粘彈性表面活性劑基壓裂液體系在油田的應(yīng)用

粘彈性表面活性劑基壓裂液體系在油田的應(yīng)用

壓裂是油氣井產(chǎn)量增加和水井注入的一項(xiàng)重要技術(shù)措施。目前,國內(nèi)外常用的壓裂技術(shù)有水力壓裂、酸化壓裂和高能氣體壓裂等。高能氣體壓裂施工簡便、成本低廉和污染小,由于其裂縫長度有限,使得增產(chǎn)倍數(shù)較低;水力壓裂和酸化增產(chǎn)效果顯著,其工藝復(fù)雜且對(duì)地層存在一定程度的污染;使用清潔低傷害的壓裂液是當(dāng)今改進(jìn)壓裂技術(shù)的必然措施。目前,國內(nèi)外已對(duì)綠色粘彈性表面活性劑基壓裂液體系展開了廣泛的研究。由于VES壓裂液不含聚合物,處理巖層清潔,同時(shí)改善了巖層負(fù)表皮系數(shù),增加了油氣井產(chǎn)能。正因?yàn)榫哂猩鲜鎏匦?VES壓裂液亦稱清潔無聚合物壓裂液。1ves壓裂液的主要成分VES壓裂液是一種在鹽水中添加表面活性劑而形成的低粘陽離子凝膠液體。目前,VES壓裂液主要采用季銨鹽作為增稠用主劑,國內(nèi)外廣泛應(yīng)用的VES壓裂液多由陽離子膠束劑和一定濃度的鹽溶液組成。陽離子膠束劑多為C16~C22含不飽和雙鍵的季銨鹽,使用的鹽一般為2%~4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的KCl或KBr。這種壓裂液中粘彈性表面活性劑分子產(chǎn)生的膠束可構(gòu)成一種有助低粘狀態(tài)支撐劑運(yùn)移的新型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),在170s-1剪切速率下,粘度為25mPa·s的壓裂液可以有效地?cái)y帶支撐劑。2壓裂溶液vss的特點(diǎn)VES壓裂液因具有剪切穩(wěn)定性、零傷害性、自動(dòng)破膠性和低濾失性等特點(diǎn),對(duì)儲(chǔ)層無傷害,在國內(nèi)外油田得到了良好的應(yīng)用。2.1在膠束和壓裂體之間表面的粘度不隨時(shí)間的變化以及通過高剪切后體系的粘度而進(jìn)行研磨VES清潔壓裂液中不含任何高分子聚合物,其粘度是通過表面活性劑膠束的相互纏繞而形成的,VES膠束的形成和相互纏繞是表面活性劑分子之間和表面活性劑聚集體之間的行為,因此VES清潔壓裂液的表觀粘度不隨時(shí)間變化以及通過高剪切后體系的粘度又能得到恢復(fù)。而瓜膠壓裂液不耐剪切,分子鏈的斷開會(huì)使植物膠的粘度永久地喪失。2.2球形膠束降壓法VES壓裂液當(dāng)與油、氣接觸或被地層水沖洗時(shí),液體中的帶電環(huán)境就受到了影響,桿狀膠束的狀態(tài)也被破壞,將蠕蟲狀的膠束破壞成小球形膠束,從而降低了流體的粘度。這些球形膠束彼此不能纏結(jié),因而導(dǎo)致流體具有水樣的粘度。CastroDantas等人展開了表面活性劑基凍膠壓裂液的實(shí)驗(yàn)室破膠方法的研究。利用油充當(dāng)表面活性劑基壓裂液的破膠劑,得到了表面活性劑基凍膠在測(cè)試的最初6h粘度降到10mPa·s的最佳破膠效果。破膠使凍膠壓裂液能夠快速返排到地面,因此可以清潔經(jīng)過表面活性劑基壓裂液處理過的裂縫。2.3儲(chǔ)層并壓裂液巖心特性分析留在裂縫內(nèi)的聚合物殘?jiān)约拔茨芷颇z的壓裂液會(huì)很大程度地降低支撐劑充填裂縫的導(dǎo)流能力,導(dǎo)致壓裂施工效率降低。由于VES清潔壓裂液的特性和獨(dú)特的破膠機(jī)理,不用加入破膠劑,就可使流體很容易被返排至地面,不傷害儲(chǔ)層。儲(chǔ)集層的滲透性決定著油氣在其中滲濾的難易程度,它是評(píng)價(jià)儲(chǔ)層產(chǎn)能的主要參數(shù)之一。滲透性即為儲(chǔ)集層在一定的壓差下,巖石允許流體通過其連通孔隙的性質(zhì),滲透性好壞用滲透率表示。檢測(cè)儲(chǔ)層是否受到傷害主要是通過檢測(cè)巖心的滲透率變化來確定?？捎眠_(dá)西定律來描述Qv=KA?Δpμ?LQv=ΚA?Δpμ?L式中:K為巖石的滲透率(m2、cm2或μm2);Qv為單位時(shí)間的體積流量(cm3/s);Δp為巖樣兩端壓差(MPa);μ為液體的粘度(mPa·s);A為液體通過巖石的截面積(cm2);L為巖樣的長度(cm)。楊振周等人按照SY/T07-1995“水基壓裂液性能評(píng)價(jià)方法”,使用標(biāo)準(zhǔn)飽和鹽水,測(cè)得巖心傷害前滲透率為0.0807×10-3μm2,而壓裂液傷害后的巖心滲透率為0.0523×10-3μm2,即清潔壓裂液在未破膠條件下的巖心傷害率為35.2%。在65℃下使用煤油浸泡傷害巖心1h,模擬油藏原油對(duì)清潔壓裂液的破膠作用,測(cè)得巖心被煤油浸泡后標(biāo)準(zhǔn)鹽水的滲透率為0.0776×10-3μm2,計(jì)算得巖心傷害率為3.84%,即巖心滲透率恢復(fù)率達(dá)到96.16%。2.4巖體內(nèi)ves壓裂液特性VES清潔壓裂液與瓜膠壓裂液不同,它不因?yàn)V失進(jìn)入地層形成濾餅,其濾失速率基本不隨時(shí)間變化。濾失量是由濾液的粘度控制的,在鹽水飽和巖心中,VES壓裂液粘度很高,流度很低,流動(dòng)緩慢。劉新全等通過濾失性試驗(yàn)證明地層的飽和狀態(tài)(鹽水飽和或油飽和)可使VES壓裂液的流度向不同方向改變,處于裂縫中網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高粘度VES壓裂液可在一定程度上抵抗地層水的侵入,從而降低了VES清潔壓裂液的濾失性。除了以上優(yōu)點(diǎn)外,VES清潔壓裂液配制簡單方便,現(xiàn)場(chǎng)不需要過多的設(shè)備。液體工作效率高,與聚合物壓裂液相比,同樣規(guī)模的施工其耗液量較少。3型雙克氏原螯蝦膠束在水基壓裂中,為使支撐劑遠(yuǎn)離井眼達(dá)到深穿透,采用了延遲交聯(lián)技術(shù)。通過添加交聯(lián)劑和破膠劑獲得井下較好的粘度和返排效果,但破膠經(jīng)常會(huì)不完全,一部分殘?jiān)鼤?huì)留在裂縫內(nèi),降低了壓裂層的滲透率,影響壓裂效果。而清潔壓裂液是一種無聚合物的粘彈性液體,這種壓裂液靠特殊合成的小分子量增稠物,在一定量鹽溶液介質(zhì)條件下,形成蚯蚓狀或棒狀纏繞的網(wǎng)狀膠束。此時(shí)該體系表現(xiàn)出復(fù)雜的流變特性,如粘彈性、剪切稀釋和觸變性等,形成粘彈性流體。由于其流體粘度是通過表面活性劑膠束的相互纏繞而形成的,且表觀粘度不隨時(shí)間變化以及通過高剪切后體系的粘度又能得到恢復(fù),因此能有效輸送支撐劑。當(dāng)該清潔壓裂液被水稀釋或與烴(油、氣)接觸時(shí),原油、凝析油或氣態(tài)烴影響液體中帶電環(huán)境,破壞桿狀膠束的狀態(tài),就會(huì)降低桿狀膠束的濃度,使膠束從桿狀變成球狀,直至多數(shù)VES分子溶于烴中而失去粘度,體系成為牛頓流體。從而利于VES壓裂液的成功返排。這種膠束代替了水基壓裂中的交聯(lián)劑和破膠劑。因?yàn)槭菬o聚合物,不會(huì)對(duì)地層造成傷害,使壓裂層保持良好的導(dǎo)流能力,據(jù)前人試驗(yàn)表明粘彈性表面活性劑清潔壓裂液保留支撐劑導(dǎo)流能力93%以上,而常規(guī)水基壓裂液只能達(dá)到70%左右。4油公司ves壓裂作業(yè)效果自1997年以來,清潔壓裂液的研制和開發(fā)取得了顯著的進(jìn)展。據(jù)資料報(bào)道,國外石油公司使用VES壓裂液已成功進(jìn)行了超過上千次的壓裂作業(yè),取得了很好的壓裂效果并達(dá)到長期開采的目的。我國壓裂液體系的研究雖然比國外晚,但經(jīng)過多年的研究已經(jīng)逐步縮短與國外的差距,我國研制的VES壓裂液已在長慶和中原等油田得到了成功的應(yīng)用。4.1表面活性劑的研制近幾年隨著壓裂技術(shù)的廣泛應(yīng)用和研究的不斷深入,我國對(duì)VES壓裂液體系的研究與開發(fā)也取得了很大的進(jìn)展。楊彪等研制開發(fā)了一種新型的粘彈性表面活性劑壓裂液(VES-SL),該清潔壓裂液具有良好的抗溫增稠性能,最高抗溫能力為120℃。室內(nèi)試驗(yàn)表明,該壓裂液在柴油、地層水的作用下,破膠化徹底,對(duì)油層滲透率傷害低,導(dǎo)流能力保持在92%以上。該壓裂液還具有摩阻低、返排徹底、可長期放置的特點(diǎn)。尹忠對(duì)清潔壓裂液的抗高溫性能展開研究,在實(shí)驗(yàn)室合成表面活性劑GPP,通過加入NaCl和KCl使壓裂液在常壓下能抗溫120℃以上,120℃下表觀粘度為分別為25.0mPa·s和34.5mPa·s,有良好的應(yīng)用性。賈振福研制出一種新型的雙子季銨鹽表面活性劑N,N-雙十八烷基-N,N,N,N-四醇乙基-二溴乙二銨(Gemini-OHAB),該體系具有良好的粘彈性、懸砂性能、低溫溶解性以及抗溫穩(wěn)定性能,抗溫可以達(dá)到125℃。而且由于雙子季銨鹽表面活性劑中引入了醇乙基,該新型壓裂液體系解決了傳統(tǒng)季銨鹽類清潔壓裂液體系的低溫不溶性及高生物毒性,也克服了甜菜堿類清潔壓裂液體系抗溫性能低的缺點(diǎn)。趙夢(mèng)云等人研發(fā)出一種中高溫VES壓裂液用表面活性劑NTX-100,該壓裂液體系由質(zhì)量分?jǐn)?shù)(下同)為4.0%的NTX-100、0.3%pH調(diào)節(jié)劑、3.0%KCl和清水組成,水溶性良好,自發(fā)破膠達(dá)到80%。用NTX-100配制的壓裂液體系耐溫能力達(dá)到110℃以上,可用于廣大的中低溫井壓裂施工。陳凱合成了烷基酰胺季銨鹽類陽離子粘彈性表面活性劑(簡稱EA-22),3%EA-22+2%KCl體系在80℃,105s-1條件下表觀粘度達(dá)到86mPa·s,該體系能夠滿足懸砂性的要求;體系通過鹽水飽和的低滲透巖心時(shí)濾失速度較低、破膠簡單徹底、殘?jiān)佟⑵颇z液粘度低、容易返排,適宜巖層溫度為90℃以下。4.2國外ves壓裂液的科學(xué)研究4.2.1雙抗壓質(zhì)混合流體的特性1997年,美國斯倫貝謝公司首次提出粘彈性表面活性劑基清潔壓裂液,這種壓裂液是由EHAC、異丙醇、氯化鉀和氯化銨組成。之后,粘彈性表面活性劑因其獨(dú)特的清潔性能而活性劑價(jià)格過高的問題,相應(yīng)的提出了粘彈性表面活性劑與疏水締合聚合物的復(fù)合體系,而向其中添加聚合物,也可以改善其抗溫和抗壓性能。這種混合流體分別和純VES壓裂液和純聚合物壓裂液相比,只需在較低的表面活性劑和聚合物濃度下產(chǎn)生的流變性能就足以達(dá)到形成和延伸裂縫以及輸送支撐劑的目的,而且與地層的烴類接觸時(shí)就會(huì)自動(dòng)破膠,提高其在地層基質(zhì)侵入?yún)^(qū)的清潔能力,同時(shí)因聚合物的存在而降低了濾失速率。為了提高粘彈性流體在高礦化度下的穩(wěn)定性能。Schlumberger技術(shù)公司Lungwitz,Bernhard等人開發(fā)了一種由鹽(有機(jī)鹽或無機(jī)鹽或它們的復(fù)合物)、助表面活性劑和兩性離子表面活性劑組成的復(fù)合體系。目前,粘彈性表面活性劑在油田上遇到的主要技術(shù)問題是抗溫性和在高速剪切條件下,蠕蟲狀結(jié)構(gòu)的快速恢復(fù)能力。BJSERVICES公司開發(fā)了AquaClear和ElastraFrac粘彈性表面活性劑壓裂液體系,其中ElastraFracTM凝膠由環(huán)境友好的陰離子表面活性劑和各種鹽組成的各相異性聚集體(三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)),耐溫性好,最高可達(dá)約121℃。4.2.2納米顆粒復(fù)合濾餅技術(shù)VES壓裂液依靠外部條件或儲(chǔ)層自身?xiàng)l件來降低自身流體的粘度,達(dá)到降低濾失效果,并完成液體快速返排到地面這一特性并不適合所有油層,特別對(duì)于干氣氣藏。黃天平提出了納米技術(shù)在VES流體高溫保持粘性和控制流體濾失的應(yīng)用。將納米顆粒作為粘彈性表面活性劑的內(nèi)部破膠劑,利用納米顆粒特殊表面性質(zhì)和高表面活性,通過化學(xué)吸附和表面電荷的吸引,使這些納米級(jí)顆粒與VES膠束相互吸附,在高溫下穩(wěn)定流體粘度,形成VES流體偽濾餅,降低流體濾失率并提高流體的效率。當(dāng)內(nèi)部的破膠劑使VES膠束破膠時(shí),流體的粘度會(huì)急劇下降,同時(shí)VES流體的偽濾餅破碎成能夠滲透并且失去粘性的納米尺寸的顆粒,因?yàn)轭w粒相當(dāng)小足以通過地層的孔喉,它們會(huì)隨著采出液排出,不會(huì)損傷地層。4.2.3對(duì)地層中碳酸巖的生態(tài)價(jià)值粘彈性表面活性劑除了用于水力壓裂外,也可應(yīng)用于自轉(zhuǎn)向酸化技術(shù)中。酸進(jìn)入地層與其中的碳酸巖反應(yīng)生成鈣離子,導(dǎo)致流體pH值升高,使流體自動(dòng)膠凝,高粘度流體暫時(shí)的堵塞了巖石基質(zhì)中形成的蟲孔,使酸液能夠普及到未酸化的區(qū)域。其破膠機(jī)理與粘彈性壓裂液類似,都沒有殘?jiān)z留。5其他方面的應(yīng)用1)綠色粘彈性表面活性劑壓裂液的研究在國內(nèi)已逐步走向成熟,研制和開發(fā)高效經(jīng)濟(jì)的清潔壓裂液體系,是現(xiàn)場(chǎng)的迫切需要。2)研制耐高溫體系。目前所用體系的最高使用溫度為150℃,若能進(jìn)一步提高體系的耐溫性,則適用價(jià)值更大。3)VES清潔壓裂液集粘彈性、抗剪切性、自動(dòng)破膠性、降濾失性于一體,配制簡單,使用方便。4)相對(duì)聚合物體系,VES壓裂液體系因其較高的濾