王 瀟，肖佳林，劉 龍，高東偉(中石化江漢油田分公司采油工藝研究院采氣所，湖北 武漢 430035)

譚燕華 (中石化江漢油田分公司采油廠工藝研究所，湖北 潛江 433123)

VES壓裂液配方及其應(yīng)用研究

王 瀟，肖佳林，劉 龍，高東偉(中石化江漢油田分公司采油工藝研究院采氣所，湖北 武漢 430035)

譚燕華 (中石化江漢油田分公司采油廠工藝研究所，湖北 潛江 433123)

通過室內(nèi)試驗(yàn)確定了一種粘彈性表面活性劑(VES)壓裂液配方，對(duì)其性能進(jìn)行了相關(guān)評(píng)價(jià),并對(duì)其在建南氣田須家河組氣藏、志留系深層致密砂巖的應(yīng)用進(jìn)行了研究。研究表明，該壓裂液具有流變性好、攜砂能力強(qiáng)、低殘?jiān)蛡?、摩阻低等重要?yōu)點(diǎn)，適合用于建南致密砂巖儲(chǔ)層改造；應(yīng)繼續(xù)改進(jìn)VES壓裂液配方，提高井溫適用范圍，形成一套適合建南致密砂巖儲(chǔ)層的粘彈性表面活性劑(VES)壓裂液體系，挖掘致密砂巖氣藏的開發(fā)潛力。

VES壓裂液；低殘?jiān)?；低摩阻；致密砂巖氣藏

壓裂液是壓裂施工的重要介質(zhì)，現(xiàn)場(chǎng)目前使用最多的是水基凍膠壓裂液，其增稠劑主要為改性胍膠、羥丙基纖維素及聚丙烯酰胺等。這些大分子聚合物，雖然成膠質(zhì)量好，但因其溶解分散性差，水不溶物多，易形成“魚眼”等，使得聚合物的利用率大大降低。另外，增稠劑與交聯(lián)劑交聯(lián)形成的大分子中就有相當(dāng)一部分未徹底破膠的物質(zhì)和水不溶物，在壓裂施工后駐留在地層裂縫中，使地層滲透率下降，導(dǎo)致壓裂改造效果降低。粘彈性表面活性劑(VES)壓裂液是一種典型清潔壓裂液。其最大特點(diǎn)是不含殘?jiān)?，不污染環(huán)境，攜砂能力強(qiáng)，壓裂效果好，配制容易，易于泵送，不需要特殊設(shè)備，操作方便。當(dāng)這種粘彈性表面活性劑壓裂液和地層中烴類相遇或被地層水稀釋時(shí)，它會(huì)自動(dòng)破膠，不會(huì)留下任何殘?jiān)?。建南致密砂巖氣藏傷害因素多且復(fù)雜，儲(chǔ)層保護(hù)難度大，對(duì)壓裂液性能要求很高，常規(guī)壓裂液造成的措施層的二次傷害會(huì)大大影響壓后效果，而VES壓裂液具有優(yōu)異的低傷害特性，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。下面，筆者通過室內(nèi)試驗(yàn)確定了一種粘彈性表面活性劑(VES)壓裂液配方，并對(duì)其性能進(jìn)行了相關(guān)評(píng)價(jià)。

1 VES壓裂液機(jī)理研究

VES壓裂液為特殊合成的小分子表面活性劑構(gòu)成，該類表面活性劑加入鹽水中時(shí)，在鹽水的反向離子作用下，會(huì)形成一種膠束狀微胞，這種微胞的親水基在外，疏水基在內(nèi)，若表面活性劑超過臨界膠束濃度(CMC)，球狀的膠束會(huì)變成桿狀或蠕蟲狀的微胞，膠束相互之間高度纏結(jié)，形成一網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)粘彈態(tài)膠束，阻止液體自由流動(dòng)，即類似于交聯(lián)的長(zhǎng)鏈聚合物形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，此時(shí)表觀粘度不隨時(shí)間變化，且通過高剪切后體系的粘度又能得到恢復(fù)，因此能有效輸送支撐劑體系。當(dāng)壓裂結(jié)束后，VES壓裂液被地層水稀釋或與地層內(nèi)的烴類物質(zhì)接觸時(shí)，油氣或水可溶入膠束的內(nèi)核并影響其帶電環(huán)境，棒狀膠束將膨脹，最終將崩解成為較小的球形膠束，形成粘度很低的水溶液，從而利于VES壓裂液的成功返排[1]。

2 VES壓裂液配方及性能研究

根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道及經(jīng)濟(jì)性考慮，選擇了一種陽離子表面活性劑(季銨鹽型)與鹽配伍構(gòu)成壓裂液體系。在固定其他條件下，僅變化表面活性劑和有機(jī)鹽的濃度，檢測(cè)其在速率170s-1、剪切60min時(shí)的表觀粘度，以確定壓裂液主劑和助劑的配比。粘彈性表面活性劑為一種季銨類粘彈性表面活性劑，當(dāng)把這種表面活性劑加入到鹽水中時(shí)，在高速剪切攪拌中，VES完全分散，流體充分稠化，最后成為粘彈態(tài)凍膠。鹽水一般選擇3%KCl、4%NH4Cl，也有選擇CaCl2、MgCl2、CaBr2、四甲基氯化銨等鹵化物。表面活性劑加入量一般為0.7%～4%。鹽水、表面活性劑濃度愈大，壓裂液使用溫度愈高。為保持高溫穩(wěn)定性，有時(shí)需要加一些有機(jī)酸穩(wěn)定劑。

2.1VES壓裂液配方

1)表面活性劑濃度對(duì)壓裂液的影響 結(jié)合國內(nèi)表面活性劑市場(chǎng)初步選定了十余種銨鹽類表面活性劑在鹽水中進(jìn)行成膠試驗(yàn)，選出有成膠傾向的產(chǎn)品進(jìn)行進(jìn)一步的分析，并對(duì)該產(chǎn)品進(jìn)行了改性和復(fù)配，提高了原產(chǎn)品的性能，研究成功了粘彈性表面活性劑產(chǎn)品。研究3%、4%、5%表面活性劑CJP-1壓裂液在80～120℃，170s-1剪切速率下溫粘曲線如圖1所示。由圖1看出壓裂液隨表面活性劑濃度的增大，其溫粘性能有所提高，在該體系中CJP-1的最高視粘度加量為5%，但最高使用溫度并沒有變化，3條曲線在115℃處交匯。從圖1還可以看出，3條曲線均在100℃開始有下降趨勢(shì)。說明其最佳使用溫度在80～100℃。

表1 不同類型的鹽對(duì)視粘度的影響

2)鹽類型及加量對(duì)VES壓裂液的影響 當(dāng)穩(wěn)定劑和表面活性劑濃度一定時(shí)，用NaCl、KCl及NH4Cl分別配制VES壓裂液，在170s-1、室溫下測(cè)得的視粘度如表1所示?？梢钥闯?，這3種鹽配制的壓裂液的視粘度基本一致。同時(shí)進(jìn)行了鹽的加量對(duì)壓裂液視粘度的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出，1.0%KCL、7.0%KCL配制的壓裂液同3.5%KCL配制的壓裂液粘溫性能相差極大。這是由于當(dāng)鹽度太低時(shí)，表面活性劑不能在水中成膠。而在高鹽環(huán)境中，由于離子強(qiáng)度高，能迅速穿透表面活性劑的水化層，爭(zhēng)奪極性的水分子，使表面活性劑在水中的雙電層變薄，表面活性劑分子卷曲，從水中析出，形成了兩相分離，無法形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致溶液粘度低。試驗(yàn)表明KCL濃度為3.5%～4%左右是比較合適的。

圖1 不同濃度表面活性劑溫粘曲線 圖2 不同KCL濃度溫粘曲線

3)VES壓裂液的配方 試驗(yàn)結(jié)果表明，主體成分表面活性劑濃度和鹽濃度分別為4%～5%和3.5%～4%較為合適，因此最后確定配方為4%CJP-1+3.5%KCl+其他添加劑。

2.2VES壓裂液性能評(píng)價(jià)

對(duì)推薦的VES壓裂液體系配方的耐溫抗剪切性、懸砂性能、濾失、破膠性能、對(duì)儲(chǔ)層的傷害等方面性能進(jìn)行了室內(nèi)評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)試驗(yàn)采用SY/T5107-1995“水基壓裂液性能評(píng)價(jià)方法”。

1) VES壓裂液耐溫性 檢測(cè)了該陽離子表面活性劑壓裂液在170s-1、剪切60min時(shí)粘度隨溫度的變化，結(jié)果見圖3。由圖3可見，該壓裂液的表觀粘度總體上是隨溫度的升高而呈降低趨勢(shì)，在對(duì)應(yīng)溫度為90～100℃時(shí)曾達(dá)到高值92mPa·s，粘度高于SY/T 6376-2008(中華人民共和國石油天然氣通用標(biāo)準(zhǔn)《壓裂液通用技術(shù)條件》)中對(duì)于表面活性劑類壓裂液耐溫耐剪切性能的要求(≥20mPa·s)，可滿足攜砂及其他要求，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果判定其可以用于地層溫度低于120℃的油氣井壓裂。

表2 VES壓裂液流變性能

2) VES壓裂液抗剪切性 在100℃條件下，以170s-1速率剪切該壓裂液60min，粘度為63mPa·s。對(duì)VES壓裂液體系進(jìn)行了抗剪切性能的評(píng)價(jià)，試驗(yàn)結(jié)果如圖4、表2所示。在各種溫度下，VES壓裂液的流性指數(shù)小于1，因此其為冪律型流體。通過100℃耐溫抗剪切性能評(píng)價(jià)證明該VES壓裂液呈現(xiàn)冪律型的流體特征，VES壓裂液在100℃條件下抗剪切性能強(qiáng)，視粘度隨時(shí)間的增加基本不降低，這是由于VES壓裂液本身為活性劑類產(chǎn)品，在長(zhǎng)時(shí)間動(dòng)態(tài)剪切過程中產(chǎn)生泡沫而使粘度保持穩(wěn)定。

3)靜態(tài)懸砂性能 將10ml粒徑為20～40目的陶粒、20ml粒徑為20～40目的石英砂分別倒入100ml配置好的VES壓裂液中，攪拌(轉(zhuǎn)速約為120rad/min)后靜置，觀察砂粒的沉降速度。試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，左側(cè)為胍膠壓裂液，右側(cè)為VES壓裂液。試驗(yàn)結(jié)果表明，VES壓裂液靜態(tài)懸砂能力好，與胍膠壓裂液相當(dāng)，在室溫下8h后仍有至少90%的砂懸浮，與0.58%羥丙基胍膠硼砂膠聯(lián)壓裂液靜態(tài)懸砂性能相近，可以滿足懸砂的需要。

圖3 VES壓裂液溫粘曲線 圖4 VES壓裂液耐溫抗剪切曲線

3 VES壓裂液在建南致密砂巖氣藏的應(yīng)用

3.1須家河組氣藏

圖5 VES壓裂液攜砂性能

建南氣田須家河儲(chǔ)集層分布廣泛，是典型的低孔致密砂巖儲(chǔ)集層，選擇適合的措施液是提高單井產(chǎn)量和增產(chǎn)有效的關(guān)鍵。

建111井生產(chǎn)層位為須六段，測(cè)井解釋砂巖厚17.2m，孔隙度平均為4%，滲透率平均為0.05×10-3μm2，屬于致密砂巖氣藏。儲(chǔ)層埋藏淺(799～818m)，溫度低(42℃)，裂縫不發(fā)育，物性較差，氣測(cè)解釋和現(xiàn)場(chǎng)綜合解釋為含氣水層，為降低壓裂液對(duì)地層傷害，選用低溫低殘?jiān)燃谆u丙基瓜膠CMHPG壓裂液體系，措施施工壓力17～38MPa，施工排量3.0～4.5m3/min，伴注液氮10m3，前置液用量80m3，攜砂液用量217.8m3，加砂量48m3，平均砂比22%，達(dá)到了大規(guī)模、造長(zhǎng)縫、充分改造儲(chǔ)層的目的，壓后獲得2750m3/d的產(chǎn)能。

表3 破膠液性能對(duì)比

在40℃儲(chǔ)層條件下按《水基壓裂液性能評(píng)價(jià)方法》測(cè)定壓裂液殘?jiān)?，?duì)比羧甲基羥丙基瓜膠(CMHPG)壓裂液體系與VES壓裂液配方的殘?jiān)?，VES壓裂液測(cè)定殘?jiān)績(jī)H為為11mg/L，比0.15%羧甲基羥丙基瓜膠(CMHPG)壓裂液、0.2%羧甲基羥丙基瓜膠(CMHPG)壓裂液的殘?jiān)慷嫉?見表3)。表面活性劑(VES)壓裂液體系以降低儲(chǔ)層傷害為目的，具有低傷害、低吸附、易返排的特征，更適合用于須家河組致密砂巖儲(chǔ)層改造。

3.2須家河組氣藏、志留系深層致密砂巖

以志留系為主的鄂西渝東砂巖氣藏分布廣泛，目前已控制含氣面積61.2km2，控制地質(zhì)儲(chǔ)量57.85×108m3，預(yù)測(cè)地質(zhì)儲(chǔ)量129.13×108m3，展示了非常好的物質(zhì)基礎(chǔ)和開發(fā)前景。建南志留系氣藏屬深層致密砂巖儲(chǔ)層，井深4000～5500m，天然裂縫發(fā)育，孔隙度Φ<5%，滲透率K<0.1×10-3μm2，壓力系數(shù)1.4～1.63左右，井溫可高達(dá)130℃，氣藏傷害因素多且復(fù)雜，儲(chǔ)層保護(hù)難度大，對(duì)流體不傷害地層和支撐劑充填層的要求也越來越高，考慮盡可能降低壓裂液對(duì)儲(chǔ)層的損害。同時(shí)儲(chǔ)層埋藏深，巖性致密，地應(yīng)力高，施工壓力高，施工難度大，而VES壓裂液摩阻僅相當(dāng)于清水的25%～35%，有利于深層壓裂和提高設(shè)備效率，VES壓裂液展示出良好廣闊的應(yīng)用前景，不過在抗高溫剪切性能上還亟待研究與改進(jìn)，才能保證深層致密砂巖儲(chǔ)層的有效攜砂，形成高導(dǎo)流能力裂縫，實(shí)現(xiàn)建南志留系儲(chǔ)層高效開采的目的。

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

1)確定了一種粘彈性表面活性劑(VES)壓裂液的體系配方，該壓裂液耐溫性、抗剪切、攜砂性能優(yōu)良，具有低摩阻、低傷害、易返排的特點(diǎn)，各指標(biāo)均符合SY/T6376-2008(中華人民共和國石油天然氣通用標(biāo)準(zhǔn)《壓裂液通用技術(shù)條件》)中對(duì)于表面活性劑類壓裂液的要求，可用于地層溫度在120℃以下的油氣井壓裂施工。

2)為保證建南致密砂巖氣藏VES壓裂液施工的成功，今后還應(yīng)根據(jù)深井、高溫井的現(xiàn)實(shí)需要，結(jié)合VES壓裂液的研究現(xiàn)狀，提高井溫的適用范圍，形成一套適合建南氣田的可靠的、耐高溫、低傷害的壓裂液體系配方，挖掘致密砂巖氣藏的開發(fā)潛力。

[1]楊振周，周廣才，盧擁軍，等.粘彈性清潔壓裂液的作用機(jī)理和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用[J].鉆井液與完井液,2005，22(1)：103-105.

[2]周福建，練以鋒，楊賢友，等.中高密度粘彈性表面活性劑壓裂液的研制與應(yīng)用[J].油田化學(xué)，2005，22(6)：137-139.

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.08.026

TE357.1

A

1673-1409(2012)08-N079-04

2012-05-03

王瀟(1983-)，女，2005年大學(xué)畢業(yè)，碩士，助理工程師，現(xiàn)主要從事氣藏改造方面的研究工作。

[編輯] 洪云飛