王春凱，萬曉飛

一種清潔壓裂液性能評價研究

王春凱，萬曉飛

（陜西延長石油（集團(tuán)）油氣勘探公司質(zhì)量監(jiān)督中心，陜西 延安 716000）

在調(diào)研前人研究成果的基礎(chǔ)上，從成膠原理和破膠原理兩個方面詳細(xì)分析了清潔壓裂液的作用機理，在此前提下，對優(yōu)選出的清潔壓裂液進(jìn)行性能評價，通過室內(nèi)實驗的方法對該清潔壓裂液的流變性能、熱穩(wěn)定性能、攜砂性能、破膠性能及殘渣性能進(jìn)行綜合評價，指出該清潔壓裂液具有較強的抗溫性能、較好的攜砂能力、優(yōu)異的破膠性能及無殘渣的特性，能廣泛使用于多種油氣藏的壓裂施工，具有較好的應(yīng)用前景。

清潔壓裂液；性能評價；破膠性能；攜砂性能

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，我國對能源的需求量越來越大，目前，我國主力油田都具有低滲、超低滲的特點，導(dǎo)致開發(fā)的難度大大增加。壓裂技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用正是解決當(dāng)前開發(fā)難題的關(guān)鍵，而壓裂液又是壓裂技術(shù)的關(guān)鍵，常規(guī)的壓裂液存在污染性強、殘渣含量高、對地層傷害大等缺點，已不能適用于該類油氣藏。清潔壓裂液的問世不僅解決了這些問題，也使得壓裂液的研究得到新的進(jìn)展[1-3]。清潔壓裂液即表面活性劑壓裂液，依據(jù)溶液類型的不同可以分為離子型、非離子型和復(fù)合型清潔壓裂液體系。由于清潔壓裂液的種類較多，只有對其性能進(jìn)行研究，才能判斷該壓裂液是否能夠被廣泛應(yīng)用，本文主要通過實驗的方法對研制出的清潔壓裂液進(jìn)行性能評價。

1 清潔壓裂液的作用機理

清潔壓裂液屬水基壓裂液，指將表面活性劑加入鹽水中后形成的黏性凝膠液，其本身的結(jié)構(gòu)特征及成膠后的結(jié)構(gòu)特征對壓裂效果具有較大的影響。

1.1 清潔壓裂液的成膠原理

清潔壓裂液是一種具有特殊性質(zhì)的黏彈性表面活性劑，當(dāng)與水混合后雙親分子發(fā)生溶解，親油基由于受到水分子的排斥向背離于水介質(zhì)方向傾斜，親水基在親水的作用下向水介質(zhì)方向傾斜，故形成親水基向外、親油基向里的膠束結(jié)構(gòu)。該膠束結(jié)構(gòu)會隨著壓裂液濃度的增大而逐漸向球狀、桿狀、網(wǎng)狀變化，最終形成了一種能夠阻止液體流動的處于動態(tài)平衡的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在該膠束結(jié)構(gòu)的作用下使得液體的黏度增大。膠束結(jié)構(gòu)的形成需要表面活性劑具有一定的濃度，將剛形成膠束結(jié)構(gòu)時表面活性劑的濃度稱為臨界膠束濃度，故在實際壓裂施工過程中，壓裂液的作用只有在表面活性劑濃度大于臨界膠束濃度時才能體現(xiàn)出來。

1.2 清潔壓裂液的破膠原理

清潔壓裂液的破解原理主要是：在與原油和氣接觸過程中，由于壓裂液的電荷環(huán)境發(fā)生改變而使得膠束結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，膠束結(jié)構(gòu)從桿狀又重新變?yōu)榍驙疃ヰざ龋粔毫岩旱某赡z并沒有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，故在進(jìn)入儲層與地層水混合后表面活性劑濃度被稀釋，膠束結(jié)構(gòu)被破壞而失去黏度；壓裂液在原油、氣及地層水同時作用下，親水基和親油基發(fā)生改變，導(dǎo)致網(wǎng)狀膠束發(fā)生膨脹，當(dāng)達(dá)到一定限度時，網(wǎng)狀膠束分離呈球狀膠束，最終以單分子的形式存在溶液中。

2 清潔壓裂液體系配方

在研究清潔壓裂液體系配方時，通過調(diào)研大量前人研究成果及室內(nèi)實驗結(jié)果，確定選用LMX-1表面活性劑為主劑，選用氯化鋁、氫氧化鈉和乙二胺四乙酸藥品通過控制變量的實驗方法確定出各藥品的用量，在大量的實驗結(jié)果中最終優(yōu)選出清潔壓裂液體系配方為2%LMX-1+2%AlCl3+0.2%NaOH+0.1%乙二胺四乙酸，并命名為LMX-1型清潔壓裂液。為了研究該清潔壓裂液的性能，特通過實驗的方法對其性能進(jìn)行評價，評價結(jié)果對該清潔壓裂液的推廣應(yīng)用具有一定的參考價值。

3 清潔壓裂液性能評價

依據(jù)石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水基壓裂液性能評價方法》，對LMX-1型清潔壓裂液的流變性能、熱穩(wěn)定性能、攜砂性能、破膠性能及殘渣含量進(jìn)行評價。

3.1 流變性能評價

流變性能是評價壓裂液性能的重要參數(shù)之一，與壓裂液的壓裂能力、攜砂能力等有直接關(guān)系[4]。流變性能評價參數(shù)主要為流動行為指數(shù)和稠度系數(shù)，當(dāng)外部剪切力作用于流體時流體發(fā)生變形流動，而流體在流動過程中會有摩擦力產(chǎn)生，導(dǎo)致流變性能參數(shù)發(fā)生變化。

實驗選用MCR303型旋轉(zhuǎn)流變儀，將配制好的LMX-1型清潔壓裂液加入流變儀的套筒中并固定好，在恒溫環(huán)境中測定不同剪切速率條件下的剪切應(yīng)力，對實驗測定結(jié)果和分別取對數(shù)處理，繪制出lg和lg的散點圖并擬合曲線，見圖1。

圖1 LMX-1型清潔壓裂液lgγ與lgτ關(guān)系圖

由圖1可知，在2為 0.974 4時擬合出lg與lg關(guān)系曲線為=0.299 8+1.316 1，由此可知該壓裂液的流動行為指數(shù)為0.299 8，小于1；lg為1.316 1，故可得出該壓裂液的稠度系數(shù)為20.71。這表明LMX-1型清潔壓裂液為非牛頓假塑性流體，流動行為指數(shù)較小而稠度系數(shù)較大，表明在壓裂施工過程中，裂縫較易形成，支撐劑容易進(jìn)入。

3.2 熱穩(wěn)定性能評價

壓裂液的黏度在很大程度上影響著壓裂液的性能，是壓裂液成功與否的關(guān)鍵[5]。壓裂液熱穩(wěn)定性能評價的主要準(zhǔn)則是在不同溫度條件下測定壓裂液的黏度變化，當(dāng)溫度大幅升高但黏度變化不大時，才能表明壓裂液具有較好的熱穩(wěn)定性能。

實驗選用NDJ6S型旋轉(zhuǎn)黏度計，測定清潔壓裂液在25～110 ℃范圍內(nèi)表觀黏度的變化值。具有的實驗方法為：用量筒量取一定量配制好的LMX-1型清潔壓裂液并放置在旋轉(zhuǎn)黏度計上，設(shè)置初始溫度為25 ℃，并以10 ℃·min-1的速度逐漸升溫至105 ℃，設(shè)置旋轉(zhuǎn)黏度計的轉(zhuǎn)速為170 s-1，測定各溫度點清潔壓裂液的黏度值，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，LMX-1型清潔壓裂液的黏度會隨著溫度的升高而逐漸降低，但最終逐漸趨于穩(wěn)定，在溫度為55 ℃時，壓裂液的黏度為50 mPa·s，當(dāng)溫度升高至105 ℃時，其黏度仍保持在35 mPa·s，遠(yuǎn)大于25 mPa·s，具有較強的攜砂能力，表明該清潔壓裂液具有較強的抗溫性能。

圖2 清潔壓裂液黏度對溫度變化關(guān)系圖

3.3 攜砂性能評價

壓裂液攜砂性能的好壞直接影響到壓裂施工過程以及裂縫的導(dǎo)流性能[6]。攜砂能力不好的壓裂液因支撐劑沉降過快而不能進(jìn)入裂縫或者進(jìn)入裂縫的數(shù)量減少，導(dǎo)致砂卡情況的出現(xiàn)。在壓裂施工結(jié)束后，壓裂裂縫自動閉合，進(jìn)而失去了壓裂的意義。

實驗選用高度為20 cm的500 mL量筒，量取LMX-1型清潔壓裂液200 mL，選用直徑大約在 0.5 cm的玻璃珠10顆，在不同的溫度條件下放置在壓裂液表面并同時按下秒表計時，記錄玻璃珠落入筒底的時間，結(jié)果如表1所示。

由表1可知，玻璃珠在LMX-1型清潔壓裂液中的沉降速率會隨著溫度的升高而增大，主要是由于溫度的升高在一定程度上導(dǎo)致壓裂液的黏度有小幅度的降低，最終導(dǎo)致沉降速率增加。在55～85 ℃范圍內(nèi)，玻璃珠的沉降速率1.59～2.17 mm·s-1，表明該清潔壓裂液具有較好的攜砂能力。

3.4 破膠性能評價

破膠性能是清潔壓裂液與傳統(tǒng)壓裂液最具不同的地方，傳統(tǒng)的壓裂液需要加入破膠劑來進(jìn)行處理，而清潔壓裂液則通過與地層水或者親油物質(zhì)結(jié)合，在不斷稀釋的過程中使得黏度降低，表面活性劑的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變而達(dá)到破膠[7]。

實驗選用煤油、地層水和淡水與LMX-1型清潔壓裂液按3∶1的體積混合并置于恒溫環(huán)境中，記錄破膠時間，并測定破膠后壓裂液的表觀黏度，當(dāng)黏度低于10 mPa·s時認(rèn)為是完全破膠，結(jié)果見表2。

由表2可知，隨著時間的增加，壓裂液的黏度逐漸降低，直至減小到零。其中煤油的破膠時間最短（62 min），破膠黏度為3.87 mPa·s；地層水的破膠時間最長（157 min），破膠黏度為8.24 mPa·s。破膠黏度均小于10 mPa·s，破膠時間均小于240 min，表明該清潔壓裂液具有優(yōu)異的破膠性能。

表2 LMX-1型清潔壓裂液破膠性能實驗結(jié)果表

3.5 殘渣含量評價

殘渣主要指壓裂液以及破膠后存在的不溶物質(zhì)，殘渣的存在導(dǎo)致地層孔隙、吼道甚至裂縫的堵塞，使得地層的滲透率大大降低[8-10]。故殘渣含量越低的壓裂液對地層的傷害越小。

實驗選用原油破膠后的LMX-1型清潔壓裂液，量取100 mL至離心管中，在3 500 r·min-1的轉(zhuǎn)速下離心40 min后干過濾，并將濾液至于108 ℃的烘箱中烘干，冷卻至室溫后稱重，同時胍膠壓裂液進(jìn)行對比實驗，結(jié)果如表3所示。

表3 LMX-1型清潔壓裂液殘渣含量實驗結(jié)果表

在實驗過程中觀察發(fā)現(xiàn)，LMX-1型清潔壓裂液離心后沒有分層沉淀，而胍膠壓裂液在離心管底部可見明顯的沉淀。由表3可知，LMX-1型清潔壓裂液干過濾烘干后的殘渣質(zhì)量為0，表明該壓裂液沒有殘渣；而胍膠壓裂液的殘渣質(zhì)量為28.9 mg，其殘渣質(zhì)量濃度為289 mg·L-1。

4 結(jié) 論

本文在調(diào)研前人研究成果的基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析了清潔壓裂液的成膠原理和破膠原理，在此前提下，采用室內(nèi)實驗的方法對自主研制的LMX-1型清潔壓裂液進(jìn)行性能綜合評價。流變性能的評價指出該清潔壓裂液在壓裂施工過程中，裂縫較易形成，支撐劑容易進(jìn)入裂縫；熱穩(wěn)定性能評價明確該清潔壓裂液具有較強的抗溫性能；攜砂性能評價明確該清潔壓裂液具有較好的攜砂能力；破膠性能評價明確該清潔壓裂液具有優(yōu)異的破膠性能；殘渣含量評價確定該壓裂液沒有殘渣。通過對各個性能的評價總結(jié)，認(rèn)為該清潔壓裂液可廣泛使用于多種油氣藏的壓裂施工，具有較好的應(yīng)用前景。

［1］王嘉欣，唐善法.清潔壓裂液的研究現(xiàn)狀與展望[J].當(dāng)代化工，2018，47（2）：334-337.

［2］高詩惠.清潔壓裂液研究的應(yīng)用與發(fā)展[J].石油化工應(yīng)用，2017，36（4）：1-2.

［3］李楊，郭建春，王世彬，等.低傷害壓裂液研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].現(xiàn)代化工，2018，38（9）：20-22.

［4］胡楊，唐善法，樊英凱，等.含納米纖維陰離子雙子表面活性劑壓裂液研究[J].應(yīng)用化工，2021，50（7）：1780-1784.

［5］楊永霞.新型低聚物壓裂液性能研究與評價[J].中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2020，40（13）：5-6.

［6］李侖諭，黃光輝，劉旭.水溶性壓裂用暫堵劑的制備及性能評價[J].遼寧化工，2016，45（12）：1549-1551.

［7］張潔，張凡，趙毅，等.清潔壓裂液返排液配制強抑制性鉆井液研究[J].復(fù)雜油氣藏，2019，12（2）：67-72.

［8］許嘉楊，黃嘉琦，米偉寧，等.常規(guī)胍膠壓裂液室內(nèi)性能評價[J].遼寧化工，2017，46（11）：1081-1082.

［9］張黎明. 表面活性劑復(fù)合黏彈體系及其清潔壓裂液性能研究[D].北京：中國石油大學(xué)（北京），2019.

［10］張鵬翼. 納米清潔壓裂液配方研究及性能評價[D]. 北京：中國石油大學(xué)（北京），2018.

Study on Performance Evaluation of a Clean Fracturing Fluid

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（Shaanxi Yanchang Petroleum (Group) Oil and Gas Exploration Company Quality Supervision Center, Yan'an Shaanxi 716000, China）

Based on the research results of predecessors, the mechanism of clean fracturing fluid was analyzed from two aspects of gel formation principle and gel breaking principle. Under this premise, the performance evaluation of the clean fracturing fluid was carried out. Comprehensive evaluation of the rheological properties, thermal stability, sand-carrying performance, gel breaking performance and residue performance of the clean fracturing fluid through indoor experiments indicated that the clean fracturing fluid had strong temperature resistance, better sand-carrying ability, excellent gel breaking performance and no residue, so it can be widely used in fracturing construction of various oil and gas reservoirs and has good application prospects.

Clean fracturing fluid; Performance evaluation; Gel breaking performance; Sand carrying performance

2021-05-07

王春凱（1989-），男，陜西省延安市人，助理工程師， 2014年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）資源勘查工程專業(yè)，研究方向：油氣田質(zhì)量監(jiān)督。

TE357.12

A

1004-0935（2021）12-1878-03