES在鹽水中調(diào)制。由于無高分子的水化，VES很容易在鹽水中分解，不要求交聯(lián)劑、破膠劑以及其他的化工添加劑，所以無地層破壞并具有使充填層良好的導(dǎo)流作用。而黏彈性新型壓裂液也由于具備了這些特點(diǎn)，所以亦稱為清潔無高分子的新型壓裂液。據(jù)資料報(bào)道，國外的石化企業(yè)利用此種新型壓裂液已經(jīng)成功開展了四百余次的壓裂作業(yè)，產(chǎn)生了非常好的壓裂效益，實(shí)現(xiàn)了持續(xù)利用。

4.3 清潔壓裂液的發(fā)展趨勢(shì)

清潔新型壓裂液在實(shí)際的應(yīng)用過程中，性能更高、對(duì)儲(chǔ)層的危害更少、增產(chǎn)效益也更突出，是一個(gè)十分具有前景的壓裂系統(tǒng)，為克服當(dāng)前壓裂新生產(chǎn)工藝在實(shí)際應(yīng)用過程中產(chǎn)生的各類問題提供了方向。當(dāng)前，我國研究機(jī)構(gòu)在研究過程中，還必須進(jìn)一步深入地研究清潔壓裂液與經(jīng)濟(jì)環(huán)境之間的關(guān)系，進(jìn)一步發(fā)掘這種新型壓裂液的利用潛能，進(jìn)而拓展其應(yīng)用范疇，來有效緩解我國油氣供給的緊張問題。在未來發(fā)展過程中，還需要從如下幾方面加以研究。①需要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)清潔新型壓裂液系統(tǒng)的研發(fā)力量，并針對(duì)單一新型壓裂液系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用過程中的技術(shù)缺陷，進(jìn)一步研發(fā)出復(fù)合型壓裂液系統(tǒng)。②結(jié)合當(dāng)前我國在耐高溫新型壓裂液系統(tǒng)研發(fā)上的不足，同時(shí)根據(jù)當(dāng)前我國油藏開采的實(shí)際狀況，研發(fā)出耐高溫的清潔壓裂液系統(tǒng)，并學(xué)習(xí)海外的前沿科技，通過針對(duì)性的研究，研發(fā)出適合我國的新型壓裂液系統(tǒng)。③進(jìn)一步降低清潔新型壓裂液的使用成本。當(dāng)前，清潔新型壓裂液的使用成本還相當(dāng)高昂，其使用溫度越高，對(duì)VES的添加用量也就越高，因此生產(chǎn)成本將會(huì)逐步增加。濾餅對(duì)地層產(chǎn)狀也會(huì)產(chǎn)生一定的影響，壓裂增加產(chǎn)量效應(yīng)沒有得到完全的實(shí)現(xiàn)。想要有效地克服這種現(xiàn)象，可以通過疏水改性結(jié)合物和黏彈性表面活性劑之間的協(xié)同效應(yīng)，來進(jìn)行有效的改進(jìn)，這可以減少濾失量，同時(shí)也可通過納米技術(shù)和纖維材料對(duì)其有效性加以提高。

5 結(jié)束語

隨著近些年我國工業(yè)與國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，對(duì)于油氣資源管理的需求量也越來越大。這也就意味著，未來在開展壓裂作業(yè)過程中，需要解決傳統(tǒng)壓裂作業(yè)過程中出現(xiàn)的問題，這樣才能夠不斷滿足實(shí)際發(fā)展的需要。而本文基于目前對(duì)水基壓裂液研發(fā)與使用的現(xiàn)狀及其水力壓裂產(chǎn)品的開發(fā)實(shí)踐，從油藏發(fā)展可連續(xù)利用的觀點(diǎn)出發(fā)，進(jìn)行清潔新型壓裂液的研發(fā)對(duì)我國來說是十分必要的。首先是能夠減少開發(fā)過程中對(duì)油層的破壞，維持儲(chǔ)層，保持生產(chǎn)。其次是減少了操作成本。第三是為當(dāng)前國內(nèi)外正在發(fā)展的最末端脫砂壓裂工藝供應(yīng)更可靠的壓裂液。通過對(duì)于國外研究分析，我國也必須做好以下幾個(gè)主要方面的工作；研究、發(fā)展油田工作液用新型表面活性劑；研究、發(fā)展適應(yīng)國內(nèi)外油藏生產(chǎn)特性的潔凈壓裂液系統(tǒng)，并著力開展?jié)崈粜率綁毫岩旱哪透邷靥匦匝芯?；進(jìn)行潔凈新式壓裂液應(yīng)用中的先進(jìn)工藝技術(shù)探討。通過這些方式，做好黏彈性表面活性劑基壓裂液的研究工作。