孟凡寧,李謙定,李善建
(西安石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,陜西西安710065)
水力壓裂是提高低滲透油氣藏井生產(chǎn)能力的主要措施,被廣泛地應(yīng)用于油氣井開發(fā)開采過程。1947年,第一次正式的水力壓裂增產(chǎn)作業(yè)在美國(guó)堪薩斯州西部的Hugoton氣田實(shí)施。時(shí)至今日,每年都會(huì)進(jìn)行上萬次壓裂作業(yè),水力壓裂技術(shù)已發(fā)展為使用于不同情況下多數(shù)井的增產(chǎn)工藝[1]。美國(guó)石油儲(chǔ)量的25%~30%是通過壓裂達(dá)到經(jīng)濟(jì)開采條件的[2]。我國(guó)從20世紀(jì)60年代末期開始引進(jìn)和學(xué)習(xí)壓裂工藝,40多年來已經(jīng)形成了低滲致密油氣田經(jīng)濟(jì)有效開發(fā)的壓裂改造技術(shù)系列[3]。
陜北油氣田屬于典型的“低溫、低壓、低滲透”儲(chǔ)藏,隨著生產(chǎn)開發(fā)儲(chǔ)層的滲透率越來越低,常規(guī)水基壓裂液不能滿足現(xiàn)場(chǎng)需求。近十年來開發(fā)了幾種非常規(guī)壓裂液用于低滲透儲(chǔ)層,其中黏彈性表面活性劑(VES)壓裂液因具有較高的零剪切黏度,攜砂性能好,不需要添加殺菌劑、助排劑及破膠劑,返排能力強(qiáng),壓裂液殘?jiān)繋缀鯙榱愕葍?yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于低滲透油氣藏[4-6]。但目前已在陜北油氣田應(yīng)用的清潔壓裂液存在耐溫性能差、成本較高等缺點(diǎn),嚴(yán)重制約清潔壓裂液在陜北低滲透儲(chǔ)層的應(yīng)用。為此,在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上研制出QC-VES清潔壓裂液體系。按照SY/T 5107-2005《水基壓裂液性能評(píng)價(jià)方法》和SY/T 6376-2008《壓裂液通用技術(shù)條件》對(duì)QC-VES清潔壓裂液體系進(jìn)行了綜合性能評(píng)價(jià),結(jié)果表明該清潔壓裂液體系在較低用量下具有較好的黏彈性,成本較低,耐溫性能優(yōu)良,對(duì)儲(chǔ)層傷害率較低,具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
RV 30型Haake黏度計(jì),RS 6000型Haake黏度計(jì),ESB-V型電子表面平衡張力儀,巖心流動(dòng)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)裝置。
QC-1表面活性劑是一種新型長(zhǎng)鏈脂肪酸衍生物季銨鹽類表面活性劑。使用二次去離子水在室溫下配制不同濃度的QC-1表面活性劑溶液,使用ESB-V型電子表面平衡張力儀測(cè)定其表面張力,繪制濃度-表面張力曲線,如圖1所示,可得QC-1表面活性劑的臨界膠束濃度(CMC)。
圖1 QC-1表面活性劑濃度-表面張力曲線Fig.1 Surface tension-concentration curve of QC-1 surfactant
臨界膠束濃度(CMC)是表面活性劑的重要參數(shù),是表面活性劑締合形成膠束的最低濃度。臨界膠束濃度(CMC)的大小反映了表面活性的大小,臨界膠束濃度(CMC)越小說明形成膠束的濃度越低,達(dá)到飽和表面吸附的濃度越低。由圖1可知QC-1表面活性劑的表面張力隨濃度的增大而減小,其臨界膠束濃度(CMC)為 3.5 ×10-4mol·L-1,γcmc為38.21 mN·m-1。說明QC-1表面活性劑具有良好的表面活性。
QC-VES清潔壓裂液體系由QC-1黏彈性表面活性劑、JH-1反離子助劑和KCl組成。將QC-1表面活性劑、JH-1反離子助劑、KCl及自來水在室溫下按一定比例混合攪拌1 min,即可得到QCVES清潔壓裂液體系。
保持JH-1反離子助劑、KCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為0.2%,僅改變QC-1黏彈性表面活性劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù),用RV 30型Haake黏度計(jì)測(cè)定清潔壓裂液體系在50℃、170 s-1剪切60 min的表觀黏度,考察QC-1表面活性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)壓裂液體系表觀黏度的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。由圖2可知:隨著QC-1表面活性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大,壓裂液的表觀黏度增大。當(dāng)QC-1表面活性劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過1.2%時(shí),壓裂液的表觀黏度隨QC-1質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大變化很小。綜合考慮壓裂液性能和成本,選擇QC-1表面活性劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2%。
2 QC-1表面活性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)清潔壓裂液黏度的影響Fig.2 Influence of the mass fraction of QC -1 surfactant on the viscosity of clean fracturing fluid
保持1.2%QC-1表面活性劑和0.2%KCl不變,改變JH-1的質(zhì)量分?jǐn)?shù),改變JH-1的質(zhì)量分?jǐn)?shù)用RV30型 Haake黏度計(jì)測(cè)定清潔壓裂液在50℃、170 s-1剪切60 min時(shí)的表觀黏度,考察JH -1反離子助劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)壓裂液體系表觀黏度的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。由圖3可知,隨著JH-1質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大,壓裂液的表觀黏度增大??紤]到成本因素,選擇JH-1的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%。
圖3 JH-1質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)清潔壓裂液黏度的影響Fig.3 Influence of the mass fraction of JH -1 on the viscosity of clean fracturing fluid
同理保持1.2%QC-1表面活性劑和0.3%JH-1反離子助劑不變,改變KCl的質(zhì)量分?jǐn)?shù),用RV 30型Haake黏度計(jì)測(cè)定清潔壓裂液在50℃、170 s-1剪切60 min時(shí)的表觀黏度,考察KCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)清潔壓裂液體系表觀黏度的影響,如圖4所示。由圖4可知,隨著KCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大,壓裂液的表觀黏度也增大,當(dāng)KCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大到一定程度后壓裂液表觀黏度變化不大,綜合考慮壓裂液性能和成本,選擇KCl的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%。
根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果,最終確定QC-VES清潔壓裂液體系的配方為:1.2%QC-1+0.3%JH-1+0.2%KCl。
圖4 KCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)清潔壓裂液黏度的影響Fig.4 Influence of the mass fraction of KCl on the viscosity of clean fracturing fluid
按照1.2%QC -1+0.3%JH -1+0.2%KCl的配方(以下評(píng)價(jià)如無特殊說明均按此配方),在不同溫度下以170 s-1剪切速率剪切60 min,用Haake RV 30型黏度計(jì)測(cè)定QC-VES壓裂液的黏度,獲得壓裂液體系的黏-溫關(guān)系,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。
圖5 QC-VES壓裂液體系黏溫曲線Fig.5 Viscosity-temperature curve of QC-VES clean fracturing fluid
由圖5可知,隨著溫度的升高該壓裂液體系的表觀黏度逐漸降低,這是因?yàn)殡S著溫度的升高,膠束的結(jié)構(gòu)和聚集狀態(tài)發(fā)生變化所致[7]。但在80℃條件下表觀黏度仍可達(dá)到57.4 mPa·s,國(guó)內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明,黏彈性表面活性劑壓裂液的標(biāo)準(zhǔn)攜砂黏度為25 mPa·s(170 s-1)[8],說明 QC -VES 清潔壓裂液能滿足80℃以下油氣井的壓裂要求。
水力壓裂液的性能影響油氣井的壓裂設(shè)計(jì)、施工和作業(yè)成本,甚至影響井的最終產(chǎn)量。流變性能是壓裂液的重要性能,流變參數(shù)可用于計(jì)算井筒、孔眼和裂縫中的摩阻壓降,這是壓裂施工的重要參數(shù)。根據(jù)陜北低滲透儲(chǔ)層的溫度特點(diǎn),用 RV 30型Haake黏度計(jì)測(cè)定QC-VES清潔壓裂液在50℃、170 s-1剪切速率下的流變參數(shù),如表1所示。
表1 QC-VES壓裂液體系流變參數(shù)測(cè)定結(jié)果Tab.1 Rheological parameters of QC -VES clean fracturing fluid
由表1可知,QC-VES清潔壓裂液為假塑性流體,壓裂液的稠度系數(shù)較大,流動(dòng)指數(shù)較小,說明該壓裂液具有較強(qiáng)的造縫能力,有利于撐開較寬的裂縫,可將支撐劑運(yùn)送到預(yù)定位置。
壓裂液剪切穩(wěn)定性能是壓裂液重要的性能指標(biāo),直接影響壓裂施工造縫和攜砂能力[9]。在50℃、170 s-1剪切速率條件下,使用 RV 30型 Haake黏度計(jì)測(cè)定QC-VES清潔壓裂液黏度隨時(shí)間的變化曲線,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。在連續(xù)剪切60 min時(shí),黏度仍保持在70 mPa·s左右,滿足石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6376-2008《壓裂液通用技術(shù)條件》規(guī)定的耐溫耐剪切黏度大于等于20 mPa·s的要求。說明QC-VES清潔壓裂液具有較好的抗剪切能力,能實(shí)現(xiàn)壓裂液的正常攜砂和輸砂要求。
圖6 QC-VES清潔壓裂液剪切穩(wěn)定性Fig.6 Shearing stability of QC -VES clean fracturing fluid
壓裂液的懸砂能力是指壓裂液對(duì)于支撐劑(如石英砂、陶粒等)的懸浮能力。壓裂液的懸砂性能關(guān)系到壓裂成功與否,若懸砂性能較差,在壓裂施工中容易造成砂卡砂堵,從而導(dǎo)致壓裂施工失?。?0]。但目前還沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)來測(cè)量清潔壓裂液的懸砂能力,傳統(tǒng)上采用支撐劑在壓裂液中的沉降速度來評(píng)價(jià)壓裂液的懸砂性能。實(shí)驗(yàn)室以石英砂(20~40目)為支撐劑,砂比為30%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))來評(píng)價(jià)QCVES壓裂液的懸砂性能。結(jié)果表明,石英砂在QCVES清潔壓裂液中的沉降速率為0.075 cm/min,小于最佳單顆粒沉降速度 0.66 cm/min[11],說明該壓裂液體系具有良好的攜砂、輸砂性能。
黏彈性是表面活性劑壓裂液的一個(gè)重要性能指標(biāo),對(duì)攜砂能力有著重要的影響。常規(guī)胍膠壓裂液的攜砂能力主要與其黏度有關(guān),黏度越大,攜砂能力越強(qiáng)。但表面活性劑壓裂液的攜砂能力主要與其黏彈性有關(guān)。儲(chǔ)能模量(G')和耗能模量(G″)分別代表流體的彈性和黏性,Hoffmann[12]提出了判斷流體是否具有黏彈性的方法:如果剪切速率在0.1~10 s-1范圍內(nèi)儲(chǔ)能模量(G')大于耗能模量(G″),并且儲(chǔ)能模量(G')大于0.1 Pa,則說明該流體具有黏彈性。使用MARS 6000型Haake旋轉(zhuǎn)流變儀測(cè)定QC-VES清潔壓裂液體系的儲(chǔ)能模量(G')和耗能模量(G″),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。
圖7 QC-VES清潔壓裂液的儲(chǔ)能模量和耗能模量隨剪切速率的變化Fig.7 Storage modulus and loss modulus of QC -VES Clean fracturing fluid at different shear frequency
由圖7可知,儲(chǔ)能模量(G')和耗能模量(G″)都隨剪切速率的增大而振蕩增大。當(dāng)剪切速率小于0.05 s-1時(shí),儲(chǔ)能模量(G')小于耗能模量(G″);當(dāng)剪切速率大于0.05 s-1時(shí),儲(chǔ)能模量(G')大于耗能模量(G″)。當(dāng)剪切速率在0.1 ~10 s-1的范圍內(nèi),儲(chǔ)能模量(G')總是大于耗能模量(G″),并且儲(chǔ)能模量(G')大于0.1 Pa,說明該壓裂液體系具有較好的黏彈性特征;同時(shí)滿足石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T6376-2008《壓裂液通用技術(shù)條件》中儲(chǔ)能模量(G')≥2.0 Pa、耗能模量(G″)≥0.3 Pa的要求。說明 QC -VES清潔壓裂液具有較強(qiáng)的攜砂能力。
壓裂液中的殘?jiān)饕獊碓从谔砑觿┲械乃蝗芪锖碗s質(zhì),破膠后變成殘?jiān)?3-14]。將QC-VES清潔壓裂液與柴油、自來水以1(壓裂液)∶1(柴油+鹽水)的質(zhì)量比混合,放置2 h,期間間歇攪拌、觀察。用平氏毛細(xì)管黏度計(jì)測(cè)定破膠液的黏度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,破膠液的黏度為3.42 mPa·s,殘?jiān)鼛缀鯙榱?,滿足石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6376-2008《壓裂液通用技術(shù)條件》中破膠液表觀黏度≤5 mPa·s、殘?jiān)俊?00 mg/L的要求。說明該壓裂液具有優(yōu)異的破膠能力,易返排,對(duì)儲(chǔ)層傷害小。
壓裂液體系破膠液的表面張力性質(zhì)對(duì)地層、特別是低滲透儲(chǔ)層影響很大。表面張力越低,越有利于克服水鎖及賈敏效應(yīng),降低毛管阻力,增加殘液的返排能力。QC-VES清潔壓裂液體系破膠液的表面張力為29.1 mN/m,稍大于石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6376-2008《壓裂液通用技術(shù)條件》中表面張力≤28.0 mN/m的要求,可通過向壓裂液體系中添加適量的助排劑來改善這項(xiàng)性能。但是現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明,破膠液的表面張力在34.0 mN/m左右時(shí)完全可以達(dá)到預(yù)期的返排效果。
壓裂液對(duì)儲(chǔ)層的傷害程度決定了壓裂施工效果的好壞。尤其是對(duì)低壓低滲透儲(chǔ)層,如何降低壓裂液對(duì)地層造成的傷害就顯得至關(guān)重要。由于QCVES清潔壓裂液體系中表面活性劑分子量小,破膠能力強(qiáng),破膠后無殘?jiān)?,破膠液黏度較低,因而對(duì)支撐裂縫和縫壁的傷害相對(duì)很小,且易返排[15]。在室溫下,用巖心流動(dòng)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)裝置研究QC-VES壓裂液的破膠液對(duì)延長(zhǎng)油井天然巖心的傷害,實(shí)驗(yàn)以煤油作為流動(dòng)介質(zhì),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。由表2可知QC-VES清潔壓裂液對(duì)低滲透巖心的靜態(tài)平均傷害率為8.59%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) SY/T 6376-2008《壓裂液通用技術(shù)條件》≤20%的要求。說明該壓裂液適合于低滲透油氣田的儲(chǔ)層壓裂改造。
表2 巖心傷害測(cè)試結(jié)果Tab.2 Core damage of QC -VES Clean fracturing fluid
(1)運(yùn)用單因素法確定了QC-VES清潔壓裂液配方:1.2%QC-1黏彈性表面活性劑+0.3%JH -1 反離子助劑 +0.2%KCl。
(2)QC-VES清潔壓裂液體系為假塑性流體,稠度系數(shù)為1.93,流動(dòng)指數(shù)為0.32,具有較強(qiáng)的造縫能力和耐剪切能力;耐溫性能優(yōu)良,在80℃、170 s-1剪切速率下連續(xù)剪切60 min,黏度仍保持在70 mPa·s左右;黏彈性能良好,攜砂能力優(yōu)異;殘?jiān)鼛缀鯙榱悖颇z后破膠液黏度為3.42 mPa·s,對(duì)低滲透巖心的靜態(tài)傷害率在7.86% ~9.80%之間,平均傷害率為8.59%。說明QC-VES壓裂液體系適于陜北低滲透油氣田的儲(chǔ)層壓裂改造。
[1] 盧擁軍,鄒洪嵐,譯.現(xiàn)代壓裂技術(shù):提高天然氣產(chǎn)量的有效方法[M].北京:石油工業(yè)出版社,2012:123.LU Yong-jun,ZOU Hong-lan,Translating.Modern Fracturing Enhancing Natural Gas Production[M].Beijing:Petroleum Industry Press,2012:123.
[2] 陳大鈞,陳馥.油氣田應(yīng)用化學(xué)[M].1版.北京:石油工業(yè)出版社,2005:115-161.CHEN Da-jun,CHEN Fu.Oil and Gas Fields Applied Chemistry[M].1st ed.Beijing:Petroleum Industry Press,2005:115-161.
[3] 張朝舉,何興貴,關(guān)興華,等.國(guó)內(nèi)低中溫清潔壓裂液研究進(jìn)展及應(yīng)用展望[J].鉆采工藝,2009,32(3):93-96.ZHANG Chao-ju,HE Xing-gui,GUAN Xing-hua,et al.Study and application of clean fracturing fluid in China[J].Drilling & Production Technology,2009,32(3):93-96.
[4] 馬萬正,申金偉,張敏,等.清潔壓裂液對(duì)阜東斜坡區(qū)頭屯河地層傷害研究[J].西安石油大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2013,28(5):83-88.MA Wan-zheng,SHEN Jin-wei,ZHANG Min,et al.Study on the formation damage mechanisms of clean fracturing fluid on Toutun river formation of Fudong slope area[J].Journal of Xi'an Shiyou University:Natural Science Edition,2013,28(5):83-88.
[5] 盧擁軍,房鼎業(yè),楊振周,等.黏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):114-115.LU Yong-jun,F(xiàn)ANG Ding-ye,YANG Zhen-zhou,et al.Study and application of viscoelastic surfactant-based fracturing fluid [J].Chemical Engineering of Oil and Gas,2004,33(2):114-115.
[6] 李曙光.表面活性劑壓裂液機(jī)理、壓裂設(shè)計(jì)及評(píng)估技術(shù)研究[D].南充:西南石油學(xué)院,2005.LI Shu-guang.Surfactant Fracturing Fluid Mechanics,F(xiàn)racturing Optimum Design,F(xiàn)racturing Analyzing and E-valuating[D].Nanchong:Southwest Petroleum Institute,2005.
[7] 皮銀銀,張磊,劉忠運(yùn),等.硫酸酯鹽雙子表面活性劑溶液法流變性能研究[J].石油天然氣學(xué)報(bào),2011,33(6):135-138.PI Yin-yin,ZHANG Lei,LIU Zhong-yun,et al.Research on rheological properties of sulfuric acid ester salt Gemini surfactant solution [J].Journal of Oil and Gas Technology,2011,33(6):135-138.
[8] Pitoni E,Giovanni B,Devia F,et al.Polymer-free fracturing fluid revives shut-in oil well[J].World Oil,1999,9:77-81.
[9] 姚亞平,澄宇.黏度指數(shù)改進(jìn)劑的增稠能力與剪切穩(wěn)定性[J].潤(rùn)滑油.1999,2(14):32-38.YAO Ya-ping,CHENG Yu.Thickening ability and shear stability of viscosity index improver[J].Lubricating Oil,1999,2(14):32-38.
[10]劉通義,劉磊,孫賀東.壓裂液在地層裂縫中懸砂特性的模擬試驗(yàn)研究 [J].鉆采工藝,2006,29(2):99-101.LIU Tong-yi,LIU Lei,SUN He-dong.Stimulation test of fracturing fiuid soidcarrying behavior in fracture [J].Drilling & Production Technology,2006,29(2):99-101.
[11]李曙光,郭大立,趙金洲,等.表面活性劑壓裂液機(jī)理與攜砂性能研究[J].西南石油大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2011,33(3):133-136.LI Shu-guang,GUO Da-li,ZHAO Jin-zhou,et al.Surfactant mechanism and carrying sand fracturing fluid properties[J].Southwest Petroleum University:Science and Technology Edition,2011,33(3):133-136.
[12]Hoffmann H,Rauscher A,Gradzielski M.The rheological behavior of different viscoelastic surfac-tant solutions[J].Tenside Surf Det,1994,31:389-400.
[13]李謙定,張菅,李善建,等.羥丙基胍膠壓裂液重復(fù)利用技術(shù)研究[J].西安石油大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2011,26(5):60-63,77.LI Qian-ding,ZHANG Jian,LI Shan-jian,et al.Research on the reusing technology of hydroxy-propylguar fracturing fluid [J].Journal of Xi'an Shiyou University:Natural Science Edition,2011,26(5):60-63,77.
[14]莊照鋒,趙賢,李荊,等.HPG壓裂液水不溶物和殘?jiān)鼇碓捶治觯跩].油田化學(xué),2009,26(2):139-141.ZHUANG Zhao-feng,ZHAO Xian,LI Jing,et al.Analysis on the origin of residue and water insoluble substances for HPG fracturing fluid [J].Oilfield Chemistry,2009,26(2):139-141.
[15]鐘安海.壓裂液體系對(duì)巖心滲流能力的影響[J].鉆井液與完井液,2011,28(3):69-71.ZHONG An-hai.Study on effect of fracturing fluid to seepage ability of core [J].Drilling and Completion Fluids,2011,28(3):69-71.