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。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1．1 主要儀器

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。

1．2 QC－1表面活性劑

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。

1．3 QC－VES清潔壓裂液的配制

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。

2 QC－VES清潔壓裂液配方確定

2．1 QC－1黏彈性表面活性劑用量?jī)?yōu)選

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

2．2 添加劑用量?jī)?yōu)選

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

3 QC－VES清潔壓裂液性能評(píng)價(jià)

3．1 耐溫性能

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。

3．2 流變性能

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。

3．3 剪切穩(wěn)定性

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

3．4 靜態(tài)懸砂性能

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。

3．5 黏彈性

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。

3．6 破膠性能

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。

3．7 巖心傷害實(shí)驗(yàn)

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

4 結(jié)論

(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。

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