清潔壓裂液在七里村采油廠的應用

董自強 ，龍 慧，田 磊 ，荊治霖

（1.延長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，陜西西安 710065）

清潔壓裂液在七里村采油廠的應用

董自強1，龍 慧2，田 磊2，荊治霖2

（1.延長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，陜西西安 710065）

根據國內外關于壓裂液和表面活性劑的研究成果，運用表面化學、流變學和說理壓裂工程等多學科知識和方法來解決清潔壓裂液的理論與實踐問題。研究了較完整的清潔壓裂液體系及其應用技術：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理等。最終開發出能適用于油礦實際的清潔壓裂液體系及應用技術，解決胍爾膠壓裂液對地層傷害較大的缺點，使油礦低滲透油藏的壓裂增產效果獲得提高。將清潔壓裂液應用到延長油礦七里村采油廠的16口井中，成功率達100%。

清潔壓裂液；七里村采油廠；表面活性劑；性能評價；成膠與破膠機理

水力壓裂是油氣井增產的重要改造措施之一，特別是對于低滲透油氣田，如果不進行有效的改造一般沒有產能。七里村采油廠目前所轄資源面積約300多平方公里，分別位于延長縣境內的鄭莊、郭旗、黑家堡、七里村四個鄉鎮。油田位于鄂爾多斯盆地陜北斜坡的東部，區域構造為一平緩的西傾單斜，地層傾角小于1°，千米坡降7～10 m。內部構造簡單，局部具有差異壓實形成的低幅度鼻狀隆起。七里村采油廠的勘探開發主力儲層長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。

1 清潔壓裂液的概述

國內外就清潔壓裂液的研究、開發和應用已作了不少工作，國外達到了很高的應用技術要求，但仍存在以下不足：（1）清潔壓裂液表現了獨特的流變性，但研究不夠全面，所遵從的流變方程還未見報道；（2）表面活性劑通過膠束成膠，但膠束的形態、大小說法并非統一，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，證據也不充分；（3）清潔壓裂液擁有優良的攜砂性能，這源于其突出的彈性性質，但缺乏實際可行的定量表征；（4）國內清潔壓裂液的應用性能特別是耐溫性與國外的相比，差距較大。所以需要開發出能適用于油礦實際的清潔壓裂液體系及應用技術，解決胍爾膠壓裂液對地層傷害較大的缺點，使油礦低滲透油藏的壓裂增產效果獲得提高，并使所開發的清潔壓裂液體系在國內具有最優的應用性能和最低的使用成本，從而為該壓裂液體系的推廣應用打下堅實基礎，為油礦油井的增產、穩產做出積極貢獻。

2 清潔壓裂液中化學主劑的研究

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，所得產物提純后計算產率。然后將產物和鹽（有機的、無機的）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，對各體系的粘度進行實測。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。經工業化生產中試，已成功獲得該新型表面活性劑產品。

2.2 交聯劑

表1 各體系的復配情況

選擇廉價易得的工業原料W-1并通過其堿水解反應來獲得有機鹽交聯劑Y-1。該交聯劑已成功進行工業化中試。對上述合成獲得的Y-1產品，用丙酮提純，考查其提純前后與3.0%表活劑與室溫的交聯性能，結果見圖1。可見，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%時粘度最大，提純后的Y-1為0.5%時粘度最大，說明此時交聯劑與表活劑皆達最佳配比值。有圖還可以看出，Y-1提純前后的體積濃度相同時，未提純產品與表活劑的交聯效果較好，說明Y-1產品不必提純后使用。

3 清潔壓裂液的室內性能評價

3.1 清潔壓裂液的流變性

理論上講，壓裂液的流變性應與其內部微結構及所含粒子間的相互作用有直接關系。實踐中，考察流變性是壓裂設計的需要，涉及壓裂液的攜砂性能、壓裂能力、返排效果等。

3.1.1 不同條件對壓裂液表現粘度的影響

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

（2）溫度的影響，用HaakeRS150流變儀測試了一組表活劑壓裂液于170 s-1、60 min時的表現粘度隨溫度的變化，結果（見圖4），實驗結果表明：該壓裂液的表現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 壓裂液的流動穩定性

（1）剪切穩定性，一般胍膠壓裂液體系的表現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。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，體系的表現粘度變化甚小而趨于穩定，此點與常用胍膠體系截然不同。故清潔壓裂液的剪切穩定性好。

流變學上，常將流體分為牛頓流體和非牛頓流體兩類。若流變曲線，即剪切應力（τ）與剪切速率（D）的關系，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為剪切應力，D為剪切速率，k為稠度系數、代表壓裂液的粘性，n為流動指數、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力與剪切速率關系對冪律模型的偏離，該圖表清明潔壓裂液的表現粘度隨剪切速率增至某值后而趨于定值，則對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表示體系的屈服應力系數，-b相當于冪律模型的稠度系數，m為流動指數但不如冪律模型的意義清楚。

（2）時間穩定性，一般胍膠壓裂液體系的表現粘度是隨時間增加而降低。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-時間曲線，可以看出，1000 s后體系的表現粘度變化甚小而趨于穩定，此點也與常用胍膠體系不同。故清潔壓裂液的時間穩定性好。

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，而這兩部分的強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。在30℃時，測得“1.25%表活劑+10.3%有機鹽”壓裂液體系的粘彈性模量與振蕩頻率的關系見圖7。可見，該體系的彈性模量在低頻時就大于粘性模量且隨后者增加而變強。

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雜的機制，其粘彈性不能簡單的用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。對粘彈性液體，我們提出懸浮力的概念，將密度計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，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部微結構和彈性引起。設一密度計在粘彈性液體中，受到重力Fg、一般浮力Ff和懸浮力Fx，則有力平衡：

根據上式可導出懸浮力的公式：

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

按上述公式計算的懸浮力受到液體中密度計的浸沒面積影響。為此，將密度計的浸沒部分簡化為圓柱面和球面，則可用直徑與高度參數計算出的密度計的浸沒面積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部結構和彈性產生的懸浮固體的能力，可定量衡量清潔壓裂液的攜砂性能。

試驗測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良的攜砂性能。故懸浮切力指標能客觀反映清潔壓裂液獨特網狀結構的強度和彈性表現的大小。

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油量比較

4 清潔壓裂液的成膠與破膠機理

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理也會不同。

4.1 清潔壓裂液的成膠機理

水溶液中，表活劑在其濃度低于臨界膠束濃度時，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。將有機鹽加入表活劑溶液中，平衡體系電荷或壓縮膠束結構，促進表活劑蠕蟲狀膠束的生長，從而得到凍膠的網絡結構。加入有機反離子，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長；加入無機同號離子，將使蠕蟲狀聚集體被壓縮而變得更細長。變長的蠕蟲狀膠束將相互纏結，從而在體系中形成猶如均勻絮凝體似的空間網狀結構，即凍膠體。

4.2 清潔壓裂液的破膠機理

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作用相互連接，故清潔壓裂液凍膠遇適量地層水和油氣時，會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狀態受到破壞，甚至蠕蟲狀膠束解體成簡單膠束，這些皆使凍膠體系產生自動破膠。

5 清潔壓裂液的現場應用

清潔壓裂液在七里村采油廠施工的基本應用性能如下：

壓裂液配方與用量：配方“1.30%～1.38%表活劑稠化劑+0.26%～0.28%有機鹽交聯劑”，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 C3為 3.1×10-3m/min1/2。

沉砂實驗：壓裂液的靜態懸砂半衰期大于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粘土的防膨性能：防膨率大于85%。

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

壓裂液對地層的傷害率：小于6%。

采用清潔壓裂液技術在延長油田七里村采油廠共實施16口油井，成功率100%。同時，對所施工的同井組13口油井進行了常規胍爾膠壓裂的對比試驗（見表3）。與常規胍膠壓裂施工的13口對比油井比較，清潔壓裂液施工的 5 口油井“Z680-1”、“Z045-2”、“Z711-6”、“Z671-4”、“G670-2”的各項產油指標要明顯優于胍膠壓裂的對比井。

6 結論與認識

（1）開發出用于清潔壓裂液的兩種化學主劑：增稠劑，一種復合型表面活性劑；交聯劑，一種有機鹽。清潔壓裂液配液過程比較簡單，僅用兩種添加劑。

（2）清潔壓裂液的穩態流變性不能較好的遵從冪律模型，故提出了含三參數的新流變方程，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，其彈性會隨粘性增加而變強。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，這是它具有優良攜砂性的原因。

（5）清潔壓裂液在延長油田七里村采油廠通過現場試驗并使該技術獲得初步成功。

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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（1965-），高級工程師，1995年畢業于甘肅工業大學礦場機械專業，從事油田井下壓裂作業和管理工作，郵箱：2644839048@qq.com。