粘彈性表面活性劑膠束凝膠壓裂液體系的研制

粘彈性表面活性劑膠束凝膠壓裂液體系的研制

使用不含聚合物的“清潔”壓裂液系統(tǒng)（表面活性劑的聚吡魯酯壓裂液、表面活性劑的束狀壓裂液）。這是控制壓裂溶液的殘留物，提高壓裂裂縫的傳導(dǎo)能力的一個(gè)很大發(fā)展。常規(guī)的VES壓裂液密度較低,一般為1.0~1.03g/cm3,礦化度小于4×104mg/L,不能滿足中高壓油氣藏改造的需要。青海澀北氣藏地層壓力系數(shù)在1.3左右,鹽敏性強(qiáng),臨界礦化度大于8×104mg/L。為了滿足改造這類油氣藏的要求,研制了中高密度(密度介于1.05~1.70g/cm3之間)的VES壓裂液體系。關(guān)于該體系壓裂液技術(shù)的首次報(bào)道,見于2002年發(fā)表的國外專利。1壓裂液的形成機(jī)理中高密度VES壓裂液是在中高密度鹽水中加入特殊的粘彈性表面活性劑形成的膠束凝膠流體。該類表面活性劑在中高密度鹽水中形成粘彈性膠束凝膠的機(jī)理與常規(guī)VES壓裂液相同,可以作如下說明。特殊的表面活性劑溶解在中高密度的鹽水中,當(dāng)濃度超過其cmc值不多時(shí),表面活性劑分子締合成疏水基朝里、親水基朝外的球狀膠束,溶液不會(huì)增粘,其粘度與鹽水的粘度相當(dāng)。當(dāng)表面活性劑在鹽水中的濃度10倍于其cmc值時(shí),球狀膠束轉(zhuǎn)化成蠕蟲狀或棒狀膠束,這類膠束相互纏繞形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),使表面活性劑溶液轉(zhuǎn)變成具有顯著粘彈性的膠束凝膠,粘度大幅度升高,從而能夠滿足攜砂要求。中高密度VES壓裂液的形成機(jī)理見圖1。VES壓裂液與烴(油、氣)接觸或被前置液或地層水稀釋后,可徹底破膠而失去粘度。壓裂施工井中總有以上一或二種物質(zhì)存在,因此,中、高密度VES壓裂液中不需另加破膠劑。油層中的原油、凝析油或天然氣影響VES壓裂液體系的靜電環(huán)境,使棒狀膠束破壞,變成單個(gè)的球狀膠束而失去粘度。VES壓裂液被前置液或地層水稀釋,濃度降低,相互纏繞的棒狀膠束變成單個(gè)的球形膠束,粘度降到相當(dāng)于鹽水基液的粘度。中高密度VES壓裂液容易破膠,破膠徹底,因而容易返排。2儲(chǔ)層壓裂液體系配方設(shè)計(jì)在中高密度VES膠束凝膠壓裂液的研制中,先根據(jù)儲(chǔ)層情況和壓裂施工要求設(shè)計(jì)壓裂液體系的性能,再設(shè)計(jì)可滿足各項(xiàng)性能要求的壓裂液配方,并通過配方性能實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)確定所需要的配方。2.1關(guān)于處方研究(1)材料的化學(xué)計(jì)量中高密度VES壓裂液的密度由壓裂施工目的儲(chǔ)層的壓力系數(shù)和鹽敏程度確定。此密度由壓裂液基液即配液用鹽水提供。鹽水的密度是所溶解無機(jī)鹽的種類和濃度的函數(shù),可按式(1)計(jì)算。中高密度VES壓裂液的密度可在1.05~1.70g/cm3范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。ρ=m/[V0+∑(ujZ2j)AVI0.52(1+I0.5)+12(∑uXNXBXMX)mM+12(∑uMNMBMMX)mX](1)ρ=m/[V0+∑(ujΖj2)AVΙ0.52(1+Ι0.5)+12(∑uXΝXBΜXX)mΜ+12(∑uΜΝΜBΜXΜ)mX](1)式中,ρ—鹽水密度,1000kg/m3;m—溶液質(zhì)量,kg;V0—為無限稀溶液中某種鹽的表觀摩爾體積,m3/mol;uj—某種鹽的第j種離子的化學(xué)計(jì)量系數(shù);Zj—第j種離子所帶的電荷數(shù);AV—Debye極限公式斜率,m3/mol;I—總離子強(qiáng)度,mol/kg;mM,mX—分別為M(陽離子),X(陰離子)的質(zhì)量摩爾濃度,mol/kg;NX、NM—分別為M(陽離子),X(陰離子)對(duì)帶相同電荷離子總濃度的貢獻(xiàn);BXMX—各種陰離子對(duì)M(陽離子)的交互作用系數(shù);BMMX—各種陽離子對(duì)X(陰離子)的交互作用系數(shù)。在現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)應(yīng)用中,可以就地取用海水、鹵水、地層產(chǎn)出水等含鹽水,添加淡水或鹽,配成密度符合設(shè)計(jì)要求的配液用鹽水。(2)抗高鹽類載體凝膠用于配制中高密度VES壓裂液的表面活性劑,是專門研制的抗高鹽、在高鹽度水溶液中能形成粘彈性膠束凝膠的一種特殊的產(chǎn)品,其代號(hào)為CFP-Ⅲ。CFP-Ⅲ在中高密度鹽水中的粘度與濃度關(guān)系示例見圖2。(3)基本配方：生理鹽水密度1.05.170g/cm3，粘稠表面活性劑cfp-ii，劑量15.40g/l2.2壓裂液的性能(1)流變性曲線分析圖3所示為一個(gè)典型的中高密度CFP-ⅢVES壓裂液在20℃下的流變性曲線。曲線顯示出冪律流體的特征,剪切變稀性十分明顯。停止剪切后,該壓裂液在很短時(shí)間內(nèi)可恢復(fù)其粘度。(2)溫度對(duì)粘度的影響圖4所示為密度1.30g/cm3、濃度40g/L的CFP-ⅢVES壓裂液的粘度~溫度關(guān)系曲線(20~80℃)。在20~45℃溫度區(qū)間,該壓裂液的粘度基本上不隨溫度而變,在45~90℃溫度區(qū)間,粘度隨溫度升高而增大,溫度超過90℃后粘度隨溫度升高而降低,在110℃時(shí)該壓裂液的粘度為52mPa·s。粘度~溫度關(guān)系表明這種體系的壓裂液易泵送,具有良好的攜砂性能,可用于溫度120℃以下的儲(chǔ)層的壓裂。(3)s-1下剪切圖5所示為中密度CFP-ⅢVES壓裂液的抗剪切性能曲線。該壓裂液在170s-1下剪切60分鐘后粘度下降25%,繼續(xù)剪切時(shí)粘度不再降低。這是由于在實(shí)驗(yàn)剪切條件下(20℃,170s-1),纏繞的表面活性劑膠束結(jié)構(gòu)被破壞到一定程度后達(dá)到了某種平衡狀態(tài),壓裂液粘度降低到一定值后不再變化。(4)破膠液粘度中高密度CFP-Ⅲ壓裂液遇油氣破膠后,其粘度與配液鹽水的粘度相當(dāng),見圖6示例。這一性能有利于壓裂后的返排作業(yè)。2.3儲(chǔ)層巖心的傷害性中密度(1.40g/cm3)CFP-ⅢVES壓裂液對(duì)青海澀北氣田儲(chǔ)層巖心的傷害性實(shí)驗(yàn)結(jié)果列于表1。被該壓裂液污染后的儲(chǔ)層巖心保持原氣測滲透率的88.8%以上,3塊巖心的滲透率保留率平均值為90.9%。這一組實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明中高密度VES壓裂液具有較好的保護(hù)油、氣儲(chǔ)層的性能。3壓裂防砂先導(dǎo)性試驗(yàn)青海澀北氣田為我國第四大氣田,儲(chǔ)層粘土含量和礦化度高,水敏、鹽敏性強(qiáng),水敏和鹽敏造成的平均傷害程度達(dá)94%和97%,臨界礦化度為8×104mg/L,地層壓力系數(shù)為1.3。而常規(guī)的VES壓裂液密度為1.00~1.03g/cm3,礦化度小于4×104mg/L,不能在澀北氣田使用?；跐睔馓锼Y源條件,使用當(dāng)?shù)刂忻芏?1.40g/cm3)鹽湖水配制中密度(1.30g/cm3)、濃度30g/L的CFP-ⅢVES壓裂液,采用纖維復(fù)合端部脫砂壓裂防砂技術(shù),在13口井進(jìn)行了壓裂防砂先導(dǎo)性試驗(yàn),施工成功率和有效率均為100%。以澀3-10井為例介紹中密度VES壓裂液的應(yīng)用情況。該井作業(yè)層段在1260.2~1268.0m和1273.0~1277.3m,巖性為灰色粉砂巖和灰色泥質(zhì)粉砂泥巖,孔隙度31%,滲透率64×10-3μm2。以階梯式增大的排量用15m3壓裂液進(jìn)行小型壓裂測試分析,求得壓裂液對(duì)儲(chǔ)層的濾失系數(shù)為1.524×10-3m/min1/2,閉合壓力為11.833kPa/m。根據(jù)壓裂測試結(jié)果確定了前置液量、排量、砂比、端部脫砂時(shí)間和停泵時(shí)間。施工曲線見圖7。圖7各曲線表明,該壓裂液攜砂性能良好,使用該壓裂液時(shí)容易實(shí)現(xiàn)端部脫砂。澀3-10井使用5mm氣嘴生產(chǎn),壓裂防砂施工前油壓7.70MPa,套壓8.4MPa,日產(chǎn)氣量15364m3,氣井出砂嚴(yán)重,影響正常生產(chǎn)。施工后生產(chǎn)制度不變,油壓7.70MPa,套壓8.5MPa,日產(chǎn)氣量達(dá)到31062m3且不出砂。13口井壓裂防砂施工后,不出砂條件下的產(chǎn)量為施工前的1.75~2.80倍。4壓裂液對(duì)儲(chǔ)層的傷害能力(1)用粘彈性表面活性劑CFP-Ⅲ在鹽水中配制的中高密度(1.0