一種清潔壓裂液性能評價研究

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）油氣勘探公司質量監督中心，陜西 延安 716000）

在調研前人研究成果的基礎上，從成膠原理和破膠原理兩個方面詳細分析了清潔壓裂液的作用機理，在此前提下，對優選出的清潔壓裂液進行性能評價，通過室內實驗的方法對該清潔壓裂液的流變性能、熱穩定性能、攜砂性能、破膠性能及殘渣性能進行綜合評價，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，具有較好的應用前景。

清潔壓裂液；性能評價；破膠性能；攜砂性能

隨著經濟的飛速發展，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，導致開發的難度大大增加。壓裂技術的研發與應用正是解決當前開發難題的關鍵，而壓裂液又是壓裂技術的關鍵，常規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展[1-3]。清潔壓裂液即表面活性劑壓裂液，依據溶液類型的不同可以分為離子型、非離子型和復合型清潔壓裂液體系。由于清潔壓裂液的種類較多，只有對其性能進行研究，才能判斷該壓裂液是否能夠被廣泛應用，本文主要通過實驗的方法對研制出的清潔壓裂液進行性能評價。

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，其本身的結構特征及成膠后的結構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的黏彈性表面活性劑，當與水混合后雙親分子發生溶解，親油基由于受到水分子的排斥向背離于水介質方向傾斜，親水基在親水的作用下向水介質方向傾斜，故形成親水基向外、親油基向里的膠束結構。該膠束結構會隨著壓裂液濃度的增大而逐漸向球狀、桿狀、網狀變化，最終形成了一種能夠阻止液體流動的處于動態平衡的網狀結構，在該膠束結構的作用下使得液體的黏度增大。膠束結構的形成需要表面活性劑具有一定的濃度，將剛形成膠束結構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境發生改變而使得膠束結構發生變化，膠束結構從桿狀又重新變為球狀而失去黏度；壓裂液的成膠并沒有發生化學反應，故在進入儲層與地層水混合后表面活性劑濃度被稀釋，膠束結構被破壞而失去黏度；壓裂液在原油、氣及地層水同時作用下，親水基和親油基發生改變，導致網狀膠束發生膨脹，當達到一定限度時，網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，通過調研大量前人研究成果及室內實驗結果，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，在大量的實驗結果中最終優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行評價，評價結果對該清潔壓裂液的推廣應用具有一定的參考價值。

3 清潔壓裂液性能評價

依據石油行業標準《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、熱穩定性能、攜砂性能、破膠性能及殘渣含量進行評價。

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之一，與壓裂液的壓裂能力、攜砂能力等有直接關系[4]。流變性能評價參數主要為流動行為指數和稠度系數，當外部剪切力作用于流體時流體發生變形流動，而流體在流動過程中會有摩擦力產生，導致流變性能參數發生變化。

實驗選用MCR303型旋轉流變儀，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，在恒溫環境中測定不同剪切速率條件下的剪切應力，對實驗測定結果和分別取對數處理，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關系圖

由圖1可知，在2為 0.974 4時擬合出lg與lg關系曲線為=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，流動行為指數較小而稠度系數較大，表明在壓裂施工過程中，裂縫較易形成，支撐劑容易進入。

3.2 熱穩定性能評價

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鍵[5]。壓裂液熱穩定性能評價的主要準則是在不同溫度條件下測定壓裂液的黏度變化，當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定性能。

實驗選用NDJ6S型旋轉黏度計，測定清潔壓裂液在25～110 ℃范圍內表觀黏度的變化值。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黏度計上，設置初始溫度為25 ℃，并以10 ℃·min-1的速度逐漸升溫至105 ℃，設置旋轉黏度計的轉速為170 s-1，測定各溫度點清潔壓裂液的黏度值，結果如圖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，但最終逐漸趨于穩定，在溫度為55 ℃時，壓裂液的黏度為50 mPa·s，當溫度升高至105 ℃時，其黏度仍保持在35 mPa·s，遠大于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入裂縫或者進入裂縫的數量減少，導致砂卡情況的出現。在壓裂施工結束后，壓裂裂縫自動閉合，進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致壓裂液的黏度有小幅度的降低，最終導致沉降速率增加。在55～85 ℃范圍內，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壓裂液最具不同的地方，傳統的壓裂液需要加入破膠劑來進行處理，而清潔壓裂液則通過與地層水或者親油物質結合，在不斷稀釋的過程中使得黏度降低，表面活性劑的結構發生改變而達到破膠[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境中，記錄破膠時間，并測定破膠后壓裂液的表觀黏度，當黏度低于10 mPa·s時認為是完全破膠，結果見表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異的破膠性能。

表2 LMX-1型清潔壓裂液破膠性能實驗結果表

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，殘渣的存在導致地層孔隙、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，同時胍膠壓裂液進行對比實驗，結果如表3所示。

表3 LMX-1型清潔壓裂液殘渣含量實驗結果表

在實驗過程中觀察發現，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量為0，表明該壓裂液沒有殘渣；而胍膠壓裂液的殘渣質量為28.9 mg，其殘渣質量濃度為289 mg·L-1。

4 結 論

本文在調研前人研究成果的基礎上，詳細分析了清潔壓裂液的成膠原理和破膠原理，在此前提下，采用室內實驗的方法對自主研制的LMX-1型清潔壓裂液進行性能綜合評價。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，支撐劑容易進入裂縫；熱穩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，認為該清潔壓裂液可廣泛使用于多種油氣藏的壓裂施工，具有較好的應用前景。

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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年畢業于中國石油大學（華東）資源勘查工程專業，研究方向：油氣田質量監督。

TE357.12

A

1004-0935（2021）12-1878-03