VES_SL粘弹性表面活性剂压裂液的研究及现场应用

VES -SL 粘弹性表面活性剂压裂液的
研究及现场应用
李爱山1,2,杨　彪2,马利成2,鞠玉芹2,黄　波2
(1.中国石油大学(华东)石油工程学院,山东东营257061;
2.中国石化股份胜利油田分公司采油工艺研究院,山东东营257000)
摘要:为了降低压裂改造过程中压裂液对油藏和支撑裂缝的伤害,开发研制了VES -SL 粘弹性表面活性剂压裂液,并利用RCV6300毛细管流变仪等试验仪器,对该压裂液的性能进行了研究。

室内评价结果表明,VES -SL 粘弹性表面活性剂压裂液在100℃和170s -1的条件下,经过1h 的剪切,其粘度在130m Pa s 以上;在120℃和170s -1的条件下,经过1h 的剪切,其粘度达50m Pa s 以上;随剪切时间的延长,该压裂液粘度变化很小;随温度的降低,该压裂液粘度具有很好的恢复性。

试验结果表明,该压裂液粘度高且成本低,对地层的伤害要比H PG 压裂液低50%左右。

现场试验证实,VES -SL 粘弹性表面活性剂压裂液的摩阻相当于清水摩阻的25%～30%,比HPG 压裂液的摩阻低1M P a /1000m ,2口压裂井共增产原油5600t 。

使用该压裂液进行压裂施工,可以有效地降低压裂液对油藏和支撑裂缝的伤害,同时提高油井的增产效果。

关键词:压裂液;粘度;地层伤害;裂缝导流能力;现场试验
中图分类号:TE357.12文献标识码:A 文章编号:1009-9603(2006)06-0097-04 在低渗透油藏的改造过程中,为了降低压裂液
对油藏和支撑裂缝的伤害,开发了种类繁多的压裂
液体系[1]。

其中,由于粘弹性表面活性剂压裂液体
系对油藏和支撑裂缝伤害小且易返排,而成为压裂
液领域的研究重点。

粘弹性表面活性剂压裂液不含
高分子聚合物,其增稠性能是由特殊的表面活性剂
分子来实现的,这些具有特定结构的表面活性剂分
子[2]溶解到水中后,能够形成一种类似于高分子线
团结构的胶束,从而使得水溶液具有较高的粘度,因
此可以作为压裂液使用。

由于表面活性剂是小分
子,对油藏和支持裂缝伤害小,所以,这类压裂液又
称为清洁压裂液或零伤害压裂液
[3-5]。

目前,由于存在着耐温性能不好和成本较高的问题,中国研制的粘弹性表面活性剂压裂液[2,6]的应用受到了限制。

经过多年室内合成,研制了VES -SL 粘弹性表面活性剂压裂液(VES -SL 压裂液)①
,并在室内研究的基础上,将该压裂液在现场进行了推广应用,为提高低渗透油藏的压裂改造效果和开发水平奠定了基础。

1　VES -SL 压裂液的合成1.1　SL 表面活性剂的合成SL 表面活性剂的合成是研究粘弹性表面活性剂压裂液的关键。

由于烃基中的碳原子数和不饱和度对粘弹性表面活性剂压裂液的粘度有一定影响,因此,首先利用不同烃基结构的脂肪酸,合成了一系列不同的表面活性剂体系;然后,在表面活性剂浓度为5%,助剂I (一种阴离子表面活性剂)浓度为1%,试验温度为90℃的条件下,测试了烃基结构对表面活性剂压裂液的性能影响。

试验发现,表面活性剂中碳原子数越多,形成的压裂液粘度越高;而当碳原子数相同时,表面活性剂中烃基不饱和度对所
形成的压裂液粘度影响不大。

通过室内合成及评价,将油酸和另外3种化工
原料作为合成SL 表面活性剂的初始原料,在175℃
的条件下,经过一系列化学反应后,合成了SL 表面
活性剂。

收稿日期2006-07-31;改回日期2006-10-12。

作者简介:李爱山,男,高级工程师,1987年毕业于聊城师范学院有机化学专业,1993年获中国科技大学高分子化学专业硕士学位,现为中国石油大学(华东)油气田开发工程专业在读博士研究生,主要从事压裂酸化技术研究工作。

联系电话:(0546)8557272,E -m ail :liaishan @vi p.163.co m 。

　①李爱山,杨彪,马利成,等.粘弹性表面活性剂压裂液研究.中国石化股份胜利油田分公司采油工艺研究院,2005.
油　气　地　质　与　采　收　率
　2006年11月 PETROLEUM GE OLOGY AND REC OVERY EFFI C I ENCY 第13卷　第6期DOI 牶牨牥牣牨牫牰牱牫牤j 牣cn ki 牣cn 牫牱牠牨牫牭牴牤te 牣牪牥牥牰牣牥牰牣牥牫牥
1.2　VES -SL 压裂液的配制
单纯的SL 表面活性剂所配制的压裂液,耐温性
能不好,无法应用于高温油藏的压裂改造。

为了提
高其所形成的压裂液的耐温性,经过反复试验,发现
助剂I 能够较大幅度地提高该压裂液的耐温性。

为
此,将助剂I 按0.4%,0.6%,0.8%,1.0%和1.2%
的比例分别添加到用浓度为5%的SL 表面活性剂
所配制的水溶液中,在90℃和170s -1的条件下测试
该体系的粘度(图1)。

试验结果表明,当助剂I 的
浓度由0.6%提高到1.0%时,压裂液体系粘度提高
约43m Pa s ;当助剂I 的使用浓度超过1.0%时,体
系的粘度反而降低。

说明助剂I 的最佳使用浓度为
1.0%。

使用助剂I 能明显地提高体系的粘度是因
为它是一种阴离子表面活性剂,将其加入到SL 表面
活性剂所形成的胶束溶液中后,由于所携带的电荷
不同,它对SL 表面活性剂形成的胶束具有极强的促
进作用,从而提高了VES -SL 压裂液的耐温性能。

图1　助剂I 的浓度对V ES -SL 压裂液粘度的影响
为了研究适用于不同油藏温度的VES -SL 压
裂液,研制了2种配方体系:一种适用于低温地层的
压裂改造和压裂防砂(3%的SL 表面活性剂+1%
的助剂I ),另一种则适用于高温地层的压裂改造
(5%的SL 表面活性剂+1%的助剂I )。

2　V ES -SL 压裂液性能
在实验室内,对用5%的SL 表面活性剂与1%
的助剂I 所配制的VES -SL 压裂液的性能进行了
评价。

2.1　SL 表面活性剂浓度对VES -SL 压裂液粘度
的影响
将浓度不同的SL 表面活性剂分别与浓度为
1%的助剂I 溶解到水中,于沸水中加热后,用六速
旋转粘度计测定混合物的粘度。

结果显示,SL 表面
活性剂的使用浓度对所形成的压裂液性能影响较
大。

当其浓度为2%时,体系的粘度可达120mPa
s ;当其浓度为5%时,体系粘度可达350mPa s (图
2
);当它超过临界胶束浓度时(1.2×10-2m ol /L ),它的浓度越大,它的粘度也就越大。

因此,针对不同地层温度的油藏进行压裂施工时,可设计不同浓度的SL 表面活性剂配成VES -SL 压裂液。

图2　SL 表面活性剂浓度对V ES -SL 压裂液粘度的影响2.2　矿化度对VES -SL 压裂液粘度的影响在测试温度为80℃时,在VES -SL 压裂液中加入不同浓度的氯化钾溶液后,测定体系的粘度值。

从试验结果可以明显地看出(图3),无机盐的使用,对体系的粘度在一定范围内有增效作用;但当盐浓
度大于4%后,会导致粘度降低甚至使得VES -SL
压裂液破胶化水。

为此,对矿化度超过40000m g /L
的油藏进行压裂改造时,VES -SL 压裂液的粘度将
变得非常低;压裂液滤失量会增大,造缝效率降低,
导致压裂施工失败。

因此,VES -SL 压裂液仅适用
于矿化度不超过40000m g /L 的油藏的压裂改造。

图3　无机盐对V ES -SL 压裂液粘度的影响2.3　VES -SL 压裂液的流变性能利用RC V 6300毛细管流变仪,测试了VES -SL 压裂液在一定温度和剪切速率条件下的流变性。

在恒温100℃和170s -1的条件下,测试时间为5000s 时,测定了该粘弹性表面活性剂压裂液粘度随剪切时间的变化规律(图4)。

试验结果表明,当剪切时间为1200s 时,其粘度降至135mPa s 左右;随着图4　V ES -SL 压裂液粘度随剪切时间的变化
98 油　气　地　质　与　采　收　率 2006年11月　
剪切时间的延长,其粘度不再发生明显的变化,粘度
值基本保持恒定。

该性能与H P G 压裂液的性能有
很大的不同,HPG 压裂液在恒定的温度和剪切速率
条件下,随剪切时间的延长,其粘度值一直降低[7]。

这说明VES -SL 压裂液具有比H P G 压裂液更加优
良的耐剪切性能。

在完成恒定温度测试流变性的基础上,又研究
了VES -SL 压裂液粘度随测试温度和测试时间的
变化规律。

从图5中可以看出,随测试温度的逐渐
升高,VES -SL 压裂液在测试时间为300s 时,温度
为55℃,粘度上冲至900m Pa s 左右,粘度出现极
大值;之后随测试温度的升高,粘度开始下降,当测
试时间为400s 时,温度为80℃,其粘度为400mPa
s ;当测试时间为500s 时,温度为100℃,粘度降到
200mPa s 以下;而当测试时间为600s 时,温度升
高至120℃,粘度维持在58m Pa s 左右,在温度保
持恒定的条件下,粘度不再随剪切时间的延长进一
步降低;当温度降低到100℃时,体系粘度又恢复到
135mPa s 左右。

说明VES -SL 压裂液与HPG 压
裂液不同,具有很好的抗热降解和剪切降解的能力。

图5　VES -SL 压裂液粘温曲线2.4　与粘土稳定剂的配伍性VES -SL 压裂液中所含的主要成分为SL 表面活性剂,该表面活性剂由于其独特的分子结构,本身具有防膨和杀菌的特性。

因此,在配制VES -SL 压裂液时一般不须添加粘土稳定剂和杀菌剂。

但VES -SL 压裂液与一些粘土稳定剂具有良好的配伍性。

在实验室内,按0.2%～2%的比例添加工业级粘土稳定剂FP 和DTE 到VES -SL 压裂液体系中,测定该混合体系的粘度及耐温性能,发现FP 和DTE 对压裂液的粘度没有影响,因此,工业级粘土稳定剂
FP 和DTE 与VES -SL 压裂液的配伍性良好。

2.5　VES -SL 压裂液对岩心基质渗透率伤害率测
试
根据SY /T 5107-1995评价水基压裂液对岩心
基质渗透率伤害率的试验标准,利用扎尔则油田的岩心,评价了VES -SL 压裂液对岩心基质渗透率伤害率,并与H P G 压裂液进行了对比试验(表1)。

试验结果显示,在相同的试验条件下,VES -SL 压裂液对岩心基质渗透率伤害率仅相当于H PG 压裂液的50%左右。

因此,利用VES -SL 压裂液施工可以大大减小对油藏的伤害,提高压裂施工的效果。

表1　V ES -SL 压裂液与HPG 压裂液对岩心基质渗透率伤害率的对比扎尔则油田岩心岩心基质渗透率伤害率,%VES -SL 压裂液HPG 压裂液ZR515-120.1238.86ZR515-315.535.1ZR18011.125.88ZR180-410.2122.872.6　破胶化水性能地层原油和柴油可以使得VES -SL 压裂液快速降粘破胶。

在地层中,该压裂液与原油接触以后,在温度的作用下,可以快速破胶。

当温度为70℃时,在VES -SL 压裂液(5%的SL 表面活性剂+1%的助剂I )中,按VES -SL 压裂液体积的5%加入柴
油,在20m i n 内,可以使该压裂液的粘度降至约清水
的粘度;而在常温条件下,需要10h 的时间,其粘度
才能降到接近清水的粘度。

说明VES -SL 压裂液
可以被柴油、煤油和原油破胶化水,且温度对破胶化
水的速度有较大影响。

3　现场应用
以SL 表面活性剂为主剂,将其按5%的使用浓
度添加到水溶液中,配制成压裂液稠化剂溶液;再以
加交联剂的形式,将助剂I 按1%的比例加入到混砂
车中,使得SL 表面活性剂溶液在混砂车中与助剂I
混合,形成VES -SL 压裂液。

目前,VES -SL 压裂液已经在现场实施加砂压
裂2口井、压裂防砂22口井。

营543-斜3井是1
口刚刚完钻的新井,油层渗透率为8.0×10
-3～32×10-3μm 2
,油层温度为105℃。

该井施工共使用VES -SL 压裂液140m 3,加入陶粒支撑剂15.5m 3,施工最高砂比为52%,施工排量为 3.0～4.1m 3/m i n ,施工泵压为39～45M Pa 。

通过施工瞬时停泵测试,VES -SL 压裂液的摩阻仅相当于清水摩阻的25%～30%,比H P G 压裂液的摩阻还要低1M Pa /1000m 。

现场应用证实,VES -SL 压裂液携砂能力强,有利于对深井的加砂压裂改造。

至2005年11
99 第13卷　第6期 李爱山等:VES -SL 粘弹性表面活性剂压裂液的研究及现场应用
月底,施工的2口井已经累积增产原油达5600t。

4　结论
经过室内合成研究,从合成材料的筛选出发,合成了新型的SL表面活性剂。

SL表面活性剂溶解到水中后,形成蠕虫状的胶束,由于该胶束的旋转半径远远大于球形胶束,当其在水中的浓度超过一定值以后,这种蠕虫状胶束的旋转半径就会相互重叠,从而使其水溶液的粘度增大。

SL表面活性剂的使用浓度越大,其形成的蠕虫状胶束的数量会越多,其水溶液的粘度也会变得越大。

VES-SL压裂液对油藏和支撑裂缝的导流能力伤害小,因此,在进行压裂改造施工时,可以明显地提高低渗透油藏的压裂效果和开发水平,对低渗透油藏的压裂改造具有重大的现实意义。

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编辑　常迎梅
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