油基压裂液的性能研究

王烁 朱杰

摘      要： 油基压裂液具有与地层配伍好、摩阻低、易返排、造缝能力强、携砂量大等优点，还具有良好的温度稳定性，可以应用于温度范围较高的油气层的压裂改造，能最大限度地降低压裂液对地层的伤害，对于江汉盆地以及四川地区的低渗低压水敏性强的油气藏的压裂改造意义重大。开展了柴油作为基液的条件下压裂液的流变性、黏温性等性能的研究，实验结果都符合压裂液的通用技术标准。通过测定不同配比下的交聯剂和胶凝剂的黏弹性和触变性，最终确定合适的复配体系，实验表明质量分数0.5%的胶凝剂下质量分数1%的柴油交联剂效果最好。

关  键  词：流变性;黏弹性;复配体系;压裂液

中图分类号：TE357.12        文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2020）08-1683-06

Abstract： Oil-based fracturing fluid has the advantages of good compatibility with formation， low friction， easy backflow， strong fracture-making ability and large sand carrying capacity. It also has good temperature stability， can be applied in fracturing reconstruction of oil and gas reservoirs with high temperature range， and can minimize the damage of fracturing fluid to formation， so it is of great significance to fracturing reconstruction of low permeability and low pressure water-sensitive oil and gas reservoirs in Jianghan basin and Sichuan region. The rheological property，viscosity-temperature property and other properties of diesel-based fracturing fluid were studied， the results showed that the diesel-based fracturing fluid can meet the general technical standards of fracturing fluid. By measuring the viscoelasticity and thixotropy of diesel-based fracturing fluid with cross-linking agent and gelling agent in different proportions， the appropriate compound system was finally determined. Experiments showed that the diesel-based fracturing fluid with 1% cross-linking agent and 0.5% gelling agent had the best effect.

Key words： Rheology; Viscoelasticity; Compound system; Fracturing fluid

根据近年来的相关统计[1]，由于油气藏地质构造复杂，新发现的油气藏多为低压低渗高水敏型，占已探明总储量的三分之一，且仍在不断增加。四川、长庆、吉林、吐哈等主要油田就是属于这类储层。在钻井和完井过程中，油气藏也将受到破坏，勘探开发生产的难度大大增加。如何最大效益地用合适的方法去勘探开发油气藏对提高油气产量具有重要的意义。压裂是已经被论证的各种增产措施中作用最大和最切合实际的方法。不同类型的压裂液已在中国各种油田中用于开发这种类型的储层，不同类型的压裂液在增加油气产量的过程中所产生的作用不一样。

虽然改变低渗透性的油藏关键方法之一是水基压裂液，且水基压裂液具有市场价格便宜，容易在增产过程中起到作用，在现阶段得到了迅猛的发展。但是，水基压裂液在各个钻井现场的数据报告表明，如果在强水敏油藏的压裂过程中使用水基压裂液进行施工，水基压裂液具有较慢的回流速率和较低的返排率，这可能使接近低压的油层发生断裂。含水饱和度高的油层会减少油的相对渗透率，压裂液中的水导致黏土的膨胀和运移，这容易导致难以克服的缺陷，例如水锁效应和大的液体阻力。这导致孔喉道堵塞，然后由于破裂效果致使产量减少。油基压裂液的静水压力接近轻质油，对水敏感地层没有损害。油基压裂液具有与地层相容性好（与地层的岩石不发生反应），摩擦阻力小，比较容易返排，造缝能力比较强，携砂量大等优点，这种压裂液能很好地满足于低压低渗透水敏油藏的开发[2]。更为关键的是，该类油基压裂液不仅仅能够在高温储层条件下进行压裂工作，拥有不错的携带砂体的能力和能稳定控制温度的能力，又能够使得压裂液对储层渗透率及孔隙度伤害降到最低。虽然油基压裂液还没有被广泛地使用在各油田施工压裂中，但油基压裂液在国内外都得到了人们的一致好评[3-4]。

油基压裂液是油冻胶体系，它是通过使得压裂液稠化，柴油作为基液发生交联反应形成的。因为它是将油当成基础液，油与油藏在一起能够得到优秀的相容性;它没有含水相，可十分有效地抑制储层的黏土膨胀;密度小，地层破裂压力参数不大于1的储层容易返排出油基压裂液。聚合物是水基压裂液的主要增稠剂。它们不会完全破坏凝胶，往往会进入孔喉并降低孔喉面积从而减小储层渗透率，对储层损害严重。油基压裂液稠化剂相对分子量非常低，是水基的万分之一，完全溶于油并且里面不会含有固相的物质，与Fe3+交联组合成三维的网状构造，油基液体因此变稠，然后在破胶后成为小分子。油基压裂液非常容易返排，滤失量较小，摩擦阻力也相对较小，对地层损伤小，抗温度抗剪切力强，造缝能力强，携砂量大，适用于低渗透低压强水敏性储层。它能在较宽的温度范围内使用，并能显著提高产能。油基压裂液本身也是一种清洁的压裂液[5]。

油基液、胶凝剂、交联剂和破胶剂四个部分是目前形成油基压裂液的重要组成部分。其中，胶凝剂是压裂液的重要组成部分。因为烷基碳链在其自身的构造中的分布与柴油的组成成分之间有着某些不为人知的对照关联，所以两种物质混合后所得的混合物之后它的性能情况也会对压裂液的量造成很大的影响[6]。在早先的油基压裂液配制中[7]：原油或成品油加入质量分数为0.6%～1.5%的有机磷酸酯胶凝剂，再加入质量分数为0.06%～0.15% NaAlO2 活化剂，最后加入适量的破胶剂。这种油基压裂液的适用温度范围在50 ℃到100 ℃之间。

1  实验部分

1.1  主要仪器

实验中使用的主要实验药品和实验仪器见表1和表2 。

1.2  油基压裂液制备

实验中进行的第一个步骤是称量质量为500.00 g的基液（柴油）放入500 mL的大烧杯中，然后再向烧杯中加入烷基磷酸酯，最后再用型号为JJ-1的定时电动搅拌器不断地搅拌，观察表面现象，等到它充分溶解后再将其分成10等份于每个小玻璃瓶当中，往里面加入不同比例的交联剂，震荡玻璃瓶，等到溶液完全溶解形成胶体后记录成胶时间，并测定胶液黏度等性能。

2  实验结果与性能研究

2.1  黏弹性

在低频率的剪切速率条件下，可以使用Maxwell模型对成胶的流变性进行评价。G'（w）表示黏弹性体的弹性，该弹性的大小跟它的频率有关，并且表示出的是线性黏弹性能量存储的大小。它被称为储能剪切模量或同相剪切模量，也被称为弹性模量[7]。

黏弹性是指材料既具有黏性又具有弹性，黏性和弹性是材料黏弹性的两个重要组成部分。弹性一般用弹性模量（同相位剪切的模量，G'）来表示，弹性模量是表示材料变形储存的能量大小（它是可以变为原来的形状），它随着高频平台模量的增大而增大，反映了材料的弹性大小。豁性一般用黏性模量（异相位动态剪切模量，G"）来表示，黏性模量是表示材料发生变形损失的能量大小（它不能变为原有的形状），它也会随着高频平台模量的增大而变大，反映了材料的黏性大小。实部部分由弹性模量表示，反之它的黏性模量则为虚部，两者相结合就会形成了复模量（G*），复模量表示当材料由于外界因素发生形变，抵抗形变让材料本身不变形的能量的大小，复模量越大，那么这种材料抵抗不发生形变的能力就会越强。为了反映出材料弹性和黏性对应关系，引入了损耗角（?），就是tan?= G"/ G'，?的正切表示的是G"/G'。如果tan?大于1时，那么就代表材料能够储能的模量要比材料自身耗费的模量小，黏性是材料的主要性質;当tan?小于1的情况下，材料储能模量要大于损耗模量，弹性是材料的主要性质;当tan?等于1的情况下，材料损耗模量大致与储能模量相等，半固态是材料表现出来的状态，也就是在一个临界流动的情况[8-9]。

不同质量分数交联剂条件下的黏弹性大小见表3、表4。

图1到图3显示了油基压裂液弹性模量G' 和黏性模量G"在不同的交联剂浓度条件下随着剪切速率变化的情况。在该剪切频率范围内，压裂液的弹性模量G' 总是大于黏性模量G"值，压裂液表现出良好的弹性。它具有典型的凝胶特性，形成的凝胶相对较强。当剪切速率控制在0～60 rad·s-1内，凝胶本身的结构也没有随着速率的变化而发生破坏，并且它也没有溶胶，G' 一直要比G"大。

图1与图3的纵向比较表明，随着胶凝剂与交联剂浓度不断地提高，压裂液的两个模量G'和G"都会随着它的增加也呈现出上升的趋势，上述图表现象说明了胶凝剂和交联剂的添加量会影响压裂液的黏弹性，这种原因是由于胶凝剂和交联剂浓度不断地增加使得基液中形成的网状结构也随着它的变化而变得密集起来，强度越大，抗剪性能越大，不太可能被破坏，说明它有很高的弹黏性效果，也说明此条件下的油基压裂液有很好的携砂能力，并且它的摩阻也比较低。

在0～60 rad·s-1 剪切范围内，通过观察上述表格可以发现压裂液的弹性模量G'都是远高于2.0 Pa，而且对应的黏性模量G"在0～60 rad·s-1范围内值也略高于0.30 Pa，以上数据可满足石油天然气行业标准SY/T 6376—2008“压裂液通用技术条件”中油基压裂液的规定。

2.2  触变性

一般触变性流体它的自身结构都是三维网状的，对于这种结构的形成被称为凝胶，它是通过分子间氢键作用以及范德华力的作用。因为这两个键作用能力相对比较弱，所以当它们被剪切力作用时，断裂了分子之间的键，也破坏了它们自身的三维网状结构，之前凝胶的体系也会慢慢地被破坏了。对于这种状况下的破坏会随着时间的变化而变化的，在时间不断增加的过程，它的黏度在实验中要求的剪切速率条件下降到最低，当出现这种现象时，凝胶就会被彻底的破坏了，这也被称为“溶胶”。如果剪切作用力没有了，那么先前的凝胶结构也会慢慢地复原，但是这种速度比之前破坏的速度要慢很多。并且触变性的特征就指的是凝胶结构的形成和它的破坏力度[10-12]。

在最佳交联比下用柴油作为基液制备以下三种不同交联比的油基压裂液。

图4至图6分别显示了3种不同的基于柴油基的油基压裂液的触变性质。

一些触变性的流体它的黏度除了受剪切作用力影响，还会随着时间变化而变化。当受到剪切力作用时，使得它内部结构也遭受到了破坏，这样就会降低了流体的黏度，但触变这个过程是可以重复进行的，当它的剪切应力不断减小，流体的结构还是有重新回到之前的可能，对应的黏度也会随着恢复。

对于一些流体受到剪切应力作用后，它们的结构就会发生变化，甚至有些流体还会转变，这种情况流体的上下行曲线是不可能重叠在一起的。因为上下曲线的起点和终点重合在一起（图表中可以看出），这个情况形成了一个封闭图形，然而触变性强弱就是通过这个封闭环围成的多少面积来决定的。触变环它圈闭形成的面积区域决定了它从凝胶变为溶胶这个过程失去的能量多少。如果触变环围成的面积越大，那么就表示对这种体系结构破坏的话所需要的能量也会随之变大。它自身的结构恢复需要花费较长的时间则表示这种条件下系的结构变得越稳定。

由图4至6可知，柴油基液下1%交联剂时凝胶的触变环面积最大，说明了它有较好的抗剪切能力。

2.3  黏温性能评价

压裂液对温度的适应情况决定了压裂液在石油开采的地层温度条件下是否能顺利地将支撑剂送到地层裂缝里面去。对于实验中配好的油基压裂液，调节剪切速率为170 s-1进行实验，温度变化范围从40 ℃到100 ℃，观察当胶凝剂一定时，不同交联剂的添加量在柴油基条件下的黏温关系，黏度变化如表6所示。

观察图7可以看出，温度不断升高之后，同体系的压裂液黏度大多会随温度升高而降低，同样压裂液的抗剪切作用能力也变小了。但是，在实验测定的40～100 ℃区间范围内，质量分数为0.8%～1.4%的不同胶凝交联比的溶液表明了这种条件下的油基压裂液耐温性较好。当图表中比例为1.4%时，通过流变仪测得的黏度变化可以看出，此条件下的黏度变化不是太大，说明这时的胶凝剂与交联剂交联之后与基液在震荡过程中充分接触，使得形成的胶体变为一个热稳定性比较强的新分子。

压裂液的耐温性也会随着交联剂的变化而发生相应的改变。随着黏度降低至100 mPa·s（这是衡量标准），磷酸二烷基酯复合铁增稠剂的最高耐温性在浓度为0.4%时为60 ℃，在质量分数为1.0%时达到了100 ℃。根据上面的图表，交联剂的变化能适应温度高的条件，因此它也可用于油田的压裂现场施工。 现在拿交联剂浓度为1%的时候为例，压裂液的黏度为120.2 mPa·s，符合压裂液的标准，也表明它的耐温性远也远高于100 ℃。

2.4  破胶性能评价

现在油田常规使用的破胶剂有碳酸氢钠、苯甲酸钠、醋酸钾等。实验中选取了乙酸钠作为破胶剂来破胶降黏。通过用乙酸钠对交联之后的磷酸酯络合铁盐油基凝胶进行破胶，可以通过图8的反应来说明。

破胶反应过程是一种非均相的反应，这种破胶反应不仅需要较长的反应时间，而且也会使得破胶性能得不到充分的发挥。在实验过程恒定水浴锅温度后改变破胶剂的质量，让反应时间可以限制在2小时至几天内完成。在实验过程选取了无水乙酸钠作为破胶剂，加热水浴锅至70 ℃后，往烧杯中加入破胶剂的质量分别为0.4、0.5、0.6、0.7 g，破胶时间如表7所示 。

从表7中看出，随着破胶剂的用量增加，破胶所需的时间随之缩短，但后面随着破胶剂的量持续增加，破胶时间反而增加。因为碳酸钠的破胶时间太短，不能在现场施工使用，因此选择无水乙酸钠作为破胶剂，优选用量应为0.5 g。

3  结 论

1）制备出柴油作为基液条件下最佳的交联比和胶凝比的油基压裂液，分析交联比对成胶性能的影响。

2）在实验中通过对柴油作为基液条件下压裂液黏弹性和触变性能的实验研究表明：柴油基的弹性高于黏性，1%交联剂的柴油基下的凝胶的触变环面积最大。

3）对柴油基凝胶压裂液的黏温性进行了讨论，柴油基无水压裂液在交联剂质量分数为1%下，能达到耐温100 ℃，并且在这温度下压裂液的黏度为120.2 mPa·s，满足油基压裂液的黏度要求。

4）在油基压裂液实验过程中，提高水浴锅的温度，那么破胶液的黏度就会变得越低;当水浴锅的温度控制在70 ℃时，往烧杯中加入无水乙酸钠的质量为0.5 g左右，破胶剂黏度为2.69 mPa·s，几乎完全破胶。

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