VES-YF清洁压裂液的构筑及适用性研究

2019-06-20申金伟鲍文辉孙厚台

石油化工高等学校学报 2019年3期

赵健，申金伟，鲍文辉，陈磊，李梦，孙厚台

（中海油田服务股份有限公司，天津300459）

压裂液是压裂施工的重要介质，目前现场使用最多的是水基冻胶压裂液，其增稠剂主要为植物胶及其改性产物、天然纤维素及其衍生物、合成聚合物等。这些大分子稠化剂配液时分散性差易形成“鱼眼”，附属添加剂多、破胶不彻底、残渣多，对地层伤害率较大，导致压裂改造效果降低[1]。而VES清洁压裂液的采用能克服这一缺点，其最大特点是不含残渣、携砂能力强、摩阻低、配制容易、易于泵送、操作方便。VES清洁压裂液主要是由小分子表面活性剂构成，在盐水和助剂的作用下，会自组装形成具有一定黏弹性的蠕虫状胶束网络结构；在地层中遇烃或被水稀释会自动破胶，变成黏度很低的表面活性剂水溶液，不留残渣。

目前清洁压裂液常用的表面活性剂有非离子、阳离子、阴离子、两性离子以及其复配体系等[2-6]，其中研究最多的是季铵盐类体系，但是由于其正电性，易于地层发生吸附，会造成一定损失和伤害。磺基甜菜碱是一种性能优良的两性表面活性剂，具有易溶于水、耐酸碱、耐钙镁、增稠性、黏弹性等特点，被应用到油田驱油和压裂中[7-10]。本文采用一种烷基磺基甜菜碱两性表面活性剂和助表面活性剂复配，通过优选确定了VES清洁压裂液配方，探讨了体系的构筑和形成机制，并对其应用性能进行了评价。

1 实验部分

1.1 试剂及仪器

烷基磺基甜菜碱两性表面活性剂（YF-1），实验室自制；助表面活性剂（YF-2）、KCl，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；20/40目陶粒，密度1.49 g/cm3。

CPA224S电子分析天平，德国赛多利斯公司；HAAKE MARSⅢ流变仪，美国赛默飞公司；DKS28恒温水浴锅，上海森信实验仪器有限公司；TX-500C界面张力仪，北京盛维基业科技有限公司；JK-99B表面张力仪，北京中仪科信科技有限公司；岩心伤害仪，山东中石大石仪科技有限公司。

1.2 压裂液配制

在一定质量分数的KCl溶液中加入YF-1，搅拌混合充分后加入YF-2，继续搅拌5 min左右后静置，形成清洁压裂液。

1.3 流变学性质测定

采用HAAKE MARSⅢ流变仪进行测定，静态流变：选用PZ39转子，剪切速率为0.01～1 000 s-1，测量压裂液的黏度。三段式流变：选用60 mm锥板夹具，第一振荡阶段、第二剪切阶段和第三振荡阶段，其中震荡阶段测试应变为1%，频率为1 Hz，剪切阶段的剪切速率为1 000 s-1。

1.4 性能测试

按照《SY/T 5107—2005水基压裂液性能评价方法》[11]对清洁压裂液的抗剪切性能、悬砂性能、破胶性能和岩心伤害等常规性能进行室内评价。技术指标参照《SY/T 6376—2008压裂液通用技术条件》[12]。

2 结果与讨论

2.1 配方优选

压裂液的黏度是其应用过程中的重要参考指标。在45℃下，考察烷基磺基甜菜碱两性表面活性剂（YF-1）、助表面活性剂（YF-2）和盐（KCl）这三种成分的质量分数对体系黏度的影响，配方优选结果如图1所示。

由图1可知，其他条件一定时体系黏度随着YF-1质量分数增大而增大且趋于平缓，而YF-2和KCl的加量对体系的黏度影响存在峰值。这是因为烷基磺基甜菜碱两性表面活性剂YF-1具有适度的烷基疏水链和磺基甜菜碱带电基团，作为主剂质量分数增加有利于更多胶束的形成和网络结构的增强，当YF-1质量分数高于2.0%后体系黏度增加幅度减小，综合考虑经济效益优选YF-1质量分数为2.0%。由于静电作用和疏水基团作用助表面活性剂YF-2可以促进胶束的增长，并且嵌入结构中参与胶束的形成，随着质量分数进一步增大，会参与形成混合胶束影响蠕虫状胶束的缠结，导致体系结构强度降低，优选YF-2质量分数为1.0%。KCl作为反离子可以压缩胶束表面的双电层、降低极性基团间的斥力，有利于胶束的形成[13]；当质量分数过高时，超出电荷平衡点，由于屏蔽作用会削弱胶束结构，导致黏度降低，优选KCl质量分数为2.0%。因此，优选VES-YF清洁压裂液配方为：2.0%YF-1+1.0%YF-2+2.0%KCl，该体系45℃时170 s-1下黏度为86 mPa·s。

图1 YF-1、YF-2、KCl质量分数对压裂液黏度的影响Fig.1 Influence of mass fraction of YF-1,YF-2 and KCl on the viscosity of fracturing fluid

2.2 VES-YF清洁压裂液的构筑和形成机制

选择4种体系测量其稳态流变特性，如图2所示。从图2中可以看出，体系1的黏度随剪切速率变化不大，表现出类似牛顿流体的特征，由于YF-1质量分数较低，体系中形成的胶束较少或未形成有效的蠕虫状胶束，体系结构强度较差。而体系2、体系3和体系4的稳态流变曲线类型相似，均出现了第一牛顿区，当剪切速率较低时，体系的黏度几乎不随剪切速率变化，表现为牛顿流体性质，进而可以外推得到体系的零剪切黏度（η0）；随着剪切速率的增加，体系黏度呈现指数型降低，表现为非牛顿流体性质，这种特殊的牛顿流体-剪切变稀现象说明溶液中存在相互缠结的蠕虫状胶束[14-16]。体系中蠕虫状胶束网络结构在较低剪切速率下，解离速度小于重组速度，体系黏度基本不变；而高速剪切作用下物理缠结点被破坏，胶束在溶液中产生定向排列，导致体系黏度降低。

图2 不同体系的稳态流变曲线Fig.2 Steady shear-rate viscosity curves of different systems

零剪切黏度的大小是网络结构交联点密度和交联强度的综合反映，体系4和体系1比较可见YF-1质量分数增加有助于胶束的形成；对比体系2、体系3和体系4，随助表面活性剂和KCl质量分数的增加，体系的零剪切黏度增加说明助表面活性剂参与形成胶束，KCl压缩胶束表面双电层有利于增大胶束体积，二者共同作用促进体系更易形成蠕虫状胶束，使体系结构增强，零剪切黏度增加。将由第一牛顿区转向剪切变稀时对应的剪切速率，定义为临界剪切速率γc，随助表面活性剂和KCl质量分数的增加体系的γc减小，这说明体系形成的胶束尺寸越大，在一定剪切速率下越易在剪切方向上发生定向排列[17]。将对应临界剪切速率的γc倒数定义为蠕虫状胶束网络结构在剪切条件下体系发生变化的弛豫时间，优选出的体系4 γc最小，其对应的弛豫时间最长，说明体系形成的聚集胶束网络结构强度最大，使其解聚集所需要时间最长[18]。综上所述，优选出的配方体系4中形成了强度较大的蠕虫状胶束网络结构，成功构筑了VES清洁压裂液，且体系具的剪切稀释性能有效地降低压裂施工时泵注的压耗，有利于提高泵注的效率。

为了更加直观地研究VES-YF清洁压裂液中蠕虫状胶束形成的平衡、动态的网络结构，实验采用了三段式流变模型。实验分为三个阶段：第一振荡阶段、第二剪切阶段和第三振荡阶段。其中振荡阶段测试应变为1%，频率为1 Hz；剪切阶段的剪切速率为1 000 s-1，具体结果如图3所示。

图3 VES压裂液三段式流变Fig.3 The oscillation-shear-oscillation rheological experiments research on VES-YF fracturing fluid

对于VES-YF清洁压裂液体系，在第一阶段，随振荡时间的增加，G′和 G′保持平稳不变且 G′＞G′，这说明体系中存在以弹性为主的黏弹性网络结构。第二阶段为高速剪切阶段，高速剪切过程中，体系结构遭到破坏，黏度逐步降低。当停止剪切，进行第三阶段振荡实验，由于第二阶段的高速剪切，网络结构遭到破坏，体系的G′和G′初始降至很低，但随振荡时间增加，体系G′和G′缓慢上升并趋于平衡，这正是体系重新组装从而使原本破坏的结构发生恢复的结果，最终值基本和第一阶段持平。三阶段流变模型充分说明了体系中存在蠕虫状网络结构，具有很好的组装-解体-组装恢复性能，且剪切前 G′为 5.5 Pa、G′为 2.5 Pa,1 000 s-1剪切 100 s后黏度为 30 mPa·s，剪切后 G′为 5.4 Pa、G′为 2.4 Pa，各指标均高于《SY/T 6376-2008压裂液通用技术条件》标准要求。这种性能有助于压裂液经过井筒和炮眼的高速剪切进入地层后，重新组装形成黏弹性网络结构，从而在裂缝中携砂运移、控制裂缝的几何形态[17-19]。

VSE-YF清洁压裂液形成机制如图4所示。由图4可知，当表面活性剂浓度较低时，表面活性剂分子以单分子形式分散在溶液中，当达到一定浓度时，逐渐在水中亲水基相靠疏水基相相连形成聚集体——球状胶束；当浓度进一步增加，在无机盐（反离子）和助表面活性剂（胶束促进剂）的作用下，表面活性剂极性端间的电荷受到屏蔽，促进更多的表面活性剂参与胶束形成，使球状胶束向蠕虫状胶束转变；当蠕虫状胶束数量增加到一定程度，彼此间开始相互缠绕交叠形成柔性的三维网络结构[19]。F.Chen[20]、Z.H.Yan[21]等通过SEM和TEM均证实了表面活性剂形成的清洁压裂液中存在蠕虫状三维网络结构。VES-YF清洁压裂液（其中YF-1作为主表面活性剂、YF-2作为助表面活性剂、KCl作为无机盐）中正是这种网络结构的存在，使体系像凝胶一样具有优良的黏弹性，并具有剪切变稀和良好的剪切恢复性，具备满足压裂施工中复杂剪切工况下的性能要求。

图4 VES-YF压裂液成胶机理Fig.4 Mechanism of the formation of VES-YF fracturing fluid

2.3 VES-YF清洁压裂液的性能评价

2.3.1 抗剪切性能依据《SY/T 5107-2005水基压裂液性能评价方法》测量VES-YF清洁压裂液的耐剪切性能（见图5）。由图5可以看出，在45℃、170 s-1下剪切2 h后，压裂液黏度均保持在80 mPa·s以上，高于标准大于20 mPa·s的指标要求，抗剪切性能良好。

图5 VES-YF压裂液抗剪切性能流变曲线Fig.5 Rheological curve of shear resistance of VES-YF fracturing fluid

2.3.2 悬砂性能分别取40 mL和60 mL的20/40目陶粒倒入200 mL配制好的VES-YF压裂液中，搅拌混合均匀后，放置到45℃水浴中观察陶粒的沉降情况，结果如图6所示。由图6可知，VESYF压裂液20%和30%砂比下静置2 h后仍有至少90%的陶粒悬浮，表明其悬砂性能良好，满足施工需要。

图6 VES-YF压裂液悬砂性能Fig.6 Suspended ability of VES-YF fracturing fluid

2.3.3 破胶性能压裂液破胶性能好坏直接影响压裂液的返排及压裂效果。VES压裂液由于其组成及结构的特殊性，地层遇到原油或者地层水后会自行破胶。油相中的烃类会被线性胶束增溶，胶束由线性转变成球形胶束，导致网络结构破解，体系黏度大幅下降；而地层水会不断稀释压裂液导致胶束浓度降低而破坏网络结构，最终使压裂液破胶。本实验向VES-YF压裂液加入不同量的柴油观测体系的破胶效果，并对破胶液的表界面张力、防膨性能和残渣含量进行评价，结果如表1、2所示。