VES压裂液配方及其应用研究

王 潇，肖佳林，刘 龙，高东伟(中石化江汉油田分公司采油工艺研究院采气所，湖北 武汉 430035)

谭燕华 (中石化江汉油田分公司采油厂工艺研究所，湖北 潜江 433123)

VES压裂液配方及其应用研究

王 潇，肖佳林，刘 龙，高东伟(中石化江汉油田分公司采油工艺研究院采气所，湖北 武汉 430035)

谭燕华 (中石化江汉油田分公司采油厂工艺研究所，湖北 潜江 433123)

通过室内试验确定了一种粘弹性表面活性剂(VES)压裂液配方，对其性能进行了相关评价,并对其在建南气田须家河组气藏、志留系深层致密砂岩的应用进行了研究。研究表明，该压裂液具有流变性好、携砂能力强、低残渣低伤害、摩阻低等重要优点，适合用于建南致密砂岩储层改造；应继续改进VES压裂液配方，提高井温适用范围，形成一套适合建南致密砂岩储层的粘弹性表面活性剂(VES)压裂液体系，挖掘致密砂岩气藏的开发潜力。

VES压裂液；低残渣；低摩阻；致密砂岩气藏

压裂液是压裂施工的重要介质，现场目前使用最多的是水基冻胶压裂液，其增稠剂主要为改性胍胶、羟丙基纤维素及聚丙烯酰胺等。这些大分子聚合物，虽然成胶质量好，但因其溶解分散性差，水不溶物多，易形成“鱼眼”等，使得聚合物的利用率大大降低。另外，增稠剂与交联剂交联形成的大分子中就有相当一部分未彻底破胶的物质和水不溶物，在压裂施工后驻留在地层裂缝中，使地层渗透率下降，导致压裂改造效果降低。粘弹性表面活性剂(VES)压裂液是一种典型清洁压裂液。其最大特点是不含残渣，不污染环境，携砂能力强，压裂效果好，配制容易，易于泵送，不需要特殊设备，操作方便。当这种粘弹性表面活性剂压裂液和地层中烃类相遇或被地层水稀释时，它会自动破胶，不会留下任何残渣。建南致密砂岩气藏伤害因素多且复杂，储层保护难度大，对压裂液性能要求很高，常规压裂液造成的措施层的二次伤害会大大影响压后效果，而VES压裂液具有优异的低伤害特性，具有非常广阔的应用前景。下面，笔者通过室内试验确定了一种粘弹性表面活性剂(VES)压裂液配方，并对其性能进行了相关评价。

1 VES压裂液机理研究

VES压裂液为特殊合成的小分子表面活性剂构成，该类表面活性剂加入盐水中时，在盐水的反向离子作用下，会形成一种胶束状微胞，这种微胞的亲水基在外，疏水基在内，若表面活性剂超过临界胶束浓度(CMC)，球状的胶束会变成杆状或蠕虫状的微胞，胶束相互之间高度缠结，形成一网状结构粘弹态胶束，阻止液体自由流动，即类似于交联的长链聚合物形成的网状结构，此时表观粘度不随时间变化，且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体系。当压裂结束后，VES压裂液被地层水稀释或与地层内的烃类物质接触时，油气或水可溶入胶束的内核并影响其带电环境，棒状胶束将膨胀，最终将崩解成为较小的球形胶束，形成粘度很低的水溶液，从而利于VES压裂液的成功返排[1]。

2 VES压裂液配方及性能研究

根据文献报道及经济性考虑，选择了一种阳离子表面活性剂(季铵盐型)与盐配伍构成压裂液体系。在固定其他条件下，仅变化表面活性剂和有机盐的浓度，检测其在速率170s-1、剪切60min时的表观粘度，以确定压裂液主剂和助剂的配比。粘弹性表面活性剂为一种季铵类粘弹性表面活性剂，当把这种表面活性剂加入到盐水中时，在高速剪切搅拌中，VES完全分散，流体充分稠化，最后成为粘弹态冻胶。盐水一般选择3%KCl、4%NH4Cl，也有选择CaCl2、MgCl2、CaBr2、四甲基氯化铵等卤化物。表面活性剂加入量一般为0.7%～4%。盐水、表面活性剂浓度愈大，压裂液使用温度愈高。为保持高温稳定性，有时需要加一些有机酸稳定剂。

2.1VES压裂液配方

1)表面活性剂浓度对压裂液的影响 结合国内表面活性剂市场初步选定了十余种铵盐类表面活性剂在盐水中进行成胶试验，选出有成胶倾向的产品进行进一步的分析，并对该产品进行了改性和复配，提高了原产品的性能，研究成功了粘弹性表面活性剂产品。研究3%、4%、5%表面活性剂CJP-1压裂液在80～120℃，170s-1剪切速率下温粘曲线如图1所示。由图1看出压裂液随表面活性剂浓度的增大，其温粘性能有所提高，在该体系中CJP-1的最高视粘度加量为5%，但最高使用温度并没有变化，3条曲线在115℃处交汇。从图1还可以看出，3条曲线均在100℃开始有下降趋势。说明其最佳使用温度在80～100℃。

表1 不同类型的盐对视粘度的影响

2)盐类型及加量对VES压裂液的影响 当稳定剂和表面活性剂浓度一定时，用NaCl、KCl及NH4Cl分别配制VES压裂液，在170s-1、室温下测得的视粘度如表1所示。可以看出，这3种盐配制的压裂液的视粘度基本一致。同时进行了盐的加量对压裂液视粘度的影响，试验结果如图2所示。由图2可以看出，1.0%KCL、7.0%KCL配制的压裂液同3.5%KCL配制的压裂液粘温性能相差极大。这是由于当盐度太低时，表面活性剂不能在水中成胶。而在高盐环境中，由于离子强度高，能迅速穿透表面活性剂的水化层，争夺极性的水分子，使表面活性剂在水中的双电层变薄，表面活性剂分子卷曲，从水中析出，形成了两相分离，无法形成网状结构，导致溶液粘度低。试验表明KCL浓度为3.5%～4%左右是比较合适的。

图1 不同浓度表面活性剂温粘曲线 图2 不同KCL浓度温粘曲线

3)VES压裂液的配方 试验结果表明，主体成分表面活性剂浓度和盐浓度分别为4%～5%和3.5%～4%较为合适，因此最后确定配方为4%CJP-1+3.5%KCl+其他添加剂。

2.2VES压裂液性能评价

对推荐的VES压裂液体系配方的耐温抗剪切性、悬砂性能、滤失、破胶性能、对储层的伤害等方面性能进行了室内评价，评价试验采用SY/T5107-1995“水基压裂液性能评价方法”。

1) VES压裂液耐温性 检测了该阳离子表面活性剂压裂液在170s-1、剪切60min时粘度随温度的变化，结果见图3。由图3可见，该压裂液的表观粘度总体上是随温度的升高而呈降低趋势，在对应温度为90～100℃时曾达到高值92mPa·s，粘度高于SY/T 6376-2008(中华人民共和国石油天然气通用标准《压裂液通用技术条件》)中对于表面活性剂类压裂液耐温耐剪切性能的要求(≥20mPa·s)，可满足携砂及其他要求，根据试验结果判定其可以用于地层温度低于120℃的油气井压裂。

表2 VES压裂液流变性能

2) VES压裂液抗剪切性 在100℃条件下，以170s-1速率剪切该压裂液60min，粘度为63mPa·s。对VES压裂液体系进行了抗剪切性能的评价，试验结果如图4、表2所示。在各种温度下，VES压裂液的流性指数小于1，因此其为幂律型流体。通过100℃耐温抗剪切性能评价证明该VES压裂液呈现幂律型的流体特征，VES压裂液在100℃条件下抗剪切性能强，视粘度随时间的增加基本不降低，这是由于VES压裂液本身为活性剂类产品，在长时间动态剪切过程中产生泡沫而使粘度保持稳定。

3)静态悬砂性能 将10ml粒径为20～40目的陶粒、20ml粒径为20～40目的石英砂分别倒入100ml配置好的VES压裂液中，搅拌(转速约为120rad/min)后静置，观察砂粒的沉降速度。试验结果如图5所示，左侧为胍胶压裂液，右侧为VES压裂液。试验结果表明，VES压裂液静态悬砂能力好，与胍胶压裂液相当，在室温下8h后仍有至少90%的砂悬浮，与0.58%羟丙基胍胶硼砂胶联压裂液静态悬砂性能相近，可以满足悬砂的需要。

图3 VES压裂液温粘曲线 图4 VES压裂液耐温抗剪切曲线

3 VES压裂液在建南致密砂岩气藏的应用

3.1须家河组气藏

图5 VES压裂液携砂性能

建南气田须家河储集层分布广泛，是典型的低孔致密砂岩储集层，选择适合的措施液是提高单井产量和增产有效的关键。

建111井生产层位为须六段，测井解释砂岩厚17.2m，孔隙度平均为4%，渗透率平均为0.05×10-3μm2，属于致密砂岩气藏。储层埋藏浅(799～818m)，温度低(42℃)，裂缝不发育，物性较差，气测解释和现场综合解释为含气水层，为降低压裂液对地层伤害，选用低温低残渣羧甲基羟丙基瓜胶CMHPG压裂液体系，措施施工压力17～38MPa，施工排量3.0～4.5m3/min，伴注液氮10m3，前置液用量80m3，携砂液用量217.8m3，加砂量48m3，平均砂比22%，达到了大规模、造长缝、充分改造储层的目的，压后获得2750m3/d的产能。

表3 破胶液性能对比

在40℃储层条件下按《水基压裂液性能评价方法》测定压裂液残渣含量，对比羧甲基羟丙基瓜胶(CMHPG)压裂液体系与VES压裂液配方的残渣含量，VES压裂液测定残渣含量仅为为11mg/L，比0.15%羧甲基羟丙基瓜胶(CMHPG)压裂液、0.2%羧甲基羟丙基瓜胶(CMHPG)压裂液的残渣含量都低(见表3)。表面活性剂(VES)压裂液体系以降低储层伤害为目的，具有低伤害、低吸附、易返排的特征，更适合用于须家河组致密砂岩储层改造。

3.2须家河组气藏、志留系深层致密砂岩

以志留系为主的鄂西渝东砂岩气藏分布广泛，目前已控制含气面积61.2km2，控制地质储量57.85×108m3，预测地质储量129.13×108m3，展示了非常好的物质基础和开发前景。建南志留系气藏属深层致密砂岩储层，井深4000～5500m，天然裂缝发育，孔隙度Φ<5%，渗透率K<0.1×10-3μm2，压力系数1.4～1.63左右，井温可高达130℃，气藏伤害因素多且复杂，储层保护难度大，对流体不伤害地层和支撑剂充填层的要求也越来越高，考虑尽可能降低压裂液对储层的损害。同时储层埋藏深，岩性致密，地应力高，施工压力高，施工难度大，而VES压裂液摩阻仅相当于清水的25%～35%，有利于深层压裂和提高设备效率，VES压裂液展示出良好广阔的应用前景，不过在抗高温剪切性能上还亟待研究与改进，才能保证深层致密砂岩储层的有效携砂，形成高导流能力裂缝，实现建南志留系储层高效开采的目的。

4 结论与认识

1)确定了一种粘弹性表面活性剂(VES)压裂液的体系配方，该压裂液耐温性、抗剪切、携砂性能优良，具有低摩阻、低伤害、易返排的特点，各指标均符合SY/T6376-2008(中华人民共和国石油天然气通用标准《压裂液通用技术条件》)中对于表面活性剂类压裂液的要求，可用于地层温度在120℃以下的油气井压裂施工。

2)为保证建南致密砂岩气藏VES压裂液施工的成功，今后还应根据深井、高温井的现实需要，结合VES压裂液的研究现状，提高井温的适用范围，形成一套适合建南气田的可靠的、耐高温、低伤害的压裂液体系配方，挖掘致密砂岩气藏的开发潜力。

[1]杨振周，周广才，卢拥军，等.粘弹性清洁压裂液的作用机理和现场应用[J].钻井液与完井液,2005，22(1)：103-105.

[2]周福建，练以锋，杨贤友，等.中高密度粘弹性表面活性剂压裂液的研制与应用[J].油田化学，2005，22(6)：137-139.

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.08.026

TE357.1

A

1673-1409(2012)08-N079-04

2012-05-03

王潇(1983-)，女，2005年大学毕业，硕士，助理工程师，现主要从事气藏改造方面的研究工作。

[编辑] 洪云飞