王春凱，萬(wàn)曉飛

一種清潔壓裂液性能評(píng)價(jià)研究

王春凱，萬(wàn)曉飛

（陜西延長(zhǎng)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(gè)方面詳細(xì)分析了清潔壓裂液的作用機(jī)理，在此前提下，對(duì)優(yōu)選出的清潔壓裂液進(jìn)行性能評(píng)價(jià)，通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)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?jiān)阅苓M(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，指出該清潔壓裂液具有較強(qiáng)的抗溫性能、較好的攜砂能力、優(yōu)異的破膠性能及無(wú)殘?jiān)奶匦?，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(píng)價(jià)；破膠性能；攜砂性能

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，我國(guó)對(duì)能源的需求量越來(lái)越大，目前，我國(guó)主力油田都具有低滲、超低滲的特點(diǎn)，導(dǎo)致開(kāi)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(kāi)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(qiáng)、殘?jiān)扛?、?duì)地層傷害大等缺點(diǎn)，已不能適用于該類油氣藏。清潔壓裂液的問(wèn)世不僅解決了這些問(wèn)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(duì)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(guò)實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)研制出的清潔壓裂液進(jìn)行性能評(píng)價(jià)。

1 清潔壓裂液的作用機(jī)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(duì)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(huì)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(dòng)的處于動(dòng)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(shí)表面活性劑的濃度稱為臨界膠束濃度，故在實(shí)際壓裂施工過(guò)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(shí)才能體現(xiàn)出來(lái)。

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(guò)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?；壓裂液的成膠并沒(méi)有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，故在進(jìn)入儲(chǔ)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(shí)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(shí)，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(shí)，通過(guò)調(diào)研大量前人研究成果及室內(nèi)實(shí)驗(yàn)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(guò)控制變量的實(shí)驗(yàn)方法確定出各藥品的用量，在大量的實(shí)驗(yàn)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L(zhǎng)MX-1型清潔壓裂液。為了研究該清潔壓裂液的性能，特通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)其性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)該清潔壓裂液的推廣應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。

3 清潔壓裂液性能評(píng)價(jià)

依據(jù)石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水基壓裂液性能評(píng)價(jià)方法》，對(duì)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?jiān)窟M(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.1 流變性能評(píng)價(jià)

流變性能是評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)參數(shù)主要為流動(dòng)行為指數(shù)和稠度系數(shù)，當(dāng)外部剪切力作用于流體時(shí)流體發(fā)生變形流動(dòng)，而流體在流動(dòng)過(guò)程中會(huì)有摩擦力產(chǎn)生，導(dǎo)致流變性能參數(shù)發(fā)生變化。

實(shí)驗(yàn)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(cè)定不同剪切速率條件下的剪切應(yīng)力，對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果和分別取對(duì)數(shù)處理，繪制出lg和lg的散點(diǎn)圖并擬合曲線，見(jiàn)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(shí)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(dòng)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(dòng)行為指數(shù)較小而稠度系數(shù)較大，表明在壓裂施工過(guò)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(píng)價(jià)

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(píng)價(jià)的主要準(zhǔn)則是在不同溫度條件下測(cè)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(shí)，才能表明壓裂液具有較好的熱穩(wěn)定性能。

實(shí)驗(yàn)選用NDJ6S型旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，測(cè)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(shí)驗(yàn)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(jì)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(jì)的轉(zhuǎn)速為170 s-1，測(cè)定各溫度點(diǎn)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(huì)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(shí)，壓裂液的黏度為50 mPa·s，當(dāng)溫度升高至105 ℃時(shí)，其黏度仍保持在35 mPa·s，遠(yuǎn)大于25 mPa·s，具有較強(qiáng)的攜砂能力，表明該清潔壓裂液具有較強(qiáng)的抗溫性能。

圖2 清潔壓裂液黏度對(duì)溫度變化關(guān)系圖

3.3 攜砂性能評(píng)價(jià)

壓裂液攜砂性能的好壞直接影響到壓裂施工過(guò)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(guò)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(dòng)閉合，進(jìn)而失去了壓裂的意義。

實(shí)驗(yàn)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(shí)按下秒表計(jì)時(shí)，記錄玻璃珠落入筒底的時(shí)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(huì)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(píng)價(jià)

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(lái)進(jìn)行處理，而清潔壓裂液則通過(guò)與地層水或者親油物質(zhì)結(jié)合，在不斷稀釋的過(guò)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(shí)驗(yàn)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(shí)間，并測(cè)定破膠后壓裂液的表觀黏度，當(dāng)黏度低于10 mPa·s時(shí)認(rèn)為是完全破膠，結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可知，隨著時(shí)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(shí)間最短（62 min），破膠黏度為3.87 mPa·s；地層水的破膠時(shí)間最長(zhǎng)（157 min），破膠黏度為8.24 mPa·s。破膠黏度均小于10 mPa·s，破膠時(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表

3.5 殘?jiān)吭u(píng)價(jià)

殘?jiān)饕笁毫岩阂约捌颇z后存在的不溶物質(zhì)，殘?jiān)拇嬖趯?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?jiān)吭降偷膲毫岩簩?duì)地層的傷害越小。

實(shí)驗(yàn)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(guò)濾，并將濾液至于108 ℃的烘箱中烘干，冷卻至室溫后稱重，同時(shí)胍膠壓裂液進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。

表3 LMX-1型清潔壓裂液殘?jiān)繉?shí)驗(yàn)結(jié)果表

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中觀察發(fā)現(xiàn)，LMX-1型清潔壓裂液離心后沒(méi)有分層沉淀，而胍膠壓裂液在離心管底部可見(jiàn)明顯的沉淀。由表3可知，LMX-1型清潔壓裂液干過(guò)濾烘干后的殘?jiān)|(zhì)量為0，表明該壓裂液沒(méi)有殘?jiān)欢夷z壓裂液的殘?jiān)|(zhì)量為28.9 mg，其殘?jiān)|(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(shí)驗(yàn)的方法對(duì)自主研制的LMX-1型清潔壓裂液進(jìn)行性能綜合評(píng)價(jià)。流變性能的評(píng)價(jià)指出該清潔壓裂液在壓裂施工過(guò)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(píng)價(jià)明確該清潔壓裂液具有較強(qiáng)的抗溫性能；攜砂性能評(píng)價(jià)明確該清潔壓裂液具有較好的攜砂能力；破膠性能評(píng)價(jià)明確該清潔壓裂液具有優(yōu)異的破膠性能；殘?jiān)吭u(píng)價(jià)確定該壓裂液沒(méi)有殘?jiān)?。通過(guò)對(duì)各個(gè)性能的評(píng)價(jià)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。

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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(yè)于中國(guó)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