VES壓裂液配方及其應用研究

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)

VES壓裂液配方及其應用研究

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)

通過室內試驗確定了一種粘彈性表面活性劑(VES)壓裂液配方，對其性能進行了相關評價,并對其在建南氣田須家河組氣藏、志留系深層致密砂巖的應用進行了研究。研究表明，該壓裂液具有流變性好、攜砂能力強、低殘渣低傷害、摩阻低等重要優點，適合用于建南致密砂巖儲層改造；應繼續改進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潛力。

VES壓裂液；低殘渣；低摩阻；致密砂巖氣藏

壓裂液是壓裂施工的重要介質，現場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，增稠劑與交聯劑交聯形成的大分子中就有相當一部分未徹底破膠的物質和水不溶物，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。其最大特點是不含殘渣，不污染環境，攜砂能力強，壓裂效果好，配制容易，易于泵送，不需要特殊設備，操作方便。當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，它會自動破膠，不會留下任何殘渣。建南致密砂巖氣藏傷害因素多且復雜，儲層保護難度大，對壓裂液性能要求很高，常規壓裂液造成的措施層的二次傷害會大大影響壓后效果，而VES壓裂液具有優異的低傷害特性，具有非常廣闊的應用前景。下面，筆者通過室內試驗確定了一種粘彈性表面活性劑(VES)壓裂液配方，并對其性能進行了相關評價。

1 VES壓裂液機理研究

VES壓裂液為特殊合成的小分子表面活性劑構成，該類表面活性劑加入鹽水中時，在鹽水的反向離子作用下，會形成一種膠束狀微胞，這種微胞的親水基在外，疏水基在內，若表面活性劑超過臨界膠束濃度(CMC)，球狀的膠束會變成桿狀或蠕蟲狀的微胞，膠束相互之間高度纏結，形成一網狀結構粘彈態膠束，阻止液體自由流動，即類似于交聯的長鏈聚合物形成的網狀結構，此時表觀粘度不隨時間變化，且通過高剪切后體系的粘度又能得到恢復，因此能有效輸送支撐劑體系。當壓裂結束后，VES壓裂液被地層水稀釋或與地層內的烴類物質接觸時，油氣或水可溶入膠束的內核并影響其帶電環境，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

根據文獻報道及經濟性考慮，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鹽的濃度，檢測其在速率170s-1、剪切60min時的表觀粘度，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，當把這種表面活性劑加入到鹽水中時，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。為保持高溫穩定性，有時需要加一些有機酸穩定劑。

2.1VES壓裂液配方

1)表面活性劑濃度對壓裂液的影響 結合國內表面活性劑市場初步選定了十余種銨鹽類表面活性劑在鹽水中進行成膠試驗，選出有成膠傾向的產品進行進一步的分析，并對該產品進行了改性和復配，提高了原產品的性能，研究成功了粘彈性表面活性劑產品。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。說明其最佳使用溫度在80～100℃。

表1 不同類型的鹽對視粘度的影響

2)鹽類型及加量對VES壓裂液的影響 當穩定劑和表面活性劑濃度一定時，用NaCl、KCl及NH4Cl分別配制VES壓裂液，在170s-1、室溫下測得的視粘度如表1所示。可以看出，這3種鹽配制的壓裂液的視粘度基本一致。同時進行了鹽的加量對壓裂液視粘度的影響，試驗結果如圖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。這是由于當鹽度太低時，表面活性劑不能在水中成膠。而在高鹽環境中，由于離子強度高，能迅速穿透表面活性劑的水化層，爭奪極性的水分子，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，無法形成網狀結構，導致溶液粘度低。試驗表明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 試驗結果表明，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壓裂液性能評價

對推薦的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、對儲層的傷害等方面性能進行了室內評價，評價試驗采用SY/T5107-1995“水基壓裂液性能評價方法”。

1) VES壓裂液耐溫性 檢測了該陽離子表面活性劑壓裂液在170s-1、剪切60min時粘度隨溫度的變化，結果見圖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，在對應溫度為90～100℃時曾達到高值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準《壓裂液通用技術條件》)中對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，根據試驗結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VES壓裂液體系進行了抗剪切性能的評價，試驗結果如圖4、表2所示。在各種溫度下，VES壓裂液的流性指數小于1，因此其為冪律型流體。通過100℃耐溫抗剪切性能評價證明該VES壓裂液呈現冪律型的流體特征，VES壓裂液在100℃條件下抗剪切性能強，視粘度隨時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品，在長時間動態剪切過程中產生泡沫而使粘度保持穩定。

3)靜態懸砂性能 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(轉速約為120rad/min)后靜置，觀察砂粒的沉降速度。試驗結果如圖5所示，左側為胍膠壓裂液，右側為VES壓裂液。試驗結果表明，VES壓裂液靜態懸砂能力好，與胍膠壓裂液相當，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壓裂液靜態懸砂性能相近，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

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

建111井生產層位為須六段，測井解釋砂巖厚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。儲層埋藏淺(799～818m)，溫度低(42℃)，裂縫不發育，物性較差，氣測解釋和現場綜合解釋為含氣水層，為降低壓裂液對地層傷害，選用低溫低殘渣羧甲基羥丙基瓜膠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%，達到了大規模、造長縫、充分改造儲層的目的，壓后獲得2750m3/d的產能。

表3 破膠液性能對比

在40℃儲層條件下按《水基壓裂液性能評價方法》測定壓裂液殘渣含量，對比羧甲基羥丙基瓜膠(CMHPG)壓裂液體系與VES壓裂液配方的殘渣含量，VES壓裂液測定殘渣含量僅為為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)壓裂液的殘渣含量都低(見表3)。表面活性劑(VES)壓裂液體系以降低儲層傷害為目的，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，控制地質儲量57.85×108m3，預測地質儲量129.13×108m3，展示了非常好的物質基礎和開發前景。建南志留系氣藏屬深層致密砂巖儲層，井深4000～5500m，天然裂縫發育，孔隙度Φ<5%，滲透率K<0.1×10-3μm2，壓力系數1.4～1.63左右，井溫可高達130℃，氣藏傷害因素多且復雜，儲層保護難度大，對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儲層的損害。同時儲層埋藏深，巖性致密，地應力高，施工壓力高，施工難度大，而VES壓裂液摩阻僅相當于清水的25%～35%，有利于深層壓裂和提高設備效率，VES壓裂液展示出良好廣闊的應用前景，不過在抗高溫剪切性能上還亟待研究與改進，才能保證深層致密砂巖儲層的有效攜砂，形成高導流能力裂縫，實現建南志留系儲層高效開采的目的。

4 結論與認識

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、攜砂性能優良，具有低摩阻、低傷害、易返排的特點，各指標均符合SY/T6376-2008(中華人民共和國石油天然氣通用標準《壓裂液通用技術條件》)中對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，今后還應根據深井、高溫井的現實需要，結合VES壓裂液的研究現狀，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理和現場應用[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用[J].油田化學，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年大學畢業，碩士，助理工程師，現主要從事氣藏改造方面的研究工作。

[編輯] 洪云飛