粘弹性表面活性剂基压裂液体系在油田的应用

粘弹性表面活性剂基压裂液体系在油田的应用

压裂是油气井产量增加和水井注入的一项重要技术措施。目前,国内外常用的压裂技术有水力压裂、酸化压裂和高能气体压裂等。高能气体压裂施工简便、成本低廉和污染小,由于其裂缝长度有限,使得增产倍数较低;水力压裂和酸化增产效果显著,其工艺复杂且对地层存在一定程度的污染;使用清洁低伤害的压裂液是当今改进压裂技术的必然措施。目前,国内外已对绿色粘弹性表面活性剂基压裂液体系展开了广泛的研究。由于VES压裂液不含聚合物,处理岩层清洁,同时改善了岩层负表皮系数,增加了油气井产能。正因为具有上述特性,VES压裂液亦称清洁无聚合物压裂液。1ves压裂液的主要成分VES压裂液是一种在盐水中添加表面活性剂而形成的低粘阳离子凝胶液体。目前,VES压裂液主要采用季铵盐作为增稠用主剂,国内外广泛应用的VES压裂液多由阳离子胶束剂和一定浓度的盐溶液组成。阳离子胶束剂多为C16~C22含不饱和双键的季铵盐,使用的盐一般为2%~4%(质量分数)的KCl或KBr。这种压裂液中粘弹性表面活性剂分子产生的胶束可构成一种有助低粘状态支撑剂运移的新型网络结构,在170s-1剪切速率下,粘度为25mPa·s的压裂液可以有效地携带支撑剂。2压裂溶液vss的特点VES压裂液因具有剪切稳定性、零伤害性、自动破胶性和低滤失性等特点,对储层无伤害,在国内外油田得到了良好的应用。2.1在胶束和压裂体之间表面的粘度不随时间的变化以及通过高剪切后体系的粘度而进行研磨VES清洁压裂液中不含任何高分子聚合物,其粘度是通过表面活性剂胶束的相互缠绕而形成的,VES胶束的形成和相互缠绕是表面活性剂分子之间和表面活性剂聚集体之间的行为,因此VES清洁压裂液的表观粘度不随时间变化以及通过高剪切后体系的粘度又能得到恢复。而瓜胶压裂液不耐剪切,分子链的断开会使植物胶的粘度永久地丧失。2.2球形胶束降压法VES压裂液当与油、气接触或被地层水冲洗时,液体中的带电环境就受到了影响,杆状胶束的状态也被破坏,将蠕虫状的胶束破坏成小球形胶束,从而降低了流体的粘度。这些球形胶束彼此不能缠结,因而导致流体具有水样的粘度。CastroDantas等人展开了表面活性剂基冻胶压裂液的实验室破胶方法的研究。利用油充当表面活性剂基压裂液的破胶剂,得到了表面活性剂基冻胶在测试的最初6h粘度降到10mPa·s的最佳破胶效果。破胶使冻胶压裂液能够快速返排到地面,因此可以清洁经过表面活性剂基压裂液处理过的裂缝。2.3储层并压裂液岩心特性分析留在裂缝内的聚合物残渣以及未能破胶的压裂液会很大程度地降低支撑剂充填裂缝的导流能力,导致压裂施工效率降低。由于VES清洁压裂液的特性和独特的破胶机理,不用加入破胶剂,就可使流体很容易被返排至地面,不伤害储层。储集层的渗透性决定着油气在其中渗滤的难易程度,它是评价储层产能的主要参数之一。渗透性即为储集层在一定的压差下,岩石允许流体通过其连通孔隙的性质,渗透性好坏用渗透率表示。检测储层是否受到伤害主要是通过检测岩心的渗透率变化来确定。可用达西定律来描述Qv=KA⋅Δpμ⋅LQv=ΚA⋅Δpμ⋅L式中:K为岩石的渗透率(m2、cm2或μm2);Qv为单位时间的体积流量(cm3/s);Δp为岩样两端压差(MPa);μ为液体的粘度(mPa·s);A为液体通过岩石的截面积(cm2);L为岩样的长度(cm)。杨振周等人按照SY/T07-1995“水基压裂液性能评价方法”,使用标准饱和盐水,测得岩心伤害前渗透率为0.0807×10-3μm2,而压裂液伤害后的岩心渗透率为0.0523×10-3μm2,即清洁压裂液在未破胶条件下的岩心伤害率为35.2%。在65℃下使用煤油浸泡伤害岩心1h,模拟油藏原油对清洁压裂液的破胶作用,测得岩心被煤油浸泡后标准盐水的渗透率为0.0776×10-3μm2,计算得岩心伤害率为3.84%,即岩心渗透率恢复率达到96.16%。2.4岩体内ves压裂液特性VES清洁压裂液与瓜胶压裂液不同,它不因滤失进入地层形成滤饼,其滤失速率基本不随时间变化。滤失量是由滤液的粘度控制的,在盐水饱和岩心中,VES压裂液粘度很高,流度很低,流动缓慢。刘新全等通过滤失性试验证明地层的饱和状态(盐水饱和或油饱和)可使VES压裂液的流度向不同方向改变,处于裂缝中网状结构的高粘度VES压裂液可在一定程度上抵抗地层水的侵入,从而降低了VES清洁压裂液的滤失性。除了以上优点外,VES清洁压裂液配制简单方便,现场不需要过多的设备。液体工作效率高,与聚合物压裂液相比,同样规模的施工其耗液量较少。3型双克氏原螯虾胶束在水基压裂中,为使支撑剂远离井眼达到深穿透,采用了延迟交联技术。通过添加交联剂和破胶剂获得井下较好的粘度和返排效果,但破胶经常会不完全,一部分残渣会留在裂缝内,降低了压裂层的渗透率,影响压裂效果。而清洁压裂液是一种无聚合物的粘弹性液体,这种压裂液靠特殊合成的小分子量增稠物,在一定量盐溶液介质条件下,形成蚯蚓状或棒状缠绕的网状胶束。此时该体系表现出复杂的流变特性,如粘弹性、剪切稀释和触变性等,形成粘弹性流体。由于其流体粘度是通过表面活性剂胶束的相互缠绕而形成的,且表观粘度不随时间变化以及通过高剪切后体系的粘度又能得到恢复,因此能有效输送支撑剂。当该清洁压裂液被水稀释或与烃(油、气)接触时,原油、凝析油或气态烃影响液体中带电环境,破坏杆状胶束的状态,就会降低杆状胶束的浓度,使胶束从杆状变成球状,直至多数VES分子溶于烃中而失去粘度,体系成为牛顿流体。从而利于VES压裂液的成功返排。这种胶束代替了水基压裂中的交联剂和破胶剂。因为是无聚合物,不会对地层造成伤害,使压裂层保持良好的导流能力,据前人试验表明粘弹性表面活性剂清洁压裂液保留支撑剂导流能力93%以上,而常规水基压裂液只能达到70%左右。4油公司ves压裂作业效果自1997年以来,清洁压裂液的研制和开发取得了显著的进展。据资料报道,国外石油公司使用VES压裂液已成功进行了超过上千次的压裂作业,取得了很好的压裂效果并达到长期开采的目的。我国压裂液体系的研究虽然比国外晚,但经过多年的研究已经逐步缩短与国外的差距,我国研制的VES压裂液已在长庆和中原等油田得到了成功的应用。4.1表面活性剂的研制近几年随着压裂技术的广泛应用和研究的不断深入,我国对VES压裂液体系的研究与开发也取得了很大的进展。杨彪等研制开发了一种新型的粘弹性表面活性剂压裂液(VES-SL),该清洁压裂液具有良好的抗温增稠性能,最高抗温能力为120℃。室内试验表明,该压裂液在柴油、地层水的作用下,破胶化彻底,对油层渗透率伤害低,导流能力保持在92%以上。该压裂液还具有摩阻低、返排彻底、可长期放置的特点。尹忠对清洁压裂液的抗高温性能展开研究,在实验室合成表面活性剂GPP,通过加入NaCl和KCl使压裂液在常压下能抗温120℃以上,120℃下表观粘度为分别为25.0mPa·s和34.5mPa·s,有良好的应用性。贾振福研制出一种新型的双子季铵盐表面活性剂N,N-双十八烷基-N,N,N,N-四醇乙基-二溴乙二铵(Gemini-OHAB),该体系具有良好的粘弹性、悬砂性能、低温溶解性以及抗温稳定性能,抗温可以达到125℃。而且由于双子季铵盐表面活性剂中引入了醇乙基,该新型压裂液体系解决了传统季铵盐类清洁压裂液体系的低温不溶性及高生物毒性,也克服了甜菜碱类清洁压裂液体系抗温性能低的缺点。赵梦云等人研发出一种中高温VES压裂液用表面活性剂NTX-100,该压裂液体系由质量分数(下同)为4.0%的NTX-100、0.3%pH调节剂、3.0%KCl和清水组成,水溶性良好,自发破胶达到80%。用NTX-100配制的压裂液体系耐温能力达到110℃以上,可用于广大的中低温井压裂施工。陈凯合成了烷基酰胺季铵盐类阳离子粘弹性表面活性剂(简称EA-22),3%EA-22+2%KCl体系在80℃,105s-1条件下表观粘度达到86mPa·s,该体系能够满足悬砂性的要求;体系通过盐水饱和的低渗透岩心时滤失速度较低、破胶简单彻底、残渣少、破胶液粘度低、容易返排,适宜岩层温度为90℃以下。4.2国外ves压裂液的科学研究4.2.1双抗压质混合流体的特性1997年,美国斯伦贝谢公司首次提出粘弹性表面活性剂基清洁压裂液,这种压裂液是由EHAC、异丙醇、氯化钾和氯化铵组成。之后,粘弹性表面活性剂因其独特的清洁性能而活性剂价格过高的问题,相应的提出了粘弹性表面活性剂与疏水缔合聚合物的复合体系,而向其中添加聚合物,也可以改善其抗温和抗压性能。这种混合流体分别和纯VES压裂液和纯聚合物压裂液相比,只需在较低的表面活性剂和聚合物浓度下产生的流变性能就足以达到形成和延伸裂缝以及输送支撑剂的目的,而且与地层的烃类接触时就会自动破胶,提高其在地层基质侵入区的清洁能力,同时因聚合物的存在而降低了滤失速率。为了提高粘弹性流体在高矿化度下的稳定性能。Schlumberger技术公司Lungwitz,Bernhard等人开发了一种由盐(有机盐或无机盐或它们的复合物)、助表面活性剂和两性离子表面活性剂组成的复合体系。目前,粘弹性表面活性剂在油田上遇到的主要技术问题是抗温性和在高速剪切条件下,蠕虫状结构的快速恢复能力。BJSERVICES公司开发了AquaClear和ElastraFrac粘弹性表面活性剂压裂液体系,其中ElastraFracTM凝胶由环境友好的阴离子表面活性剂和各种盐组成的各相异性聚集体(三维网状结构),耐温性好,最高可达约121℃。4.2.2纳米颗粒复合滤饼技术VES压裂液依靠外部条件或储层自身条件来降低自身流体的粘度,达到降低滤失效果,并完成液体快速返排到地面这一特性并不适合所有油层,特别对于干气气藏。黄天平提出了纳米技术在VES流体高温保持粘性和控制流体滤失的应用。将纳米颗粒作为粘弹性表面活性剂的内部破胶剂,利用纳米颗粒特殊表面性质和高表面活性,通过化学吸附和表面电荷的吸引,使这些纳米级颗粒与VES胶束相互吸附,在高温下稳定流体粘度,形成VES流体伪滤饼,降低流体滤失率并提高流体的效率。当内部的破胶剂使VES胶束破胶时,流体的粘度会急剧下降,同时VES流体的伪滤饼破碎成能够渗透并且失去粘性的纳米尺寸的颗粒,因为颗粒相当小足以通过地层的孔喉,它们会随着采出液排出,不会损伤地层。4.2.3对地层中碳酸岩的生态价值粘弹性表面活性剂除了用于水力压裂外,也可应用于自转向酸化技术中。酸进入地层与其中的碳酸岩反应生成钙离子,导致流体pH值升高,使流体自动胶凝,高粘度流体暂时的堵塞了岩石基质中形成的虫孔,使酸液能够普及到未酸化的区域。其破胶机理与粘弹性压裂液类似,都没有残渣遗留。5其他方面的应用1)绿色粘弹性表面活性剂压裂液的研究在国内已逐步走向成熟,研制和开发高效经济的清洁压裂液体系,是现场的迫切需要。2)研制耐高温体系。目前所用体系的最高使用温度为150℃,若能进一步提高体系的耐温性,则适用价值更大。3)VES清洁压裂液集粘弹性、抗剪切性、自动破胶性、降滤失性于一体,配制简单,使用方便。4)相对聚合物体系,VES压裂液体系因其较高的滤