劉 煒，張 斌，肖佳林，明 華，凡 帆

（1.中國石化江漢油田分公司采油工藝研究院，湖北 武漢430035；2.中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院壓裂酸化技術(shù)服務(wù)中心，河北 廊坊065007；3.中國石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院，陜西 西安710021）

清潔壓裂液又稱粘彈性表面活性劑壓裂液（viscoelastic surfactant fracturing fluid），簡稱 VES，是以一種表面活性劑為增稠劑的壓裂液體系，其不含任何聚合物，不含任何不溶于水和烴類的固體。因此，VES中無殘?jiān)?、無引起傷害的固體微粒，不引起地層二次污染傷害，壓裂形成的裂縫面比使用胍膠壓裂液更干凈，壓裂液對裂縫面的傷害也明顯減少，返排時(shí)間短，在烴相中，表面活性劑可以分解，在產(chǎn)出水中殘留很少，有利于返排，恢復(fù)導(dǎo)流能力可達(dá)97%。

國外，埃尼－阿吉普石油公司在亞得里亞海的Giovanna油田采用VES壓裂液進(jìn)行壓裂作業(yè)的油井不僅大大減少了地層傷害，并獲得了理想的產(chǎn)量。對受污染、致密砂巖的Giovanna6井成功進(jìn)行了端部脫砂壓裂，并且產(chǎn)生了達(dá)到高產(chǎn)和增加油井壽命的高裂縫導(dǎo)流能力。

國內(nèi)，盧擁軍等針對吉林油田油藏特點(diǎn)，研制出了VES－70粘彈性清潔壓裂液配方體系，現(xiàn)場應(yīng)用3井次，應(yīng)用結(jié)果表明：VES－70壓裂液破膠徹底、無殘?jiān)⒎蹬趴?，?0℃ 下，返排液粘度為1.82 mPa·s，返排液表面張力為32.62 mN／m、界面張力為0.39 mN／m，壓后平均日產(chǎn)液20.73 m3，日產(chǎn)油達(dá)16.63 m3，是鄰井使用常規(guī)水基壓裂液壓裂井產(chǎn)量的2－3倍。

1 VES的作用機(jī)理

綜合國內(nèi)外學(xué)者的研究與認(rèn)識，VES成膠及破膠的機(jī)理如圖1所示：

粘彈性表面活性劑分子中含有兩個基團(tuán)－親水基和疏水基，在純水介質(zhì)中，疏水基被水相排斥，親水基伸展進(jìn)入周圍的水相，形成將長鏈?zhǔn)杷牡宛ざ惹蛐文z束；在鹽介質(zhì)中，反離子（如水楊酸根、鹵素離子等）屏蔽表面活性劑膠束與水界面的電荷，并與表面活性劑分子強(qiáng)烈締合，使球形膠束演變成柔性棒狀或蠕蟲狀膠束，當(dāng)表面活性劑濃度達(dá)到臨界濃度時(shí)，柔性棒狀或蠕蟲狀膠束相互纏結(jié)，形成類似胍膠聚合物交聯(lián)凍膠體的高粘彈性空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)而實(shí)現(xiàn)支撐劑的攜帶和造縫，遇到地層產(chǎn)出的油氣和水時(shí)，表面活性劑分子中的親油基和親水基使油氣和水在膠束體中增溶，使網(wǎng)狀膠束結(jié)構(gòu)發(fā)生膨脹而崩解成低黏度的球形膠束，實(shí)現(xiàn)粘彈性表面活性劑壓裂液的自動破膠。

圖1 VES成膠破膠機(jī)理示意圖

2 室內(nèi)研究簡述

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器及試劑

實(shí)驗(yàn)儀器：RS 600旋轉(zhuǎn)流變儀（德國），高溫高壓地層傷害巖心驅(qū)替系統(tǒng)（北京華盛海天科技發(fā)展有限公司），恒溫水浴鍋（武漢永盛科技有限公司），玻璃器皿若干。

實(shí)驗(yàn)試劑：表面活性劑（北京佛瑞克技術(shù)發(fā)展有限公司），有機(jī)鹽（分析純）。

2.2 VES壓裂液配方研究

根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道及經(jīng)濟(jì)性考慮，優(yōu)選了一種季銨鹽型陽離子表面活性劑APS與有機(jī)酸鈉鹽YC配伍構(gòu)成的VES壓裂液體系，并篩選配方。在固定其它條件下，改變APS和YC的濃度，測定其在25℃、170 s－1、剪切60 min時(shí)的表觀粘度，以確定壓裂液主劑APS和助劑YC的配比。

2.2.1 APS濃度對體系的影響

考察兩種濃度的YC分別作為助劑時(shí)，不同濃度的APS對體系表觀粘度的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示：

圖2 壓裂液表觀粘度隨表面活性劑濃度變化曲線

由圖2可以看出，在兩種情況下，該表面活性劑濃度變化的影響一致，即在表面活性劑濃度變至使表面活性劑與有機(jī)鹽濃度比約為2∶1時(shí)，壓裂液的表觀粘度達(dá)到最高值，即127 mPa·s。

2.2.2 YC濃度對體系的影響

考察兩種濃度的APS作為主劑時(shí)，不同濃度的YC對體系表觀粘度的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示：

圖3 壓裂液表觀粘度隨有機(jī)鹽濃度變化曲線

由圖3可以看出，在兩種情況下，該有機(jī)鹽濃度變化的影響一致，即在有機(jī)鹽濃度變至使有機(jī)鹽濃度與表面活性劑比約為1∶2時(shí)，壓裂液的表觀粘度達(dá)到最高值，即127 mPa·s。這是由于鹽度太低時(shí)，表面活性劑不能在水中成膠，當(dāng)鹽度過高時(shí)，由于離子強(qiáng)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，從水中析出，形成了兩相分離，無法形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致粘度降低，只有在一定的鹽度時(shí)才能形成較穩(wěn)定的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

綜上所述，一定溫度下，該陽離子表面活性劑壓裂液體系中，表面活性劑與有機(jī)鹽的最佳配比為2∶1。綜合考慮使用效果和成本，最終選用“2%表面活性劑APS＋1% 有機(jī)鹽YC”的體系配方。

3 VES壓裂液性能評價(jià)

參照SY／T 6376－2008《壓裂液通用技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)，按照SY／T 5107－2005《水基壓裂液性能評價(jià)方法》對優(yōu)選出的VES壓裂液配方的主要性能進(jìn)行了評價(jià)。

3.1 耐溫抗剪切性

在90℃、170 s－1條件下考察“2% 表面活性劑 APS＋1% 有機(jī)鹽YC”的VES壓裂液配方的耐溫抗剪切性能，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示：

由圖4可知，該壓裂液在90℃、170 s－1下剪切90 min后粘度在80 mPa·s左右，粘度滿足SY／T6376－2008《壓裂液通用技術(shù)條件》中對于表面活性劑類壓裂液耐溫抗剪切性能的要求（≥20 mPa·s）。

3.2 破膠液性能

對VES壓裂液在90℃ 進(jìn)行破膠試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該壓裂液在2 h內(nèi)可以徹底破膠，其破膠液性能如表1所示。

圖4 VES壓裂液粘度隨時(shí)間變化關(guān)系圖

表1 VES壓裂液破膠液性能

由表1可知，VES壓 裂液破膠液粘度僅為1.33 mPa·s，滿足SY／T6376－2008《壓裂液通用技術(shù)條件》中對于表面活性劑類壓裂液破膠液粘度的要求（≤5 mPa·s）。表面張力為19.69 mN／m，界面張力僅為0.4 mN／m，清潔無殘?jiān)?，大大減小了對儲層的傷害，從而提高裂縫導(dǎo)流能力。

3.3 黏彈性

采用RS－600流變儀測定VES壓裂液的黏彈性，考察其儲能模量（G′）和耗能模量（G″），試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示：

圖5 VES壓裂液粘彈性能試驗(yàn)

由圖5可知，儲能模量G′在7 Pa左右，耗能模量G″在5 Pa左右，滿足SY／T6376－2008《壓裂液通用技術(shù)條件》中對于表面活性劑類壓裂液黏彈性的要求（G′≥2.0 Pa，G″≥0.3 Pa），且隨著時(shí)間增加，流體儲能模量G′逐漸降低，而耗能模量G″逐漸增加，但液體仍以彈性為主，故該壓裂液以彈性攜砂為主。

3.4 懸砂性

室溫下（25℃），將5 g直徑為0.45 mm～0.8 mm的砂粒放入該壓裂液中，砂粒的沉降速率為8.6 mm／min，可以視為基本不發(fā)生沉降，如圖6所示，而在90℃ 時(shí)，5g直徑為0.45 mm～0.8 mm的砂粒在壓裂液中的沉降速率為35.4 mm／min，與同溫度下硼交聯(lián)的0.55% 的羥丙基胍膠的懸砂性能（32.6 mm／min）大致相當(dāng)，故該壓裂液可滿足常規(guī)壓裂施工的懸砂需求。

圖6 靜置4 h后懸砂情況

3.5 基質(zhì)傷害性

選取總3斜2－6井巖心，測定VES壓裂液破膠液對基質(zhì)滲透率的損害率，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 VES壓裂液對巖心滲透率的傷害試驗(yàn)

由表2可以看出，VES壓裂液對總3斜2－6井巖心平均傷害率為18.48%，滿足SY／T6376－2008《壓裂液通用技術(shù)條件》中對于表面活性劑類壓裂液基質(zhì)滲透率損害率的要求（≤20% ）。

3.6 經(jīng)濟(jì)性

目前，胍膠成本為16萬元／噸，按目前配方配制的胍膠壓裂液成本為（650～900）元／方（不含配置費(fèi)），如果按單井壓裂用液100方計(jì)算，那么單井胍膠壓裂液成本為（6.5～9）萬元，而使用 VES壓裂液成本為（450～600）元／方，同規(guī)模壓裂液成本僅為（4.5～6）萬元，大大降低了施工成本。

4 結(jié)論與認(rèn)識

1）室內(nèi)研究出的VES壓裂液具有耐溫抗剪切性能好，破膠液粘度、界面張力低，清潔無殘?jiān)?，懸砂性能好，對基質(zhì)巖心傷害率小等特點(diǎn)，各項(xiàng)指標(biāo)均符合SY／T 6376－2008中對于表面活性劑類壓裂液的要求。

2）VES壓裂液成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于胍膠壓裂液，但還需進(jìn)一步加大室內(nèi)研究，完善配方，開發(fā)出適合于江漢油田不同溫度、不同儲層特征的清潔壓裂液體系及其配套工藝，從而逐步推廣應(yīng)用。

［1］許江文，胡廣軍，凌立蘇，等.清潔壓裂液技術(shù)在石南油田儲層改造中的應(yīng)用［J］.油氣井測試，2004，13（5）：52－54.

［2］Stewart B R，Howard W J，et al.Use of a solids－freeviscous carrying fluid in fracturing applications：an economic and productivity comparison in shallow completions：SPE 30114［R］.1994.

［3］Mathew S.Viscoelastic surfactant fracturing fluids：Applications in low per meability reservoirs［C］.SPE60322，March2000.

［4］Furlow W.New Downhole Fracturing Fluid Works Without Poly mers［J］.Offshore，1999，59（6）.

［5］Pitoni E，et al.Poly mer－free Fracturing Fluid Revives Shut－in Well［J］.World Oil，9（3），1999.

［6］盧擁軍，房鼎業(yè)，楊振周，等.粘彈性清潔壓裂液的研究與應(yīng)用［J］.石油與天然氣化工，2004，33（2）：114－115.

［7］王均，何興貴，周小平，等.粘彈性表面活性劑壓裂液新技術(shù)進(jìn)展［J］.西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，31（2）：125－128.

［8］王滿學(xué)，劉易非.低傷害清潔壓裂液VES－1的研制與應(yīng)用［J］.石油與天然氣化工，2004，06（1）：15－16.