董自強(qiáng) ，龍 慧，田 磊 ，荊治霖

（1.延長(zhǎng)油田股份有限公司七里村采油廠，陜西延安 716000；2.西安石油大學(xué)，陜西西安 710065）

清潔壓裂液在七里村采油廠的應(yīng)用

董自強(qiáng)1，龍 慧2，田 磊2，荊治霖2

（1.延長(zhǎng)油田股份有限公司七里村采油廠，陜西延安 716000；2.西安石油大學(xué)，陜西西安 710065）

根據(jù)國(guó)內(nèi)外關(guān)于壓裂液和表面活性劑的研究成果，運(yùn)用表面化學(xué)、流變學(xué)和說理壓裂工程等多學(xué)科知識(shí)和方法來解決清潔壓裂液的理論與實(shí)踐問題。研究了較完整的清潔壓裂液體系及其應(yīng)用技術(shù)：清潔壓裂液的組成和配方，清潔壓裂液的性能，清潔壓裂液的成膠機(jī)理等。最終開發(fā)出能適用于油礦實(shí)際的清潔壓裂液體系及應(yīng)用技術(shù)，解決胍爾膠壓裂液對(duì)地層傷害較大的缺點(diǎn)，使油礦低滲透油藏的壓裂增產(chǎn)效果獲得提高。將清潔壓裂液應(yīng)用到延長(zhǎng)油礦七里村采油廠的16口井中，成功率達(dá)100%。

清潔壓裂液；七里村采油廠；表面活性劑；性能評(píng)價(jià)；成膠與破膠機(jī)理

水力壓裂是油氣井增產(chǎn)的重要改造措施之一，特別是對(duì)于低滲透油氣田，如果不進(jìn)行有效的改造一般沒有產(chǎn)能。七里村采油廠目前所轄資源面積約300多平方公里，分別位于延長(zhǎng)縣境內(nèi)的鄭莊、郭旗、黑家堡、七里村四個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)。油田位于鄂爾多斯盆地陜北斜坡的東部，區(qū)域構(gòu)造為一平緩的西傾單斜，地層傾角小于1°，千米坡降7～10 m。內(nèi)部構(gòu)造簡(jiǎn)單，局部具有差異壓實(shí)形成的低幅度鼻狀隆起。七里村采油廠的勘探開發(fā)主力儲(chǔ)層長(zhǎng)6層埋藏淺（200～850 m）、物性差（平均孔隙度只有7%～9%，平均滲透率為0.3～0.5 mD）、地層能量嚴(yán)重不足，具有淺埋藏、低壓、特低孔和超低滲巖性油藏等典型特點(diǎn)。

1 清潔壓裂液的概述

國(guó)內(nèi)外就清潔壓裂液的研究、開發(fā)和應(yīng)用已作了不少工作，國(guó)外達(dá)到了很高的應(yīng)用技術(shù)要求，但仍存在以下不足：（1）清潔壓裂液表現(xiàn)了獨(dú)特的流變性，但研究不夠全面，所遵從的流變方程還未見報(bào)道；（2）表面活性劑通過膠束成膠，但膠束的形態(tài)、大小說法并非統(tǒng)一，如有的是棒狀、有的是蠕蟲狀，且膠束與鹽反離子成膠的過程不夠清晰，證據(jù)也不充分；（3）清潔壓裂液擁有優(yōu)良的攜砂性能，這源于其突出的彈性性質(zhì)，但缺乏實(shí)際可行的定量表征；（4）國(guó)內(nèi)清潔壓裂液的應(yīng)用性能特別是耐溫性與國(guó)外的相比，差距較大。所以需要開發(fā)出能適用于油礦實(shí)際的清潔壓裂液體系及應(yīng)用技術(shù)，解決胍爾膠壓裂液對(duì)地層傷害較大的缺點(diǎn)，使油礦低滲透油藏的壓裂增產(chǎn)效果獲得提高，并使所開發(fā)的清潔壓裂液體系在國(guó)內(nèi)具有最優(yōu)的應(yīng)用性能和最低的使用成本，從而為該壓裂液體系的推廣應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，為油礦油井的增產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)做出積極貢獻(xiàn)。

2 清潔壓裂液中化學(xué)主劑的研究

2.1 表面活性劑

將過量的5%～15%的C12和 C4、C14和C4組合，C16、C18和過量的 5%～15%的 C2、C3、C4組合，在水溶劑中加熱，所得產(chǎn)物提純后計(jì)算產(chǎn)率。然后將產(chǎn)物和鹽（有機(jī)的、無機(jī)的）配成溶液，觀察視粘度，可以篩選出有粘度的表面活性劑/鹽體系，然后用BrookField粘度儀，對(duì)各體系的粘度進(jìn)行實(shí)測(cè)。最后選出C18P與18-4-18的混合物作為清潔壓裂液所用的表面活性劑。經(jīng)工業(yè)化生產(chǎn)中試，已成功獲得該新型表面活性劑產(chǎn)品。

2.2 交聯(lián)劑

表1 各體系的復(fù)配情況

選擇廉價(jià)易得的工業(yè)原料W-1并通過其堿水解反應(yīng)來獲得有機(jī)鹽交聯(lián)劑Y-1。該交聯(lián)劑已成功進(jìn)行工業(yè)化中試。對(duì)上述合成獲得的Y-1產(chǎn)品，用丙酮提純，考查其提純前后與3.0%表活劑與室溫的交聯(lián)性能，結(jié)果見圖1?？梢?，Y-1提純前后與表活劑所形成凍膠的粘度皆隨Y-1體積濃度的增加而呈極值變化，其中提純前的Y-1為0.6%時(shí)粘度最大，提純后的Y-1為0.5%時(shí)粘度最大，說明此時(shí)交聯(lián)劑與表活劑皆達(dá)最佳配比值。有圖還可以看出，Y-1提純前后的體積濃度相同時(shí)，未提純產(chǎn)品與表活劑的交聯(lián)效果較好，說明Y-1產(chǎn)品不必提純后使用。

3 清潔壓裂液的室內(nèi)性能評(píng)價(jià)

3.1 清潔壓裂液的流變性

理論上講，壓裂液的流變性應(yīng)與其內(nèi)部微結(jié)構(gòu)及所含粒子間的相互作用有直接關(guān)系。實(shí)踐中，考察流變性是壓裂設(shè)計(jì)的需要，涉及壓裂液的攜砂性能、壓裂能力、返排效果等。

3.1.1 不同條件對(duì)壓裂液表現(xiàn)粘度的影響

（1）化學(xué)劑濃度的影響，在固定其他條件下，僅變化表活劑或有機(jī)鹽的濃度，實(shí)驗(yàn)測(cè)試清潔壓裂液于170s-1、60 min時(shí)的表現(xiàn)粘度（圖2～圖3）。由圖可以看出，兩種情況下表活劑和有機(jī)鹽濃度的變化規(guī)律是一致的。另外，一定溫度下，清潔壓裂液凍膠體系具有使其粘度較強(qiáng)的最佳表活劑/有機(jī)鹽配比，即5:1。

（2）溫度的影響，用HaakeRS150流變儀測(cè)試了一組表活劑壓裂液于170 s-1、60 min時(shí)的表現(xiàn)粘度隨溫度的變化，結(jié)果（見圖4），實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該壓裂液的表現(xiàn)粘度總體上隨溫度升高而降低，但可用于120℃的油井中。

3.1.2 壓裂液的流動(dòng)穩(wěn)定性

（1）剪切穩(wěn)定性，一般胍膠壓裂液體系的表現(xiàn)粘度是隨剪切速率的增大而不斷下降，因此要求170 s-1和≥50 mPa·s的指標(biāo)。圖5是配方為“1.25%表活劑+0.3%鹽”清潔壓裂液于30℃下的流變曲線，可以看出，剪切速率大于50 s-1后，體系的表現(xiàn)粘度變化甚小而趨于穩(wěn)定，此點(diǎn)與常用胍膠體系截然不同。故清潔壓裂液的剪切穩(wěn)定性好。

流變學(xué)上，常將流體分為牛頓流體和非牛頓流體兩類。若流變曲線，即剪切應(yīng)力（τ）與剪切速率（D）的關(guān)系，符合下式的流體稱牛頓流體，反之稱為非牛頓流體。

描述非牛頓流體的流變模型很多，其中最著名、用的最多者為冪律模型：

式中，τ為剪切應(yīng)力，D為剪切速率，k為稠度系數(shù)、代表壓裂液的粘性，n為流動(dòng)指數(shù)、代表壓裂液偏離牛頓流體的程度。圖5清楚的顯示了該壓裂液的剪切應(yīng)力與剪切速率關(guān)系對(duì)冪律模型的偏離，該圖表清明潔壓裂液的表現(xiàn)粘度隨剪切速率增至某值后而趨于定值，則對(duì)該流變曲線的前段用冪律模型描述，后段用牛頓方程模擬。于是本研究提出如下模型：

τ=aD-bD(1-m)

該式中，τ、D如前述，a表示體系的屈服應(yīng)力系數(shù)，-b相當(dāng)于冪律模型的稠度系數(shù)，m為流動(dòng)指數(shù)但不如冪律模型的意義清楚。

（2）時(shí)間穩(wěn)定性，一般胍膠壓裂液體系的表現(xiàn)粘度是隨時(shí)間增加而降低。圖6是配方為“2.5%表活劑+1.0%鹽”清潔壓裂液于40℃、170 s-1下的粘度-時(shí)間曲線，可以看出，1000 s后體系的表現(xiàn)粘度變化甚小而趨于穩(wěn)定，此點(diǎn)也與常用胍膠體系不同。故清潔壓裂液的時(shí)間穩(wěn)定性好。

3.2 清潔壓裂液的粘彈性

按Maxwell理論，將清潔壓裂液的粘彈性視為其彈性和粘性兩部分的綜合表現(xiàn)，而這兩部分的強(qiáng)弱則用各自的模量衡量并在一定的振蕩頻率范圍下予以響應(yīng)。在30℃時(shí)，測(cè)得“1.25%表活劑+10.3%有機(jī)鹽”壓裂液體系的粘彈性模量與振蕩頻率的關(guān)系見圖7?？梢?，該體系的彈性模量在低頻時(shí)就大于粘性模量且隨后者增加而變強(qiáng)。

另外，將圖7體系的彈性模量和粘性模量做Cole-Cole圖不是半圓，說明該體系存在較復(fù)雜的機(jī)制，其粘彈性不能簡(jiǎn)單的用Maxwell模型解釋。

3.3 清潔壓裂液的攜砂性

壓裂液的攜砂性是指壓裂液對(duì)支撐劑（如石英砂、陶粒等）的懸浮切力。壓裂液的攜砂性能好，就能將支撐劑全部均勻地帶入裂縫中，并能提高混砂比和攜帶較大直徑的支撐劑。對(duì)粘彈性液體，我們提出懸浮力的概念，將密度計(jì)所受浮力分為一般浮力和懸浮力，一般浮力即通常所指，與液體的粘性有關(guān)，可通過液體中的重物所排液體的體積獲得；而懸浮力是由粘彈性液體的內(nèi)部微結(jié)構(gòu)和彈性引起。設(shè)一密度計(jì)在粘彈性液體中，受到重力Fg、一般浮力Ff和懸浮力Fx，則有力平衡：

根據(jù)上式可導(dǎo)出懸浮力的公式：

其中：ρr為液體的密度（真密度，由液體的體積和質(zhì)量算出）；ρa(bǔ)為表觀密度，從密度計(jì)上讀出。

按上述公式計(jì)算的懸浮力受到液體中密度計(jì)的浸沒面積影響。為此，將密度計(jì)的浸沒部分簡(jiǎn)化為圓柱面和球面，則可用直徑與高度參數(shù)計(jì)算出的密度計(jì)的浸沒面積S，故定義表征物理量懸浮切力τ為：

τ值大小反映了粘彈性液體自身內(nèi)部結(jié)構(gòu)和彈性產(chǎn)生的懸浮固體的能力，可定量衡量清潔壓裂液的攜砂性能。

試驗(yàn)測(cè)出幾種常用壓裂液的懸浮切力，可見，清潔壓裂液的表觀粘度較低，但其懸浮切力卻異常地高，表明該壓裂體系具有特別優(yōu)良的攜砂性能。故懸浮切力指標(biāo)能客觀反映清潔壓裂液獨(dú)特網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和彈性表現(xiàn)的大小。

表2 幾種常用壓裂液體系的懸浮切力（40℃，170 s-1）

表3 清潔壓裂井與胍膠壓裂井的產(chǎn)油量比較

4 清潔壓裂液的成膠與破膠機(jī)理

清潔壓裂液在流變性上與常用的胍膠體系有顯著差別，則它們的成膠和破膠機(jī)理也會(huì)不同。

4.1 清潔壓裂液的成膠機(jī)理

水溶液中，表活劑在其濃度低于臨界膠束濃度時(shí)，其分子以自由的單一分子存在；隨表活劑濃度增加，其分子將聚集形成棒狀、球狀和蠕蟲狀膠束。將有機(jī)鹽加入表活劑溶液中，平衡體系電荷或壓縮膠束結(jié)構(gòu)，促進(jìn)表活劑蠕蟲狀膠束的生長(zhǎng)，從而得到凍膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。加入有機(jī)反離子，將中和膠束電荷并嵌入蠕蟲狀聚集體的表活劑分子間，使該聚集體變得更細(xì)長(zhǎng)；加入無機(jī)同號(hào)離子，將使蠕蟲狀聚集體被壓縮而變得更細(xì)長(zhǎng)。變長(zhǎng)的蠕蟲狀膠束將相互纏結(jié)，從而在體系中形成猶如均勻絮凝體似的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，即凍膠體。

4.2 清潔壓裂液的破膠機(jī)理

該凍膠體系中，表活劑與鹽分子間主要存在物理作用，不像胍膠壓裂體系中的組分是以化學(xué)作用相互連接，故清潔壓裂液凍膠遇適量地層水和油氣時(shí)，會(huì)引起表活劑與鹽的分子間作用距離增加，蠕蟲狀膠束的相互纏結(jié)狀態(tài)受到破壞，甚至蠕蟲狀膠束解體成簡(jiǎn)單膠束，這些皆使凍膠體系產(chǎn)生自動(dòng)破膠。

5 清潔壓裂液的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

清潔壓裂液在七里村采油廠施工的基本應(yīng)用性能如下：

壓裂液配方與用量：配方“1.30%～1.38%表活劑稠化劑+0.26%～0.28%有機(jī)鹽交聯(lián)劑”，用量90～120 m3。

破膠性能：地層溫度下破膠液粘度為≤80 mPa·s。

濾失性：濾失系數(shù) C3為 3.1×10-3m/min1/2。

沉砂實(shí)驗(yàn)：壓裂液的靜態(tài)懸砂半衰期大于40分鐘。

耐溫、抗剪切性能：地層溫度下170 s-1剪切1 h粘度大于 40 mPa·s。

表活劑與壓裂破膠液對(duì)粘土的防膨性能：防膨率大于85%。

壓裂液在3′1/2油管內(nèi)的摩阻：壓裂液排量為3方/分時(shí)摩阻只為清水的30%。

壓裂液對(duì)地層的傷害率：小于6%。

采用清潔壓裂液技術(shù)在延長(zhǎng)油田七里村采油廠共實(shí)施16口油井，成功率100%。同時(shí)，對(duì)所施工的同井組13口油井進(jìn)行了常規(guī)胍爾膠壓裂的對(duì)比試驗(yàn)（見表3）。與常規(guī)胍膠壓裂施工的13口對(duì)比油井比較，清潔壓裂液施工的 5 口油井“Z680-1”、“Z045-2”、“Z711-6”、“Z671-4”、“G670-2”的各項(xiàng)產(chǎn)油指標(biāo)要明顯優(yōu)于胍膠壓裂的對(duì)比井。

6 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

（1）開發(fā)出用于清潔壓裂液的兩種化學(xué)主劑：增稠劑，一種復(fù)合型表面活性劑；交聯(lián)劑，一種有機(jī)鹽。清潔壓裂液配液過程比較簡(jiǎn)單，僅用兩種添加劑。

（2）清潔壓裂液的穩(wěn)態(tài)流變性不能較好的遵從冪律模型，故提出了含三參數(shù)的新流變方程，以更好的描述這類壓裂液的流變性。

（3）清潔壓裂液具有良好的粘彈性，其彈性會(huì)隨粘性增加而變強(qiáng)。但清潔壓裂液的粘彈性不一定能符合Maxwell模型。

（4）清潔壓裂液具有低摩阻性，其攜砂性能可用懸浮切力來表征。清潔壓裂液具有特別高的懸浮切力，這是它具有優(yōu)良攜砂性的原因。

（5）清潔壓裂液在延長(zhǎng)油田七里村采油廠通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)并使該技術(shù)獲得初步成功。

[1] 萬仁浦等.采油工程手冊(cè)（第二版，第九分冊(cè)）[M] .北京:石油工業(yè)出版社,2000.

[2] 馬寶岐，吳安明，等.油田化學(xué)原理與技術(shù)[M] .北京:石油工業(yè)出版社，2000.

[3] 楊振周，盧擁軍，周廣才，等.粘彈性清潔壓裂液的作用機(jī)理與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用[J] .鉆井液與完井液，2005，22（1）:48-50.

[4] 袁飛，怡寶安，伊利亞.VES-100高溫清潔壓裂液的性能評(píng)價(jià)[J] .新疆石油天然氣，2010，6（4）:89-91.

[5] 馬中國(guó)，楊兆中，羅鑫林，等.清潔壓裂液的研究與應(yīng)用[J] .重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，11（1）:44-47.

[6] 盧擁軍，房鼎業(yè)，等.粘彈性清潔壓裂液的研究與應(yīng)用[J] .石油與天然氣化工，2004，33（2）:114-144.

[7] 范喜群，劉洪濤.淺談低溫油藏清潔壓裂液的研究與應(yīng)用[J] .石油鉆采工藝，2009，31（5）:69-71.

[8] 趙金姝.改善清潔壓裂液耐溫?cái)y砂性能的方法研究[J] .精細(xì)石油化工進(jìn)展，2011，12（7）:5-7.

[9] 楊彪，吳偉，等.新型清潔壓裂液（VES-SL）的研制及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用[J] .天然氣技術(shù)，2007，1（2）:49-52.

[10] 劉通義，郭擁軍，羅平亞，等.清潔壓裂液摩阻特性研究[J] .鉆采工藝，2009，32（5）:85-86.

[11] 王杏尊，全志保，等.華北油田低滲透儲(chǔ)層壓裂工藝[J] .石油鉆采工藝，2009，31（2）:114-116.

The application of clean fracturing fluid in Qilicun oil production plant

DONG Ziqiang1，LONG Hui2，TIAN Lei2，JIN Zhilin2
（1.Yanchang Oil Production Plant，Yan'an Shanxi 716000，China；2.Xi'an Shiyou University，Xi'an Shanxi 710065，China）

According to the research results of the fracturing fluid and surfactant at home and abroad,useing the multi-disciplinary knowledge and methods of the surface chemistry,rheology and reasoning fracturing engineering to solve the problems of the theory and practice of clean fracturing fluid.It studied completely clean fracturing fluid system and its application technology:the composition and formula of clean fracturing fluid,the performance of clean fracturing fluid,the gelation mechanism of clean fracturing fluid.Finally developed a clean fracturing fluid systems and application technology,which can apply to the actual oil field,solve the guanidine Seoul gel fracturing fluid large disadvantage of the formation damage,the oil fields low permeability reservoir fracture stimulation-effective access to improved.Clean fracturing fluid is applied to the 16 wells of the Qilicun oil production plant,the success rate of 100%.

clean fracturing fluid；Qilicun oil production plant；surfactant；performance evaluation；gelation and gel breaking mechanism

TE357.12

A

1673-5285（2012）07-0057-06

2012－05-08

董自強(qiáng)（1965-），高級(jí)工程師，1995年畢業(yè)于甘肅工業(yè)大學(xué)礦場(chǎng)機(jī)械專業(yè)，從事油田井下壓裂作業(yè)和管理工作，郵箱：2644839048@qq.com。