論表面活性劑壓裂液的研究與應用獲獎科研報告

論表面活性劑壓裂液的研究與應用獲獎科研報告【摘

要】由于常規(guī)壓裂液在返排過程中破膠不徹底，破膠液中含有大量殘渣，對儲層造成很大的傷害。為提高壓裂液的破膠程度，在上世紀90年代末，研制出了表面活性劑壓裂液。該壓裂液不需要交聯(lián)、破膠程序，僅依靠其流體自身的結(jié)構(gòu)粘度就能實現(xiàn)支撐劑的有效輸送，由于無交聯(lián)、破膠，因此其返排效果好，對地層儲層的傷害較小。我們對表面活性劑壓裂液的機理和性能進行評價具有一定的意義。

【關(guān)鍵詞】表面活性劑;壓裂液;機理

1壓裂液的相關(guān)性能

為了保證壓裂的效果，提高壓裂后的油藏產(chǎn)能，一般會對壓裂液的耐剪切性能、耐溫性能、破膠性能和懸砂性能進行研究評價。只有滿足相關(guān)性能，壓裂液才能既保證壓開地層增加地層導流能力，又能減少對地層的損害。

1.1抗剪切性能

在不同的剪切速率及一段剪切時間過程中，壓裂液能夠保持其表觀黏度基本不變的能力稱為壓裂液的抗剪切。在泵入壓裂液的過程中，必然存在著一定的剪切速度和剪切時間，為了讓壓裂液能夠?qū)⒅蝿y帶至儲層裂縫中，必須保證壓裂液在注入儲層的過程中保持一定的黏度。因而，壓裂液的抗剪切性能是評價壓裂液優(yōu)劣的重要指標。

1.2耐溫性能

由于地層存在著一定的地溫梯度，因此地層越深溫度越高。而溫度是影響壓裂液黏度的一個重要因素，為了保證壓裂效果，就必須確保壓裂液的黏度不能由于溫度的升高而大幅度降低，即其應具備耐溫熱穩(wěn)定性。如果隨溫度升高，壓裂液黏度大幅度降低，其他諸如懸砂性能、破膠性能等關(guān)鍵壓裂液性能則會受到直接的影響。所以針對現(xiàn)場不同地層溫度，水力壓裂施工過程中應選擇合適耐溫性能的壓裂液體系。

1.3破膠性能

清潔壓裂液的破膠是指清潔壓裂液在壓裂施工過程中，其黏度明顯下降達到地層水的黏度的一個過程。清潔壓裂液主要依靠以下2種方式進行破膠：清潔壓裂液可以和地層中的親油性有機物發(fā)生作用，使得其溶解，導致黏度下降最終達到破膠;清潔壓裂液受到地層水的稀釋作用，黏度降低達到破膠效果。

和傳統(tǒng)壓裂液相比，清潔壓裂液不需要破膠劑就能破膠。清潔壓裂液由于其獨特的性能，與水和油性物質(zhì)接觸都能達到破膠效果。為了研究清潔壓裂液的破膠性能，采用了煤油和水對清潔壓裂液進行實驗分析。

（1）實驗步驟。①在50mL量筒中配置清潔壓裂液體系;②將配制好的壓裂液分別與煤油以1∶1的比例混合后倒入流變儀中，測定溶液黏度隨時間的變化，剪切速率170s-1、溫度90℃;③在壓裂液與淡水破膠時，操作仍如上所述。（2）實驗結(jié)果。工程中主要通過研究壓裂液在破膠劑的作用下壓裂液黏度的變化情況來分析其破膠效果，通常認為壓裂液的黏度在破膠液的作用下小于5mPa·s時為徹底破膠。通過上述實驗，得到了煤油和水對于清潔壓裂液的破膠效果。從實驗結(jié)果可以得到：上述2種壓裂液在25min內(nèi)都可以完全破膠;煤油對于清潔壓裂液的破膠效果更好。故在現(xiàn)場運用清潔壓裂液時，只需要注入清水即可達到壓裂液的破膠效果。

1.4懸砂性能

壓裂液的懸砂能力是指如壓裂液能夠使支撐劑懸浮于其中卻不下落的能力。壓裂液黏度的大小決定了懸砂能力。只有壓裂液擁有一定的黏度，才能保證支撐劑懸浮于壓裂液中，這樣壓裂液才能將支撐劑送入目的層位。所以，壓裂液的懸砂性能的好壞直接關(guān)系到壓裂的成敗。

（1）實驗步驟。①按照配方比配置清潔壓裂液100mL，將壓裂液放入玻璃容器中，測量100mL壓裂液的高度為18cm;②調(diào)節(jié)恒溫水浴鍋溫度，等待水浴鍋溫度為30℃時，將裝有清潔壓裂液的玻璃容器放置于水浴鍋中;③夾取3粒大小相近的陶粒，輕放在清潔壓裂液表面，用秒表記錄陶粒沉降至量筒底端時所用的時間，如此重復3次，并取所記錄時間的平均值作為陶粒沉降時間;④將恒溫水浴鍋溫度分別調(diào)至50，70，90℃，重復步驟③。（2）實驗結(jié)果。通過實驗，可以利用陶粒在壓裂液中的沉降時間來表征壓裂液的攜砂性能，由于壓裂液具有一定黏度，同時玻璃容器的長度不大，可以近似認為支撐劑顆粒在壓裂液中為勻速運動。根據(jù)上述實驗可以得到在不同溫度下，該壓裂液的攜砂性能。

為了劃分壓裂液攜砂性能的優(yōu)劣，實際工程中通常依據(jù)支撐劑在壓裂液中的平均沉降速度對其進行劃分，一般劃分為3個區(qū)域：①小于0.5cm/min，為近似完美的沉降速率;②大于5cm/min，為不可接受的沉降速率;③0.5～5cm/min，則為較好的沉降速率。根據(jù)攜砂實驗可得：隨著溫度的升高，壓裂液的黏度逐漸降低，其攜砂性能減弱;當壓裂液處于90℃時，其平均沉降速度為3.73cm/min，處于較好的沉降速度范圍內(nèi)，說明該清潔壓裂液可以在90℃的高溫下仍然具有較好的攜砂性能。

2表面活性劑壓裂液機理

2.1膠束形成機理

當表面活性劑的濃度較小時，膠束在溶液中形成球狀，膠束為非晶體結(jié)構(gòu);隨著濃度的增加，球狀膠束會逐漸形成棒狀結(jié)構(gòu);當濃度增大到一定程度后，棒狀結(jié)構(gòu)逐步形成六角束結(jié)構(gòu);濃度更大時，會形成層狀結(jié)構(gòu)。

2.2成膠機理

隨壓裂液中表面活性劑濃度的增加，表面活性劑的體積分數(shù)增大，膠束逐漸成長并相互纏繞。壓裂液的粘度也隨之迅速增加;溶液中的反離子及助表面活性劑的性質(zhì)和濃度，對壓裂液的成膠具有強烈的影響。反離子的存在減少了壓裂液陽離子基團之間的排斥力，使得膠束增長;而助表面活性劑的主要作用是使得有機陰離子進入膠束中，依靠陰離子與陽離子的靜電引力，使表面活性劑分子排列得更為緊密，使膠束增長;隨溫度升高，膠束的體積減少，膠束的長度隨溫度增高而減少。

2.3破膠機理

清潔壓裂液在破膠過程中不需添加破膠劑。儲層中的油、氣溶解在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的清潔壓裂液中，破壞膠束結(jié)構(gòu)，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)變?yōu)槿錉罱Y(jié)構(gòu)又迅速變?yōu)榍驙罱Y(jié)構(gòu)，粘度迅速降低實現(xiàn)破膠。另外，由于地層水的稀釋作用，清潔壓裂液中的表面活性劑濃度下降，從而降低其粘度。

3表面活性劑壓裂液性能評價

3.1粘彈性

粘彈性是評價表面活性劑性能的一個重要指標，粘彈性的形成是由膠束纏繞形成棒狀結(jié)構(gòu)-球狀結(jié)構(gòu)-網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。由于其機理與常規(guī)壓裂液不同，因此，其評價方法也不同，一般通過儲能模量來評價其性能的優(yōu)劣。

3.2粘溫特性

不同VES-80加量對壓裂液粘溫特性的影響粘彈性表面活性劑的粘度隨著溫度的變化，其隨著溫度的升高，粘度先增加后減小。這是因為，溶液中膠束的運動程度隨著溫度的的變化而變化，當在溫度較低時，隨著溫度的升高，膠束的纏繞速度增加;但是當溫度增加到一定程度后，隨著溫度的升高膠束的分離速度增加，粘度降低。

3.3攜砂性

我們采用支撐劑在壓裂液中的沉降速度來評價壓裂液的攜砂性。一般要求，單顆粒沉降速度<0.08mm/s。就常規(guī)壓裂液而言，其攜砂性能主要由其粘度決定，攜砂性能與粘度正相關(guān)，即常規(guī)壓裂液的粘度越大，攜砂能力也越強。而粘彈性表活劑壓裂液，其攜砂能力由壓裂液的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定，當粘度僅為2.5mPa·s時也可以實現(xiàn)有效的攜砂。

3.4濾失性

由于清潔壓裂液幾乎不含殘渣，在儲層的巖石表面上不會形成濾餅，其濾失量隨著時間沒有明顯的變化。當在儲層的滲透率小于5×1