高效驱油压裂液的开发与应用

高燕 ， 张冕 ， 李泽锋

目前长庆油田在压裂施工中大量使用的瓜胶液体系存在回收利用工艺复杂，成本高，效率低等问题，使得返排液利用效率低，增加了环境保护的压力；表面活性剂由于其具有特殊结构，作为压裂液可用于储层改造，作为驱油体系用于三次采油中可有效提高低渗油田采收率[1-3]，但同时具备储层改造及驱油功能的材料未见相关报道。致密油藏体积改造后，滞留液体若能有效补充地层能量，改善油水界面，提高原油的波及效率，将会大大提高压裂改造效果[3-4]。因此迫切需要研发具有驱油功能压裂液体系，实现压裂与采油的双功能液体技术，利用表面活性剂压裂液进行压裂，返排液多次重复利用后末端液作为驱油体系使用，大幅度降低了压裂液的环境污染风险，为压裂液“不落地”提供了技术保障[5-6]。

1 高效驱油压裂液

1.1 稠化剂XYZC-6

稠化剂XYZC-6是一种以近肽链结构的黏弹性表面活性剂与多组分有机溶剂复合而成的材料，是一种可实时连续混配并能重复循环使用的增稠剂。XYZC-6溶于水溶液中，表面活性剂中的分子首先在气液界面排列，当排列饱和后，能够通过分子自组形成各种胶束结构，以继续降低体系的能量；当溶液浓度超过CMC时，不规则的胶束结构会逐渐转变为规则的胶束结构，溶液浓度接近于CMC的10倍或者加入一定量的电解质，胶束会转变为具有一定柔性的柱状胶束，即为蠕虫状胶束；在特定表面活性剂的作用下，溶液中的分子会缠绕形成网状结构，这样的结构与高分子聚合物溶液比较类似，这些较长的易弯曲的聚集体提高了溶液的黏弹性。当浓度继续增加或改变环境，溶液的黏度成几何数量上升，形成液晶。所形成的液晶分子排列存在位置上的无序性，当溶液具有“液晶”特性时，即可作为压裂液。在物理化学特征表现出良好的黏弹性，即携砂性；在一定的流速状态下，其线性长链有序性排列，在施工压力方面呈现低摩阻；由于压裂液由蠕虫状分子的单体组成，相对独立的分子链不受破坏，剪切后结构瞬间恢复组合，形成新环境下的液晶体，黏弹性得以恢复。

XYZC-6加量对压裂液黏度的影响见图1。由图1可知，随着XYZC-6加量的增加，压裂液可快速起黏，随后黏度趋于稳定。

图1 XYZC-6加量对压裂液黏度的影响

1.2 调节剂XYTJ-3

调节剂XYTJ-3是一种有机复合酸，主要与返排液中的离子形成溶于水的络合物，降低矿化度对压裂液的不利影响。不同矿化度返排液中加入调节剂后配制压裂液的表观黏度见图2。由图2可知，随着调节剂的增加黏度增大，当调节剂的添加浓度增加到0.15%后，黏度不再增加。因此，调节剂的加量为0.01%～0.15%。

图2 不同水质调节剂加量下压裂液的表观黏度

1.3 破胶剂

驱油压裂液进入地层后，在地层水、矿物质（电解质）、油类等介质下可实现自动破胶。破胶液会以囊泡、晶体、蠕虫状胶束等各种分子有效组合体存在，呈现出不同的物理状态（溶液、液晶），且可相互转变，这一特性决定了驱油压裂液可多次重复利用。近肽链结构的表面活性剂是天然的可再生的表面活性剂，可安全降解，环境友好，对地层不会造成伤害，实验利用煤油研究了油类对压裂液破胶性能的影响。在80 ℃下考察了XYZX-6加量为1.5%时，煤油破胶剂对清洁压裂液破胶情况见表1。由表1可知，当煤油的加量为2.0%时，该压裂液在60 min内即可彻底破胶。

表1 不同时间下煤油破胶剂对压裂液黏度的影响

1.4 体系配方的确定

参考行业标准SY/T 6376—2008对驱油压裂液体系进行耐温能力测试。实验条件：升温速度为3℃±0.2℃/min，从30 ℃开始实验；转子的剪切速率为170 s-1，压裂液在加热条件下受到连续剪切，当冻胶表观黏度低于20 mPa×s时，所达到的温度定义为最高耐温温度[7]。XYZC-6加量对于压裂液耐温性能的影响见图3。由图3可知，随XYZC-6加量的增加，压裂液的耐温能力也随之增加；1.0%XYZC-6的压裂液耐温60 ℃，1.2% XYZC-6耐温90 ℃，1.5% XYZC-6耐温90 ℃。由于长庆区域油井普遍井深在2 000 m左右，井底温度在60 ℃左右，选定XYZC-6的浓度为1.5%。最终确定出压裂液配方为：清水+1.5%XYZC-6，XYTJ-3调节剂加量为0.01%～0.15%。

图3 XYZC-6加量对压裂液耐温性能的影响

2 压裂液性能评价

2.1 耐温耐剪切性能

据前期研究表明，此类黏弹性压裂液表观黏度大于20 mPa·s时就具有强大的空间结构[8-10]。高效驱油压裂液在80 ℃下的黏度随时间变化见图4。由图4可知，高效驱油压裂液在80 ℃下经过长时间剪切后，体系存在一个结构动态平衡，表观黏度值较高，其耐温能力可达90 ℃。考察了破胶液再配液的耐温性能，结果见图5。由图5可知，当温度升至79.87 ℃时，压裂液黏度降低至20.04 mPa·s，表明破胶液再配制该压裂液的耐温性能与清水配制压裂液耐温性能接近，具有可回收再利用性能。

图4 1.5%XYZC-6加量下压裂液的耐温耐剪切性能

图5 破胶液配制压裂液的耐温耐剪切性能

2.2 悬砂性能

对于黏弹性压裂液体系，表观黏度并不能真实反映其携砂性能，而压裂液的黏弹性更能准确地反映液体携带支撑剂性能的好坏[11-15]。实验检测了该压裂液体系的黏弹性，结果见图6。由图6可知，高效驱油型压裂液具有较好的黏弹性。

图6 1.5% XYZC-6加量下压裂液的黏弹性能

取100 mL待评价液体，分别置于30、90 ℃水浴锅中恒温20 min，再将液体倒入吴茵混调器中，按20%的砂比加入0.45～0.90 mm的陶粒并搅拌均匀，分别在30、90 ℃下测试压裂液的悬砂性能，结果见图7。由图7可知，20%砂比的陶粒在驱油清洁压裂液中，30 ℃下静置24 h和90 ℃水浴中静置15 min后基本无沉降，陶粒均匀分布在液体中，表明该清洁压裂液具有较强的黏弹性能，携砂性好。

图7 不同温度下驱油压裂液的静态悬砂性能

2.3 抗盐性能

实验根据地层水质分析结果，模拟不同矿化度地层水配制的驱油压裂液。其耐温曲线见图8。由图8可知，随着温度升高，黏度下降，在矿化度为100 000 mg/L时，黏度可达到35 mPa·s以上，完全满足现场压裂施工要求。

图8 不同浓度盐水配制的压裂液耐温性能

2.4 压裂液破胶性能

参照中国石油天然气行业标准SY/T 6376—2008对压裂液破胶性能进行测定，结果见表2。

表2 破胶性能对比

由表2可知，该压裂液在50 min可以彻底破胶，破胶液残渣为2 mg/L，这些参数均低于水基压裂液评价指标要求；其中，驱油压裂液破胶液的中值粒径为18.63 μm，具有降低储层伤害的能力。

2.5 岩心伤害

实验测定了驱油压裂液破胶液对长6层岩心的伤害，结果见表3。由表3可知，伤害率仅为7.55%，明显低于现用的植物胶类压裂液。

表3 清洁压裂液破胶液对岩心伤害实验

2.6 驱油体系优化

表面活性剂驱油体系和原油之间的界面张力是筛选驱油组分的重要指标，按照文献方法[15-17]，首先模拟油田压裂液成胶过程，配制XYZC-6质量分数为1.5%的驱油压裂液，然后模拟油田压裂液破胶及收集处理过程，向配制好的压裂液中加入质量分数2%的煤油，混合均匀后装入密闭容器内，放入电热恒温烘箱中加热至80 ℃，经过5 h体系黏度和地层水黏度相当后，利用分液漏斗分离上层油液，取下层水液用作以下实验用液。实验测定稀释成不同浓度清洁压裂液破胶液，在油藏条件下老化30 d前后降低表面张力的能力，结果见图9。由图9可知，在80 ℃下，破胶液与原油间老化前后的界面张力随着XYZC-6质量分数的增加呈先降低后增加的趋势。当XYZC-6的质量分数为0.006%时，油水界面张力降低至0.001 1 mN/m，表明XYZC-6在某一含量范围内活性最佳。因此，确定XYZC-6的含量为0.006%时，驱油功能显著。

图9 XYZC-6加量对返排液油水界面张力的影响（80 ℃）

2.7 驱油效果评价

采用长庆油田不同区块的天然岩心，注入量为0.3倍孔隙体积，不同岩心的去油实验见表4。由表4可知，对于渗透率介于（0.52～1.54） mD的天然岩心，水驱驱油效率介于50.14%～52.85%，水驱平均驱油效率为51.65%；XYZC-6驱油效率介于8.04%～12.50%，平均驱油效率为10.67%，驱油效果显著。表明该类黏弹性表面活性剂压裂返排液作为驱油剂，能够提高低渗透油藏的采收率。

表4 不同渗透率岩心的驱油实验

3 现场应用效果

2016年，该压裂液在长庆油田靖安区块施工8井次，累计入地液量为6 300.0 m3，回收5 814 m3液体，回收利用3次。X194井完钻层位为长72层、长71、长62、长61层，射孔段为2 023.0～2 027.0 m，该井配制1 580 m3压裂液，其中长71层压裂返排液回收后用于长62再配制压裂液。该井压裂返排液重复利用3次，其性能见表5。由表5可知，返排液黏度为1.2182～1.8557 mPa·s，返排液矿化度为12 080～18 630 mg/L，矿化度偏高，需加入0.01%～0.5%的XYTJ-3进行调节，返排液经调节后再配制压裂液的黏度为39～43.5 mPa·s，满足现场施工要求。此外，该井返排液与煤油的界面张力为0.05～0.10 mN/m，表明该压裂返排液有助于提高压后返排效率，且该返排液具有驱油能力。

表5 返排液再配液性能测定结果

图10为X194井的压裂施工曲线。由图10可知，施工压力平稳，该井平均砂比为20%，表现出良好的耐温耐剪切性能及携砂性能。

图10 X194井压裂施工曲线

X194与邻井产量对比情况见表6。由表6可知，X194井产量约为邻井产量的2倍，进一步验证了驱油压裂液对储层改造后，滞留液体可有效地改善油水界面，提高了储层的改造效果。

表6 X194与邻井产量对比

4 结论

1.研发出一种可替代瓜胶的高效驱油清洁压裂液体系，该压裂液由1.5%XYZC-6稠化剂、0.15%XYTJ-3调节剂组成。

2.该压裂液耐温90 ℃，抗盐可达100 000 mg/L，具有良好的携砂、减阻性能，并且压裂液破胶彻底，破胶液残渣含量为2 mg/L，破胶液的界面张力可达 10-2～10-3mN/m。

3. 该返排液经分离沉降等简单处理后即可再配压裂液，末端返排液经处理可用于驱油，变废为宝，可实现压裂液“零排放、零污染”，大幅度降低了压裂液的环境污染风险。

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